棉花打頂機液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與MATLAB仿真

楊斌，胡斌，李彬，張敏

(1.肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東肇慶 526100;2.新疆石河子大學(xué)，新疆石河子 832000)

棉花打頂機液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與MATLAB仿真

楊斌1，胡斌2，李彬1，張敏1

(1.肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東肇慶 526100;2.新疆石河子大學(xué)，新疆石河子 832000)

以棉花打頂機液壓系統(tǒng)為研究對象，通過詳細(xì)分析，建立數(shù)學(xué)模型并仿真分析，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)快，控制精度高，可用于工程實際。

液壓;優(yōu)化設(shè)計;仿真

為實現(xiàn)棉花打頂機打頂作業(yè)高度對棉頂高度的仿形，設(shè)計了棉花打頂機整體式液壓升降機構(gòu)和浮動機架。該升降機構(gòu)由駕駛員通過控制液壓開關(guān)調(diào)整浮動機架高低位置，實現(xiàn)打頂機對棉頂高度的整體仿形。升降機構(gòu)上的方鋼滑軌焊接在下懸架固定梁上，滑道架通過U型螺栓固定在浮動機架上。左右V型滑道一邊焊接在滑道架上，另一邊則通過螺絲固裝在滑道架上，可進(jìn)行左右間隙的調(diào)節(jié)。液壓油缸分置在滑道兩端，油缸上端鉸接在滑道架上，下端鉸接在滑軌上。工作時，滑道架和浮動機架在液壓油缸的作用下，沿方鋼滑軌相對懸架上下移動，從而實現(xiàn)打頂機對棉頂高度的整體仿形，仿形量為300 mm。

作者從優(yōu)化設(shè)計的角度研究了棉花打頂機液壓控制系統(tǒng)，并重新設(shè)計液壓系統(tǒng)，建立了液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。利用Matlab/Simulink模塊對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗證了這種方法的可行性，從而使棉花打頂機液壓系統(tǒng)比原系統(tǒng)運行更穩(wěn)定。

1 棉花打頂機液壓系統(tǒng)的組成

液壓馬達(dá):選擇GM5-5型液壓馬達(dá)。

液壓缸:選擇B-FD132C-21N100-A型液壓缸。

液壓控制閥:選擇FF101-6L型電液伺服換向閥。

液壓泵:選擇CB-FD31.5型齒輪泵。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

系統(tǒng)方塊圖和開環(huán)傳遞函數(shù)(1)光電控制器傳遞函數(shù)

光電傳感器和放大器響應(yīng)很快，可以看作比例環(huán)節(jié)。

(2)執(zhí)行元件—負(fù)載傳遞函數(shù)因無彈性負(fù)載，由下面公式可得

系統(tǒng)方框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

3 Simulink建模及仿真分析

3.1 Simulink建模

從Simulink元件庫瀏覽窗口的“Continuous”子元件庫中點擊“Transfer Fcn”成員塊，并拖到模型窗口，同樣方法把“Math”子元件庫中的“Sum Gain”成員塊拖到模型窗口。把“Sourges/Discrete Pulse Generator Signal Route/Switch”子元件庫中的成員拖到模型窗口中，按順序排列好，并把線布好。

雙擊每個成員塊 (Block)，均能在彈出的對話框中對該塊的參數(shù)進(jìn)行編輯。雙擊Transfer fcn成員塊，把Numerator值 ［1］ 改為 ［1.68e－4］，“Denominator”值 ［1 1］ 改為 ［1/157^2 2*0.7/157 1］，用同樣方法修改其他元件的參數(shù)。單擊每個成員后，用鼠標(biāo)拖動成員塊的任意一角點，可以改變成員塊尺寸大小。建立的模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方塊圖

3.2 仿真分析

由圖3可以看出:當(dāng)Ka=15.11時，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定時間為t=0.97 s?？梢姶藭r的系統(tǒng)調(diào)整時間很長，并不能滿足設(shè)計的需要。重新選擇比例環(huán)節(jié)系數(shù)，K=300、K=200、K=165、K=130，進(jìn)行仿真。

圖3 液壓系統(tǒng)仿真

圖4中分別為K=300、200、165、130時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。可見，放大系數(shù)越小，輸出的位移曲線越平滑，穩(wěn)定性越好，但是，調(diào)整時間越長。因此，確定放大系數(shù)為K=165。

圖4 液壓系統(tǒng)仿真

3.3 確定液壓系統(tǒng)的時域特征值

在LTIViewer窗口的繪圖區(qū)，單擊右鍵，將彈出一快捷鍵菜單。選擇快捷鍵菜單中的Characteristics選項，將對繪出的曲線標(biāo)記特征值:如過渡時間(Rise Time)、進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時間 (Settle Time)、峰值時間 (Peak)等，鼠標(biāo)點擊并按住標(biāo)記點，將顯示該點的特征值。

從圖5可以得到液壓系統(tǒng)的上升時間為t1=0.026 5，峰值時間為t2=0.054 6，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時間為t3=0.056 8。從Nyquist圖可以看到:Nyquist圖并沒有包圍點 (－1，0)，說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如圖6所示。

圖5 液壓系統(tǒng)仿真特征值圖

圖6 液壓系統(tǒng)仿真Nyquist圖

4 結(jié)束語

利用MATLAB軟件建立了棉花打頂機液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，用Simulink畫出液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的同步控制，能夠滿足棉花打頂機實際應(yīng)用的要求。為液壓控制系統(tǒng)中較難解決的高精度同步控制問題提供了一種有效途徑。

［1］張德豐.Matlab/Simulink建模與仿真實例精講［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］成大先.機械設(shè)計手冊(液壓控制)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］王科社，馬馳，孫江宏.基于Matlab/Simulink的液壓挖掘機液壓系統(tǒng)仿真分析［J］.北京信息科技大學(xué)學(xué)報，2012(1):27－30.

［4］于宗振.基于AMESim/Simulink的電液伺服比例控制的同步回路建模與仿真研究［J］.機械研究與應(yīng)用，2012(3):43－45.

［5］童偉，劉樹道.全液壓垃圾破碎機液壓系統(tǒng)的設(shè)計［J］.機床與液壓，2003(5):113－114.

［6］徐志揚.基于Matlab的液壓伺服系統(tǒng)的仿真研究［J］.液壓與氣動，2011(9):1－2.

Optimal Design and MATLAB Simulation for Hydraulic System of Cotton's Top Cutter

YANG Bin1，HU Bin2，LIBin1，ZHANG Min1
(1.Zhaoqing Science and Tecnology Polytechnic，Zhaoqing Guangdong 526100，China;2.Xinjiang Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832000，China)

Taking hydraulic system of cotton's top cutter as the research object，through detailed analysis，amathematicmodel of the hydraulic system was established then itwas simulated.The simulation results show that hydraulic system has perfect performance and high control precision.Thismethod is of high economical efficiency and can be applied in engineering practice.

Hydraulic system;Optimization design;Simulation

S232

A

1001－3881(2014)10－134－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.041

2013－04－23

中科院科技支持項目 (xbxj-2010-005)

楊斌 (1970—)，碩士，講師，從事自動化方面的研究。E－mail:yangbin0921@126.com。通信作者:胡斌，E －mail:hb_mac@shzu.edu.cn。