一种带式传输装置智能控制系统的设计

耿菲

(西安欧亚学院,陕西 西安 710065)

0 引言

带式传输装置在工业生产、产品运输中应用广泛。在特定环境中,为了降低系统压力损失对液压系统的影响,通常安装有相应的液压蓄能装置[1-2],而液压蓄能装置的安装虽然起到了一定的压力补偿作用,但这种被动的压力补偿方式存在较为明显的滞后性,降低了压力补偿的效果[3-4]。因此,在保证带式传输装置原有性能的同时,应进一步降低压力损失对液压系统的影响。本文设计了一种具有比例反馈环节的智能补偿系统。在对带式传输装置进行压力分析的基础上,通过比例换向阀、传感器构成的补偿环节达到压力补偿的目的,增强带式传输装置的稳定性。

1 设计目标

1)在保证带式传输装置正常工作的同时,降低压力损失对液压系统的影响。

2)能够驱动比例换向阀工作,成比例释放压力,降低压力损失,保持带传输装置的同步性。

2 带传输装置的结构与工作原理

2.1 总体结构

液压式带传动装置的结构[5-6],如图1所示。

1—传送带;2—主液压马达;3—主动轮;4、5—传感器;6—从动轮;7—副液压马达。图1 带传动装置的结构

2.2 工作原理

1)液压系统原理图

利用FLuidSIM软件构建了带传动装置的液压系统,如图2所示。

1—主液压马达;2—副液压马达;3、4—电磁换向阀;5—油箱;6—液压源。图2 带传动装置的液压系统

液压源6向液压系统提供一定的系统压力;当电磁换向阀3、4工作时,带传动装置液压系统工作中的主液压马达1与副液压马达2以一定速度进行旋转。

2)系统压力分析

在图2的基础上进行了系统仿真,如图3所示。

如图3所示,在FLuidSIM的仿真环境下[7-8],液压源6的工作压力为20MPa,液压泵流量为5L/min;主液压马达转速为343r/min;副液压马达转速为289r/min。通过FLuidSIM仿真发现主液压马达1与副液压马达2之间存在明显的速度偏差,证实系统存在一定的压力损失。

2.3 系统压力的偏差分析

本文结合图3中的仿真模型,在不同工作压力下,分别得到了主、副液压马达的压力值,如表1所示。

表1 带传动装置的系统压力值参数 单位:MPa

设液压系统工作压力p与主、副液压马达的压力偏差量Δp之间的比例关系为

p=k·Δp

(1)

式中k为比例系数。

本文在表1的基础上,结合式(1)构建了比例系数k的数学模型,并利用MATLAB分析且得到了比例系数。

(2)

可得k≈3.579。

3 控制系统的设计

本文以PID算法中的比例环节为基础,选用某公司具有较高响应速度的DSPIC30F2010数字信号处理器[9]为控制核心进行控制,控制流程如图4所示。

图4 控制系统流程

控制系统的主要功能是:通过压力传感器对带传动装置中主、副液压马达系统压力进行检测,得到主、副液压马达系统压力,当存在压力变化量Δp时,比较器驱动比例反馈环节,按照比例系数k向智能控制系统中的电磁比例换向阀输入适当强度的电流,使补偿系统成比例释放压力,进而达到稳定系统压力的目的。

4 系统的设计与仿真

本文运用AMESim软件,通过绘制系统草图、建立子模型、参数设置、运行仿真4个环节,分别建立了普通带传输系统与智能补偿带传输系统的仿真模型,进行了仿真实验,得到了相应的特性曲线。

4.1 普通带传输系统的仿真模型

1)建立仿真模型,如图5所示。

1—主液压马达;2—副液压马达;3、4—电磁换向阀;5—油箱;6—恒压源;7—信号源。图5 普通带传输系统的仿真模型

2)设定子模型参数,如表2所示。

表2 普通带传输系统的仿真模型参数

3)工作过程

信号源7产生控制电流,电磁换向阀3、4换向,普通带传输系统工作,液压马达1、2转动,带传送装置进行工作。

4.2 智能补偿系统的仿真模型

1)建立智能补偿系统的仿真模型,如图6所示。

1—比较器;2、3—压力传感器;4—副液压马达;5—电磁比例换向阀;6—电磁换向阀;7—恒压源;8—信号源;9—比例环节;10—主液压马达。图6 智能补偿系统的仿真模型

2)设定智能补偿系统的子模型参数,如表3所示。

表3 智能补偿系统的仿真模型参数

3)工作过程

信号源8产生控制电流,电磁换向阀6换向,带传输系统工作,液压马达4、10转动,这时系统中的压力传感器2、3开始工作,将采集到的信号经比较器1处理,若存在压力变化量Δp时比例环节9工作,并按照预定算法向补偿系统中的电磁比例换向阀5输入相应比例的控制电流,向系统成比例输入压力,进而达到平衡系统压力,减少压力变化量的目的,提高带传动装置的稳定性。

5 系统仿真与分析

本文对普通带传输系统与智能补偿系统的仿真模型进行了仿真实验。

5.1 普通带传输系统的仿真

依据4.1节中的仿真模型,按照表2中的参数进行设置并进行仿真,得到相应的特性曲线。如图7所示。

图7 普通带传输系统的特性曲线

5.2 智能补偿系统的仿真

依据4.2节中的仿真模型,按照表3中的参数进行设置并进行仿真,得到相应的特性曲线。如图8所示。

图8 智能补偿系统的特性曲线

5.3 结果分析

依据5.1与5.2节中的运行结果,分别对普通带传输系统与智能补偿系统进行了仿真实验并对结果进行比较分析。

1)由图7可知,普通带传输系统中,主液压马达能够快速达到稳定状态,而副液压马达在开始阶段其压力明显低于主液压马达,两者间存在明显的压力偏差,降低了系统的稳定性。

2)由图8可知,智能补偿系统中,主液压马达与副液压马达在开始阶段均能够快速地达到稳定状态。两者间无明显的压力偏差,保证了系统所需的工作压力。

通过分析证明智能补偿系统起到了压力补偿作用,保持了带传输装置所需压力的稳定供给。

6 结语

本文首先分析了带传输装置的结构与工作原理,通过分析与仿真发现负载的连续变化造成了一定的系统压力损失。其次,针对压力损失这一问题,文中以比例换向阀、传感器为硬件核心设计了一种具有比例反馈环节的智能补偿系统,通过向带传动装置液压系统成比例进行压力输入,进而达到压力补偿的作用。最后,以AMESim为手段搭建了普通带传输系统与智能补偿系统的仿真模型并进行了仿真运算,通过结果的对比分析,表明智能补偿系统起到了补偿作用,保持了带传动系统的稳定性,具有一定的应用价值。