吳小平，肖杰，李培

(西南交通大學，四川峨眉614202)

在以前的液壓電梯系統(tǒng)中，大多數都采用單缸支承，由于一般的重載液壓電梯轎廂尺寸大，綜合結構和剛度較差，單缸支承方式偏載較大時會加劇導軌的磨損，并使得電梯運行時不平穩(wěn)，因此隨著液壓電梯技術的發(fā)展，雙缸直頂式液壓缸控制電梯在實際運用中越來越多［1］。采用雙缸支承的電梯轎廂結構簡圖如圖1所示，這種方式在電梯運行時，兩個液壓缸同時對轎廂提供牽引力，這樣不僅節(jié)約了在電梯運行時液壓缸的行程，降低了制造成本和安裝空間，而且保證了電梯運行過程中的平穩(wěn)性和安全性。

圖1 液壓電梯結構簡圖

在液壓電梯的液壓系統(tǒng)中，需要使用各級柱塞同時運動同時停止的多級同步液壓缸，以便保證液壓電梯的速度不能有突變，避免產生較大的振動。設定液壓電梯的總負載(包括電梯本身自重)為3 000 kg，電梯行程為12 m，運行平穩(wěn)速度為0.75 m/s。電梯為四層四站，每層高3 m，兩柱塞缸分布于相應導軌的側面，成對稱布局。

1 液壓系統(tǒng)的設計

該電梯的液壓系統(tǒng)采用節(jié)流調速系統(tǒng)，電梯下行時用回油節(jié)流調速，上行時用旁路節(jié)流調速［2］，該系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

液壓電梯的工作原理:電梯上行經泵源提供動力。電機啟動后，電磁溢流閥失電，液壓泵卸荷，比例流量閥打開到最大開度，電磁溢流閥此時通電，這時改變比例流量閥的開度大小就可以進行旁路調速。另外靠轎廂及載荷的自重實現電梯的下行。當出現向下的指示信號時，系統(tǒng)開啟單向閥，調節(jié)比例流量閥的流量達到回油節(jié)流調速的目的。調節(jié)兩比例節(jié)流閥以實現雙缸的同步運動，并加上液壓橋路，使得電梯上、下運行時比例閥均能正常工作。當突然斷電或系統(tǒng)因故障無法運行時，操縱手動下降閥就可以讓電梯以安全的速度下降［3］。

圖2 電梯液壓系統(tǒng)原理圖

2 電梯液壓系統(tǒng)模型的建立

電梯上行的時候，電機拖動液壓泵正常供油，調節(jié)比例流量閥進行旁路節(jié)流調速，使得電梯轎廂進行勻加速運動，保證電梯運行平穩(wěn)。電梯上行時，溢流閥不溢流。在電梯試驗運行時可用手動節(jié)流閥調整管路沿程壓力損失，手動節(jié)流閥在電梯正常工作時相當于通流管路。那么，可以得到電梯上行液壓系統(tǒng)的拓撲結構如圖3。

圖3 電梯液壓系統(tǒng)的上行拓撲結構圖

根據對系統(tǒng)中各個元件模型的分析，可以獲得系統(tǒng)在上行過程中的總體模型:

q1和比例節(jié)流閥的通流直徑d 為整個系統(tǒng)的輸入。符號含義如下:

q1為液壓泵的實際流量;p1為單向閥進口壓力;p2為單向閥出口壓力;q2為通過減壓閥的流量;p2為減壓閥的進口壓力;pS3為圖3 中S3減壓閥出口壓力和節(jié)流閥進口壓力;p3為節(jié)流閥的出口壓力;q3為通過單向閥的流量;p4為單向閥出口壓力;q3為通過比例節(jié)流閥的流量;p4、p5為比例節(jié)流閥的進出口壓力;p5、p6為液控單向閥的進出口壓力;p7為液壓缸的液壓腔3 的壓力;p8為液壓缸的液壓腔2 的壓力;p9為液壓缸的液壓腔1 的壓力;v3為液壓缸的第Ⅲ級缸筒的相對速度;v2為液壓缸的第Ⅱ級缸筒的相對速度;v1為液壓缸的柱塞的相對速度。

電梯下行的數學模型和上行時類似，可用相同方法分析。

3 電梯液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真［1－4］

根據系統(tǒng)的拓撲結構和對每個子系統(tǒng)的分析，得到系統(tǒng)的仿真模型如圖4。

3.1 電梯上行液壓缸的速度曲線

根據系統(tǒng)的仿真模型，對電梯液壓系統(tǒng)輸入調速信號和流量信號，得到相應速度曲線如圖5所示。

圖4 電梯上行液壓系統(tǒng)的仿真框圖

圖5 各級液壓缸的速度曲線

由圖知，各級液壓缸的絕對速度是成倍增加的，滿足三級同步液壓缸的各級活塞缸同步運動的要求。

3.2 電梯上行液壓缸的位移仿真曲線

如圖6所示為各級缸筒的位移曲線，曲線合理反映了各級缸筒的位移，且各級位移滿足電梯的運行要求。

圖6 各級液壓缸的位移曲線

4 液壓電梯液壓系統(tǒng)的PID 控制器的設計與仿真

由前面分析可以看出，電梯在運行過程中，雖然速度的總體運行趨勢不變，但是振動較大，使得電梯不能平穩(wěn)運行。需要對電梯液壓系統(tǒng)中進行改進，這里可以在系統(tǒng)中加入PID 控制器，以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，保證電梯的平穩(wěn)運行。

4.1 設計PID 控制器

電梯液壓系統(tǒng)的框圖如圖7所示，就本文設計的系統(tǒng)而言，可以運用積分分離PID 控制器，調定不同的閾值ε 作為開關系數。當誤差|e|≤ε 時，加入積分環(huán)節(jié)來消除誤差，當誤差|e| ＞ε 時，刪除積分項，運用PD 控制。

圖7 液壓系統(tǒng)PID 控制圖

4.2 確定采樣周期

根據香農采樣定理，信號采樣頻率ωs，只需:ωs≥2ωmax，其中ωmax為被采樣信號的最高頻率。在工程實際運用時，由于高于閉環(huán)頻帶的信號分量對低頻分量有較大的影響，為消除混疊現象，常選取:ωs≈(4 ～10)ωb，ωb為系統(tǒng)閉環(huán)頻帶。采樣頻率 fs=10fc=10 Hz，從而可以確定系統(tǒng)的采樣時間為T=0.1 s。4.3 電梯液壓系統(tǒng)PID 控制器仿真

針對該電梯液壓系統(tǒng)的特點，采用如圖8所示的PID 控制器［6］，并運用Matlab Simulink 的Switch 模塊來實現仿真過程。

圖8 積分分離PID 控制器

加入PID 控制器后，液壓電梯系統(tǒng)的仿真模型如圖9所示。

通過試湊法，觀察系統(tǒng)的響應曲線，得到較滿意的一組參數，當KP=12.5、KI=0.2、KD=0.13 時，系統(tǒng)有較好的動態(tài)性能［5］。

圖10 是電梯轎廂在啟動過程中兩種情況下的速度曲線的對比，圖11 是電梯轎廂穩(wěn)定后兩種情況曲線對比。

圖9 系統(tǒng)PID 控制仿真框圖

圖10 電梯轎廂啟動速度曲線

圖11 電梯轎廂穩(wěn)定速度曲線

從圖10 可看出:在加入PID 控制器后，電梯轎廂的啟動速度曲線更加平穩(wěn)，且達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間更快，體現了更好的快速性和穩(wěn)定性，使得電梯啟動更加平穩(wěn)。

從圖11 可看出:加入PID 控制器后，電梯轎廂運行在穩(wěn)定速度情況下，總體振動情況明顯減弱，轎廂速度更加平穩(wěn)。

5 結束語

隨著社會的發(fā)展，電梯的運用也逐漸增加，在電梯的使用過程中，電梯的安全性和穩(wěn)定性是不能忽略的問題。文中對液壓電梯的建模、分析和改進的方法，可以更直觀地分析電梯的速度和位移，更全面地考慮安全性和穩(wěn)定性。

【1】劉能宏，田樹軍.液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性數字仿真［D］.大連:大連理工大學，1993.

【2】郝云鵝，朱克敵.雙缸液壓電梯的設計［J］.沈陽航空工業(yè)學院學報，1996，6(2):85－88.

【3】酈科，徐鳴謙.雙缸液壓電梯試驗臺的設計分析［J］.機械設計與研究，1999(2):65－66.

【4】陳桂明.應用MATLAB 建模與仿真［M］.北京:科學出版社，2001.

【5】劉金餛.先進PID 控制擬TLAB 仿真［M］.2 版.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

【6】許倩.基于PID 策略的電液比例泵控馬達速度控制系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學，2008.

【7】宋磊，宋方立.液壓支架電液控制系統(tǒng)技術的發(fā)展與現狀分析［J］.液壓氣動與密封，2012(2):9－10.

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