基于MATLAB的液压系统的设计与仿真

西南交通大学本科毕业设计（论文）基于MATLAB的液压系统的设计与仿真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 394.1simulink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 515.1PID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 565.4.1PID控制器设计 565.4.2采样周期的确定 575.4.3PID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1.2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[16]。根据实际情况和参照相关电梯承载的参数，我设定液压电梯的总负载（包括电梯本身自重）为3000Kg，电梯行程为12m，运行平稳速度为0.75m/s，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,若采用单缸承重,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,因此宜采用双缸支承[23]。双缸液压电梯的结构简图如图2-1所示。电梯为四层四站,每层高3米,采用直顶支承方式,两柱塞缸左右对称布置,分别立于相应导轨一侧。1-为电梯轿厢2-为支承液压缸图2-1液压电梯结构简图2.2液压系统设计液压电梯中用得最多的液压系统是节流调速系统。本液压系统也采用节流调速系统,上行时为旁路节流调速,下行时为回油节流调速[25],液压系统原理见图2-2。1.泵2.电机3.单向阀4.电磁溢流阀5.比例流量阀6.手动节流阀7,8.比例节流阀9,10.液压轿11,12.电控单向阀13,14.油缸15.手动下降阀16.回油滤油器17.进油滤油器18.高压滤油器19.压力表开关20.压力表21.油箱图2-2液压电梯液压系统原理图电梯上行需由泵源驱动。电机启动时,电磁溢流阀4失电,泵卸荷,比例流量阀5的开度为最大,而后电磁溢流阀通电,此时调节比例流量阀的开度即可实现电梯的旁路调速。系统的安全工作压力为溢流阀的调定压力。电梯下行是靠轿厢及载荷的自重作用实现的。当有下行召唤信号出现时,打开电控单向阀11、12,调节比例流量阀就能实现电梯的回油节流调速。双缸的同步运动通过调节两比例节流阀7、8来实现,由于比例节流阀只能沿一个方向通流,需加液压桥路9、10,使得电梯上、下运行时这两个比例阀都能正常工作。电控单向阀由普通液控单向阀改装而成,电磁阀失电时像普通单向阀一样正向通流,反向截流;而当电磁阀得电后,可以实现反向通流。由于电控单向阀不采用间隙密封,不会发生泄漏,因此可有效解决液压电梯的自动沉降难题。手动节流阀6在电梯试验运行时用来调整双缸液压管路的沿程压力损失。手动下降阀15又叫应急阀,当电网突然断电或液压系统因故障无法运行时,操纵手动下降阀就可使电梯以安全低速(0.1m/s)下降[26]。2.3液压缸的设计在机械制造行业中，液压传动已成为必不可少的一门技术而普遍地应用于各种机械、机床和设备中，发挥着独特地、极为重要地作用。液压缸是液压系统中最重要的执行元件，它将液压能转换为机械能，实现直线往复运动。液压缸结构简单，配置灵活，使用维修方便，所以比液压马达，摆动液压马达应用更为广泛。液压缸能与各种传动机构相配合，完成复杂的机械运动，从而进一步扩大了它的运用范围。作为执行元件，液压缸是液压系统的最后一个环节，液压缸性能的优劣直接影响机械系统的工作性能。所以液压缸必须根据不同的机械系统和具体工况来设计，以达到设计效果。因此，做好液压缸设计必须首先对各种形式的液压缸的特点有充分的了解，做好选型工作，然后再根据具体情况来进行设计计算。2.3.1同步伸缩液压缸的工作原理液压缸是这个液压系统中的重要执行元件，由于液压电梯的重载和稳定运行的特性，则需要根据具体情况来设计液压缸。液压电梯的液压缸需要安装空间不大但伸缩长度较长，所以选择伸缩液压缸。由于载人液压电梯的速度不能有突变，其速度曲线必须是平滑连续的，所以需要伸缩液压缸的各级是同步伸出的，如果逐级伸出，那么会导致轿厢速度突变，并产生较大的振动。因此在液压电梯的液压系统中，不能使用普通多级伸缩液压缸，需要使用各级柱塞同时运动同时停止的多级同步液压缸[4]。与普通多级伸缩缸的最大不同之处在于同步伸缩缸的各级柱塞杆的出杆速度是相等的。同步伸缩缸的结构简图如图2-3，从各级缸筒结构设计上保证：第三级活塞背腔环形作用面积与第二级活塞的前腔作用面积足够近似相等即；并且沟通容腔和，即可实现同步运行[14]。当三级活塞位移变化时，容腔被压缩了，排出油液进入容腔，使二级活塞现对三级活塞产生位移，即：可得：进一步微分可得：再微分可得：同理可得到：从以上分析可知：结构上的近似相等的设计和被忽略的因素存在，多级同步伸缩缸不可能完全同步，一定存在同步误差。右图中，缸筒2和缸筒3底部活塞上来补油，用来消除因结构设计和被忽略因素影响而产生的同步误差，在正常工作时，由于第二级的压力明显高于第三级压力，此单向阀处于关闭状态。单向阀的开启压力应设计成低于第三级活塞密封件的总静摩擦力折算的当量压力。这样系统压力大于而小于时，就开始补油。2.3.2同步伸缩缸的参数计算在大多数电梯生产企业，他们的液压电梯中的多级同步伸缩液压缸大多形成型谱表，型谱表中规定了不同系列的三级同步伸缩液压缸的各级活塞杆的外径尺寸，有些还各级有缸头尺寸，对本系统中同步液压缸的设计有重要的参考价值。在设计三级同步伸缩缸时，首先根据同步原理计算相关参数，然后根据实际情况参考相关产品的型谱图来选择具体的参数[15]。根据同步原理可得下面方程组：（2-1）方程组2-1中都是相对速度而不是绝对速度，就是说是柱塞杆Ⅰ相对于柱塞Ⅱ的现对速度，是柱塞杆Ⅱ相对于柱塞杆Ⅲ的相对速度，是柱塞杆Ⅲ相对于缸筒Ⅳ的相对速度[14]。简图如图2-4，根据方程组2-1可推得如下方程：（2-2）化简为：（2-3）由于各级的相对速度想等，即，所以得如下方程组：（2-4）即等于：（2-5）图2-4液压缸缸筒简图获得以上公式后，可以根据电梯工作情况的要求，按照上面的公式来计算同步液压缸的具体尺寸，但是实际设计中由于密封件和钢管材料规格的限制，和不可能取得计算数值，而制作符合计算数值精度的密封件具有一定难度且价格过高，所以只能根据现有密封件和缸筒材料，在满足电梯液压系统运行条件的情况下，选择接近计算数值的尺寸。经过反复计算和查阅各种密封件规格资料，并结合实际情况参考同类产品规格，确定如下表2-1所示的三级同步伸缩液压缸的型谱计算表[20]。表2-1中，计算值是指按照2-4方程组计算所得数值，实际值是参照计算值对照密封件和钢管材料所取得实际各级缸筒的内径和外径，速度比反映了同步误差大小。表2-1液压缸设计计算型谱表35557565.1926599.24721000.97951.03551.014440609072.11172115.2561150.990.98860.9787507510090.13990134.5361350.991.01541.00536385120105.8105159.4521600.95741.01580.972675105140129.03130191.051901.04440.97631.019785125170151.16150226.7162300.95151.06661.015100150210180.28180276.5862800.991.05861.0481125170240211.01210318.9043200.97281.01580.9882150200280250250375.36638011.0561.056实际设计的三级同步伸缩液压缸时，综合考虑实际情况并参考三菱电梯的相关参数，取如下参数为同步伸缩缸的实际尺寸。表2-2选定参数85125170150230所以可以综合列出液压缸设计的综合参数如下表：表2-3基本参数表名称（参数）值同步缸级数3活塞杆直径（mm）85125170包括轿厢总负载（Kg）：Q3000行程（m）：L12轿厢速度（m/s）：v0.75电梯支承方式：直顶式要使三级活塞上下运动的速度基本相同，行程也相同，这要求第三级活塞环形面积等于第二级活塞下腔面积，以此类推，根据这个原理来计算液压缸的相关尺寸。根据前面得到的方程组（2-4）可知：由基本参数可知：解方程组得：令得到壁厚：检验之比：将以上数据带入方程组（2-2）得：从以上计算可得各级参数值如下：知道了缸筒的内径、外径，材料选用20#无缝钢管，可以计算各级缸筒的质量，由于活塞的质量对三级同步伸缩缸的影响是很小的，可以将缸筒作为一根长的圆筒质量来计算，缸筒长度可取行程长度。质量计算比较常见，所以省略计算过程，计算结果如下：2.3.3缸盖和活塞头设计1.缸盖Ⅰ（1）压力计算最大静压力：工作压力：（2）螺钉连接设计6个内六角圆柱头螺钉，规格：M16，p2，螺钉轴线分布圆螺钉间距：螺钉轴线分布圆直径：考虑到与压圈连接，取：（3）活塞头外圆直径（4）缸盖厚度计算取缸盖厚度为：2.活塞头Ⅱ(1)压力计算最大静压力：所以工作压力：（2）螺钉连接8个内六角圆柱螺钉，规格：螺纹轴线分布圆螺钉间距：螺钉轴线分布圆直径：（3）活塞头外圆直径：（4）缸盖厚度同活塞头Ⅰ一样取81mm，因为本级缸筒压力小于第Ⅰ级3.活塞头Ⅲ（1）压力计算最大静压力：所以工作压力：（2）螺钉连接10个内六角螺钉，规格：螺钉轴线分布圆：螺钉间距：螺钉轴线分布圆直径：（3）活塞头外圆直径（4）缸盖厚度同活塞头Ⅰ一样取81mm，因为本级缸筒压力小于第Ⅰ级4.结论根据以上的计算，同时考虑压圈、卡环的尺寸的相互关系，取得如下尺寸:第一级:缸盖外径:196，连接螺钉节圆直径:80第二级:缸盖外径:228，连接螺钉节圆直径:100第二级:缸盖外径:322，连接螺钉节圆直径:2942.3.4柱塞缸和各级活塞缸的长度计算根据液压缸的相关尺寸和具体情况，参照三菱电梯的相关尺寸，有效尺寸大于或等于8100mm，全部缩回小于或等于3970mm解得：取总高为3940mm，则各级杆长如下：缸筒长度：3065mm活塞杆Ⅱ：3242mm活塞杆Ⅰ：3386mm柱塞杆：3590mm柱塞杆如图2-5，长度:2077mm，直径:85mm图2-5第一级柱塞杆第二级活塞杆如图2-6，整体长度:1907mm缸盖和压圈直径:196mm，缸盖加压圈厚度:84mm活塞头Ⅱ直径:148mm活塞杆Ⅱ长度:1757mm，活塞杆I直径:125mm图2-6第二级活塞杆第三级活塞杆如图2-7:整体长度:1664mm缸盖和压圈直径:228mm，缸盖加压圈厚度:90mm活塞头Ⅲ直径:225mm图2-7第三级活塞杆活塞杆Ⅲ长度:1497mm，活塞杆Ⅲ直径:170mm第四级活塞杆如图2-8，整体长度:1653mm缸盖和压圈直径:322mm，缸盖加压圈厚度:102mm缸底和压圈IV直径:322mm，缸底压圈厚度:136mm图2-8第四级活塞杆活塞杆IV长度:1487mm，活塞杆IV直径:260mm整体外形尺寸如图2-9:高度(不包括越程):4457mm高度(包括越程):4757mm图2-9液压缸整体外形尺寸2.3.5液压缸的密封液压缸依靠密封油液容积的变化传递动力和速度，液压油在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间隙、粘度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔向低压腔或外界流出，造成泄漏。密封元件可以防止液压缸的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。密封装置的优劣将直接影响液压缸的工作性能。密封不好的液压缸，不仅会污染环境、降低容积效率、增加功率损失，有时还会影响液压缸的正常工作。液压缸密封件选用取决于压力、速度、温度和工作介质等因素。密封件的合理选用对液压缸有很重要的意义。密封效果决定了液压缸的容积效率;密封摩擦力的大小，决定了液压缸的机械效率;密封材料的耐热性能，影响液压缸的工作温度;液压缸的工作速度，也受密封件的限制;密封件的材料和系统采用的工作介质要有相容性;动密封件的摩擦阻力要小，即摩擦系数要小而稳定，特别是静、动摩擦系数差值要小。密封件的耐磨性要好，磨损后应有一定程度的自动补偿，制造简单、装拆方便、成本低廉。对于活塞的密封，活塞的密封选用K03组合式孔用密封圈，它是由一个密封环、两个挡环和两个导向环组成的五件套组合式密封[17]。其最高工作压力为4OMPa，温度-30-100，运动速度0.5m/s。对于活塞杆的密封，活塞杆与端盖处的密封采用MA39双唇轴用Y形圈，该Y形圈带小于45°切角，且双唇是非对称的，用于活塞杆的密封，其中一个密封唇用于支持活塞杆向上的密封作用并在其向下运动时除去保留在接触空气一侧的灰尘污物。材料为聚氨酷AU92，最高工作压力可达40MPa，温度-40-1O0，运动速度小于0.5m/s。2.4泵和电机的选择2.4.1泵排量的计算排量为液压泵主轴旋转一周所排出的液体体积，已知轿厢的速度为0.75m/s，则直顶液压缸速度为0.375m/s，又因为（其中为各级活塞杆的相对速度），那么可以知道。综合考虑液压缸的结构，第三级液压缸的流量为有效负载流量：采用液压泵的转速为1500r/min，采用液压泵的型号为GR608M-600。2.4.2电机的选择在设计液压缸的活塞头时，我们已计算过各级液压缸的工作压力，那么可以计算出各级液压缸运动所需的理论功率[18]。由负载端计算：第一级活塞：第二级活塞：第三级活塞：所以可以知道驱动液压泵需要选用的电动机。通过以上计算液压泵站需要使用40kw电动机，GR608M-600液压泵，流量集成阀。2.5液压管路的设计管路在液压系统中主要用来把各种元件及装置连接起来传输能量，为保证系统工作可靠，管路及管接头应有足够的强度，良好的密封性，压力损失要小，拆装方便。管路按材料不同可分为无缝钢管、耐油橡胶软管、纯铜管、尼龙管等几种。本课题属于高压系统，应选用强度好、耐高压、变形小、抗腐蚀性的无缝钢管。2.5.1管路内径的选择管路内径应与要求的通流相适应，管径太小则流速将增高，这不仅使压力损失降低，而且可能产生振动和噪声；管径过大，则难于弯曲和安装，而且将使系统结构庞大，所以必须合理选择管径。导管内径d，可根据导管通过的最大流量和允许的流速进行计算：查取资料可选取：压力管流速：当压力时，取，当时，取；当时，取回油管路流速：吸油管路流速：则依次可以计算各个管路的内径：泵出油口的管路内径：取回油口的管路内径：取吸油口的管路内径：取2.5.2管道壁厚计算计算管道壁厚的方程式为：--管道壁厚--工作压力--管道内径--油管材料许用应力.，无缝钢管的，n为安全系数，当时n=8，可知：泵出油口管道壁厚：取回油口的管道壁厚：取吸油口的管道壁厚：取2.6油箱设计油箱在液压系统中主要功用是储存液压系统所需的足够油液，散发油液中的热量，分离油液中气体及沉淀污物，为系统提供元件的安装位置，使液压系统结构紧凑。油箱的容积是油箱设计时需要确定的主要参数。油箱体积大时散热效果好，但用油多，成本高;油箱体积小时，占用空间少，成本降低，但散热条件不足。在实际设计时，可用经验公式确定油箱的容积[19]。油箱容积经验公式：V—油箱的容积(L);q—液压泵的总额定流量(L/min);—经验系数;对低压系统;对中压系统;对中高压或高压大功率系统。本系统中取4min，其中,那么取2.7过滤器的设计该液压系统在回油路上设置过滤器，在系统油液流回油箱之前，过滤器将外界侵入系统的和系统内产生的污染物滤除，为系统提供清洁的油液。系统中过滤器需安装在油箱顶部，过滤器公称流量为650800L/min，过滤精度20，通径50mm，最大压力损失0.08MPa。2.8阀的选择2.8.1单向阀的选择普通单向阀在液压系统中的作用是只允许液流沿着管道一个方向通过，另一个方向的流动则被截止。在本系统中要求单向阀的通流能力满足以上，那么可以采用上海液压件厂的A型单向阀[20]，压力范围，公称通径为50mm，额定流量为。2.8.2电磁溢流阀电磁溢流阀由小规格电磁换向阀与溢流阀符合而形成，它具有溢流阀的全部作用且可通过电磁阀的通断电来控制，实现液压系统的卸荷或多级压力控制。可以选用上海立新液压件厂引进乐力士系列DBW电磁溢流阀[17]，压力范围：，公称通径为32mm，额定流量为。2.8.3节流阀节流阀是通过改变节流阀的截面或节流长度以控制流体流量的阀门，本系统对节流阀的性能要求有：流量调节范围打，流量-压差变化平稳；内泄露量小，过有外泄油口，外泄量也要小；调节力矩小，动作灵敏。系统中的比例流量阀采用先导式比例流量阀，采用型号为RPCE3型先导式比例流量阀。2.9本章小结本章主要对液压电梯的液压系统进行了设计，先根据实际的情况确定电梯的背景和工作情况，然后根据具体要求确定其液压系统原理图。其次根据设计要求确定其工作参数，包括负载、行程、运行速度等，并计算出液压系统的工作压力，再根据工作情况，确定液压缸形式为同步伸缩缸，参照实际液压电梯的型谱图来计算缸的基本参数。确定液压缸的流量后，可以根据系统的工作压力和流量确定液压泵的排量和液压缸的各级功率，然后可以确定液压泵的型号和驱动电机的额定功率。最后依次对系统的管路、过滤器、各种阀进行设计计算，获得相关参数后即可确定各种液压元件的材料，并根据市场的情况选用合适的液压产品。第3章电梯液压系统模型的建立在完成液压系统初步设计和液压元件初步选择之后，需要对液压系统进行动态分析。首先要根据具体工况进行分析，并建立系统的数学模型，然后对模型进行求解来分析系统动态特性和预测系统动态响应。本章主要内容是建立液压电梯液压系统的数学模型。建立液压系统模型的目的是为了便于用软件进行数字仿真，通过仿真研究了解液压系统的动态性能，为改进和完善系统性能提供必要的理论依据。而建立一个较精确的描述液压系统动态性能的数学模型又是仿真的前提和关键，是为了提高动态仿真结果的准确程度。所以在建立系统数学模型时应符合准确、简明、适应的原则[21]。要建立一个液压大系统模型应首先对液压系统进行分析，根据液压元件在系统中的功能和作用建立液压元件(子系统)模型，或采用现有的模型形式。其次对液压系统进行拓扑结构分析，将液压大系统简化或抽象化，建立节点的拓扑约束方程和边界约束方程。然后根据液压系统拓扑结构和系统节点特征将液压元件子系统模型组合成液压大系统的数学模型。分析液压系统的拓扑结构就是分析系统中组织液压元件模型的方式。将液压大系统的功能及组成进行简化和抽象化，以利于由子模型方便而迅速的构成大系统模型。在构成液压大系统模型时采用的是拓扑技术，拓扑技术是指建模过程中将大系统分割成子系统进行建模，并利用子系统模型组成大系统的技术[35]。在利用拓扑技术进行系统的建模时，可以更方便的对整个系统模型进行分析和调整，减少了系统分析的时间，提高了工作效率。本文中要建立液压电梯的液压系统的模型，首先要根据具体工作情况建立整个系统的拓扑结构模型，电梯的运行分为电梯上行和下行两个阶段具体分析，并建立相应的拓扑结构，然后分别对每一个元件进行分析建模，在得到拓扑结构中每个元件的数学模型后，再结合拓扑结构图总结得到整个工作系统的数学模型。根据分析我们可以得到这个液压系统的拓扑结构如下如图3-1：图3-1电梯液压系统的拓扑结构图图中符号意义如下:—液压泵；—手动节流阀，可看成一个液阻元件;—溢流阀，二通口元件;—比例流量阀，由减压阀和节流阀组合而成，用于调速;—单向阀，开启后为一个液阻元件;、—比例节流阀，单向通流，与单向阀组成液压桥;、—电控单向阀，无电信号输入时为一个普通单向阀，有电信号输入，反向通流;、—三级同步液压缸;—系统与油箱连接节点;、—液压缸边界点，与外界机械联结;、、—系统内三通口节点;3.1电梯上行的数学模型电梯上行的时候，电机拖动液压泵正常供油，调节比例流量阀进行旁路节流调速，来控制电梯启动上行的速度，使得电梯轿厢进行匀加速运动，保证电梯运行平稳。电梯上行时，电磁溢流阀失电，溢流阀不溢流。手动节流阀在电梯试验运行时用来调整双缸液压管路的沿程压力损失，在电梯正常工作时，手动节流阀相当于通流管路。那么，可以得到电梯上行液压系统的拓扑结构如图：图3-2电梯液压系统的上行拓扑结构图根据系统的拓扑结构，我们可以依次建立各个子系统的数学模型。3.1.1泵的数学模型用液压泵的型号为GR608M-600，转速为1500r/min，油泵的模型简图如下图3-1所示，设进口油压为，出油口的压力，考虑到油液的泄露量和可压缩性，可以建立如下的子模型[33]：其中：—液压泵的实际流量;—液压泵的理论流量;—液压泵的液导;—液压泵的出口容积;—油液体积弹性模量。泵的液导取经验值为：泵出口容积为：油液的弹性模量取：取进口压力为：将以上参数代入模型中，可以得到如下方程：3.1.2单向阀的数学模型在液压系统中，忽略单向阀开启动态特性，单向阀一打开，其作用就相当于一个液阻元件，将单向阀的液阻简化成线性液阻，其模型形式(流量方程)为:式中：—通过单向阀的流量—单向阀液阻，—单向阀进口压力—单向阀出口压力则单向阀流量方程为：3.1.3比例流量阀的数学模型比例流量阀是由定差减压阀和节流阀串联而成的组合阀。由于节流阀的刚性差，在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，因此仅适用于负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合。由于工作负载的变化很难避免，在对执行元件速度稳定性要求较高的场合，需要采用比例流量阀来进行节流调速。而比例流量阀是由定差减压阀在负载变化时，对节流阀进行压力补偿，使节流阀前后压力差在负载变化时保持不变[24]。比例流量阀可以看成是减压阀和节流阀组合而成，那么其模型也可分开看。定差减压阀的模型如下：式中：—通过减压阀的流量—定差减压阀的节流阀口流量系数—定差减压阀通流面积，，为减压阀的通径—液体密度，此处取、—减压阀的进出口压力那么，可以得到模型：节流阀模型如下：式中：—通过节流阀的流量—节流阀的液阻—节流阀的液导，、—节流阀的进出口压力节流阀模型为：3.1.4液压桥的数学模型由于比例节流阀只能单向通流，所以需要和单向阀搭配组成液压桥，这样在电梯上行或者下行时，比例节流阀都能正常工作。两个液压缸的同步运动就是靠调节此处两个比例流量阀来实现的。建立液压桥的模型可以分开看成两个单向阀和一个比例流量阀组成的。此处单向阀相当于一个液阻，单向阀的模型可以得到：式中：—通过单向阀的流量—单向阀液阻，—单向阀进口压力—单向阀出口压力则单向阀流量方程为：节流阀是一种最简单又最基本的流量控制阀，它是借助于控制机构使阀心相对于阀体孔运动，以改变阀口的过流面积从而调节输出流量的阀类。在本系统中，手动节流阀是用来调节流量以消除调整双缸液压管路的沿程压力损失。在液压系统中，节流阀可看成一个阻尼器，建立模型过程中可以把节流阀看成一个简单的线性液阻，其模型如下：式中：—通过比例节流阀的流量—比例节流阀的液阻—比例节流阀的液导，、—比例节流阀的进出口压力那么，其模型如下：其另外一个单向阀的模型为：其中：、—比例节流阀的进出口压力3.1.5液控单向阀的模型在液压大系统中若忽略液动力、库仑摩擦、粘性阻尼和阀心重力的影响，可将液控单向阀的流量方程进行简化，得到如下模型：式中：—液控单向阀综合流量系数，,为液体的雷诺数，此处取管道的雷诺数位1500。那么、—液控单向阀的进出口压力那么，液控单向阀的模型可以写成：3.1.6液压缸的数学模型1.缸筒IV-Ⅲ环节①从弹性液体流量连续性方程，可以得到泵输出流量到缸的压力变化过程的动态微分方程式:上式中的容腔包括两个部分:一是基本固定不变的管路容腔容积;二是随缸筒Ⅲ伸出位移的变化而变化的容腔容积，所以，可以表示成:再把代入上式中可得：②运动方程该环一节分析缸筒Ⅲ的受力情况，受力图如图3-3，图3-3液压缸缸筒受力分析其中摩擦力计算如下：③将己知量带入计算合成方程组为:化简得：式中：—液压缸的液压腔3的压力—液压缸的液压腔2的压力—液压缸的液压腔1的压力—液压缸的第Ⅲ级缸筒的相对速度—缸筒Ⅲ与Ⅳ的距离—输入到液压腔3的流量2.缸筒Ⅲ-Ⅱ环节缸筒Ⅲ-Ⅱ环节和上述的缸筒IV-Ⅲ环节相似，那么可以用相同的方法获得其模型如下：式中：—液压缸的第Ⅱ级缸筒的相对速度—缸筒Ⅲ与Ⅱ的距离3.缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ环节缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ环节和上述的缸筒缸筒Ⅲ-Ⅱ环节相似，那么可以用相同的方法获得其模型如下：式中：—液压缸的柱塞的相对速度—缸筒Ⅱ与柱塞Ⅰ的距离4.合成方程组综合以上各级缸筒和柱塞的模型，合成得到液压缸的总的模型：3.1.7系统上行的模型根据以上对系统中各个元件的模型的分析，可以获得系统在上行过程中的总体模型如下：和比例节流阀的通流直径为整个系统的输入。3.2电梯下行的数学模型电梯下行是靠电梯轿厢里面得负载和轿厢的自重提供电梯下降的动力。当有下行召唤信号出现时,打开电控单向阀,液压油从液压缸中流出，经过液控单向阀、液压桥，和比例流量阀流回油箱，此过程中调节比例流量阀就能实现电梯的回油节流调速。在电梯下行过程中，电控单向阀得电后反向通流，相当于一个通流的油管，所以此处可以不考虑液控单向阀的模型。而对于液压缸来说，相当于对液压缸输入一个负的流量，从而使得液压缸中的流量减少，所以液压缸的总体模型都不变。液压桥和液控单向阀的模型也基本不变。液压缸的模型：液压桥的模型：那么，液压桥的模型可以简化成：比例流量阀的模型;所以，可以得到电梯下行时候系统的总模型：3.3本章小结本章对己经设计完成的液压系统进行了数学建模，该液压系统的数学模型可以分为液压电梯上行阶段和下行阶段，本章中详细分析了液压电梯上行过程中的具体情况，并建立了其具体的数学模型。在进行建模时先对液压系统进行功能分析和拓扑结构分析，画出拓扑结构图，然后根据各元件在系统中的功能和作用建立各个液压元件的子模型，按照各元件之间的拓扑关系图，将他们合成为整个液压大系统的数学模型。第4章电梯液压系统的动态仿真经过对具体工况的分析，设计计算出了满足运行条件的电梯液压系统，并且根据流量和压力的关系建立了各个液压元件的模型，建立完系统的数学模型之后，要对系统的动态特性进行分析，即对系统各个工作阶段进行动态仿真分析，仿真过程中，使用的是Matlab中的simulink，通过用simulink来建立系统运行的仿真模型，获得系统运行的速度和压力的图像，分析液压系统运行的平稳性和可靠性。4.1Simulink简介Simulink为Mathworks公司推出的交互式模型输入与仿真环境，为MATLAB在仿真和CAD中的应用开创了新的局面，Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Simulink的具有如下特点：（1）丰富的可扩充的预定义模块库。（2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。（3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。（4）通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。（5）提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。（6）使用EmbeddedMATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。（7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。（8）具有图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。（9）可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。（10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。总体来说，simulink有两个明显的功能:仿真和连接，即在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。与传统的仿真软件相比，Simulink具有更直观、方便、便于推广和扩展的特点[27]。4.2电梯上行时液压系统的仿真分析根据实际电梯的运行情况分析可知，电梯上行过程一般分为电梯启动的匀加速运动阶段、电梯上行匀速运动阶段、电梯停止的匀减速运动阶段。在上行的这三个过程中，液压系统的基本模型是不变的，只是输入到液压缸的液压油流量变化，然后实现了电梯轿厢速度的变化。在电梯上行的过程中，我们根据上一章建立的液压系统模型拓扑结构图，可以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[28]。在此过程中采用了液压泵输入恒定流量信号，通过调节调速阀对系统进行旁路节流调速。4.2.1供油子系统的仿真模型供油子系统由液压泵供油，流经单向阀，并由调速阀进行流量的调节输出的流量供给系统的运行，可以设这个系统供出的油量为。此系统输入为和比例流量阀的通流直径，输出为。这个系统的数学模型Subsystem数学模型如下:消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型框图Subsystem3如图4-1：图4-1供油子系统的仿真框图4.2.2液压桥和液控单向阀组成调整子系统的仿真模型液压油由供油子系统提供，依次流经液压桥的单向阀、比例节流阀、单向阀和液控单向阀[32]。这个子系统的输入为、，输出为。这个系统的数学模型如下：消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型框图Subsystem4如图4-2：图4-2调整子系统的仿真框图4.2.3三级同步液压缸构成运行系统的仿真模型对于三级同步液压缸构成运行系统，系统的输入为经过调整子系统调整的液压油，流量为，输入压力为调整子系统的输出的压力。子系统的数学模型如下：由于三级同步液压缸的模型较为复杂，我们可以将同步液压缸分三级进行讨论，分别建立仿真模型：1.缸筒IV-Ⅲ环节其数学模型如下：消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型Subsystem框图如图4-3：图4-3缸筒IV-Ⅲ环节的仿真框图2.缸筒Ⅲ-Ⅱ环节其数学模型如下：消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型Subsystem1框图如图4-4：图4-4缸筒Ⅲ-Ⅱ环节的仿真框图3.缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ环节其数学模型如下：消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型Subsystem2框图如图4-5：图4-5缸筒Ⅱ-柱塞Ⅰ环节的仿真框图根据以上各环节分析，可以得到液压缸的仿真模型如图4-6：图4-6液压缸的仿真模型框图根据系统的拓扑结构和对每个子系统的分析，得到系统的仿真模型如图4-7：图4-7电梯上行液压系统的仿真框图4.3电梯上行液压系统的仿真在电梯上行时，液压泵输入为一个阶跃信号，而比例流量阀的通径大小输入为一个反向的梯形信号，系统的速度的调节主要是依靠比例流量阀的通径大小的调节的。而液压缸是三级同步液压缸，故在研究液压缸活塞运动时需要讨论液压缸的每一级柱塞的运动的速度、位移和压力，才能更好的分析电梯液压系统的运行效果并作出合理改进。下面是对系统输入的流量曲线和比例流量阀通径变化曲线如图4-8、图4-9。图4-8系统的输入流量曲线图4-9比例流量阀的通径变化曲线4.3.1电梯上行液压缸的速度曲线根据系统的仿真模型，对电梯液压系统输入相应的流量信号和调速信号，可以获得液压缸的速度曲线如图4-10：图4-10各级液压缸的速度曲线由图上可知，各级液压缸的绝对速度是成倍增加的，满足三级同步液压缸的各级活塞缸同步运动的要求。但是对曲线放大来看如图4-11，速度的振动较大，还不够平稳，这样不利用电梯的平稳运行。为此我们将在下一章讨论改进系统使速度运动平稳。图4-11各级液压缸的速度放大曲线4.3.2电梯上行液压缸的位移仿真曲线电梯在运动过程中，各级缸筒的位移曲线是直接反应电梯移动的曲线，可以从曲线中看出电梯运行的平稳性和误差，从而可以更方便对电梯进行调整。在液压电梯的运行过程中，由于电梯的支承方式是双缸同步支承，所以在考虑电梯运行误差的时候，需要把液压缸的位移误差放大一倍，这样才能合理的改善电梯的运行。同步伸缩液压缸的各级缸筒伸出的相对长度是相等的，而其位移则是逐级累加的，所以可以得到如图4-12所示的曲线，下面曲线合理反映了各级缸筒的位移，且各级位移满足电梯的运行要求。图4-12各级液压缸的位移曲线4.3.3电梯上行液压缸各级缸筒压力仿真曲线电梯的运动过程中，电梯载重是不断变化的，在本系统的仿真过程中，我们在电梯的负载最大的情况下对电梯运行进行仿真，这样可以更好的观察电梯的运行效果，保证电梯的安全的运行。而承受负载的主要是液压缸，所以我们需要对液压缸的各级缸筒压力进行分析，这样才能保证液压缸在安全压力下运行。如图4-13反应了各级缸筒的压力变化[32]。第一级缸筒由于柱塞面积较小，故在承受负载运行时，所受的压力最大；第二级缸筒同样在相同负载的情况下，压力比第三级明显要大些；第三级液压缸是液压油直接输入的缸筒，其承受压力较小，但要保证真个液压缸安全运行，仍需考虑第三级缸筒的压力变化的影响。图4-13各级缸筒压力曲线4.4本章小结本章根据上章建立的系统的数学模型，对电梯液压系统进行了仿真。在仿真过程中，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，并对三个子系统分别建立了仿真模型。得到各个系统仿真模型后，组成了整个液压系统的仿真模型，然后对系统输入了流量信号和调速信号，最后运行便得到了各级液压缸运行的速度、位移和压力曲线。在本章中主要对电梯上行的过程进行了详细的分析，获得了基本满足运行要求的结果。第5章电梯液压系统的PID控制随着当今科学技术的发展，工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志，而自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题，所以需要一种更加先进的控制方法来解决工业发展的瓶颈[31]。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以软件实现更优化的控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使得控制的方法更加灵活和精确。利用计算机解决控制系统中的问题，不仅可以大大提升控制系统的效率和准确性，而且可以对各种控制系统不断变化的要求做出快速的调整。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制主要是将系统误差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。这种控制方法简单易懂，使用中不需精确的系统模型，所以得到了广泛的推广。PID控制器在不同方面都体现了其自身特点，首先，PID应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定[29]。在实际运用中，我们通常可以把利用计算机来模拟PID控制器，构成数字PID控制，数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业中获得了广发的应用。5.1PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理图如图5-l所示，由模拟PID控制器和被控对象组成[30]。图5-1模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差：（5-1）将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：（5-2）或写成传递函数的形式（5-3）式中：—时刻的控制量—比例系数—积分时间常数—微分时间常数简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下:(1)比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2)积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。5.2位置PID控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[30]。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(5-2)的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。以一系列的采样时刻点代表连续时间，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作以下近似变换:（5-4）式中，T—采样周期。离散化过程中，采样周期T必须足够短,才能保证有足够的精度。为书写方便，将简化表示成，即可得到位置式PID控制算法:（5-5）或（5-6）式中：—采样序号，；—第次采样时刻计算机输出值；—第次采样时刻输入的偏差值；—第次采样时刻输入的偏差值；—积分系数；—微分系数；图5-2为位置式PID控制算法的原理图。图5-2