基于PID的无极绳绞车液压张紧系统的设计与研究

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2013年 l0月第 4l卷 第 19期机床与液压MACHINE T00L& HYDRAULICS0ct．2l0l3Vo1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．043基于 PID的无极绳绞车液压张紧系统的设计与研究王成锋，寻增霞(中煤科工集团重庆研究院，重庆400700)摘要：介绍了无极绳绞车液压张紧系统的结构和工作原理，在忽略某些次要因素的基础上建立液压张紧系统的数学模型，根据无极绳绞车运输系统各已知量求得该数学模型传递函数的相关参数。利用MATLAB软件的Simulink模块对其模型进行了仿真分析，并通过PID控制器对张紧系统加以校正，最后得到具有较好动态特性的张紧系统。

关键词：无极绳绞车；液压张紧系统；PID控制中图分类号：TH137 文献标识码：B 文章编号：1001—3881(2013)19—151—4Design and Research on Hydraulic Tension System of Endless-rope W inch Based on PIDWANG Chengfeng．XUN Zengxia 、(Chongqing Branch of Chinese Coal Research Institute，Chongqing 400700，China)Abstract：The structure and working principle of hydraulic tension system of endless-rope winch were described．The mathemati.

cal models of hydraulic tension system based on ignoring some of the minor factors were built，and the related parameters of transferfunction of mathemarieal models were obtained according to出e known parameters of endless．rope winch transD0 system．The modelwas simulated and analysis by using the Simulink module of MATLAB software．Finally the tensioning system has gained beter dynamiccharacteristics through correction by the proportional integral and difierential(PID)controller.

Keywords：Endless-rope winch；Hydraulic tension system；PID control液压张紧系统作为无极绳绞车的关键部件之一，其作用是为无极绳绞车牵引钢丝绳提供一定的初张力，使得钢丝绳能够在驱动滚筒上产生足够的摩擦力，从而有效地完成牵引任务。无极绳绞车在牵引过程中，常因为初张力不够而出现钢丝绳在摩擦滚筒上打滑现象，特别是随着无极绳运输距离的不断加长，运量的不断加大，钢丝绳在滚筒上打滑的现象尤为明显。钢丝绳在摩擦滚筒上出现打滑，轻则引起牵引失效，重则引发安全事故，因此，合理地选择和设计液压张紧装置是非常必要的。

1 液压张紧系统结构及工作原理1．1 液压 系统的组成Im油箱2一粗过滤器3--电机4一齿轮泵5一细过滤器一 电磁换向阀卜 液控单向阀8__压力表张紧油 缸l0_-张力平衡车ll一张紧钢丝绳12一力传感器l卜 蓄能器14一截止阀l5_比例溢流阀图 1 张紧系统液压原理图液压系统的组成如图1所示。

1．2 张紧系统的工作原理该张紧系统在绞车起动时，电磁换向阀6右位工作，通过电机3带动齿轮泵4向张紧油缸 9前腔充油，使油缸活塞杆向后移动从而产生张紧力，张紧力大小通过比例溢流阀15控制。在正常运行时，用力传感器 12对张紧力进行检测，当张紧力过小时，力传感器12发出增压信号，比例溢流阀 15减小开口量，液压缸前腔压力增大，从而增大张紧力。反之当张紧力过大时，力传感器 12发出减压信号，比例溢流阀15增大溢流量，活塞杆前腔压力降低，从而减小张紧力；其次也可以通过截止阀14进行泄压，从而起到减小钢丝绳张力的作用。在此力传感器 12还能对钢丝绳力跳变进行检测，当钢丝绳牵引力出现突变时，相应的报警装置发出报警信号，提醒绞车司机停机检查。蓄能器13．1和13．2的作用是补偿钢丝绳张力的微小波动；压力表 8．1、8．2的作用是随时显示供油回路和回油回路压力。

2 张紧系统的建模与仿真无极绳绞车运输系统 ，通常在钢丝绳布置时先通过电葫芦将钢丝绳拉紧，再开启张紧装置，等钢丝绳松边达到应有的初张力后启动绞车，其可以有效地避免钢丝绳在摩擦滚筒上打滑，减少钢丝绳的磨损。

设计的液压张紧装置的工作原理如图2所示。无极绳绞车正常运行时钢丝绳张紧力通过力传感器转化为相应的电压信号，与给定力信号所转换的电压信号收稿日期：2012—09—18作者简介：王成锋 (1986一)，硕士，助理工程师，研究方向为矿山机械。E—mail：wfccumt###163．COm。

· 152· 机床与液压 第41卷相比较并得出偏差电压信号，此偏差信号作为电液比例溢流阀的输入量，控制电液比例溢流阀阀芯开口大小，从而控制张紧油缸的油液压力，完成张紧力自动调整，保证钢丝绳张紧力恒定不变。同时力传感器所测钢丝绳张紧力还将转换为电信号与PLC中的给定信号进行比较，如果超出了规定的变动范围，立即发出报警信号，提醒绞车司机停机检修。该张紧系统的闭环控制系统主要由张紧油缸、电磁换向阀、比例溢流阀、力传感器和控制器等组成，其闭环控制原理图如 图2所示 。

力传感器一 一 ? 。

图3 比例压力控制系统简图该液压张紧系统所采用的电液比例溢流阀为先导式电液比例溢流阀，其组成部件主要包括主阀、先导阀、比例电磁铁和线圈等，结构简图如图4所示。

胄l图4 先导式比例阀结构简图根据图 3和图4结构简图并结合数学建模的方法可得电液比例溢流阀传递函数方块图如图5所示。

图5 比例溢流阀的传递函数方框图2．2 张紧液压缸数学建模张紧油缸作为整个液压张紧系统的执行元件，其性能好坏对系统性能起着决定性作用，因此有必要对其做详细分析，张紧液压缸模型如图6所示，在此基础上对张紧液压缸进行分析与数学建模得张紧液压缸传递函数方块图如图7所示。

图 6 张紧液压缸模型图7 张紧液压缸传递函数方框图在此综合以上所建张紧系统各部件数学模型得张紧系统闭环控制传递函数方块图如图8所示。

图8 张紧系统闭环控制传递函数方框图第 19期 王成锋 等 ：基于 PID的无极绳绞车液压张紧系统的设计与研究 。153·3 仿真模型的建立3．1 仿真参数的确定结合张紧系统结构图和以上所建立的数学模型可知，对张紧系统动态特性进行仿真所需的相关参数如表 1所示。

表 1 比例溢流阀和液压缸相关参数K∞0／(rad·s )‘0Ap／cmfle／Pa曰Pm ／kgtO ／(rad·s )K ／(MPa·cm )／(MPa。cm )／(MPa·cm )Ao／cm／(rad·8 )C【pK／(mV·N )V,／mC将表 1所示数据代入张紧系统闭环控制传递函数方框图相应表达式中可得，各传递函数的具体表达式如下：G1㈤ 杰 1∞ O)oC2( )： ：+ 5+1tO：0．401 08s。+O
． 339 8s+1G，(s)=2．778×10一 s +0．017s+13．2 仿真模型的建立与仿真MATLAB作为一个通用数学软件，其具有强大的数据处理能力，其下的Simulink模块又具有强大的建模仿真能力，本小节通过利用Simulink模块对前节所建立的无极绳绞车液压张紧系统模型的响应特性进行仿真分析。在此根据前文所求张紧系统传递函数方框图和相应参数搭建Simulink仿真模型，如图9所示。

70卜 > 仉241 ． I 1 ． 1 0．2 I 0．401 08s~'1"0．339as+1] ? ：> ] 0．018 65s~-0．0455+1 ‘：二 ]2．778X 10-4S2+0．017s+l【I ，stantl 。 Gain儿 T
ransferFcn5。
TransferFen6 Gain2 TransferFcn4 sIL，alnGainl— 图9 张紧系统仿真模型图10(a)为张紧系统输入恒定张紧力时，系统 有必要对其进行一定的校正，以力求达到超调量较小的闭环响应特性曲线图，由曲线图可看出，系统超调 且响应较快。

量较大约为47％左右，稳定时间约为 13 S左右，稳 图10(b)为采用PID调节器进行校正后的张紧定时输出张紧力能达到张紧所需大小，约为 31 kN， 系统闭环响应曲线图，由图10(b)可看出校正后的由图10(a)可见，虽然系统稳态值基本能达到张紧 张紧系统其超调量约为 18％，稳态时间约为 5 S左所需要求，但系统超调量较大且响应时间较慢，所以 右，稳态值同约为31 kN。由此可看出经过 PID调整： A +十+2 m2 p 0 瑚2加一 一加 。一一一 一一一 一㈣· 154· 机床与液压 第4l卷后，张紧系统在张紧力不变的情况下 ，超调量满足了设计要求，且缩短了系统响应时间。

图 11为校正前 后的波德 图对 比曲线 ，由两 曲线对比分析可看出，校正前系统的相位裕度达到了基本要求但增益裕度较小，系统稳定性较差；校正后系统不但有了较大的增益裕度，同时相位裕度也有所增加 ，从而使得整个系统 的稳态性得到了进一步提高。

Z×(a)校正前一 3.

2 2
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-R 1.

O.

图 10 张紧系统阶跃响应曲线System：uⅡt．tled1． - ： ： ： ：：Frequency：0．869 rad／s《 Magnitude：·1．3 dB} 1^JL H、 — — 校正后’～ _ ． 一。 — 。

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～ ， _ - ● r _ _ - _ - 。

、‘-图11 张紧系统校正前后的波德曲线图4 结束语在分析张紧系统性能好坏对无极绳绞车运输性能影响的基础上，提出了将液压张紧技术应用到了无极绳绞车张紧系统中，对其张紧系统进行了简单设计，并结合Simulink和PID调控对其动态特性进行了仿真分析；由仿真曲线图可看出，通过PID调控使得系统能在满足张紧力的情况下，具有了更高的稳定性和更快的响应速度。

参考文献：【1】侯友夫．带式输送机动态特性及控制策略研究[D]．徐州：中国矿业大学，2001.

【2】陈轶辉，赵树忠，孟宪举，等．比例溢流阀特性测试与分析系统的设计[J]．机床与液压，2012，40(10)：59—62.

【3】侯波，汪选要．采用插装阀的支架液压系统设计[J]．液压与气动，2004(1)：42—43.

【4】刘白雁，陈新元，傅连东．机电系统动态仿真 一基于MATLAB／Simulink[M]．北京 ：机械工业出版社 ，2008.

【5】刘金琨．先进 PID控制及其 MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社，2003.

【6】杨存智，刘文艺．电液比例伺服控制容积调速系统仿真研究[J]．机床与液压，2012，40(13)：170—171.

【7】周晓君，余敏超．基于Simulink的偏心定量配水器动态特性分析[J]．机床与液压，2012，40(11)：54—56.

【8】王哗，杨明堂．150 t液压机液压系统设计[J]．液压与气动，2010(8)：57—60.

(上接第140页)【3】湛迪强．SolidWorks 2008宝典[M]．北京：电子工业出版社，2008：47—96.

【4】段进，倪栋，王国业．ANSYS10．0结构分析从入门到精通[M]．北京：兵器工业出版社，2006：199—222.

【5】李兵．ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M]．北京：清华大学出版社，2008：47—53.

【6】吴银笑，莫怡玉，吴卓智．衡量法自校验常用移液器的程序与效果[J]．仪器仪表与分析监测，2011，3(5)：1—3.

【7】宋冀红，侯斌．定量、可调移液器测量结果的不确定度分析[J]．计量与测试技术 ，2008，35(7)：56—58.

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