一种补偿液压过滤装置压力损失的智能系统设计

郑凯

(西安交通工程学院 电气工程学院，陕西 西安 710300)

0 引言

液压系统在工业设备、机械加工中应用广泛，而在特定环境中，为了降低外部杂质对液压系统的影响，通常安装有相应的过滤装置[1-2]，而过滤装置的安装虽然起到了净化液压油的目的，但也造成了一定的系统压力损失[3-4]。因此，应在保证过滤装置原有性能的同时，进一步降低压力损失对液压系统的影响。本文设计了一种具有比例反馈环节的智能补偿系统，在对过滤装置输入与输出端口进行压力分析的基础上，通过比例反馈环节使补偿回路工作，进而达到压力补偿的目的，以增强液压系统的稳定性。

1 设计目标

1)在保证过滤装置正常工作的同时，降低压力损失对液压系统的影响。

2)能够对压力进行有效检测，驱动比例反馈环节工作，使补偿系统成比例释放压力，降低压力损失。

2 带有过滤装置的液压系统与工作原理

2.1 总体结构

带有过滤装置的液压系统[5-6]，如图1所示。

1—液压马达；2—手动二位四通换向阀；3—过滤装置；4—油箱；5—液压源；6、7—压力表。

2.2 工作原理

液压系统的仿真如图2所示。液压源5向液压系统提供一定的系统压力；当手动二位四通换向阀2工作时，液压系统工作中的液压马达1以一定速度进行旋转。

图2 有过滤装置液压系统的仿真

在FLuidSIM的仿真环境下[7-8]，若液压源5的工作压力为6.00MPa，液压泵流量为10L/min；则过滤装置输入端口的压力为5.19MPa；输出端口的压力为4.69MPa。通过FLuidSIM仿真发现过滤装置的输入端口与输出端口相比具有明显的压力损失。

2.3 系统压力的偏差分析

结合图2中的仿真模型，分别在不同工作压力下，得到了过滤装置输入与输出端口处的压力值，如表1所示。

表1 过滤装置输入与输出端口的压力值 单位：MPa

设液压系统工作压力P与过滤装置输入、输出端口压力增量ΔP之间的比例关系为

P=kΔP

(1)

式中k为比例系数。

在表1的基础上，结合式(1)构建了比例系数k的数学模型，并利用MATLAB分析且得到了比例系数。

(2)

可得k=11.789

3 控制系统的设计

本文以PID算法中的比例环节为基础，选用某公司具有较高响应速度的DSPIC30F2010数字信号处理器[9]为控制核心进行控制，控制流程如图3所示。

图3 控制系统流程

控制系统的主要功能是，通过压力传感器对过滤装置输入端口与输出端口压力进行处理，得到两端口压力间的增量ΔP，同时通过比例反馈环节，按照比例系数k向补偿系统中的比例换向阀输入适当强度的电流，使补偿系统成比例释放压力，进而达到稳定系统压力的目的。

4 系统的设计与仿真

本文运用AMEsim软件[10]，通过绘制系统草图、建立子模型、参数设置、运行仿真4个环节，分别建立无补偿系统与智能补偿系统的仿真模型，并进行了仿真实验，得到了相应的特性曲线。

4.1 系统模型的建立

绘制系统草图。分别从Signal、Control电子器件库、Hydraulic液压库选取相应的元件进行系统草图的绘制；建立子模型[11]，本系统所用元件均来自于AMEsim软件的标准库。为各个子模型设置参数，就是为子模型中的系数赋予具体的值[12]。运行仿真，查看相应元件仿真结果，绘制动态曲线。

a)无补偿系统的仿真模型

1)建立仿真模型，如图4所示。

1—液压马达；2—电磁换向阀；3—过滤装置；4—油箱；5—恒压源；6—溢流阀；7—控制源；8—介质属性。

2)设定子模型参数，如表2所示。

表2 无补偿系统的仿真模型参数

3)工作过程

控制源7产生控制电流，电磁换向阀2换向，液压系统工作，液压马达1转动，这时过滤装置3工作，过滤液压油，造成了一定的系统压力损失。

b)智能补偿系统的仿真模型

1)建立仿真模型，如图5所示。

1—液压马达；2—电磁换向阀；3、5—传感器；4、11—过滤装置；6—溢流阀；7、9—油箱；8、10—恒压源；12—比例环节；13—比例换向阀；14—控制源；15—介质属性。

2)设定子模型参数，如表3所示。

表3 智能补偿系统的仿真模型参数

3)工作过程

控制源14产生控制电流，电磁换向阀2换向，液压系统工作，液压马达1转动，这时系统中的过滤装置4过滤液压油，同时过滤装置11、输入端口的传感器5与输出端口的传感器3同时工作，完成压力信号的采集与处理，在得到压力变化的增量ΔP后，比例环节12工作，并按照预定算法向补偿回路中的比例换向阀13输入相应比例的控制电流，使补偿回路向系统成比例输入压力，进而降低过滤装置4造成的压力损失。

4.2 系统仿真与分析

本文对无补偿系统与智能补偿系统进行了仿真实验。

a)无补偿系统的仿真

依据图4中的仿真模型，按照表2中的参数进行设置并进行仿真，得到相应的特性曲线，如图6所示。

图6 无补偿系统的特性曲线

b)智能补偿系统的仿真

依据图5中的仿真模型，按照表3中的参数进行设置并进行仿真，得到相应的特性曲线，如图7所示。

c)结果分析

依据a)与b)中的运行结果，分别对无补偿系统与智能补偿系统进行了仿真实验，并对结果进行比较分析。如图6、图7所示。通过仿真发现，无补偿系统的实际供给压力0.528 1MPa低于系统所需的工作压力0.6MPa。

图7 智能补偿系统的特性曲线

当采用智能补偿系统时，实际供给压力约为0.59MPa与系统所需的工作压力0.6MPa基本相同。通过分析证明智能补偿系统起到了较好的压力补偿效果。

5 结语

本文首先分析了带有过滤装置液压系统的结构与工作原理，通过分析与仿真发现过滤装置造成了一定的系统压力损失。其次，针对压力损失这一问题，文中以比例换向阀、传感器为硬件核心设计了一种具有比例反馈环节的智能补偿回路，通过补偿回路向工作系统成比例进行压力输入，进而达到压力补偿的作用。最后，以AMESim为手段搭建了无补偿系统与智能补偿系统的仿真模型，并进行了仿真运算，通过结果的对比分析，表明智能补偿系统对过滤装置所造成的压力损失进行了有效补偿，保持了液压系统所需压力的稳定供给，具有一定的应用价值。