工程機械模擬實驗研究范文

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1比例溢流閥數學建模

1．1比例溢流閥分析

在負載模擬系統中，通過控制電液比例閥和變量泵來實現負載的模擬加載。比例溢流閥主要由先導液阻網絡、主閥、比例電磁鐵組成，其在系統中完成電-機械-液壓之間的能力轉換。如果忽視比例電磁鐵電性能的一階滯后性，比例放大器和電磁鐵線圈是一個比例環節，完成電信號向機械能轉變。理論上液比例閥傳遞函數為一個四階模型，實際為一個非線性時變系統，有著更高的階，因此對于比例溢流閥動態模型的獲取，將采取實驗測試的手段獲得比例閥的階躍響應。

1．2比例溢流閥系統辨識建模

系統辨識是利用觀測到的系統輸入輸出數據構造系統數學模型的方法，內容包括模型結構的確定、參數估計、模型驗證。首先，通過后面的動力系統負載模擬實驗平臺采集到包含系統特征的輸入數據和輸出數據，如圖2所示。其次，確定待辨識的動態模型結構，其結構可以歸結為確定系統的階數和輸出量對于輸入量的滯后時間的問題。接下來，進行參數估計，當已知或者假設模型結構后，模型未知部分是動態模型的參數，需要根據輸入、輸出數據估計這些參數。參數估計是系統辨識的中心內容。最后，進行模型驗證，驗證辨識出的模型與實際過程的特性的一致性。最終模型應當是在滿足精度的要求下，盡可能簡單的數學模型。采用Matlab的系統辨識工具箱，只需要輸入需要辨識的輸入數據和輸出數據，選擇一定的系統模型，經過一定的數據預處理，最終得到所需要模型的參數估計值，從而實現系統的辨識。在Matlab輸入ident，即可出現如圖3所示的界面，在importdata里導入數據，在estimate里選擇需要的模型。常見的辨識數學模型有ARM模型、ARMAX模型、OE(Output-Error)模型、ARX模型、State-Space模型、BJ模型(Box-Jenkins)等，本文采用OE辨識模型，表達式為:參數識別結果見圖4。根據圖4，采用6階OE模型得出的辨識模型跟實際系統數據對比，計算出相似度達到96%，表明該線性系統能比較準確的反映實際系統的傳遞特性。

2負載控制策略研究

2．1負載加載分析

研究泵吸收轉矩控制策略，通過調節變量泵的壓力和流量實現負載模擬;進行負載加載控制算法研究，實現準確快速的負載模擬。由于方法的相似性，考慮到試驗中流量積分變送儀表具有較長的檢測延遲時間，大約為0．5s，因此進行流量的閉環控制調節較難實現，實驗中只采取恒流量調壓力的控制方式來實現對發動機與泵負載的模擬。閉環控制系統如圖5所示。其中Ktp為扭矩-壓力傳遞系數;eq為流量擾動干擾;Ksp為傳感器測量比例系數。

2．2控制策略研究

PID控制的價值在于它對大多數控制系統的廣泛適用性，由于其算法的魯棒性強、可靠性好，而且算法簡單，本文采用增量式PID控制算法:PID控制器設計的根本任務是選擇適當的3個參數Kp，Ki和Kd，有實驗法和解析法兩類方法。經驗法簡單可靠，但需要有一定現場運行經驗。通過不斷的在線經驗調試，確定了Kp=12，Ki=7，Kd=20。圖6中曲線1為系統經過OE辨識后，所得到的六階線性系統理論輸出結果;曲線2和3為增量式PID控制取不同參數值所得實驗結果。結果對比可得，采用增量式PID控制方法，根據現場經驗調試選取適當的PID參數值，控制電液比例溢流閥效果明顯，控制響應速度快、穩定性高。

3動力系統負載模擬實驗平臺測試

根據上面的分析及準備，搭建的工程機械動力系統負載模擬實驗平臺如圖7所示。將增量式PID控制程序寫入控制器，并進行測試。將現場采集到的負載數據(如圖8)導入上位機，進行單泵加載試驗，采集泵出口壓力如圖9所示，根據采集到的數據計算可知模擬負載相對于實際負載的誤差σ小于4．5%。工程機械動力系統負載模擬如圖10所示。實際負載與模擬負載的誤差結果表明，此實驗平臺可以準確可靠地實現工程機械負載模擬，可以避免工程機械整車測試的繁瑣與人為因素、工況等不可控條件所導致的測試誤差，提高了測試的可信度。并進行三泵時加載，測得轉速、扭矩、三個泵出口壓力，表明該負載模擬實驗平臺可以對大多數工程機械負載進行模擬。

4結語

根據負載模擬實驗系統設計要求及其原理，通過Matlab系統辨識確定了比例溢流閥的數學模型，選取增量式PID控制算法進行負載模擬控制，完成負載模擬實驗平臺的搭建，在實驗平臺上完成了負載模擬，測試結果顯示模擬負載與實際負載誤差小于4．5%，表明該平臺可以實現負載的準確可靠模擬，可進行動力匹配、發動機性能測試、液壓元器件動態性能測試、控制器在線控制等測試，有較強的工程實用價值。

作者：胡均平李亮紅單位：中南大學機電工程學院