一种翻车机液压驱动系统仿真方法

技术领域

本发明涉及翻车机技术领域，尤其涉及一种翻车机液压驱动系统仿真方法。

背景技术

翻车机指一种用来翻卸铁路敞车散料的大型机械设备。可将有轨车辆翻转或倾斜使之卸料的装卸机械，适用于运输量大的港口和冶金、煤炭、热电等工业部门。矿井下的矿车也大多用小型翻车机卸车。

在公开号为CN103101776A的“液压缓冲销齿翻车机”中，提到翻车机主要包括液压马达以及液压系统等部分组成，但是，翻车机为旋转变力矩设备，传统的液压系统采用开环控制，即采用PWM比例阀控制流量，进而最终控制液压马达的转速，其使用过程中难以应对翻车机的变力矩特性，速度会出现较大抖动，影响翻卸效率及安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种翻车机液压驱动系统仿真方法，通过建立PWM比例阀、液压驱动系统与速度传感器的数学模型，在计算机仿真软件中进行控制器模型的数字化搭建、修改、仿真，通过数据检查器优化测试结果，进而在无需实物的条件下得以设计数字控制器，并得到最优化参数集，使得该数字控制器足以应对翻车机的变力矩特性，速度控制精确平稳，翻卸效率得以提升，安全性得以保证。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种翻车机液压驱动系统仿真方法，所述翻车机液压驱动系统包括速度传感器，所述速度传感器用于检测翻车机液压驱动系统中液压马达的转速，所述方法包括以下步骤：

S1、建立PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的时域方程；

S2、通过PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的时域方程，分别建立对应的动态模型，同时建立数字控制器的时域方程；

S3、通过数字控制器的时域方程和PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的动态模型，建立数字控制器的初始动态模型；

S4、将上述各个动态模型进行封装与组合，建立完整的翻车机液压驱动系统动态模型；

S5、在翻车机液压驱动系统动态模型的基础上进行系统仿真，建立数字控制器的最终动态模型。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述系统仿真包括开环仿真、恒转矩负载闭环仿真与变转矩负载闭环仿真。

进一步优选的，所述开环仿真用于确定PWM比例阀的脉冲调制值与液压马达转速之间的线性关系，并得到仿真曲线，在所述仿真曲线上通过游标找到与翻车机典型转速相应的开环给定值。

更进一步优选的，所述恒转矩负载闭环仿真包括以下步骤：

S511、模拟翻车机负载不变且质心不变的情况；

S512、将开环仿真得到的开环给定值，输入至翻车机液压驱动系统动态模型，得到液压马达达到稳态时的积分系数I，所述积分系数I用于消除稳态误差。

更进一步优选的，所述变转矩负载闭环仿真包括以下步骤：

S521、在恒转矩负载闭环仿真的基础上模拟实际工作情况；

S522、引入比例增益P与微分系数D，通过调整比例增益P与微分系数D的数值得到液压马达转速的仿真曲线簇，其中，所述比例增益P用于减少实际转速与给定转速的偏差，微分系数D用于对实际转速进行超前调整；

S523、选取最接近液压马达给定转速的仿真曲线，并得到对应比例增益P与微分系数D的数值。

更进一步优选的，将积分系数I、比例增益P与微分系数D的数值输入数字控制器的初始动态模型，进而得到数字控制器的最终动态模型。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述PWM比例阀的时域方程如下：

其中，displacement(t)为比例阀的开度，PWM current(t)为比例阀的输入电流，a为比例阀电流下门限，b为比例阀电流上门限。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述液压驱动对象的时域方程如下：

motor speed(t)＝Delay(displacement(t)(nH+disturb(t)),Δt)

其中，motor speed(t)为液压马达转速，displacement(t)为比例阀的开度，disturb(t为负载扰动，Δt为时滞时间，nH为液压马达的额定高速转速。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述速度传感器的时域方程如下：

其中，frequency(t)为输出脉冲频率，speed(t)为液压马达转速，x为速度传感器脉冲特性参数。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述数字控制器的时域方程如下：

error(t)＝set speed(t)-speed FB(t)

其中，error(t)为误差，set speed(t)为给定转速，speed FB(t)为速度反馈，PWMcurrent(t)为比例阀电流，I为积分系数，P为比例增益，D为微分系数。

本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过建立PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的时域方程与动态模型，并建立相应数字控制器的时域方程与动态模型，将上述动态模型组合形成液压驱动系统的动态模型，从而对液压驱动系统的动态模型进行仿真调整，进而在无需实物的条件下得以设计数字控制器，并得到最优化参数集，使得该数字控制器足以应对翻车机的变力矩特性，速度控制精确平稳，翻卸效率得以提升，安全性得以保证；

(2)通过开环仿真、恒转矩负载闭环仿真与变转矩负载闭环仿真，确定数字控制器的PID参数，并将得到的PID参数输入数字控制器，得到最终动态模型，其可以有效的控制转速，抑制负载扰动，从而提升整体翻卸效率及安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的流程图；

图2为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的比例阀电流-开度特性曲线图；

图3为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的PWM比例阀动态模型示意图；

图4为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的液压驱动对象动态模型示意图；

图5为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的速度传感器动态模型示意图；

图6为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的数字控制器动态模型示意图；

图7为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的翻车机液压驱动系统动态模型示意图；

图8-9为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的开环仿真斜坡给定仿真数据图；

图10为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的恒转矩负载闭环仿真阶跃给定仿真数据图；

图11-12为本发明的翻车机液压驱动系统仿真方法的变转矩负载闭环仿真阶跃给定仿真数据图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1-12所示，本发明的一种翻车机液压驱动系统仿真方法，所述翻车机液压驱动系统包括速度传感器，所述速度传感器用于检测翻车机液压驱动系统中液压马达的转速，包括步骤S1-S5。

S1、建立PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的时域方程。

给PWM比例阀一定的脉宽调制电流，会产生一定的电磁吸力，此电磁吸力会使阀芯产生一定的位移(即阀芯开度)，根据PWM比例阀的输入输出曲线和控制数据即可得到时域方程，所建立的PWM比例阀的时域方程如下：

其中，displacement(t)为比例阀的开度，PWM current(t)为比例阀的输入电流，a为比例阀电流下门限，b为比例阀电流上门限，Saturation为饱和函数，其作用就在于将比例阀的开度限制在取值范围0-100％内。

液压油在PWM比例阀阀芯具有一定开度时会产生流量，此时液压油会驱动液压马达产生转速，转速与阀芯开度几乎是线性关系，同时，由于PWM电磁阀到液压马达之间存在着相当长度的输油路径，而液压油具有一定的可压缩性，且输油软管具有一定的弹性，因此不可避免的会产生动力传输滞后的现象，因上述线性关系和时滞特性，根据液压基础数据表，同时考虑外部干扰的作用，建立液压驱动对象的时域方程如下：

motor speed(t)＝Delay(displacement(t)(nH+disturb(t)),Δt)

其中，motor speed(t)为液压马达转速，displacement(t)为比例阀的开度，disturb(t)为负载扰动，Δt为时滞时间，Delay为延时函数，可按指定的时间量进行延迟输入，nH为液压马达的额定高速转速。

设计的速度传感器采用T4特性，输出为方波频率信号。速度传感器安装在液压马达输出轴旁，假定其脉冲特性为xpulse/r，液压马达转速为nr/min。因此，每分钟速度传感器的脉冲数为xn个，即每秒脉冲数为

其中，frequency(t)为输出脉冲频率，speed(t)为液压马达转速，x为速度传感器脉冲特性参数。

S2、通过PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的时域方程，分别建立对应的动态模型，同时建立数字控制器的时域方程。

Simulink是Mathworks公司推出的MATLAB软件中的一种可视化仿真工具，是一个模块图环境，用于多域仿真以及基于模型的设计，其可理解为一种可视化的语言体系，其通过模块化的手段把数学公式、算法进行拆分，用搭积木的方式进行组合呈现。Simulink提供图形编辑器、可自定义的模块库以及求解器，能够用精准数学模型描述用户需求并且执行动态仿真。时域方程表达了输入输出的映射关系(函数)，利用Simulink的库函数模块进行输入输出映射关系的复现，即可建立与时域方程对应的动态模型。

根据PWM比例阀时域方程建立的动态模型，如图3所示，包括乘法模块、乘除模块、加法模块与饱和函数模块，比例阀电流下门限电流a输入乘法模块并乘以-1后进行输出，分别输出至两个加法模块，其中一个加法模块将乘法模块输出值与比例阀的输入电流PWMcurrent相加，将相加后的值输出至乘除模块，另一个加法模块将输入的乘法模块输出值与比例阀电流上门限电流b相加并输出至乘除模块，由乘除模块进行运算并输出至饱和函数模块，由饱和函数模块进行处理后得到比例阀开度。

根据液压驱动对象时域方程建立的动态模型，如图4所示，包括加法模块、相乘模块与延时函数模块，额定高速转速nH与负载扰动disturb输入加法模块，由加法模块将其相加后输入至延时函数模块，延时函数模块进行处理后输出液压马达转速。

根据速度传感器时域方程建立的动态模型，如图5所示，包括相乘模块、常数模块与乘除模块，将速度传感器脉冲特性参数与液压马达转速speed输入相乘模块，运算后的数值与常数模块向乘除模块进行输入，常数模块输出常数，乘除模块将运算数值除以常数60并得到输出脉冲频率。

其中，frequency(t)为输出脉冲频率，speed(t)为液压马达转速，x为速度传感器脉冲特性参数。

根据PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的时域方程，建立的数字控制器的时域方程如下：

error(t)＝set speed(t)-speed FB(t)

其中，error(t)为误差，set speed(t)为给定转速，speed FB(t)为速度反馈，PWMcurrent(t)为比例阀电流，I为积分系数，P为比例增益，D为微分系数，e(t）为error(t)的简写，

S3、通过数字控制器的时域方程和PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的动态模型，建立数字控制器的初始动态模型。

根据数字控制器的时域方程和PWM比例阀、液压驱动对象与速度传感器的动态模型建立的数字控制器的初始动态模型，如图6所示，数字控制器的初始动态模型包括加减模块、PID控制器、选择模块、饱和函数模块、乘法模块、常数模块以及乘除模块，给定转速setspeed与速度反馈speed FB输入加减模块，由给定转速set speed减去速度反馈speed FB并输出至PID控制器，PID控制器用于调整积分系数I、比例增益P与微分系数D，并将数值均传输给选择模块，由选择模块输入饱和函数模块，并将处理后的数据传输至乘法模块，乘以2000后，与常数模块记载的常数一同输入乘除模块，由乘法模块输出数据除以输入常数，得到比例阀电流，需要注意的是，选择模块具有常规输入端、选择开关与开环测试端，选择开关控制常规输入端或开环测试端接入选择模块，正常情况下，PID控制器输出信号进入选择模块，在积分系数I、比例增益P与微分系数D还未确定时，即进行开环仿真时，PID控制器不输出信号，通过开环测试端进行信号的输入。

S4、将上述各个动态模型进行封装与组合，建立完整的翻车机液压驱动系统动态模型。

将PWM比例阀、液压驱动对象、速度传感器的动态模型以及数字控制器的初始动态模型进行组合封装得到翻车机液压驱动系统动态模型，如图7所示，数字控制器动态模型通过速度传感器动态模型读取液压马达转速，与给定转速进行实时比较，通过数字控制器动态模型的算法，输出适当的PWM电流，对PWM比例阀动态模型实施开度控制，进而通过液压系统回路来控制液压马达转速，由此组成完整的液压驱动闭环控制系统模型。

S5、在翻车机液压驱动系统动态模型的基础上进行系统仿真，建立数字控制器的最终动态模型。

所进行的系统仿真包括开环仿真、恒转矩负载闭环仿真与变转矩负载闭环仿真。

开环仿真用于确定PWM比例阀的脉冲调制值与液压马达转速之间的线性关系，并得到仿真曲线，在所述仿真曲线上通过游标找到与翻车机典型转速相应的开环给定值，在一个具体的实施例中，翻车机具有一个额定低速与一个额定高速，分别为5.8r/min与23r/min，其额定低速与额定高速均可作为翻车机的典型转速，如图8-9所示，通过游标所找到的开环给定值分别为14744和26455。

开环仿真后，进行恒转矩负载闭环仿真，其包括步骤S511-S512。

S511、模拟翻车机负载不变且质心不变的情况。

负载不变且质心不变为最简单的情况，此时综合负载为恒转矩特性。

S512、将开环仿真得到的开环给定值，输入至翻车机液压驱动系统动态模型，得到液压马达达到稳态时的积分系数I，所述积分系数I用于消除稳态误差。

给定恒速5.8r/min对应的开环给定值为14744，给定恒速23r/min对应的开环给定值为26455，将其中一个开环给定值输入翻车机液压驱动系统动态模型。

如图10所示，图中输入的开环给定值为14744，可以在此工况下通过数字控制器中的PID控制器调整积分系数I，并观察动态曲线，调整过程中比例增益P与微分系数D数值不变，取t＝2s时刻的转速误差δ≤2％(即转速超过5.85×98％＝5.7r/min)时的临界I值，需要说明的是，t＝2s为翻车机从启动到转速相对稳态的时刻，图中不同的曲线分别表示I＝2000，I＝2500，I＝2700，I＝3000，I＝4000，I＝5036时，马达转速的变化曲线，其中最接近给定转速的曲线为临界曲线，此曲线对应的I＝5036，并将此参数输入数字控制器，设置的积分系数I用于消除实际转速在稳态时与给定转速之间的误差。

在恒转矩负载闭环仿真之后，进行变恒转矩负载闭环仿真，所述变转矩负载闭环仿真包括步骤S521-S523。

S521、在恒转矩负载闭环仿真的基础上模拟实际工作情况。

实际工况是，当翻车机正翻时，车厢内的余煤随着角度的增大越来越少，质心也会跟随角度而变化，负载呈现变转矩特性。我们在恒转矩负载的基础上叠加一个斜坡负载和小正弦波负载，以此来模拟变转矩特性。

S522、引入比例增益P与微分系数D，通过调整比例增益P与微分系数D的数值得到液压马达转速的仿真曲线簇，其中，所述比例增益P用于减少实际转速与给定转速的偏差，微分系数D用于对实际转速进行超前调整。

为模拟翻车机正翻时的高低速切换的情形，此时固定I＝5036不变，设置不同的P、D参数，观察仿真曲线，得到仿真曲线簇，如图11所示。

S523、选取最接近液压马达给定转速的仿真曲线，并得到对应比例增益P与微分系数D的数值。

在图11中选择最接近给定转速的曲线，如图12所示，对应的P＝1307、D＝0.3。

将积分系数I、比例增益P与微分系数D的数值，即I＝5036、P＝1307、D＝0.3输入数字控制器的初始动态模型，具体输入至数字控制器初始动态模型的PID控制器中，进而得到数字控制器的最终动态模型。

同时，I＝5036、P＝1307、D＝0.3代入数字控制器的时域方程，得到的时域方程如下：

error(t)＝set speed(t)-speed FB(t)

至此，翻车机液压驱动系统的模型建立完成，得到的数字控制器的最终动态模型可以有效的控制转速，抑制负载扰动，从而提升整体翻卸效率及安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。