液壓控制系統(tǒng)分析論文

1、<p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　第一章　緒論1</b></p><p>　　1.1研究的目的及意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展及狀況1</p><p>　　1.3被測零件分析3</p><p>　　1.4量儀技術要

2、求4</p><p>　　1.5機械結構總體設計方案5</p><p>　　1.6方案原理論證6</p><p>　　1.7測控系統(tǒng)概述6</p><p>　　1.7.1測控系統(tǒng)功能組成6</p><p>　　1.7.2測控系統(tǒng)硬件組成7</p><p>　　1.8軟件系統(tǒng)概述8&

3、lt;/p><p>　　1.8.1測量的基本程序模塊8</p><p>　　1.8.2功能模塊分析9</p><p>　　1.9測量方式論證9</p><p>　　1.10本章小結12</p><p>　　第二章　機械部分結構設計13</p><p>　　2.1傳動系統(tǒng)結構設計13<

4、;/p><p>　　2.1.1主軸的設計13</p><p>　　2.1.1滾珠絲杠副14</p><p>　　2.2直行滑架方案制定17</p><p>　　2.3直行滑架傳動部分設計和計算18</p><p>　　2.3.1傳動鏈的選擇18</p><p>　　2.3.2計算滑臺重量

5、18</p><p>　　2.3.3滾珠絲杠螺旋副的初步計算18</p><p>　　2.3.4作用在滾珠絲杠上的最大動負荷19</p><p>　　2.3.5計算最大靜載荷20</p><p>　　2.3.6滾珠絲杠螺旋副的選型20</p><p>　　2.3.7滾珠絲杠副傳動效率計算21</p>

6、;<p>　　2.3.8絲杠軸向剛度驗算21</p><p>　　2.3.9壓桿穩(wěn)定性驗算22</p><p>　　2.4反應式步進電機選用22</p><p>　　2.4.1初選電機型號22</p><p>　　2.4.2力矩計算24</p><p>　　2.4.3步進電機工作頻率范圍計算2

7、5</p><p>　　2.4.4主要結構尺寸確定25</p><p>　　2.4.5滾動導軌設計計算26</p><p>　　2.5本章小結27</p><p>　　第三章　直行滑架測控系統(tǒng)設計28</p><p>　　3.1AT89C52擴展系統(tǒng)單片機的設計28</p><p>　

8、　3.2石英晶體振蕩器30</p><p>　　3.3看門狗電路31</p><p>　　3.4鍵盤與LED數(shù)顯電路模塊介紹32</p><p>　　3.5A/D卡的設計電路33</p><p>　　3.5.1轉換芯片的選擇33</p><p>　　3.5.2采樣控制方案選擇34</p>&l

9、t;p>　　3.5.3A/D卡主電路的設計34</p><p>　　3.6附加電路設計35</p><p>　　3.7檢測電路及信號處理37</p><p>　　3.7.1位移傳感器的檢測電路37</p><p>　　3.7.2光柵尺分頻計數(shù)電路38</p><p>　　3.8 步進電機控制與驅(qū)動38

10、</p><p>　　3.8.1步進電機驅(qū)動電路的選用38</p><p>　　3.8.2驅(qū)動電路工作過程39</p><p>　　3.9本章小結39</p><p>　　第四章　系統(tǒng)控制軟件設計40</p><p><b>　　4.1主模塊40</b></p><p

11、>　　4.2中斷模塊40</p><p>　　4.2.1報警、急停處理中斷模塊40</p><p>　　4.2.2鍵盤、顯示定時掃描管理模塊40</p><p>　　4.3 程序清單42</p><p>　　4.3.1鍵盤、顯示系統(tǒng)主程序42</p><p>　　4.4本章小結43</p>

12、<p>　　第五章　評價被測零件及誤差補償44</p><p>　　5.1公差帶和誤差定義44</p><p>　　5.1.1圓度公差帶和圓度誤差的概念44</p><p>　　5.1.2 圓柱度公差帶和圓柱度誤差的概念44</p><p>　　5.1.3 同軸度公差帶和同軸度誤差的概念45</p>&l

13、t;p>　　5.2誤差補償技術46</p><p>　　5.3評價被測零件47</p><p>　　5.4本章小結48</p><p><b>　　第六章　結論49</b></p><p><b>　　致謝50</b></p><p><b>　　參

14、考文獻51</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1研究的目的及意義</p><p>　　在工程領域和軍用運輸領域?qū)Υ笮蛙囕v的需求越來越大，并且對其承載量和靈活性提出了更高的要求。因此大型車輛通過增加軸數(shù)提高其承載量，通過引入多軸轉向技術來提高其靈活性-多軸車輛轉向系統(tǒng)caj-。如下圖1

15、-1所示為全地面大型起重機，其具有9個橋。大型輪式車輛的轉向橋一般都在三橋以上，轉向性能直接影響整車的機動靈活性、操縱穩(wěn)定性以及使用經(jīng)濟性，隨著車輛噸位越來越大，車輛的橋數(shù)也越來越多，常用的機械式液壓助力轉向系統(tǒng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全輪轉向，但是其機動靈活性差、模式單一，如果轉向系統(tǒng)設計不合理，就會造成不同轉向軸上的輪胎轉角之間相互影響，導致輪胎非正常磨損，會大幅降低輪胎壽命，且造成整車轉向桿系受力增大，轉向性能降低，進而影響行駛安全性。&l

16、t;/p><p>　　圖1-1 全地面大型起重機</p><p>　　以往的轉向系統(tǒng)已經(jīng)嚴重制約了大型輪式車輛的發(fā)展，加之國家標準對車輛技術性能、車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量等進行了嚴格規(guī)定，與舊標準相比，對車輛軸荷的限制提高了，而大型輪式底盤自重或載重量的不斷增加，只能增加橋數(shù)以符合國家標準的規(guī)定，而多數(shù)大型輪式車輛均工作在礦山、油田、工程建設或者山區(qū)等條件極其惡劣的施工現(xiàn)場，使得大型輪式底盤必

17、須具有轉向靈敏、轉彎半徑小、轉向模式多樣和通過性強等優(yōu)良性能，而我國在這方面起步較晚，由于大型輪式車輛的多橋轉向技術應用在很多軍事裝備如大型導彈運輸車和發(fā)射平臺上，國外一直對我國進行技術封鎖，所以研制出具有自主知識產(chǎn)權的且性能優(yōu)良的大型輪式車輛底盤的轉向系統(tǒng)已刻不容緩【1】。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1助力轉向系統(tǒng)概述</p>

18、<p>　　車輛在行駛過程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂車輛轉向，而輪式車輛轉向的方法是，駕駛員通過一套專設機構使車輛轉向橋上的車輪(轉向輪)相對于車輛縱軸線偏轉一定的角度。在車輛直線行駛時，往往轉向輪也會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動偏轉而改變行駛方向。此時駕駛員也可以利用這套機構使轉向輪向相反的方向偏轉，從而使車輛恢復原來的行駛方向，這一套用來改變或恢復車輛行駛方向的專設機構稱為車輛轉向系統(tǒng)。</p

19、><p>　　隨著工程車輛對工作效率、操縱輕便、安全舒適、節(jié)能環(huán)保和可靠耐用等方面的要求越來越高，且由于現(xiàn)代汽車技術的迅猛發(fā)展，車輛的轉向系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展出許多種如機械式轉向系統(tǒng)、液壓式助力轉向系統(tǒng)、電控電動式助力轉向系統(tǒng)、電控液壓式助力轉向系統(tǒng)等。</p><p>　　1、機械式轉向系統(tǒng)：采用轉向拉桿機構實現(xiàn)各輪的轉角關系。中連接前后橋轉向裝置之間的機構型式有搖臂式、凸輪式、齒輪式等，在大型輪式

20、車輛的轉向系統(tǒng)中常采用轉向搖臂加轉向梯形機構。優(yōu)點：結構簡單、工作安全可靠，傳動效率高，造價低廉。缺點：占用空間大，布置復雜，轉向阻力很大。應用領域：轉向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上。</p><p>　　2、液壓式轉向系統(tǒng)：借助于汽車發(fā)動機的動力驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動動力轉向缸產(chǎn)生液壓作用力，增大駕駛員操縱轉向力，可使駕駛員輕便靈活的實現(xiàn)轉向，減輕勞動強度，提高行駛安全性。優(yōu)點：系統(tǒng)布置方便、操縱

21、輕便靈活。缺點：系統(tǒng)結構比較復雜，液壓泵需隨發(fā)動機運轉，增大了燃油的消耗應用領域：部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛。</p><p>　　3、電控電動式轉向系統(tǒng)：是指采用電子控制、電動助力的轉向系統(tǒng)，主要由控制器、傳感器、步進電機、減速機與后輪轉向機構等組成。優(yōu)點：控制簡單、響應快，可根據(jù)需要調(diào)控電流值來改變力矩，從而方便的改善助力程度和路感，零件少、重量輕、安裝緊湊、工作可靠，低溫工作性能優(yōu)良，更環(huán)保。缺

22、點：電動機的性能決定控制系統(tǒng)的性能，與電動助力式轉向系統(tǒng)的匹配將影響到轉向系統(tǒng)力矩特性、轉向路感等問題，而且電機驅(qū)動力小，重型車輛應用時驅(qū)動力不夠。應用領域：已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展，隨著電子技術的發(fā)展，其應用范圍還會逐步擴大。</p><p>　　4、電控液壓式轉向系統(tǒng)：主要由控制器、傳感器、液壓控制閥、助力液壓缸等組成。常見的電控液壓式系統(tǒng)中，首先從液壓泵出來的高壓油經(jīng)過流量分配進入各液壓控制閥

23、，如電磁換向閥、比例閥、液控單向閥等，控制器接收到相應的轉角信號即對轉向橋進行控制，控制器輸出相應指令給比例閥，油液經(jīng)過控制閥后進入轉向橋的轉向助力缸實現(xiàn)轉向，控制器通過轉角傳感器檢測轉向橋的轉角并與指令轉角比較，進行閉環(huán)控制最終實現(xiàn)轉向橋的精確轉向，根據(jù)液壓控制閥中主要控制元件的類型可分為比例轉向和伺服轉向。比例轉向使用比例閥進行控制，一般比例閥具有零位死區(qū)且頻響不高，使得動態(tài)轉向精度不高；而伺服轉向使用伺服比例閥或伺服閥進行控制，無

24、零位死區(qū)且頻響較高，最終可實現(xiàn)較高的動態(tài)轉向精度。優(yōu)點：轉向精度高，驅(qū)動力大。缺點：效率低、耗能大、成本高。應用領域：大型工程車輛如全地面汽車起重機、重型越野車輛和軍用車輛如導彈運輸車等特別適用，其應用范圍較廣泛。</p><p>　　還有一些電控液壓式轉向系統(tǒng)是將液壓助力泵由電機驅(qū)動，取代了傳統(tǒng)液壓助力泵由發(fā)動機驅(qū)動的方式。電控液壓式轉向系統(tǒng)依據(jù)相應的控制策略通過控制電磁閥，使得動力轉向系統(tǒng)隨著車速的變化而變化

25、，在汽車大轉角或低速行駛時，轉向輕便，在中、高速行駛時，能獲得一定手感的轉向力，能較好的兼顧低速轉向的輕便性和高速轉向時的路感。</p><p>　　1.2.2電液轉換系統(tǒng)相關研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于汽車不同速度行駛時對助力特性的要求不同，液壓助力轉向系統(tǒng)很難做到這一點，而隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，液壓助力轉向技術與電子技術相結合行成了電控液壓助力轉向系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅在小

26、型車上有廣泛使用，在大型輪式車輛上應用也相當廣泛，由于大型輪式車輛轉向阻力很大，用機械式助力轉向系統(tǒng)或者電控電動式助力轉向系統(tǒng)均不能很好的滿足要求，故電液控制轉向系統(tǒng)是大型輪式車輛轉向系統(tǒng)的首選。</p><p>　　德國薩爾蘭德大學設計了一種新型的電液控制閉中心助力轉向系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩個閉中心的比例閥對轉向助力缸進行控制，且油源結合蓄能器能實現(xiàn)較高的供油效率，建立了系統(tǒng)主要元件的數(shù)學模型并分析了參數(shù)對閉環(huán)動態(tài)特

27、性的影響且進行了優(yōu)化，閉環(huán)控制器具有級聯(lián)結構，內(nèi)環(huán)為轉向助力的閉環(huán)控制而外環(huán)為轉向力矩的閉環(huán)控制，經(jīng)過在不同車速上大量的臺架試驗和實車試驗，該控制策略可使轉向系統(tǒng)具有很好的性能。</p><p>　　2005年后國內(nèi)對電液控制轉向系統(tǒng)的研究才開始逐漸增多，并有望向可以應用的成熟產(chǎn)品邁進，大部分是將電動機替代發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，將電動機參與控制實現(xiàn)電液控制轉向，但對大型輪式車輛而言，由于轉向阻力很大，這種用電動機參與

28、的電液控制很難滿足力矩要求，還是只能用發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，而控制部分采用電控，不僅可以實現(xiàn)大型輪式車輛的靈活轉向，也可以滿足其助力要求，故這種電液控制方式較適合大型輪式車輛。</p><p><b>　　1.3本章小結</b></p><p>　　本章主要闡述了對車輛轉向系統(tǒng)的進行研究的目的和意義，分析了目前幾種比較成熟的轉向系統(tǒng)的優(yōu)缺點和應用領域，并且簡單的介紹了目前

29、國內(nèi)外對電液控制轉向系統(tǒng)的研究。</p><p>　　第二章 電液伺服轉向系統(tǒng)設計</p><p><b>　　2.1轉向系統(tǒng)功能</b></p><p>　　對于大型輪式車輛而言，由于其轉向時負載阻力矩很大，采用電動機驅(qū)動的電動液壓式助力轉向系統(tǒng)較難達到所需要的轉向助力又由于大型輪式車輛一般需有多種轉向模式且有時需要模式切換，采用一般的機械式

30、液壓助力轉向的方式很難有效的實現(xiàn)各種轉向模式的切換，所以大型輪式車輛只能采用電控的液壓助力轉向系統(tǒng)。目前見于文獻與產(chǎn)品的類似系統(tǒng)均采用比例閥來實現(xiàn)電液控制轉向，而比例閥的頻響較低、死區(qū)與滯環(huán)性能不高，限制了電液控制轉向系統(tǒng)性能的提高，那么有必要對采用伺服比例閥或者伺服閥的電液控制轉向系統(tǒng)進行研究。</p><p>　　2.2單橋電液伺服轉向系統(tǒng)</p><p>　　對于大型輪式車輛而言，既

31、要保證行駛的安全性，又要保證行駛的靈活性，一般這種大型輪式車輛均為多橋結構，且前橋大多采用機械式轉向系統(tǒng)以盡可能保證行駛的安全性、后橋采用電液控制轉向系統(tǒng)以盡可能保證轉向系統(tǒng)的靈活性。為了使大型輪式車輛轉向系統(tǒng)實現(xiàn)整車轉向靈活，單橋的靈活轉向是實現(xiàn)整車靈活轉向的基礎，只要單橋能按照要求準確可靠的轉向，整車即可以實現(xiàn)各轉向功能與模式，所以單橋的電液伺服轉向系統(tǒng)是設計的關鍵，在設計控制系統(tǒng)之前，需對轉向系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構有所了解，且對轉向執(zhí)

32、行機構的運動學與動力學分析也是進行控制系統(tǒng)設計的基礎。</p><p>　　2.3單橋電液伺服轉向系統(tǒng)機械結構</p><p>　　圖2-1 雙轉向助力梯形機構實物圖</p><p>　　對于大型輪式車輛而言，為了保證左右側輪的轉角關系，一般采用轉向梯形機構進行約束，且應用轉向助力缸驅(qū)動轉向梯形并帶動輪胎轉向，如圖2-1所示是雙轉向助力梯形機構實物圖。</p&

33、gt;<p>　　左右側輪胎的轉角主要是通過轉向節(jié)臂、橫向拉桿和輪轂等連接件來約束左右側輪胎的轉角關系，而液壓助力形式是用兩個轉向助力缸進行驅(qū)動，這與電動液壓助力轉向的齒輪齒條等轉向機構或是單轉向助力缸的轉向助力機構都是不同的，這種雙轉向助力梯形機構具有更大力，因此廣泛應用在大型工程車輛上。</p><p>　　2.4電液伺服轉向系統(tǒng)控制系統(tǒng)</p><p>　　2.4.1單

34、橋電液伺服轉向系統(tǒng)液壓部分原理</p><p>　　在了解轉向梯形機構的基礎上，針對單橋電液伺服轉向系統(tǒng)液壓部分原理如圖2-2所示，伺服轉向、電液鎖定和應急手動功能介紹如下：</p><p>　　1伺服比例閥 2電磁換向閥 3電磁換向球閥 4、5液控單向閥 6、7溢流閥 8、9轉向助力缸 10轉角傳感器</p><p>　　圖2-2 單橋電液伺服轉向系統(tǒng)

35、液壓原理圖</p><p>　　1、伺服轉向功能：當需要跟蹤前橋進行伺服轉向時，電磁換向閥2和3均處在常位，此時高壓油控制液控單向閥4和5處于液控開的狀態(tài)，此時伺服比例閥可以控制進入轉向助力缸的油液使轉向助力缸運動，轉角傳感器10檢測到轉角信號并與指令轉角信號比較，并依此偏差信號對伺服比例閥進行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，最終控制輪胎轉到所需位置；</p><p>　　2、電液鎖定功能：當需要轉向

36、橋電液鎖定時，如在后橋不轉向鎖定模式即需要將轉向橋鎖定，此時使電磁換向閥3從失電變?yōu)榈秒姞顟B(tài)，使液控單向閥工作，同時將伺服比例閥1回復到失效O型位，則此時液控單向閥即可將轉向橋鎖定在所需位置；</p><p>　　3、應急手動功能：針對大型工程車輛（以某7橋車輛為例），當轉向系統(tǒng)中伺服比例閥或電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，后四橋的輪胎可能偏離中間位置，為了使其回到中間位置并電液鎖定使大型輪式車輛可以依靠前三橋機械轉向系統(tǒng)行

37、駛到安全地帶或維修站，而不至于停在原地，此時先將伺服比例閥斷電使其處于失效O型位，且電磁閥3處于失電位，可以用隨車配套的手動控制盒對電磁換向閥2進行控制，來微調(diào)輪胎的轉向角度，直到調(diào)整到所需位置，這一功能對大型輪式車輛的使用者而言是非常重要的，可以大大提高車輛的機動靈活性；</p><p>　　4、另外電液伺服轉向系統(tǒng)中的溢流閥6和7作為安全閥用，保護轉向助力缸不受高壓沖擊的損害。</p><

38、p>　　2.4.2電液伺服轉向系統(tǒng)電控系統(tǒng)</p><p>　　為了實現(xiàn)輪胎的精確轉向，需設計合適的電控系統(tǒng)，電液伺服轉向系統(tǒng)的控制框圖如圖2-3所示，電液伺服轉向系統(tǒng)主要由轉角傳感器、PLC控制器、單橋伺服轉向控制器、轉向梯形機構、動力油源、車速傳感器等構成。</p><p>　　圖2-3電液伺服轉向系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　PLC將計算好的目標轉角

39、信號輸出給伺服轉向控制器，同時伺服轉向控制器也接受到橋的實際轉角，目標轉角與實際轉角信號比較，控制伺服比例閥動作，高壓油液進入轉向助力缸驅(qū)動轉向梯形機構帶動輪胎轉動，直到實際轉角與目標轉角一致，形成轉向角度的閉環(huán)控制，這個調(diào)整過程是動態(tài)進行的；橋的轉角信號也一并傳送給PLC實現(xiàn)監(jiān)控，由于伺服轉向控制器實現(xiàn)的轉角閉環(huán)控制速度是很快的，且誤差應在所要求范圍之內(nèi)，當PLC檢測到的橋?qū)嶋H轉角信號與目標轉角信號之差超出一定數(shù)值時，即電液伺服轉向系

40、統(tǒng)可能存在故障，此時提示司機減速停車以排查故障，可增大電液伺服轉向系統(tǒng)的安全性。</p><p><b>　　2.5本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了轉向系統(tǒng)的功能以及單橋電液伺服轉向系統(tǒng)，并且對廣泛應用在大型工程車輛的雙轉向助力梯形機構進行了簡單的分析，對電液伺服轉向系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)原理及控制框圖的設計進行了介紹。</p><p

41、>　　第三章 電液伺服轉向系統(tǒng)數(shù)學建模與分析</p><p>　　3.1轉向系統(tǒng)機械結構建模與分析</p><p>　　對于多橋大型重汽而言，各橋的轉向機構是基本一致的，僅是由于轉角關系的區(qū)別存在轉向梯形機構前置與后置之分或各幾何尺寸略有區(qū)別，此處轉向系統(tǒng)中的單橋為例進行分析，轉向機構進行相應簡化運動學與動力學分析。</p><p>　　3.1.1轉向系統(tǒng)運動

42、學分析</p><p>　　整車轉向最理想的工況是能夠保證所有的輪胎都是依據(jù)轉向瞬心的阿克曼定理進行轉向，保證所有輪胎都處在純滾動工況，使輪胎不會處在側滑等磨損工況，但轉向系統(tǒng)一般并非是對每個輪胎進行單獨控制，一般單橋的左右兩側輪胎靠轉向機構進行約束連接，故很難保證左右兩側均能滿足阿克曼定理，本文由于轉向梯形機構經(jīng)過了優(yōu)化設計（采用角度傳感器），其誤差是很小的，可以忽略。</p><p>

43、　　3.1.2轉向系統(tǒng)動力學分析</p><p>　　由轉向系統(tǒng)結構分析可知，左右側輪胎連同各自的輪轂和轉向節(jié)均繞主銷轉動，轉向節(jié)臂又與轉向節(jié)固結，橫向拉桿連接兩側的轉向節(jié)臂，若不考慮各機械元件間的間隙，可以看出對轉向而言單軸的轉向系統(tǒng)僅有一個自由度。轉向機構的運動可以簡化成三部分：一是左側輪胎、輪轂、轉向節(jié)及轉向節(jié)臂繞左側主銷的轉動；二是右側輪胎、輪轂、轉向節(jié)及轉向節(jié)臂繞右側主銷的轉動；三是中間的橫向拉桿的運動

44、且此運動可看做是平面運動。</p><p>　　由于轉向系統(tǒng)動力學高度的非線性，且系統(tǒng)上的廣義力應主要包括轉向助力缸的液壓驅(qū)動力和路面施加給輪胎的阻力。對轉向系統(tǒng)進行線性簡化為單自由度的二階微分方程，由于轉向系統(tǒng)最終要實現(xiàn)閉環(huán)控制，即要控制轉向助力缸的液壓力丘和兵，動力學部分也是整個控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)。</p><p>　　對于轉向系統(tǒng)而言，為了考慮這個動力學環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，將其分解為如&

45、lt;/p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　、分別為左右兩側轉向助力缸作用在轉向節(jié)臂上的力；</p><p>　　、分別為左右兩側輪胎

46、所受到地面的阻力矩；</p><p>　　為轉向機構等效轉動慣量；</p><p>　　為轉向機構等效阻尼；</p><p>　　為轉向機構等效剛度。</p><p>　　固有頻率和阻尼比可以看出，由于轉向系統(tǒng)的轉動慣量是很大的，頻率一般比較低，對于阻尼比而言，由于系統(tǒng)中僅考慮了左右兩側輪轉向節(jié)等機構繞主銷轉動處的阻尼，如果阻尼比很小，系統(tǒng)閉

47、環(huán)控制時就極易振蕩，而實際系統(tǒng)中各處的機械連接部分都是有阻尼的。</p><p>　　3.2轉向系統(tǒng)控制系統(tǒng)建模與分析</p><p>　　由圖2-3所示的電液伺服轉向系統(tǒng)框圖而言，為了建立電液控制系統(tǒng)相應的數(shù)學模型，可建立如圖3-1所示的系統(tǒng)簡化控制框圖。</p><p>　　圖3-1電液伺服轉向液壓控制系統(tǒng)簡化控制框圖</p><p>　

48、　3.2.1伺服比例閥</p><p>　　電液位置伺服系統(tǒng)中可采用伺服閥、比例閥或者伺服比例閥作為液壓控制元件。伺服閥根據(jù)其液壓放大器的不同，主要分為噴嘴擋板式伺服閥和射流管式伺服閥。伺服閥具有體積小、功率放大率高、精度高、響應速度快等優(yōu)點，但它功率損失大、對油液過濾要求高、制造和維護費用高使之在工業(yè)上難以大范圍使用。由于比例閥固有的死區(qū)特性，它不能很好的用于常運行于零位附近的位置閉環(huán)控制。隨著液壓工業(yè)的發(fā)展，

49、在吸取比例閥與伺服閥兩者的優(yōu)勢后，伺服比例閥(高頻響閥)得到了廣泛的認可。</p><p>　　控制的觀點看，伺服比例閥是一個頗為復雜的閉環(huán)系統(tǒng)，盡管通過分析并經(jīng)過適當簡化后的伺服比例閥傳遞函數(shù)可能高于二階，但從實測的伺服比例閥動態(tài)特性曲線伯德圖得出起主導作用的是一對復數(shù)極點，則將伺服比例閥的傳遞函數(shù)簡化為一個二階振蕩環(huán)節(jié)不僅合理且能滿足模型精度要求，故可列伺服比例閥傳遞函數(shù)如下：</p><

50、p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　　為伺服比例閥增益；</b></p><p>　　為伺服比例閥的固有頻率；</p><p>　　為伺服比例閥的阻尼比。</p><p>　　由于系統(tǒng)所使用的伺服比例閥為零開口的四邊滑閥，且閥的窗口是匹配和對稱的，回油壓力較小忽略不計

51、，假定閥節(jié)流口流量系數(shù)相等、假定各節(jié)流窗口處的面積梯度相等。</p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　為伺服比例閥各節(jié)流口的流量系數(shù)；</p>

52、<p>　　為伺服比例閥各節(jié)流窗口的面積梯度；</p><p>　　為伺服比例閥的開口量，向左移為正方向即向平行位方向移動為正方向；</p><p>　　為液壓油密度；為伺服比例閥P口的進油壓力；</p><p>　　為伺服比例閥A口的工作壓力；為伺服比例閥B口的工作壓力；</p><p>　　1為流入兩轉向助力缸的流量；2流出兩轉

53、向助力缸的流量。</p><p>　　3.2.2流量連續(xù)性方程</p><p>　　對于伺服比例閥A、B口處的流量方程如下：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　（3-8）</b></p><p><b>　　式中：</

54、b></p><p>　　為伺服比例閥A口流向左右兩側管路的流量；</p><p>　　為左右兩側管路流向伺服比例閥B口的流量；</p><p>　　為伺服比例閥A口流向左側轉向助力缸無桿腔的流量；</p><p>　　為伺服比例閥A口流向右側轉向助力缸有桿腔的流量；</p><p>　　為左側轉向助力缸有桿腔流

55、向伺服比例閥B口的流量；</p><p>　　為右側轉向助力缸無桿腔流向伺服比例閥B口的流量。</p><p>　　而對轉向助力缸部分，建立流量的連續(xù)性方程如下：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　?。?</p><p><b>

56、　　式中：</b></p><p>　　、分別為左右兩側轉向助力缸活塞的位移，向左移為正；</p><p>　　為由連接管路進入左側轉向助力缸無桿腔的流量；</p><p>　　為由連接管路進入右側轉向助力缸有桿腔的流量；</p><p>　　為由左側轉向助力缸有桿腔進入連接管路的流量；</p><p>　

57、　為由右側轉向助力缸無桿腔進入連接管路的流量；</p><p>　　、分別為轉向助力缸無桿腔和有桿腔的面積；</p><p>　　為轉向助力缸內(nèi)泄漏系數(shù)；</p><p>　　為轉向助力缸外泄漏系數(shù)；</p><p>　　、分別為左側轉向助力缸無桿腔和有桿腔壓力；</p><p>　　、分別為右側轉向助力缸無桿腔和有桿

58、腔壓力；</p><p>　　、分別為左側轉向助力缸無桿腔和有桿腔容積；</p><p>　　、分別為右側轉向助力缸無桿腔和有桿腔容積。</p><p>　　3.2.3 控制策略建模</p><p>　　被控對象的不同，控制策略可以有很多種，而工程上大多采用PID控制方式，一般情況下可以基本滿足被控對象的控制要求，PID的基本模型如下：

59、 </p><p><b>　　（3-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　為目標轉角；為實際轉角；</p><p>　　為目標

60、轉角與實際轉角之差；</p><p>　　為偏差信號經(jīng)過校正后所得控制信號；</p><p>　　、、分別比例增益、積分增益和微分增益。</p><p>　　式為目標轉角與實際轉角的差值方程，它下面的式為目標轉角與實際轉角的偏差信號經(jīng)過相應的控制策略如PID進行校正后，所得信號與偏差信號的頻域關系。</p><p><b>　　3.

61、3本章小結</b></p><p>　　本章主要對轉向系統(tǒng)的機械結構系統(tǒng)動力學進行了分析，對控制系統(tǒng)進行了控制框圖簡化以及部分數(shù)學建模與分析。</p><p>　　第四章 電液伺服轉向系統(tǒng)分析</p><p>　　從圖3-1可以看出此模型依然具有很強的非線性，很難進行明確的理論分析，為了應用線性控制理論進行分析，需要對上述模型再次進行簡化與線性化處理。并

62、且對閥控雙轉向助力缸性能分析</p><p>　　4.1液壓控制系統(tǒng)簡化</p><p>　　在對電液伺服轉向液壓控制系統(tǒng)數(shù)學模型進行性能分析之前，需要進行相關的假設，以使模型的主要因素凸顯，忽略次要因素，進而用線性控制理論分析主要特性，各種次要因素可以在后續(xù)仿真建模分析中加以考慮，將系統(tǒng)相應參量和模型進行適當簡化如下：</p><p>　　1、液壓能源是理想的恒壓

63、源，即供油壓力Ps為常數(shù)，且假設回油壓力為零；</p><p>　　2、伺服比例閥與轉向助力缸之間的連接管路忽略，由于管路的模型較復雜，納入頻率模型分析后極其復雜，由于本文研究的電液伺服轉向系統(tǒng)中的伺服比例閥與轉向助力缸間的管路較短僅約為1m，其影響是次要因素，故先將其簡化進行分析；</p><p>　　3、當進行動態(tài)分析時，需要考慮到泄漏和油液壓縮性的影響，而由于液壓缸外泄漏和壓縮性的影

64、響，使流入轉向助力缸的流量和流出轉向助力缸的流量不相等，但為了簡化分析有下公式：</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　將式(4-1)和(4-2)代入(3-5)或(3-6)，則有伺服比例閥的理想零開口四邊滑閥的流量-壓力方程如下：</p&g

65、t;<p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　對上式在零位進行線性化處理并拉普拉斯變換可得：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　、、分別為、、的拉式變換；</p&

66、gt;<p>　　為伺服比例閥的流量增益；</p><p>　　為伺服比例閥的流量壓力系數(shù)。</p><p>　　聯(lián)合公式，經(jīng)過求導和拉普拉斯變換可以得到：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（4-6）</b></p><p

67、><b>　　式中：</b></p><p>　　、分別為、的拉式變換；</p><p>　　為轉向助力缸的總泄漏系數(shù)。</p><p>　　上述簡化分析即可得出負載流量、負載壓力與左右側轉向力缸的位移和的簡化拉式變換關系式。</p><p>　　4.2傳遞函數(shù)簡化及分析</p><p>　

68、　對電液伺服轉向系統(tǒng)的閥控雙轉向助力缸的簡化模型即式可畫出框圖如圖4．21所示。</p><p>　　對于簡化模型框圖做如下分析處理：</p><p>　　1、對上圖所示的閥控雙轉向助力缸頻域框圖，消除中間變量，求得閥芯輸入位移和轉向阻力矩同時作用時輪胎的轉向角度；</p><p>　　2、對于伺服比例閥控制雙轉向助力缸的系統(tǒng)而言，由于控制閥采用的伺服比例閥零位的流

69、量壓力系數(shù)比較小，且助力缸的內(nèi)外泄露也比較小，所以總流量壓力系數(shù)很小，雖然轉向機構有一定的粘性阻尼力，但相乘后數(shù)量級仍然很小，也就是說由轉向系統(tǒng)粘性阻尼力引起的泄漏流量而產(chǎn)生的輪胎轉動角速度一般是很小的可以忽略不計；</p><p>　　3、把系統(tǒng)分解為典型環(huán)節(jié)后，再將傳遞函數(shù)簡化成一階慣性環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)后，轉化為標準的公式。</p><p><b>　　標準的公式： <

70、;/b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　為液壓系統(tǒng)泄漏的總壓力增益；</p><p>　　為一階慣性環(huán)節(jié)的轉折頻率；</p><p>　　為一階慣性環(huán)節(jié)的微分頻率。</p><p>　　對于轉向系統(tǒng)的等效剛度和轉向系統(tǒng)中液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉剛度而言，當它們

71、的關系滿足或者兩種特殊情況時，可以對公式進行相應的簡化，討論如下：</p><p><b>　　(1) 的情況</b></p><p>　　當出現(xiàn)時，也就是說液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉剛度相對于轉向機構部分的等效剛度而言是很小的，轉向機構部分的等效剛度起主導作用，則有如下近似：</p><p><b>　?。?-8）</b><

72、;/p><p><b>　　(2) 的情況</b></p><p>　　當出現(xiàn)，也就是說轉向機構部分的等效剛度相對于液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉剛度而言是很小的，液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉剛度起主導作用，則有如下近似：</p><p><b>　　（4-9）</b></p><p><b>　　4.3頻率響應分

73、析</b></p><p>　　對于閥控雙轉向助力缸的頻率響應而言，與相應控制環(huán)節(jié)的基本參數(shù)有關如比例系數(shù)和轉折頻率等，故需對這些參數(shù)進行分析，以明確各參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性和精度的影響。</p><p>　　可以把閥控雙轉向助力缸簡化模型框圖理解為一個小的系統(tǒng)，實際它是一個具有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，則存在穩(wěn)定性的問題，那么對于上節(jié)轉角的標準公式所示的三階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)而言，其分母

74、的特征方程根系數(shù)是滿足勞斯判據(jù)的，所以閥控雙轉向助力缸的轉向系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，而對于比例系數(shù)：</p><p><b>　　（4-10）</b></p><p>　　通過分析得出以下結論：</p><p>　　1、比例系數(shù)Ka直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和精度，提高比例系數(shù)可以提高系統(tǒng)的響應速度和精度，但是會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定。</p>

75、<p>　　2、對于比例系數(shù)而言，選擇伺服比例閥時較大的流量增益和較小的流量壓力系數(shù)會使增益增大以提高快速性和精度，從液壓的概念而言，即伺服比例閥開較小的閥口即能通過較大的流量，其通流能力較大，而且此時由于流量壓力系數(shù)較小即可理解為在一定壓差下泄漏流量較小，故而可以使伺服比例閥控制的執(zhí)行器兩腔壓力變化靈敏，即會快速產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，進而提高其快速性和精度。</p><p>　　3、考慮伺服比例閥的性能

76、參數(shù)因素和轉向機構因素時，比例系數(shù)最值出現(xiàn)在右轉到極限位置且伺服比例閥處在零開口時，所以此時的穩(wěn)定性最差，但精度最高。</p><p>　　4、綜上所述，影響比例系數(shù)Ka的因素有轉向液壓缸作用于轉向節(jié)臂上的鉸接點到轉向主銷的距離、轉向助力缸無桿腔和有桿腔面積、伺服比例閥流量增益和流量壓力系數(shù)、左右側輪胎等結構的等效剛度、左右側轉角的比例因子。</p><p>　　對于轉向系統(tǒng)而言，一般系統(tǒng)

77、的轉角都較大，那么對于大轉角時，輪胎與地面的力學特性，僅開始小角度存在剛度特性，隨后就是摩擦轉矩，即在較大角度時不存在剛度特性或者說剛度極小，僅表現(xiàn)為摩擦轉矩，則此時對于傳遞函數(shù)式而言，其一階慣性環(huán)節(jié)就蛻化為積分環(huán)節(jié)，此時的特性由液壓彈簧起主導作用。最后通過對誤差進行了分析，由于轉向角度相對轉向助力缸位移的比例系數(shù)，會隨著轉向系統(tǒng)的位置變化而變化，當其余參數(shù)不變時，轉向系統(tǒng)轉到左側極限位置時穩(wěn)態(tài)誤差最小，轉到右側極限位置時穩(wěn)態(tài)誤差最大。

78、</p><p><b>　　4.4本章小結</b></p><p>　　本章主要對電液伺服轉向液壓控制系統(tǒng)數(shù)學模型進行性能分析，首先進行控制系統(tǒng)簡化，然后對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及頻率響應等得出分析結果。</p><p><b>　　第五章 結論</b></p><p>　　設計了一套應用伺服比例閥實現(xiàn)

79、的具有伺服轉向、電液鎖定、應急手動和安全保護功能的電液伺服轉向系統(tǒng)，具有很好的轉向性能，設計了一種變增益的控制策略可以進一步改善電液伺服轉向系統(tǒng)的跟蹤精度，這一套應用伺服比例閥的電液伺服轉向系統(tǒng)，特別適用于大型輪式車輛，且具有很好的轉向性能。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次液壓控制系統(tǒng)分析論文是大學時光頭一次較為正規(guī)的論文分析，由于

80、本人液壓知識水平非常有限，且對于原文的理解和認知遠遠不夠，深知自己這篇分析論文可能根本不配叫做分析論文，由于分析水平與理解水平不夠，所以自己盡可能的讓論文的排版有一個較為健全的結構，讓論文看起來盡可能的美觀一點！</p><p>　　最后，感謝張老師和液壓、機電同學的陪伴，望老師海涵！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p&g

81、t;　　杜恒，大型輪式車輛油氣懸架及電液伺服轉向系統(tǒng)研究，浙江大學，博士學位論文</p><p>　　李運華、楊麗曼，電液伺服系統(tǒng)的二階滑模控制算法研究，機械工程學報，2005. 3月 第41卷第3期</p><p>　　轉向系統(tǒng)試驗臺負載單元的研究與開發(fā)四軸重型車輛電控液壓全輪轉向系統(tǒng)研究_鄭凱鋒基于總線網(wǎng)絡的多輪驅(qū)動工程車輛轉向系統(tǒng)建模_袁海斌基于力矩反饋位置差型線控液壓轉向系統(tǒng)