基于MATLAB的液压系统的设计与仿真毕业论文1.doc

基于MATLAB的液压系统的设计与仿真院 系 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 毕业设计（论文）任务书班 级 题 目 基于MATLAB的液压系统的设计与仿真1、本论文的目的、意义：现代液压技术的发展，使得液压技术本身具有了独特的技术优势，并且已广泛运用于现代农业、制造业、能源工程、交通运输和物流工程、油气探测与加工、建筑与公共工程、航天与海洋技术、军事装备、国防工程等领域，成为农业、工业、国防和科学技术现代化进程中不可替代的一项重要基础技术，也是当代广泛推广与应用的重要基础技术知识之一。系统仿真技术是近20年来发展的一门新兴技术学科，它是利用系统模型对真实系统进行分析研究的过程。当在实际系统上进行试验研究难于实现时，仿真技术就突出了它的优势，并成为十分重要和必不可少的研究手段。应用Matlab来对液压系统进行建模仿真，以得到系统运行的速度、位移和压力曲线，这样可以更加直观的分析系统的安全性和稳定性，并对系统作出合理的调整，这样减少了系统的误差，使得系统运行更加平稳。 2、学生应完成的任务 （1）、收集资料，了解系统仿真技术的相关背景，翻译相关的英文资料。 （2）、设计液压电梯的液压系统，完成相关的设计计算。 （3）、建立电梯液压系统的数学模型。 （4）、根据系统的数学模型，在Matlab中使用simulink对液压系统进行仿真。 （5）、分析仿真结果，根据具体情况对液压系统和仿真方法进行优化。 （6）、撰写毕业论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分 收集资料，了解系统仿真和液压的知识，翻译相关资料 ( 2周) 第二部分 电梯液压系统的设计和相关参数计算 ( 4周) 第三部分 建立液压系统的数学模型，根据系统数学模型，运用Matlab对液压系统进行仿真 ( 3周)第四部分 分析仿真结果，对电梯液压系统和仿真方法进行优化 ( 2周) 第五部分 撰写毕业论文 ( 1周)评阅及答辩 ( 1周)4、参考文献1 Wiliam W. Reeves. The Technology of Fluid Power. Englewood Cliffs, N.J. Prentice Hall,1987.1372 Daniel.Sedrak. Hydraulic Elevators: A Look at the Past，Present and Future， Elevator World，2000.6;3 杨华勇、张健民，智能控制理论和液压电梯，中国电梯，1998.4;4 张健民、杨华勇，液压电梯智能PID控制策略的研究，控制理论与应用，1996.10增刊;备 注 指导教师：审 批 人： 年 月 日摘 要液压电梯是现代社会中一种重要的垂直运输工具，由于其具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国内外中、低层建筑中的应用已相当普遍。液压电梯是集机、电、液一体化的产品，是由多个相互独立又相互协调配合的单元构成，对液压电梯的开发研究涉及机械、液压及自动控制等多个领域。本文在对液压电梯的实际工作情况做了详细分析后，假定了一个电梯具体的工作条件（包括电梯的最大负载和运行速度等），选定电梯轿厢的支承方式为双缸直顶式、支承液压缸为三级同步液压缸，并设计了满足条件的电梯液压系统。然后根据电梯的工作条件和已设定参数，对各个液压元件进行了设计计算。最后结合实际的情况和一些具体的产品，对液压元件的型号和尺寸的进行了确定。在此基础上，本文对电梯液压系统进行了数学模型的建立，在建模过程中采用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。在建立了系统数学模型后，对液压系统进行了仿真分析，得到了系统的速度、压力和位移曲线，这就更直观的反应了系统的运行过程。根据仿真结果分析，液压缸在运行过程中速度振动较大，本论文将PID控制算法加入到系统中，采用积分分离PID控制方法对本液压系统进行了仿真分析，结果显示加入PID控制方法后系统稳定性得到了提高，具有良好的工作性能。关键词：液压电梯;双缸直顶式;三级同步液压缸;动态仿真;PID控制AbstractHydraulic Elevator is an important vertical transport in a modern society .Because of it has the advantages of engine room setting flexible, requiring a lower level of the wells structural strength, smooth operation, large load, and Low failure rate Etc, it is already applied very common in the low-rise buildings at home or abroad. Hydraulic Elevator is the products of integration mechanical, electrical, fluid, it is composed of number of independent each other and mutual cooperation modules, The research and development for hydraulic elevator related to mechanical, hydraulic and automatic control etc.In this paper, after detailed analysis of the hydraulic elevator's actual work situation, we assumed the elevators specific working conditions (Including the elevators maximum load, running speed and so on), and determining the elevators supporting style was straight for the double top, using Synchronization of three-tier hydraulic cylinder, And designed the hydraulic system of the elevator to meet the actual conditions. Then according to the working conditions of the elevator and the given parameters, we calculated the design of various hydraulic components. Finally, combination the actual situation and a number of specific products, the hydraulic components model and size were determined.On this basis，this paper established a mathematical model for elevator hydraulic system, In the modeling process we used the principle of system topology to establish the mathematical model, first according the overall-structure of the system we establish the hydraulic system topology diagram, so the system is divided into several independent subsystems, and then set up the mathematical model of each subsystem, Finally, composition the mathematical model for the entire system under the topology. According to the mathematical model of the system，we conducted a simulation analysis of the hydraulic system , and we got the systems speed, pressure and displacement curves, this reflects systems operation more intuitive.According to analysis of simulation results，the hydraulic cylinder's speed vibrated larger during operation. In this paper, PID control algorithm has been added to the system, used Integral separation PID control method for the hydraulic systems simulation and analysis. The results showed that after adding PID control method ，system stability has been improved, and reflected the good performance.Keywords: Hydraulic Elevator; Double straight-top; three-tier synchronous hydraulic cylinder; Dynamic Simulation; PID control目 录第1章 绪论11.1液压电梯的发展概况11.1.1 国外液压电梯的发展简况11.1.2 国内液压电梯的发展简况21.2 液压电梯工作原理概述21.3 液压电梯的技术特点41.3.1 液压电梯的性能要求41.3.2 液压电梯的优点41.3.3 液压电梯的缺点51.4 本论文的选题意义及研究内容51.4.1 本论文的选题意义51.4.2 本论文的研究内容6第2章 液压电梯的液压系统设计82.1设计背景及工况分析82.2 液压系统设计92.3 液压缸的设计102.3.1 同步伸缩液压缸的工作原理102.3.2 同步伸缩缸的参数计算112.3.3 缸盖和活塞头设计152.3.4 柱塞缸和各级活塞缸的长度计算182.3.5 液压缸的密封202.4 泵和电机的选择212.4.1 泵排量的计算212.4.2 电机的选择212.5 液压管路的设计222.5.1 管路内径的选择222.5.2 管道壁厚计算232.6 油箱设计232.7 过滤器的设计242.8 阀的选择242.8.1 单向阀的选择242.8.2 电磁溢流阀242.8.3 节流阀242.9 本章小结25第3章 电梯液压系统模型的建立263.1电梯上行的数学模型283.1.1 泵的数学模型283.1.2 单向阀的数学模型293.1.3 比例流量阀的数学模型293.1.4 液压桥的数学模型313.1.5 液控单向阀的模型323.1.6 液压缸的数学模型323.1.7 系统上行的模型353.2 电梯下行的数学模型363.3 本章小结38第4章 电梯液压系统的动态仿真394.1 simulink简介394.2电梯上行时液压系统的仿真分析404.2.1 供油子系统的仿真模型414.2.2 液压桥和液控单向阀组成调整子系统的仿真模型414.2.3 三级同步液压缸构成运行系统的仿真模型424.3 电梯上行液压系统的仿真464.3.1 电梯上行液压缸的速度曲线474.3.2 电梯上行液压缸的位移仿真曲线494.3.3 电梯上行液压缸各级缸筒压力仿真曲线494.4 本章小结50第5章 电梯液压系统的PID控制515.1 PID控制原理525.2 位置PID控制算法535.3 数字PID控制算法的该进545.4 液压电梯液压系统的PID控制器的设计与仿真565.4.1 PID控制器设计565.4.2 采样周期的确定575.4.3 PID控制器参数整定585.4.4 电梯液压系统PID控制器仿真585.5 本章小结64结论与展望65致 谢67参考文献68第1章 绪论1.1液压电梯的发展概况电梯的广泛使用早已成为工业化社会的标志之一，目前在发达国家里，电梯早已经进入了人们的日常生活。在商场、办公楼、停车场等公共场所，以及公寓楼、私人住宅中电梯已经成为人们必不可少的交通工具7。液压电梯是由液压传动的电梯，通过液压动力源(液压泵)把液压油压入液压缸，使柱塞向上运动，直接或间接地作用在轿厢上，使轿厢上升。轿厢的下降一般靠自重使液压缸内的油液返回油箱中。液压电梯是多层建筑中安全、舒适的垂直运输工具，也是厂房、仓库中最廉价的重型垂直运输设备。近年来，液压电梯以其独特的优势，显示出强大的生命力8。1.1.1 国外液压电梯的发展简况世界上第一台液压电梯起源于19世纪，于1845年由威廉.汤姆森制造。随后在1876年巴黎万国博览会上展出了水压间接式的液压电梯，它利用公用水管极高的水压推动液压缸的柱塞顶升轿厢，下降时靠泄流1。但由于水压波动及生锈问题难以解决，不久就出现了油压直接式的液压电梯。由于当时公共液压站在造价和传递方面比蒸汽动力有明显的优越性，而且蒸汽动力电梯采用强制驱动方式，其卷筒的宽度限制了电梯行程的根数，所以从1870年到19世纪末逐步得到发展。但是早期的液压电梯功能较简单，主要用于运送货物。液压电梯的大规模使用比曳引式电梯晚，第二次世界大战后期，高压油传动在武器制造业的应用，使得液压传动和液压控制技术得以发展。虽然19世纪中叶伦敦金融城区内的办公楼就开始使用液压电梯，但真正大规模推广使用是从50年代末开始，60年代进入持续稳定增长期，70年代液压电梯进入迅猛发展阶段，80年代液压技术更加成熟，其市场占有率逐步增加2。近年来，国际市场上10层(高40M)以下的建筑中的电梯70%采用了液压电梯3。近年来，由于曳引电梯技术的进步，对液压电梯市场产生了强有力的冲击，尤其是无机房曳引电梯的面世【芬兰通力公司(KONE)的MONOSAPCETM和瑞士迅达公司(SCHINDELRMOBIELTM)、LMC公司的GENESIS方案、VESTNER公司的自支撑电梯方案、HRIO公司的无机房方案等】，使得液压电梯在机房设置方面的优势不复存在5。但这并不意味着液压电梯将被淘汰，高性价比使其还会继续发展，在重载场合，它仍具有广阔的市场。1.1.2 国内液压电梯的发展简况我国液压电梯的研制开发工作始于1977年，在当时的第一机械部起重机械研究所主持下，试制了两台采用通用液压元件的液压电梯，但由于经验不足，一些技术指标未能达到预期的性能要求9。1984年浙江大学流体与控制研究所与天津电梯研究所合作，成功研制出两台采用流量反馈电液比例控制的液压电梯，性能指标均达到了设计要求，并于1985年通过了浙江省鉴定。近年来，我国液压电梯的研究、开发和使用发展很快，国产液压电梯新产品不断涌现，相继投放市场。目前，许多电梯厂家都已能生产各种液压电梯，并正努力提高液压电梯的国产化水平，产品性能和产品质量都得到了进一步的提高6。液压电梯不仅具有运行平稳、舒适性好、故障率低、安装灵活等特点，而且能达到整体协调、豪华和重载的要求，因此，液压电梯首先可以用做商场、宾馆、高级饭店、体育场、娱乐场等豪华建筑和古典建筑中的观光电梯与重载电梯。随着人们居住条件的不断改善，在一些旧房改建中需增设电梯的场合，不需顶层机房的液压电梯将具有很大优势，特别是一些需要保证外观及内在建筑风格的古典建筑中安装电梯，液压电梯更是由于安装方便、性能良好及较低的故障率成为用户的最佳的通常也是唯一的选择。另外是一些特殊使用场合，如车用电梯、船用平台等，由于液压电梯具有功率重量比大、安装灵活等特点，将会使液压电梯垄断这一领域10。对于办公楼、图书馆、医院、实验楼、地下工程等建筑中使用的电梯，这类电梯虽然己有少量定货，但还有待于进一步开发。这些液压电梯市场的启动，将推动液压电梯生产规模的进一步扩大，成本进一步降低。促使更多的资金投入研究，从而提高其性能，形成一种良性循环。1.2 液压电梯工作原理概述液压电梯作为除电动电梯之外的另外一个电梯种类，其工作原理和曳引电梯有很大的不同。液压电梯是通过电力驱动的泵传递液压油到油缸，柱塞(或者活塞)通过直接或间接的方式作用于轿厢，实现轿厢上行:通过载荷和轿厢重力的作用使油缸中的液压油流回到油箱，实现轿厢下行13。液压电梯的液压传动系统包括以下几个主要部件:(a)、液压泵站，即电机、油泵、油箱。油泵是将电动机输入的机械能转化为流动油液的压力能。油箱包括控温元件、滤油器、消音器及油管等辅件，以保证液压系统可靠、稳定、持久的工作; (b)、控制阀，它是由多种阀组合而成的控制阀块，控制液压油的流向、速度及加减速度，从而使轿厢达到良好的运行性能;(c)、油缸，动力执行元件，将油液的压力能转换为与其直接联接的轿厢运动机械能。(d)、牵引装置，液压缸的运动，通过牵引装置来牵引电梯轿厢的运动。轿厢的运动是由电力驱动的泵使具有压力的液压油通过控制阀和管路从油箱流入液压缸，或从液压缸流回油箱来实现的。控制阀及油泵电机靠机房内的控制柜来控制。液压电梯的控制系统是一个速度控制系统。其工作过程是这样的:当液压电梯上行时，电机带动油泵迫使一部分油液进入油缸，推动柱塞以一定的加速度伸出油缸;接着油泵输出的油液全部进入油缸，轿厢以额定速度运行;当轿厢接近所选层站时，液压电梯捕捉到井道中的减速信号，通过控制系统进入油缸的油液减少，使轿厢以平层速度运行，通常在0.05-0.lm/s之间。当轿厢与所选层站水平时，电梯又捕捉到井道中的停止信号，控制系统关闭所有的上行阀，随后油泵电机停止工作，电梯停在所选层站，同时液压控制系统中的单向阀阻止油液流回油箱，轿厢保持静止。为了使轿厢下行，电器操纵的下行阀打开，靠轿厢重力及载荷使油液通过控制阀以一定的流量流回油箱，柱塞缩回到油缸中，从而实现轿厢下行，其加减速度与上行时基本相同22。液压电梯与电动电梯相比，由于技术实现上完全不同，因此具有其本身的一些特点：液压系统功率重量比大，而且传送距离长，因此机房面积小且设置灵活；一般不带配重，因此减小了井道尺寸;载重可通过油缸直接作用在地基上，因此载重量大，而且井道不受力，降低了建筑费用。上述特点使得液压电梯适合于中低层建筑(<40m)、大载重 (>1t)、旧屋改造等场合，如仓库、停车场、机场等等，或者在古典建筑、旧房中增设电梯。因此，尽管液压电梯存在着提升高度低、速度低等局限性而受到曳引电梯的巨大挑战，但上述优势使得液压电梯依然在市场中占有可观的份额，而且技术的进步使其依然具有很好的发展前景。1.3 液压电梯的技术特点1.3.1 液压电梯的性能要求电梯工业经过多年的发展，在电梯制造与安装安全规范、电梯技术条件、电梯试验方法、电梯钢丝绳、电梯轿厢、井道、轿厢等各方面都已形成各种严格的技术要求和安装规范，己形成统一的国家标准11。液压电梯除了要满足这些要求外，在电梯性能方面，也需要满足以下几项指标：1）、安全可靠性、稳定性液压电梯作为一种载人的交通工具，安全性要求十分重要，电梯要求故障率小，应急设施齐全，在任何正常工况(负载变化、油温变化、电网扰动)下，均能按要求的运行曲线反复保持可靠地运行，不得有漏油现象。2）、经济性液压电梯结构简单，装拆方便，维护费用低廉，是其保持强有力的市场竞争的根本。3）、舒适性特别对于乘客液压电梯，其舒适性的好坏至关重要。人们常常将上浮感、下沉感、不稳定感等统称为不舒适感，产生这种不舒适感的主要原因是人对垂直运动往往比较敏感，尤其是在电梯的加速或者减速段。1.3.2 液压电梯的优点液压电梯与其它驱动方式(如曳引电梯)的垂直运输工具相比，具有以下优点12:1）、机房设置灵活。液压电梯靠油管传递动力，因此，机房位置可设置在离井道周围20m的范围内，且机房面积仅4-5m，再也不需要用传统方式将机房设置在井道上部，可使建筑结构简化。2）、井道结构强度要求较低。因液压电梯轿厢自重及载重等垂直负荷均通过液压缸全部作用于地基上，对井道墙及顶部的建筑性能要求低。3）、井道利用率高。一般液压电梯不设置对重装置，故可提高井道面积的利用率。相同规格的液压电梯要比曳引电梯的井道面积少12%。4）、结构紧凑。在相同主参数情况下，液压传动系统比曳引驱动系统的体积小、重量轻。1.3.3 液压电梯的缺点由于输入功率、控制及结构等条件的限制，一般液压电梯的升程有限(40m)，速度不高(lm/s以下)。需要输入的功率大。因为液压电梯不设配重，在额定载重量、额定速度及提升高度相同的情况下，液压电梯所需要的电机功率是曳引电梯的2.5-3倍，因为液压电梯配套的动力电路容量比曳引电梯大。尽管液压电梯电机只在上行时工作，但其能量消耗至少为同等曳引电梯的2倍左右。温度及载荷变化对液压电梯的起制动、加减速有一定的影响。液压电梯的动态速度模型随着环境的变化会有所变化，增加了控制难度。由于温度的变化和泄漏等因素的影响，当轿厢较长时间停在某层站时会下沉，因此必须采取措施防止轿厢下沉12。1.4 本论文的选题意义及研究内容1.4.1 本论文的选题意义由于液压电梯具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国外中、低层建筑中的应用已相当普遍。由于我国对液压电梯的研制、开发起步较晚, 虽已有一些单位开展研究、生产, 但国产化程度不高, 主要依靠进口。随着今后人民生活水平的日益提高, 多层建筑也将安装电梯, 而液压电梯则是最适宜的机种。另外, 旧房改造对液压电梯也将会有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用场合, 如汽车梯、船用平台等, 由于液压电梯具有功率重量比大、设置安装灵活的优点, 尤其适用。对于这些大载重量电梯, 宜采用对称布置的双缸直顶支承方式, 可使轿厢处于相当平稳的运行状态。目前国内对此类液压电梯的研制还比较少，而且研究水平还处在一个较低的水平。为适应国内这种形势，最重要的是利用现有技术力量，投入必要的资金，开展液压电梯的研发，选择适用的控制策略，采用先进的计算机处理方法来对液压系统进行控制。为彻底解决国产化问题，并将液压电梯迅速推向市场，必须优化液压系统设计，设计合理的控制系统，使得电梯的运行性能达到国际水平的前提下，大幅度降低造价，以促进液压电梯在国内大规模的广泛使用。本论文在对液压电梯的具体工作情况做了详细分析后，设计了一个较优化的电梯液压系统，然后根据轿厢的载重和计划运行速度，对各个液压元件进行了设计计算，最后结合实际情况对液压系统进行了建模和仿真，得出系统运行的曲线。这样更直观的模拟出了电梯在运行过程中的速度、压力和位移的曲线的变化。针对电梯在启动和平稳运行过程中速度的振动较大的情况，本文中在液压系统中加入了PID控制算法，从而有效降低了系统的误差，减少了电梯运行的速度振动，增强了电梯运行的平稳性和舒适性。1.4.2 本论文的研究内容1）、电梯液压系统的设计在以前的液压电梯系统中，很多都采用单缸支承，由于重载液压电梯的轿厢尺寸一般较大, 综合结构刚度较差，这种支承方式偏载较大时会严重影响电梯的运行平衡性, 加剧导轨的磨损。本论文中采用双缸支承电梯轿厢如图1-1，这种方式在电梯运行时，两个液压缸同时对轿厢提供牵引力，这样不仅节约了在电梯运行时液压缸的行程，降低了液压缸的制造成本和安装空间，而且保证了电梯运行过程中的平稳性和安全性。1-为电梯轿厢 2-为支承液压缸图1-1 液压电梯结构简图2）、电梯液压系统的建模在完成液压系统的设计和相关计算后，需要确立系统合适的控制策略，那么首先要建立系统的数学模型。由于液压电梯液压系统具有长行程、变负载、变液容以及由于油温变化引起变泄漏的特点，直接由其机理推导出数学模型相当复杂。本论文中采用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。这种建模方法不仅降低了建模的复杂程度，节省了建模的时间，而且这种模型在出现问题时更利于改进。3）、电梯液压系统的仿真建立起电梯液压系统的数学模型后，就需要对根据数学模型来建立系统的仿真模型。本文中采用MATLAB中的Simulink来对系统进行仿真，并且把整个系统分为三个子系统：液压泵、单向阀和调速阀组成供子油系统；液压桥和液控单向阀组成调整子系统；三级同步液压缸构成运行系统，下面对三个子系统分别建立仿真模型，然后再组成系统的总体仿真模型，进行仿真，这样具有很强的可观性和内部可移植性，给程序调试和设计带来很大方便。在对系统仿真过程中，对系统输入了阶跃的流量信号和一个调速信号，系统输出为液压缸的速度、压力和位移曲线。4）、电梯液压系统的PID控制在对电梯液压系统进行了仿真后，得到了液压缸运行的速度、压力和位移曲线，分析各级缸筒的曲线，可以看出液压缸的缸筒的各级速度曲线总体运行都符合设计要求，但是缸筒速度的振动较大，这使得电梯不能稳定的运行。综合考虑，对电梯液压系统加入了PID控制器，以减少液压缸速度运行的误差。在加入了PID控制器后，液压缸缸筒在启动过程中的调整时间减少，速度变得平稳，增加了电梯运行的平稳性和舒适性。第2章 液压电梯的液压系统设计2.1设计背景及工况分析随着人们生活水平的不断提高，电梯已经广泛运用于人们日常生活中，而液压电梯则是电梯中的一个重要梯种，液压电梯具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国外中、低层建筑中的应用已相当普遍, 我国对液压电梯的研制、开发起步较晚, 虽已有一些单位开展研究、生产, 但国产化程度不高, 主要依靠进口。随着今后人民生活水平的日益提高, 多层建筑也将安装电梯, 而液压电梯则是最适宜的机种。另外, 旧房改造对液