变转速电动静液作动器速度死区及补偿方法研究

摘要

速度死区是影响变转速电静液作动器（EHA）定位调节时间、跟踪延迟时间和频宽等控制性能的重要因素，其中液压泵的流量死区在很大程度上引起了变转速EHA的速度死区。本文在考虑液压泵内泄漏及其出口容腔油液压缩的前提下，建立变转速EHA的速度模型，分析得出变转速EHA速度死区的本质及其影响因素与液压泵的流量死区的一致性，并得到液压泵流量死区的数学模型。基于以上研究，从理论上定性分析液压泵流量死区的多个影响因素对其宽度的影响，并以动力元件为齿轮泵的变转速EHA为例，利用其Simulink-AMESim仿真模型定量分析各因素对液压泵流量死区的影响。分析得出：液压泵的流量死区宽度随液压泵的出口容腔、负载压力、油温和启动加速度的增大而增大，随液压泵排量的增大而减小，并且液压泵流量死区宽度随负载压力和启动加速度的增大均呈线性增长，随油温升高呈现指数增长。 进一步，构建以普通PID控制算法作为控制器的变转速EHA控制系统，借助其Simulink-AMESim联合仿真模型，对比分析加入齿轮泵流量死区前后系统定位调节时间、正弦输入响应滞后时间和频宽的变化规律，以此等效研究变转速EHA速度死区对上述控制性能的影响。结果表明：随着齿轮泵流量死区即变转速EHA速度死区的增大，变转速EHA控制系统的定位调节时间、正弦输入响应延迟时间逐渐增大，而频宽逐渐降低。 液压泵泄漏系数ka、kb是计算变转速EHA速度死区宽度的重要参数，但直接测量困难。针对此问题，利用广义最小二乘算法，借助MATLAB平台进行离线辨识获得ka、kb估计值。通过ka、kb估计偏差计算齿轮泵泄漏间隙S、δ的偏差分别为-9.09%、5.55%，而总泄漏量变化较小，从而说明：利用广义最小二乘算法对液压泵泄漏系数ka、kb的离线辨识精度在可接受范围内。 针对由油液温度和负载压力变化引起的变转速EHA速度死区时变特性，根据变转速EHA速度死区与液压泵流量死区本质的一致性，提出一种基于齿轮泵动态死区逆的变转速EHA速度死区补偿方法。以线性化步进电机+齿轮泵环节为目标，推导获得齿轮泵流量死区逆模型，并基于此逆模型设计动态死区逆补偿控制器。搭建未考虑齿轮泵流量死区的PID变转速EHA控制系统，依次将包含流量死区的齿轮泵模块和动态死区逆补偿控制器加入到上述控制系统中，利用Simulink-AMESim平台仿真验证动态死区逆补偿控制器对齿轮泵流量死区的补偿效果。试验结果表明：当负载压力为3~21MPa、油温为20~80℃时，动态死区逆补偿控制器使得包含速度死区的变转速EHA控制系统在阶跃响应调节时间上相对减少了68.01%~99.42%；当负载压力为21MPa、油温为50℃、80℃时，正弦输入响应的时间延迟量减小了84.56%、86.00%；负载压力为21MPa下，油温为50℃和80℃时系统频宽分别提升了13.71%和65.85%.

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源、研究目的和意义

1.1.1 研究目的

1.1.2 研究意义

1.2 研究现状

1.2.1直驱式液压系统中元件死区及补偿方面的研究现状

1.2.2液压阀、缸等的死区及补偿研究现状

1.3 论文主要内容

第2章 变转速EHA速度死区产生机理及影响因素

2.1 变转速EHA速度死区产生机理分析

2.1.1电动机模型

2.1.2液压泵模型

2.1.3液压缸模型

2.1.4变转速EHA速度模型

2.1.5速度死区与流量死区的等效分析

2.2液压泵流量死区影响因素理论分析

2.3液压泵流量死区影响因素仿真分析

2.3.1齿轮泵流量连续性方程

2.3.2齿轮泵流量死区仿真模型搭建

2.3.3齿轮泵死区影响因素仿真分析

2.4速度死区对变转速EHA系统的影响分析

2.5 本章小结

第3章 齿轮泵泄漏系数辨识

3.1 辨识介绍及算法选择

3.2广义最小二乘法基本原理

3.3齿轮泵泄漏系数的辨识

3.3.1 变转速EHA的简化辨识模型

3.3.2 简化辨识模型离散化

3.3.3 辨识计算齿轮泵泄漏系数

3.4 本章小结

第4章 变转速EHA速度死区补偿研究

4.1变转速EHA速度死区补偿策略的提出

4.2 液压泵流量死区逆模型

4.3 变转速EHA速度死区的补偿控制仿真研究

4.4 本章小结

第5章 变转速EHA速度死区研究实验平台

5.1变转速EHA速度死区补偿策略的提出

5.2 本章小结

总结与展望

1总结

2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录B 科研项目与实践