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电液复合驱动缸系统控制特性及节能性研究

电液复合驱动缸系统控制特性及节能性研究

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作者：吕若曦华侨大学

学位级别：硕士

随着重载机器人和大功率高端装备制造的高速发展及其日渐彰显的战略地位,对驱动技术的控制性能和系统能效均提出了更高的要求。当前执行装置的驱动方式主要有气动、电机驱动和液压驱动等。气动方式虽然节能环保,但工作压力等级较低、稳... 详细信息

随着重载机器人和大功率高端装备制造的高速发展及其日渐彰显的战略地位,对驱动技术的控制性能和系统能效均提出了更高的要求。当前执行装置的驱动方式主要有气动、电机驱动和液压驱动等。气动方式虽然节能环保,但工作压力等级较低、稳定性较差,较少应用于大功率机械装备。电机驱动在机械执行装置的效率和运动控制的精度等方面取得了明显优势,但受到导磁材料的磁饱和性能影响,电机精密驱动的功率输出能力相对有限。液压驱动由于具有输出力/力矩大、功率密度高和过载能力强等优势,在工程机械、航空航天、装备制造等领域得到了广泛的应用,但存在能耗高、控制不够精细的不足。目前对驱动技术的研究主要是研究液压系统节能技术以提高系统能效,研究液压系统控制策略以改善控制性能,但由于其自身特性的限制难以同时兼顾高能效和高性能。论文以同时保证高功率密度、高精度和高能效为目标,提出了一种将电机驱动和液压驱动相结合的电液复合驱动缸系统结构方案,该系统综合利用电机驱动高控制性能和液压驱动高功率密度的优势,通过对电机的转速、转矩进行主动控制实现高精度运动,通过对液压系统的压力、流量进行被动控制实现高功率密度和快速响应。论文分析了系统主要组成单元并对其中的关键元件进行参数匹配;分别构建了阀控缸系统、泵控缸系统以及电液复合驱动缸系统的数学模型,分析了三种系统开环系统和闭环系统的控制性能;为了使系统适应不同负载,提出了一种基于负载识别的电液能量分配策略,并对控制策略中的临界负载进行设计;通过建立电液复合驱动缸AMESim系统仿真模型,研究开/闭环控制方法对系统控制性能的影响并验证了电液能量分配策略的合理性。根据系统工作原理和元件参数设置搭建了电液复合驱动缸系统试验平台,为了与传统液压控制系统进行对比,搭建了阀/泵控缸系统对比试验平台,两套试验平台共用一套计算机辅助测试系统。基于所搭建的试验平台和AMESim系统仿真模型,对电液复合驱动缸系统的控制特性和节能性进行了仿真和试验研究。研究结果表明:电液复合驱动缸系统具有较好的功率放大特性;对于速度控制,电液复合驱动缸系统的阶跃输入速度响应快速性、方波输入速度突变快速性以及正弦输入速度跟随性都优于阀/泵控缸系统;对于位置控制,电液复合驱动缸系统的斜坡输入定位精度、正弦输入位置跟随性都优于阀/泵控缸系统;电液复合驱动缸系统的效率随负载增大而增大,相同负载下大于阀/泵控缸系统的效率;论文所提出的电液复合驱动缸系统在驱动功率、控制特性以及节能性方面都具有较好的表现。

关键词：重载机器人电液复合驱动节能伺服电机液压蓄能器

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重载机器人电液复合驱动系统控制特性及能效研究

重载机器人电液复合驱动系统控制特性及能效研究

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作者：洪荣艺华侨大学

学位级别：硕士

为适应工业4.0时代的需求,我国在《中国制造2025》和“十四五”规划等相关政策中,明确指出加快发展驱动技术,力求在工业重载领域实现“精密化”“智能化”“节能化”等多项目标。随着工业技术的不断迭代,高端制造机械设备的末端执行器... 详细信息

为适应工业4.0时代的需求,我国在《中国制造2025》和“十四五”规划等相关政策中,明确指出加快发展驱动技术,力求在工业重载领域实现“精密化”“智能化”“节能化”等多项目标。随着工业技术的不断迭代,高端制造机械设备的末端执行器对于驱动系统的性能需求越来越苛刻,如何同时兼顾高功率密度和高运动控制精度逐渐成为新型驱动系统的主要研究方向之一。重载机器人作为新兴工业领域的典型代表,与轻型机器人相比,其工况复杂多样,对于驱动系统不仅要求在工作中能够提供足够的输出力,还需要兼具较高的控制精度。然而,现有驱动系统一般仅能满足单一需求。因此,本文以现有重载机器人末端执行元件作为主要研究对象,搭配先进驱动技术,以探寻先进驱动技术的研究意义和价值。首先,本文分析了典型末端执行元件驱动系统的工况特征,以一台国内某自主品牌的1000 kg重型机器人的升降驱动系统作为研究对象,分析驱动系统在典型工况下的运行特征,为后续新型驱动系统方案设计奠定基础。现有的电机驱动系统和液压驱动系统在运动控制与功率密度方面各具优势,为新型驱动系统方案的设计提供了可能性。新型驱动系统采用电机-液压复合驱动系统取代了传统的单一驱动系统,并重新进行参数匹配。其次,新型驱动系统由传统的单一驱动系统变成双系统耦合驱动,由于电机驱动系统与液压驱动系统的特性相差较大,直接耦合后继续沿用传统控制策略可能导致系统各项特性不理想。为了探究耦合特性所带来的影响,本文针对所提出的电液复合驱动系统进行数学建模,分析电液复合驱动系统的作用机理。同时,为了更好发挥新型驱动系统的各项特性以及解决电机-液压复合驱动系统强耦合特性的负面影响,本文提出了一种电机驱动系统采用主动控制,液压驱动系统采用被动控制的解耦方案以及通过寻优方法确定了电液复合驱动系统的驱动力分配数值。再次,为了验证所提出来的电液复合驱动系统方案的可行性以及与传统驱动系统在各项特性上的差异,本文以Amesim和Simulink作为仿真工具,进行联合仿真,探索电液复合驱动系统与传统驱动系统的在各种不同情况下所展现出来的各项特性之间的差异以及采用不同控制算法对电液复合驱动系统的影响。经过仿真验证,与传统驱动系统相比,电液复合驱动系统所展现的各项特性综合性能更具优势,同时,相较于传统PID算法,滑模控制算法(即SMC控制算法)能够使复合驱动系统的电机驱动系统输出力更加稳定。最后,为了验证所提出系统方案的可行性以及仿真模型的准确性,搭建了测试试验平台,验证了不同工况下电液复合驱动系统与传统驱动系统之间的差异,试验结果与仿真结果基本一致。所获得的结果和所提出的电液复合驱动系统具备一定的实际工程应用价值。

关键词：驱动系统电液复合驱动运动控制功率密度控制策略

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全断面硬岩掘进机（TBM）驱动系统的研究

全断面硬岩掘进机（TBM）驱动系统的研究

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作者：周赛群浙江大学

学位级别：硕士

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine),简称TBM,是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体,专用于地下隧道工程施工的技术密集型工程装备。随着工业的发展和人口的膨胀,地球资源日益短缺,环境日益恶化,人类赖以生存的地球已不... 详细信息

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine),简称TBM,是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体,专用于地下隧道工程施工的技术密集型工程装备。随着工业的发展和人口的膨胀,地球资源日益短缺,环境日益恶化,人类赖以生存的地球已不堪重负。世界各国政府除了采取综合性整治工作,提倡节能、环保外,都日益重视地下空间的开发利用。在我国经济高速发展的带动下,未来20年,我国城市化将进入加速发展时期,随之而来的市政工程、城市地铁、水利水电等基础设施建设已经摆到了一个非常重要的地位,大量采用TBM技术进行地下工程建设已成为我国城市化进程的必然选择。论文以中天山隧道工程为背景,以德国WIRTH公司生产的TB880E型全断面硬岩隧道掘进机为研究对象。结合工程的实际地质情况,对硬岩TBM主驱动系统的工作原理进行了研究。通过对TBM液压系统的现场组装调试和对掘进作业过程的观察,进一步掌握TBM液压系统的工作性能,并对TBM掘进作业时液压系统的工作参数进行测量分析。本文的研究成果为国内相关单位对TBM的研发和各施工单位在工程中对TBM的合理应用提供了参考依据。论文的主要研究内容如下:第一章,介绍了目前世界上应用的隧道施工方法以及施工机械—TBM的概况,阐述了国内外TBM技术的状况。提出了本文的研究背景和研究意义,概述了本文的主要研究工作。第二章,结合工程实际,分析了TBM主驱动系统对驱动动力的要求,并简要介绍了TBM液压主泵站的基本情况。第三章,分析了TBM的组成结构和破岩机理,对TBM刀盘电机主驱动系统和辅助液压驱动系统的工作原理和特性进行了研究,硬岩TBM采用电液复合驱动的方式是适应复杂地质条件的要求。第四章,分析了电液比例技术的特点及TBM中电液比例技术的应用。对TBM推进液压系统和支撑液压系统的工作原理和性能进行了研究,分析了推进和支撑液压系统工作参数的调整对TBM掘进效率和掘进姿态的影响。第五章,结合液压系统原理图,分析了TBM液压系统组装调试过程中出现的一些问题的原因所在。对TBM掘进作业时液压系统的工作参数进行了测量分析。第六章,总结了全文的研究工作和研究成果,并提出了需要进一步深入研究的工作方向。

关键词： TBM 电液复合驱动驱动扭矩推进力电液比例技术姿态调整

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