重载摇摆台垂荡液压伺服系统多缸同步特性研究

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本文基于某具有垂荡、横摇、纵摇运动的串联三自由度重载摇摆台,设计了垂荡驱动液压伺服系统,该系统包含四组驱动子系统。针对四组驱动子系统四缸同步性问题,分析了驱动子系统动态特性的影响因素,分别研究了用于驱动子系统和垂荡液压伺服系统的负载-初始压力匹配特性;借鉴最小二乘法,提出了四缸同步性能评价指标;采用联合仿真手段,分析了垂荡驱动液压伺服系统的四缸同步特性。并在此基础上提出了基于负载-初始压力匹配的同步控制策略,进一步提高了垂荡运动四缸同步性能。本文具体工作如下:首先,针对重载摇摆台垂荡运动负载高(280t)、尺寸大(长和宽分别为13.7m和12.5m)、运动幅值大(±1.5m)、速度快(1.89m/s)等特点,设计了垂荡驱动液压伺服系统。为增加摇摆台垂荡运动过程中的稳定性和安全性,采用四组驱动子系统进行驱动,每组驱动子系统包括垂荡驱动液压缸、垂荡承重液压缸、垂荡驱动阀组和垂荡承重动力源,其中,垂荡承重液压缸和垂荡承重动力源用于平衡系统重力,垂荡驱动阀组控制垂荡驱动液压缸以驱动摇摆台完成垂荡运动。本系统在平衡重力的基础上驱动摇摆台,降低了系统瞬时功率,但同时引入了四组驱动子系统四缸同步性问题。其次,建立了摇摆台垂荡运动动力学模型和驱动子系统数学模型。针对偏载力、承重动力源初始压力、承重动力源与液压缸间管路长度、承重动力源充气压力等因素,开展了驱动子系统动态响应仿真。分析发现偏载力和承重动力源初始压力对驱动子系统动态响应影响较大,基于该现象和驱动子系统数学模型,得出了负载-初始压力匹配特性。仿真结果表明,该特性的应用有效减小了偏载和承重动力源初始压力的影响,为后续四组驱动子系统同步特性的研究奠定了基础。再次,借鉴最小二乘法,提出了四缸同步性能评价指标。基于驱动子系统动态特性研究,开展了摇摆台垂荡液压伺服系统联合仿真分析,重点研究了偏载及承重动力源初始压力不同工况下摇摆台的动态响应和同步性能。结果表明,偏载和承重动力源初始压力差异均导致摇摆台垂荡运动同步误差增加。基于驱动子系统负载-初始压力匹配特性,分析了四组驱动子系统力学特性,得出了垂荡驱动液压伺服系统辅助-初始压力匹配特性并推导了匹配公式,通过该特性匹配计算各液压驱动装置蓄能器组初始压力,仿真结果表明,根据所计算结果设定承重动力源初始压力后,摇摆台同步运动误差减小,证明了该特性公式的正确性,为重载摇摆台垂荡液压伺服系统的同步控制提供了新方法。最后,研究了同步控制策略的同步性能,通过对比,拟采用环形交叉耦合同步控制策略,基于摇摆台实际尺寸改进了该控制策略,提出了环形交叉耦合双PID同步控制策略,联合仿真结果表明,该控制策略可在一定程度上减小重载摇摆台垂荡运动同步误差,但效果有限。因此,提出了基于负载-初始压力匹配特性的环形交叉耦合双PID同步控制策略,可在负载-初始压力匹配的基础上,进一步减小同步误差,从而证明了基于负载-初始压力匹配特性的环形交叉耦合双PID同步控制策略的有效性。本文在对重载摇摆台垂荡液压驱动伺服系统四缸同步特性研究过程中,提出了四缸同步性能评价指标、负载-初始压力匹配特性公式和基于负载-初始压力匹配特性的环形交叉耦合双PID同步控制策略,丰富了多缸同步控制系统理论,验证了重载摇摆台垂荡驱动液压伺服系统设计的正确性,指导了重载摇摆台垂荡驱动液压伺服系统控制策略研究工作,为重载摇摆台垂荡液压伺服系统的成功研制奠定了理论基础。
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