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录 A 译文 附录 次调节伺服加载系统的耦合影响 0 引言 二次调节伺服加载系统是近年来发展起来的一种新型加载技术，它适用于各种发动机、变速箱、车辆传动桥等旋转试件的模拟加载试验。同传统的液压加载系统相比，这种加载系统具有能量可回收、效率高、动态性能好、控制灵活可靠等一系列优点。但这两种加载系统存在液压和机械两种耦合干扰问题，这两种耦合干扰都将给系统带来不利的影响。本文通过系统建模与仿真，详细分析了液压耦合和机械耦合对系统控制性能的影响。 1 系统原理和数学模型 二次调节伺服加载系统原 理如图 1。 2 加载系统数学模型 对图 1 的二次调节伺服加载系统建立数学模型，并经适当简化、整理，将其表示成方块图形式，如图2。由图 2 可见，该系统为两输入两输出系统， 分为对应于二次元件 9 的转速控制系统， 5 的转矩控制系统。 +-+-+-N iM oN o)(1212) 和 ) ，分别为转速控制系统和转矩控制系统的电液伺服阀 8(17)、变量液压缸 7(16)、位移传感器 6(18)、二次元件 9(15)的综合传递函数，若两系统各元件 (转速传感器 10 和转矩传感器 13 除外 )相同，则 )和 ) 相同，其具体形式为 )(1 )(1 2m a a ( 1 ) )s v ys v L s vs v s P A 82 2 0 . 54 . 8 1 0 ( ( 1 ) 2 9 . 8 )1 8 9 . 0 1 8 9 . 0 22 2 0 . 4 56 . 5 ( 1 ) ( 1 )3 5 . 1 1 7 4 . 0 1 7 4 . 0 式中 sv 有频率和阻尼比； A 和 变量液压缸活塞的有效作用面积和最大位移： 二次元件的最大排量； 位移传感器的变换系数。 G )为加载对象 括二次元件 9、转速传感器 10、转矩传感器 13)的惯性阻尼环节，其传递函数形式为 )(2 = 1 R = 1 2 式中 加载对象 等效转动惯量和等效阻尼系数。 )为二次元件 15 的惯性阻尼环节，其传递函数形式为 )(2 = = S 式中 二次元件 15 的转动惯量和阻尼系数。 转速控制系统的输入、输出转速； 转矩控制系统的输入、输出转矩。 转速传感器 10、转矩传感器 13 的变换系数。 3 耦合干扰对系统控制性能的影响。 由图 1 可以看出，两个二次元件一端是以压力耦合方式并联于恒压网络上，而另一端是通过加载对象、转速和转矩传感器，以机械耦合方式联于一体的，因此这种加载系统存在液压耦合和机械耦合。 为了进一步分析耦合干扰对系统控制性能的影响，在负载压力为正弦波动、输出转速 输出转矩方波波动情况下，对如图 2 的系统模型进行仿真，仿真结果如图 3、 图 4、图 5。 1 输出转速 2 输出转矩 图 3 负载压力波动下的仿真曲线。图 3 a、 b、 c、 d 中，曲线 l 为不同负载压力波动干扰下转速控制系统输出转速的阶跃响应，压力波动幅度分别为额定压力值 (29 5 0、 5 0、 10 0、 20 0；曲线 2 为以上各种压力波动干扰下转矩控制系统输出转矩的阶跃响应。由曲线 l 可得，以上各种压力波动干扰下输出转速的波动误差分别为0 1、 3 2、 5 0、 8 0；由曲线 2 可得，相同压力波动干扰下输出转矩的波动误差分别为 0 1、 5 0、 9 5、 20 0。 可见，转速控制系统和转矩控制系统的控制性能，同时受到负载压力波动 (液压耦合 )干扰的影响，随负载压力波动幅度的增大，两控制系统的控制精度都明显变差，且转矩控制系统所受影响大于转速控制系统。 4 a、 b、 c、 d 中，曲线 1 为转速控制系统输出转速的方波响应， 它作为转矩控制系统的波动干扰 ，其波动幅度分别为设定值 (500r m)的 0、 0、 20 0、 40 0；曲线 2 为以上各种转速波动干扰下转矩控制系统输出转矩的阶跃响应。由曲线 2 可得，以上各种转速波动干扰下输出转矩的波动误差分别为 0 1 、 2 0、 4 0、 可见，转矩控制系统的控制性能受到转速控制系统输出转速波动 (机械耦合 )干扰的影响，随输出转速波动幅度的增大，转矩控制系统的控制精度变差。 图 5 a、 b、 c、 d 中，曲线 2 为转矩控制系统输出转矩的方波响应，作为转速控制系统的波动干扰，其波动幅度分别为设定值 (300N m)的 0、 10 0、 30 0、 50 0；曲线 1 为以上各种转矩波动干扰下转速控制系统输出转速的阶跃响应 。 由曲线 1 可得，以上各种转矩波动干扰下输出转速的波动误差分别为 0、 4 0、 8 0、 13 6。可见， 转速控制系统的控制性能受到转矩控制系统输出转矩波动 (机械耦合 )干扰的影响，随输出转矩波动幅度的增大，转速控制系统的控制精度明显变差。将图 4 与图 5 比较还可见，转矩波动对转速控制系统的干扰影响明显大于转速波动对转矩控制系统的干扰影响。 4 结 论 二次调节伺服加载系统存在两种耦合，一种是液压耦合，一种是机械耦合。这两种耦合都将对系统的控制性能产生干扰影响，液压耦合干扰的影响取决于负载压力波动，机械耦合干扰的影响取决于输出转矩和输出转速波动。 对于无任何补偿的普通 制系统来讲，随着负载压力、输出转矩和输出转 速的波动幅度的增大，系统的控制精度明显变差，且转矩控制系统受负载压力波动的影响大于转速控制系统， 转矩波动对转速控制系统的影响大于转速波动对转矩控制系统的影响 。采用鲁棒补偿方法，即在普通的 制基础上，归零因子环节和低通滤波器，对控制系统进行改进，可有效消除液压耦合 (压力波动 )和机械耦合 (转速和转矩波动 )干扰的影响，实现转速控制系统和转矩控制系统之间的解耦，并同时使系统获得很强的鲁棒性，从而大大地提高系统的控制性能。 附录 次调节静液传动技术 1 二次调节静液传动技术，是对液压能与机械能相互转 换的液压元件进行调节，来实现能量转换和传递的技术。如果把液压系统中机械能转化成液压能的元件 (液压泵 )，称为一次元件或初级元件，则把液压能和机械能可以互相转换的元件 (液压马达泵 )，称为二次元件或次级元件 3，是对液压传动过程进行能量的回收和重新利用，并从宏观的角度对静液传动系统进行合理的配置以及改善其控制特性。 基于能量回收与重新利用而提出的二次调节概念，对改善液压传动系统效率非常有效。它不但能实现功率适应，而且还可以对工作机构的制动动能和重力势能进行回收与重新利用。同时，在网络上还可以连接多个互不相关的负载 ，在驱动负载的二次元件上直接控制其转角、转速、转矩和功率， 或通过液压变压器来控制其位移和速度 。二次调节静液传动系统在控制与功能上的特点，为解决液压传动技术中目前尚未解决的某些传动问题和替代有关传动技术提供了有利的条件。 2 二次调节静液传动系统的组成 二次调节静液传动技术，是在恒压网络中对二次元件 (液压泵马达 )进行调节，通过改变其排量来适应负载的变化。二次调节静液传动系统的组成如图 1 所示，它主要由二次元件 2、变量控制缸 8、电液伺服(比例 )阀 7(也可以是其他控制方式 )等组成。 恒压油源部分由单向截止阀 4、恒 压变量泵和液压蓄能器 5 组成。由于恒压油源部分的动态特性较好，所以在对二次调节静液传动系统进行分析与研究时，可以不考虑油源部分的动态性能对系统输出的影响，并且可认为恒压网络中的压力基本保持恒定不变。这样不仅能简化研究的复杂性，同时也能保证研究结果的准确性。 3 二次调节静液传动系统的特点 图 1 所示的二次调节静液传动系统具有如下特点 ： 1)它是压力耦联系统，系统中的压力基本保持不变，恒压油源的工作压力直接与二次元件相连。因此，在系统中没有原理性的节流损失，提高了系统效率。 2)通过改变二次元件排量 z 的大小可改 变输出转矩 大小，从而建立起与之相适应的转速；通过改变二次元件斜盘的摆动方向来改变二次元件的旋转方向。液压泵马达可在四个象限内运行工作， 二次元件既可以工作在液压马达工况 ，也可以工作在液压泵工况，为能量的回收和再利用创造了条件。 3)液压蓄能器回收的液压能可满足间歇性大功率的需要，在设备的启动过程中能利用液压蓄能器释放出的能量来加速启动过程，提高了液压系统的工作效率。 l 一负载； 2 一二次元件； 3 一光电编码器； 4 一单向截止阀； 5能器； 6 一过滤器； 7 一电液伺服阀； 8 一变量控制缸； 9 一斜盘摆角传 感 器； 10 一速度控制器； 摆角位置控制器； 12图 1 二次调节静液传动系统工作原理图 4)二次元件的排量 ：随外负载转矩 变化而变化，并能达到功率匹配。 5)液压蓄能器使系统不会形成压力尖峰，可减少压力限制元件的发热，降低用于系统冷却的功率消耗。 6)二次元件工作于恒压网络，可以并联多个互不相关的负载，实现互不相关的控制规律，而液压泵站只需按负载的平均功率之和进行设计安装。 7)二次调节静液传动系统提供了新的控制规律和控制结构。可实现转速控制、转角控制、转矩控制和功率控制。 4 二次调节静液传 动系统的工作原理 在图 1 所示的二次调节静液传动系统中，二次元件 2 的排量由变量控制缸 8 控制，变量控制缸 8 的流量通过电液伺服 (比例 )阀 7 控制。二次元件 2 转速的变化，可由与二次元件转轴相连的光电编码器 3(或其它测量元件 )测出并转送给速度控制器 盘摆角的变化由斜盘摆角传感器 9 测出并转送给摆角位置控制器11，控制器放大器 12 根据一定的控制方法，产生控制信号控制电液伺服 (比例 )阀 7，再控制变量控制缸的变化，用来控制二次元件 2 的斜盘倾角和方向，进而改变二次元件 2 的排量，从而使系统稳定地工作在某一工作状态。这个平衡状 态可产生于任何的设定转速，通过改变电液伺服 (比例 )阀 7 的控制信号，可以使二次元件的转速无级变化。 5 二次调节静液传动系统的控制方式 在二次调节静液传动系统中，虽然控制的参数 (位置、转速、转矩或功率 )不同，但最终执行元件都是相同的，并且都是通过变量控制油缸来控制二次元件的斜盘倾角。因此，可以通过对不同参数的检测和反馈来实现多种控制功能。 1)二次调节静液传动系统转速控制 图 2 是液压直接转速控制系统。在系统中，二次元件 3 直接与恒压网络相连接，测速泵 4 和二次元件3 同轴相连，作为二次元件的测速装置。测速泵 4 的 输出管路接到二次元件变量控制油缸 2 的右侧，同时并联节流阀 (节流阀 5 和固定节流口 6)。 当调节节流阀 5 时，变量控制缸 2 右侧的压力将发生变化，使二次元件 3 的斜盘倾角也随之改变。在恒压网络中，二次元件 3 的输出转矩是随二次元件的斜盘倾角变化。 当二次元件的斜盘倾角改变后，在外负载一定的情况下，二次元件 3 加速或减速，二次元件转速的变化将引起测速泵 4 流量的改变，这时节流阀中节流口处的压力也随之改变，产生位移，推动二次元件斜盘偏转一定角度，于是二次元件 3 的输出转矩也随之调整，当输出转矩与外负载 相平衡时，二次元件便稳定在某一转速下作恒速转动。 1 一减压阀； 2 一变量控制缸； 3 一二次元件； 4 一测速泵； 5阀； 6 一固定节流口； 7图 2 二次调节转速直接控制系统 2)二次调节静液传动系统位置控制 在二次调节转速控制系统中加入一条二次元件输出轴的转角反馈回路，即构成如图 3(a)所示的电反馈二次元件位置控制系统。 在这个控制系统中包含有变量控制缸的位移反馈，它作为控制系统的辅助控制变量。 3)二次调节静液传动系统转矩控制 在恒压网络中，控制二次元件的斜盘倾角为一定值，则相应的输出转矩也为一定值， 这时可采用位移传感器或转矩传感器。位移传感器检测变量缸的位移，如果使它为一定值，根据变量之间的相互关系，则可使输出转矩也为一定值。 但是由于粘性摩擦转矩的影响，它不能精确地控制负载转矩。采用转矩传感器则能实现较精确的转矩控制。在转矩调节系统中，也应实行转速检测监控，防止超速。 对于像绞车、卷扬机之类的传统液压传动装置，需要有恒定的牵引力，如果采用二次调节静液传动系统，即为恒转矩控制。 23 一变量控制缸； 4 一电液伺服阀； 5 6 一控制器； 7 1 一测速机 ； 7 2 一转矩传感器； 7 3 一负载 图 3 二次调节静液传动控制系统 图 3(a)为转矩控制系统。 图 3(b)为转矩控制系统。 4)二次调节静液传动系统功率控制 在二次调节静液传动系统功率控制时，可以有控制压力 P。、二次元件排量 ：和二次元件转速的乘积为一定值以及控制转矩 和转速 的乘积为一定值的两种实现功率控制途径：即通过检测二次元件的输入流量并反馈到控制器，与实际给定值比较，用这个差值来控制二次元件的排量，使输出功率与期望值相符，如图 4(a)所示。或是通过检测二次元件的转速与变量控制 缸的位移 (排量 )，然后，用两者的乘积 (流量 )与实际给定值进行比较，用来调节二次元件的排量，如图 4(b)所示。 a)流量检测功率控制 b)转速检测功率控制 12345 6 7 2 一转矩传感器 图 4 二次调节静液传动控制系统 6 二次调节静液传动系统的应用 由于二次调节静液传动系统具有许多优点，使它在很多领域得到广泛地应用。国外已将其成功应用于造船工业、钢铁工业、大型试验台、车辆传 动等领域。第一套配备有二次调节闭环控制的产品，是无人驾驶集装箱转运车 建在鹿特丹的欧洲联运码头 ( 德国的海上浮油及化学品清污船一科那西山特号，其液压传动设备配备有二次调节反馈控制系统。该系统可以使预选的撇沫泵和传输泵设备的转速保持恒定， 转矩的影响 。德累斯顿工业大学通用试验台，利用二次调节反馈控制的特点，可以进行能量回收及具有高反馈控制精度。 该试验台能满足实际中的严格要求，图 5 (a)为两轴固定的传动元件性能测试试验台，图 5(b)为三轴固定的传 动元件性能测试试验台，它们可以对多种不同形式的旋转试件在接近试际运行工况的条件下进行试验。 除对该试验台有较高的动态性能要求外，还对它的节能效果寄予很大希望。奔驰汽车公司也将二次调节技术应用于行驶模拟试验台以及 在无人驾驶运输系统的行驶驱动。 l 一电动机； 23 一液压蓄能器； 4 一二次元件； 5 一测速装置 图 5(a) 二次调节静液传动两轴旋转传动试验系统 图 5(b) 二次调节静液传动三轴旋转传动实验系统 它还被用于近海起重机的驱动和油田用抽油机的液压系统中。图 6 是二次调节静液传动系统应用在液压抽油 机中的工作原理图。在液压缸下降的过程中，靠钻杆和抽油泵的重力势能来驱动作为液压马达工况工作的二次元件 2。电动机 1 和二次元件 2 驱动作为液压泵工况工作的二次元件 3。二次元件 3 再将压力油压入液压蓄能器 8 中，以便在后续的液压缸上升过程中使用。在液压缸下降到终点时，由行程开关 1O 控制二次元件 2 的摆角过零点，而转成液压泵工况工作。利用换向阀 4 将二次元件 3 摆过零点转成液压马达工况工作。采用了二次调节技术的液压抽油机具有较高的充填率和较高的循环频率，并延长了钻杆和抽油泵的寿命。 l 一电动机； 2， 34 一电磁换 向阀； 5， 6 一溢流阀； 7 一单向阀； 89 一液压缸； 10图 6 二次调节静液传动系统应用在液压抽油机中的工作原理图 市区公共汽车配备了二次调节静液传动系统后，节能效果相当显著。如图 7 所示改造后的公共汽车由一台轴向柱塞单元 驱动。它图 5(b) 二次调节静液传动三轴旋转传动试验系统在满载启动时，能给出大约 180 功率，由此可使汽车在 20 s 内加速到它的最大速度 50 h，而发动机的功率却只有 30 150 差值，是从液压蓄能器中获得的。液 压蓄能器的充压是在制动过程中进行的。在这个过程中，二次元件作为液压泵来工作，而液压蓄能器为下次的加速过程充压。系统的流量损失，由液压泵来补偿。 上所述，二次调节静液传动系统可实现能量的回收和重新利用，其主要应用在以下几个方面： 1)位能回收 如液压驱动的卷扬起重机械。由于卷扬机械中有位能变化，采用二次调节静液传动技术可以回收其位能。它可用于起重机械和矿井提升机械，缆索机械的索道传动，船用甲板机械等 (如图 6 所示 )； 2)惯性能回收 如液压驱动摆动机械和试验装置。应用二次调节静液传动技术可对摆动机械在频繁 的启动、制动过程中产生的惯性能，进行回收和再利用 (如图 7 所示 )； 图 7 液压驱动摆动机械和试验装置 3)群控节能 如群控作业机械。对多台周期性工作设备共用一个动力源，这样既节省费用又节约了能源(如图 8 所示 )。 123图 8 多用户并行二次调节静液传动系统 附录 B 外文文献 附录 007: 52007, of 123000, of of on on on on 1. he is a to of of in It is a as as 1, 2. in of to So we on by in 2. of he of is is of , , , of 5 on in by of in of as a of , , , 0 1. 5 to in of it of of 7, 6, 8, 3 4. 1 2an 345 6,187,168,179, 1510 11,1412 13of . as by 2. -+-+-N iM oN o)(1 SG n )(2 SG n)(1 SG m)(2 SG of e is a as of of to iof of 5 to i) ) of (17), (16), (18) of in . ) ) if of as 3, 4: )(1 = )(1 2m a a ( 1 ) )s v ys v L s vs v s P A 282 2 0 . 54 . 8 1 0 ( ( 1 ) 2 9 . 8 )1 8 9 . 0 1 8 9 . 0 22 2 0 . 4 56 . 5 ( 1 ) ( 1 )3 5 . 1 1 7 4 . 0 1 7 4 . 0 （ 1） In sv of A of of of PL is in Ky of ) is of 2(, 3)of as )(2 =1 R = 1 2 （ 2） In Jn n of of ) is of 5 )(2 = = S （ 3） In Jm m of 5. Ni o in i o in fm of 0 3. 4. of s ,in to at by of at We of as is o o on on by of is , 1 2of n 3 a, b, c, d, of in is . of .0 .0 0.0 0.0 of of of of in of .1 3.2 5.0 .0 in . of .1 5.0 9.5 0.0 in It is of of by of of is of of as of In a, b, c, d, of of of of 0.0 10.0 20.0 0.0 of 500as of of of of of of of .1 2.0 4.0 .3 . It is of of is by of of of of is of of 1 2of n , of of of as of of of is .0 10.0 30.0 0.0 of of of of of of of .0 4.0 8.0 3.6 . It is of of is by of of of of of is of of of on of is of on of . 2of is of of , of It is of is by of we on is on 5. in of is is on of of on of of on of of of of on is it is on on is it is on 1of of 1997:12 28 ( 2 S, O. hydrostati
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