三级同步液压缸控制的液压电梯仿真分析

吴小平，肖杰，李培

(西南交通大学，四川峨眉614202)

在以前的液压电梯系统中，大多数都采用单缸支承，由于一般的重载液压电梯轿厢尺寸大，综合结构和刚度较差，单缸支承方式偏载较大时会加剧导轨的磨损，并使得电梯运行时不平稳，因此随着液压电梯技术的发展，双缸直顶式液压缸控制电梯在实际运用中越来越多［1］。采用双缸支承的电梯轿厢结构简图如图1所示，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。

图1 液压电梯结构简图

在液压电梯的液压系统中，需要使用各级柱塞同时运动同时停止的多级同步液压缸，以便保证液压电梯的速度不能有突变，避免产生较大的振动。设定液压电梯的总负载(包括电梯本身自重)为3 000 kg，电梯行程为12 m，运行平稳速度为0.75 m/s。电梯为四层四站，每层高3 m，两柱塞缸分布于相应导轨的侧面，成对称布局。

1 液压系统的设计

该电梯的液压系统采用节流调速系统，电梯下行时用回油节流调速，上行时用旁路节流调速［2］，该系统原理图如图2所示。

液压电梯的工作原理:电梯上行经泵源提供动力。电机启动后，电磁溢流阀失电，液压泵卸荷，比例流量阀打开到最大开度，电磁溢流阀此时通电，这时改变比例流量阀的开度大小就可以进行旁路调速。另外靠轿厢及载荷的自重实现电梯的下行。当出现向下的指示信号时，系统开启单向阀，调节比例流量阀的流量达到回油节流调速的目的。调节两比例节流阀以实现双缸的同步运动，并加上液压桥路，使得电梯上、下运行时比例阀均能正常工作。当突然断电或系统因故障无法运行时，操纵手动下降阀就可以让电梯以安全的速度下降［3］。

图2 电梯液压系统原理图

2 电梯液压系统模型的建立

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，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，溢流阀不溢流。在电梯试验运行时可用手动节流阀调整管路沿程压力损失，手动节流阀在电梯正常工作时相当于通流管路。那么，可以得到电梯上行液压系统的拓扑结构如图3。

图3 电梯液压系统的上行拓扑结构图

根据对系统中各个元件模型的分析，可以获得系统在上行过程中的总体模型:

q1和比例节流阀的通流直径d 为整个系统的输入。符号含义如下:

q1为液压泵的实际流量;p1为单向阀进口压力;p2为单向阀出口压力;q2为通过减压阀的流量;p2为减压阀的进口压力;pS3为图3 中S3减压阀出口压力和节流阀进口压力;p3为节流阀的出口压力;q3为通过单向阀的流量;p4为单向阀出口压力;q3为通过比例节流阀的流量;p4、p5为比例节流阀的进出口压力;p5、p6为液控单向阀的进出口压力;p7为液压缸的液压腔3 的压力;p8为液压缸的液压腔2 的压力;p9为液压缸的液压腔1 的压力;v3为液压缸的第Ⅲ级缸筒的相对速度;v2为液压缸的第Ⅱ级缸筒的相对速度;v1为液压缸的柱塞的相对速度。

电梯下行的数学模型和上行时类似，可用相同方法分析。

3 电梯液压系统的动态仿真［1－4］

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。

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调速信号和流量信号，得到相应速度曲线如图5所示。

图4 电梯上行液压系统的仿真框图

图5 各级液压缸的速度曲线

由图知，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。

3.2 电梯上行液压缸的位移仿真曲线

如图6所示为各级缸筒的位移曲线，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6 各级液压缸的位移曲线

4 液压电梯液压系统的PID 控制器的设计与仿真

由前面分析可以看出，电梯在运行过程中，虽然速度的总体运行趋势不变，但是振动较大，使得电梯不能平稳运行。需要对电梯液压系统中进行改进，这里可以在系统中加入PID 控制器，以减少系统的稳态误差，保证电梯的平稳运行。

4.1 设计PID 控制器

电梯液压系统的框图如图7所示，就本文设计的系统而言，可以运用积分分离PID 控制器，调定不同的阈值ε 作为开关系数。当误差|e|≤ε 时，加入积分环节来消除误差，当误差|e| ＞ε 时，删除积分项，运用PD 控制。

图7 液压系统PID 控制图

4.2 确定采样周期

根据香农采样定理，信号采样频率ωs，只需:ωs≥2ωmax，其中ωmax为被采样信号的最高频率。在工程实际运用时，由于高于闭环频带的信号分量对低频分量有较大的影响，为消除混叠现象，常选取:ωs≈(4 ～10)ωb，ωb为系统闭环频带。采样频率 fs=10fc=10 Hz，从而可以确定系统的采样时间为T=0.1 s。4.3 电梯液压系统PID 控制器仿真

针对该电梯液压系统的特点，采用如图8所示的PID 控制器［6］，并运用Matlab Simulink 的Switch 模块来实现仿真过程。

图8 积分分离PID 控制器

加入PID 控制器后，液压电梯系统的仿真模型如图9所示。

通过试凑法，观察系统的响应曲线，得到较满意的一组参数，当KP=12.5、KI=0.2、KD=0.13 时，系统有较好的动态性能［5］。

图10 是电梯轿厢在启动过程中两种情况下的速度曲线的对比，图11 是电梯轿厢稳定后两种情况曲线对比。

图9 系统PID 控制仿真框图

图10 电梯轿厢启动速度曲线

图11 电梯轿厢稳定速度曲线

从图10 可看出:在加入PID 控制器后，电梯轿厢的启动速度曲线更加平稳，且达到稳定状态的时间更快，体现了更好的快速性和稳定性，使得电梯启动更加平稳。

从图11 可看出:加入PID 控制器后，电梯轿厢运行在稳定速度情况下，总体振动情况明显减弱，轿厢速度更加平稳。

5 结束语

随着社会的发展，电梯的运用也逐渐增加，在电梯的使用过程中，电梯的安全性和稳定性是不能忽略的问题。文中对液压电梯的建模、分析和改进的方法，可以更直观地分析电梯的速度和位移，更全面地考虑安全性和稳定性。

【1】刘能宏，田树军.液压系统的动态特性数字仿真［D］.大连:大连理工大学，1993.

【2】郝云鹅，朱克敌.双缸液压电梯的设计［J］.沈阳航空工业学院学报，1996，6(2):85－88.

【3】郦科，徐鸣谦.双缸液压电梯试验台的设计分析［J］.机械设计与研究，1999(2):65－66.

【4】陈桂明.应用MATLAB 建模与仿真［M］.北京:科学出版社，2001.

【5】刘金馄.先进PID 控制拟TLAB 仿真［M］.2 版.北京:电子工业出版社，2004.

【6】许倩.基于PID 策略的电液比例泵控马达速度控制系统研究［D］.西安:长安大学，2008.

【7】宋磊，宋方立.液压支架电液控制系统技术的发展与现状分析［J］.液压气动与密封，2012(2):9－10.

【8】张存柱.支架试验台四缸同步控制系统的设计［J］.机床与液压，2012，40(2):35－36.

【9】刘玉绒，陈兴华，窦宝明.同步液压伺服激振控制系统的研究［J］.机床与液压，2012，40(2):39－41.