附录A 译文附录A1 DISF302二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，Ni No部分为对应于二次元件9的转速控制系统，MiMo部分为对应于二次元件15的转矩控制系统。图中的环节Gn1(S) 和Gm1(S) ，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Gn1(S)和Gm1(S) 相同，其具体形式为= 式中Ksv、sv and sv为电液伺服阀的流量增益、固有频率和阻尼比；A和Ymax 为变量液压缸活塞的有效作用面积和最大位移：Vmax 为二次元件的最大排量；PL为恒压网络的负载压力；Ky为位移传感器的变换系数。G n2(S )为加载对象l2(包括二次元件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 = = 式中Jn 和Rn 为加载对象l2的等效转动惯量和等效阻尼系数。Gm2(S)为二次元件15的惯性阻尼环节，其传递函数形式为 = = 式中Jn和Rn 为二次元件15的转动惯量和阻尼系数。Ni、No为转速控制系统的输入、输出转速；Mi、Mo为转矩控制系统的输入、输出转矩。Kfn 、Kfm 为转速传感器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N0和输出转矩M0为方波波动情况下，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(295 MPa)的0、50、100、200；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01、32、50、80；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01、50、95、200。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。图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(500rm)的0、l00、200、400；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01、20、40、5.3。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(300Nm)的0、100、300、500；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、40、80、136。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PID控制系统来讲，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PID控制基础上，加入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A2 二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-液压蓄能器；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；l1一摆角位置控制器；12-控制放大器图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IO，斜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，压力的变化使变量控制缸的活塞产生位移，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-节流阀；6一固定节流口；7-油箱图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。 1-二次元件； 2-位移传感器；3一变量控制缸；4一电液伺服阀；5-节流阀；6一控制器；71一测速机；72一转矩传感器；73一负载图3 二