工程机械模拟实验研究范文

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1比例溢流阀数学建模

1．1比例溢流阀分析

在负载模拟系统中，通过控制电液比例阀和变量泵来实现负载的模拟加载。比例溢流阀主要由先导液阻网络、主阀、比例电磁铁组成，其在系统中完成电-机械-液压之间的能力转换。如果忽视比例电磁铁电性能的一阶滞后性，比例放大器和电磁铁线圈是一个比例环节，完成电信号向机械能转变。理论上液比例阀传递函数为一个四阶模型，实际为一个非线性时变系统，有着更高的阶，因此对于比例溢流阀动态模型的获取，将采取实验测试的手段获得比例阀的阶跃响应。

1．2比例溢流阀系统辨识建模

系统辨识是利用观测到的系统输入输出数据构造系统数学模型的方法，内容包括模型结构的确定、参数估计、模型验证。首先，通过后面的动力系统负载模拟实验平台采集到包含系统特征的输入数据和输出数据，如图2所示。其次，确定待辨识的动态模型结构，其结构可以归结为确定系统的阶数和输出量对于输入量的滞后时间的问题。接下来，进行参数估计，当已知或者假设模型结构后，模型未知部分是动态模型的参数，需要根据输入、输出数据估计这些参数。参数估计是系统辨识的中心内容。最后，进行模型验证，验证辨识出的模型与实际过程的特性的一致性。最终模型应当是在满足精度的要求下，尽可能简单的数学模型。采用Matlab的系统辨识工具箱，只需要输入需要辨识的输入数据和输出数据，选择一定的系统模型，经过一定的数据预处理，最终得到所需要模型的参数估计值，从而实现系统的辨识。在Matlab输入ident，即可出现如图3所示的界面，在importdata里导入数据，在estimate里选择需要的模型。常见的辨识数学模型有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辨识模型，表达式为:参数识别结果见图4。根据图4，采用6阶OE模型得出的辨识模型跟实际系统数据对比，计算出相似度达到96%，表明该线性系统能比较准确的反映实际系统的传递特性。

2负载控制策略研究

2．1负载加载分析

研究泵吸收转矩控制策略，通过调节变量泵的压力和流量实现负载模拟;进行负载加载控制算法研究，实现准确快速的负载模拟。由于方法的相似性，考虑到试验中流量积分变送仪表具有较长的检测延迟时间，大约为0．5s，因此进行流量的闭环控制调节较难实现，实验中只采取恒流量调压力的控制方式来实现对发动机与泵负载的模拟。闭环控制系统如图5所示。其中Ktp为扭矩-压力传递系数;eq为流量扰动干扰;Ksp为传感器测量比例系数。

2．2控制策略研究

PID控制的价值在于它对大多数控制系统的广泛适用性，由于其算法的鲁棒性强、可靠性好，而且算法简单，本文采用增量式PID控制算法:PID控制器设计的根本任务是选择适当的3个参数Kp，Ki和Kd，有实验法和解析法两类方法。经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验。通过不断的在线经验调试，确定了Kp=12，Ki=7，Kd=20。图6中曲线1为系统经过OE辨识后，所得到的六阶线性系统理论输出结果;曲线2和3为增量式PID控制取不同参数值所得实验结果。结果对比可得，采用增量式PID控制方法，根据现场经验调试选取适当的PID参数值，控制电液比例溢流阀效果明显，控制响应速度快、稳定性高。

3动力系统负载模拟实验平台测试

根据上面的分析及准备，搭建的工程机械动力系统负载模拟实验平台如图7所示。将增量式PID控制程序写入控制器，并进行测试。将现场采集到的负载数据(如图8)导入上位机，进行单泵加载试验，采集泵出口压力如图9所示，根据采集到的数据计算可知模拟负载相对于实际负载的误差σ小于4．5%。工程机械动力系统负载模拟如图10所示。实际负载与模拟负载的误差结果表明，此实验平台可以准确可靠地实现工程机械负载模拟，可以避免工程机械整车测试的繁琐与人为因素、工况等不可控条件所导致的测试误差，提高了测试的可信度。并进行三泵时加载，测得转速、扭矩、三个泵出口压力，表明该负载模拟实验平台可以对大多数工程机械负载进行模拟。

4结语

根据负载模拟实验系统设计要求及其原理，通过Matlab系统辨识确定了比例溢流阀的数学模型，选取增量式PID控制算法进行负载模拟控制，完成负载模拟实验平台的搭建，在实验平台上完成了负载模拟，测试结果显示模拟负载与实际负载误差小于4．5%，表明该平台可以实现负载的准确可靠模拟，可进行动力匹配、发动机性能测试、液压元器件动态性能测试、控制器在线控制等测试，有较强的工程实用价值。

作者：胡均平李亮红单位：中南大学机电工程学院