1、 PAGE71 / NUMPAGES81基于MATLAB的液壓系統的設計與仿真院 系 指導教師評 語 指導教師 (簽章)評 閱 人評 語評 閱 人(簽章)成 績答辯委員會主任 (簽章) 年 月 日 畢業設計（論文）任務書班 級題 目基于MATLAB的液壓系統的設計與仿真1、本論文的目的、意義：現代液壓技術的發展，使得液壓技術本身具有了獨特的技術優勢，并且已廣泛運用于現代農業、制造業、能源工程、交通運輸和物流工程、油氣探測與加工、建筑與公共工程、航天與海洋技術、軍事裝備、國防工程等領域，成為農業、工業、國防和科學技術現代化進程中不可替代的一項重要基礎技術，也是當代廣泛推廣與應用的重要基礎技術知識

2、之一。系統仿真技術是近20年來發展的一門新興技術學科，它是利用系統模型對真實系統進行分析研究的過程。當在實際系統上進行試驗研究難于實現時，仿真技術就突出了它的優勢，并成為十分重要和必不可少的研究手段。應用Matlab來對液壓系統進行建模仿真，以得到系統運行的速度、位移和壓力曲線，這樣可以更加直觀的分析系統的安全性和穩定性，并對系統作出合理的調整，這樣減少了系統的誤差，使得系統運行更加平穩。2、學生應完成的任務（1）、收集資料，了解系統仿真技術的相關背景，翻譯相關的英文資料。 （2）、設計液壓電梯的液壓系統，完成相關的設計計算。 （3）、建立電梯液壓系統的數學模型。 （4）、根據系統的數學模型，

3、在Matlab中使用simulink對液壓系統進行仿真。 （5）、分析仿真結果，根據具體情況對液壓系統和仿真方法進行優化。 （6）、撰寫畢業論文。 3、論文各部分容與時間分配：（共 16 周）第一部分 收集資料，了解系統仿真和液壓的知識，翻譯相關資料 ( 2周) 第二部分 電梯液壓系統的設計和相關參數計算 ( 4周) 第三部分 建立液壓系統的數學模型，根據系統數學模型，運用Matlab對液壓系統進行仿真 ( 3周)第四部分 分析仿真結果，對電梯液壓系統和仿真方法進行優化 ( 2周) 第五部分 撰寫畢業論文 ( 1周)評閱與答辯 ( 1周)4、參考文獻1 Wiliam W. Reeves. Th

4、e Technology of Fluid Power. Englewood Cliffs, N.J. Prentice Hall,1987.1372 Daniel.Sedrak. Hydraulic Elevators: A Look at the Past，Present and Future， Elevator World，2000.6;3 華勇、健民，智能控制理論和液壓電梯，中國電梯，1998.4;4 健民、華勇，液壓電梯智能PID控制策略的研究，控制理論與應用，1996.10增刊;備 注指導教師：審 批 人： 年 月 日摘 要液壓電梯是現代社會中一種重要的垂直運輸工具，由于其具有機房

5、設置靈活、對井道結構強度要求低、運行平穩、載重量大, 以與故障率低等優點, 在國外中、低層建筑中的應用已相當普遍。液壓電梯是集機、電、液一體化的產品，是由多個相互獨立又相互協調配合的單元構成，對液壓電梯的開發研究涉與機械、液壓與自動控制等多個領域。本文在對液壓電梯的實際工作情況做了詳細分析后，假定了一個電梯具體的工作條件（包括電梯的最大負載和運行速度等），選定電梯轎廂的支承方式為雙缸直頂式、支承液壓缸為三級同步液壓缸，并設計了滿足條件的電梯液壓系統。然后根據電梯的工作條件和已設定參數，對各個液壓元件進行了設計計算。最后結合實際的情況和一些具體的產品，對液壓元件的型號和尺寸的進行了確定。在此基礎

6、上，本文對電梯液壓系統進行了數學模型的建立，在建模過程中采用拓撲原理建立系統的數學模型，即先根據系統的總體結構建立液壓系統的拓撲結構圖，將系統分成若干個可以獨立的子系統，然后再分別建立每個子系統的數學模型，最后再根據拓撲結構組合成整個大系統的數學模型。在建立了系統數學模型后，對液壓系統進行了仿真分析，得到了系統的速度、壓力和位移曲線，這就更直觀的反應了系統的運行過程。根據仿真結果分析，液壓缸在運行過程中速度振動較大，本論文將PID控制算法加入到系統中，采用積分分離PID控制方法對本液壓系統進行了仿真分析，結果顯示加入PID控制方法后系統穩定性得到了提高，具有良好的工作性能。關鍵詞：液壓電梯;雙

7、缸直頂式;三級同步液壓缸;動態仿真;PID控制AbstractHydraulic Elevator is an important vertical transport in a modern society .Because of it has the advantages of engine room setting flexible, requiring a lower level of the wells structural strength, smooth operation, large load, and Low failure rate Etc, it is already

8、applied very common in the low-rise buildings at home or abroad. Hydraulic Elevator is the products of integration mechanical, electrical, fluid, it is composed of number of independent each other and mutual cooperation modules, The research and development for hydraulic elevator related to mechanic

9、al, hydraulic and automatic control etc.In this paper, after detailed analysis of the hydraulic elevators actual work situation, we assumed the elevators specific working conditions (Including the elevators maximum load, running speed and so on), and determining the elevators supporting style was st

10、raight for the double top, using Synchronization of three-tier hydraulic cylinder, And designed the hydraulic system of the elevator to meet the actual conditions. Then according to the working conditions of the elevator and the given parameters, we calculated the design of various hydraulic compone

11、nts. Finally, combination the actual situation and a number of specific products, the hydraulic components model and size were determined.On this basis，this paper established a mathematical model for elevator hydraulic system, In the modeling process we used the principle of system topology to estab

12、lish the mathematical model, first according the overall-structure of the system we establish the hydraulic system topology diagram, so the system is divided into several independent subsystems, and then set up the mathematical model of each subsystem, Finally, composition the mathematical model for

13、 the entire system under the topology. According to the mathematical model of the system，we conducted a simulation analysis of the hydraulic system , and we got the systems speed, pressure and displacement curves, this reflects systems operation more intuitive.According to analysis of simulation res

14、ults，the hydraulic cylinders speed vibrated larger during operation. In this paper, PID control algorithm has been added to the system, used Integral separation PID control method for the hydraulic systems simulation and analysis. The results showed that after adding PID control method ，system stabi

15、lity has been improved, and reflected the good performance.Keywords:Hydraulic Elevator;Double straight-top;three-tier synchronous hydraulic cylinder;Dynamic Simulation;PID control目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc231905465第1章緒論 PAGEREF _Toc231905465 h 1HYPERLINK l _Toc2319054661.1液壓電梯的發展概況 PAGEREF

16、 _Toc231905466 h 1HYPERLINK l _Toc2319054671.1.1 國外液壓電梯的發展簡況 PAGEREF _Toc231905467 h 1HYPERLINK l _Toc2319054681.1.2 國液壓電梯的發展簡況 PAGEREF _Toc231905468 h 2HYPERLINK l _Toc2319054691.2 液壓電梯工作原理概述 PAGEREF _Toc231905469 h 2HYPERLINK l _Toc2319054701.3 液壓電梯的技術特點 PAGEREF _Toc231905470 h 4HYPERLINK l _Toc23

17、19054711.3.1 液壓電梯的性能要求 PAGEREF _Toc231905471 h 4HYPERLINK l _Toc2319054721.3.2 液壓電梯的優點 PAGEREF _Toc231905472 h 4HYPERLINK l _Toc2319054731.3.3 液壓電梯的缺點 PAGEREF _Toc231905473 h 5HYPERLINK l _Toc2319054741.4 本論文的選題意義與研究容 PAGEREF _Toc231905474 h 5HYPERLINK l _Toc2319054751.4.1 本論文的選題意義 PAGEREF _Toc23190

18、5475 h 5HYPERLINK l _Toc2319054761.4.2 本論文的研究容 PAGEREF _Toc231905476 h 6HYPERLINK l _Toc231905477第2章液壓電梯的液壓系統設計 PAGEREF _Toc231905477 h 8HYPERLINK l _Toc2319054782.1設計背景與工況分析 PAGEREF _Toc231905478 h 8HYPERLINK l _Toc2319054792.2 液壓系統設計 PAGEREF _Toc231905479 h 9HYPERLINK l _Toc2319054802.3 液壓缸的設計 PAG

19、EREF _Toc231905480 h 10HYPERLINK l _Toc2319054812.3.1 同步伸縮液壓缸的工作原理 PAGEREF _Toc231905481 h 10HYPERLINK l _Toc2319054822.3.2 同步伸縮缸的參數計算 PAGEREF _Toc231905482 h 11HYPERLINK l _Toc2319054832.3.3 缸蓋和活塞頭設計 PAGEREF _Toc231905483 h 15HYPERLINK l _Toc2319054842.3.4 柱塞缸和各級活塞缸的長度計算 PAGEREF _Toc231905484 h 18H

20、YPERLINK l _Toc2319054852.3.5 液壓缸的密封 PAGEREF _Toc231905485 h 20HYPERLINK l _Toc2319054862.4 泵和電機的選擇 PAGEREF _Toc231905486 h 21HYPERLINK l _Toc2319054872.4.1 泵排量的計算 PAGEREF _Toc231905487 h 21HYPERLINK l _Toc2319054882.4.2 電機的選擇 PAGEREF _Toc231905488 h 21HYPERLINK l _Toc2319054892.5 液壓管路的設計 PAGEREF _T

21、oc231905489 h 22HYPERLINK l _Toc2319054902.5.1 管路徑的選擇 PAGEREF _Toc231905490 h 22HYPERLINK l _Toc2319054912.5.2 管道壁厚計算 PAGEREF _Toc231905491 h 23HYPERLINK l _Toc2319054922.6 油箱設計 PAGEREF _Toc231905492 h 23HYPERLINK l _Toc2319054932.7 過濾器的設計 PAGEREF _Toc231905493 h 24HYPERLINK l _Toc2319054942.8 閥的選擇

22、PAGEREF _Toc231905494 h 24HYPERLINK l _Toc2319054952.8.1 單向閥的選擇 PAGEREF _Toc231905495 h 24HYPERLINK l _Toc2319054962.8.2 電磁溢流閥 PAGEREF _Toc231905496 h 24HYPERLINK l _Toc2319054972.8.3 節流閥 PAGEREF _Toc231905497 h 24HYPERLINK l _Toc2319054982.9 本章小結 PAGEREF _Toc231905498 h 25HYPERLINK l _Toc231905499第

23、3章電梯液壓系統模型的建立 PAGEREF _Toc231905499 h 26HYPERLINK l _Toc2319055003.1電梯上行的數學模型 PAGEREF _Toc231905500 h 28HYPERLINK l _Toc2319055013.1.1 泵的數學模型 PAGEREF _Toc231905501 h 28HYPERLINK l _Toc2319055023.1.2 單向閥的數學模型 PAGEREF _Toc231905502 h 29HYPERLINK l _Toc2319055033.1.3 比例流量閥的數學模型 PAGEREF _Toc231905503 h

24、29HYPERLINK l _Toc2319055043.1.4 液壓橋的數學模型 PAGEREF _Toc231905504 h 31HYPERLINK l _Toc2319055053.1.5 液控單向閥的模型 PAGEREF _Toc231905505 h 32HYPERLINK l _Toc2319055063.1.6 液壓缸的數學模型 PAGEREF _Toc231905506 h 32HYPERLINK l _Toc2319055073.1.7 系統上行的模型 PAGEREF _Toc231905507 h 35HYPERLINK l _Toc2319055083.2 電梯下行的數

25、學模型 PAGEREF _Toc231905508 h 36HYPERLINK l _Toc2319055093.3 本章小結 PAGEREF _Toc231905509 h 38HYPERLINK l _Toc231905510第4章電梯液壓系統的動態仿真 PAGEREF _Toc231905510 h 39HYPERLINK l _Toc2319055114.1 simulink簡介 PAGEREF _Toc231905511 h 39HYPERLINK l _Toc2319055124.2電梯上行時液壓系統的仿真分析 PAGEREF _Toc231905512 h 40HYPERLINK

26、 l _Toc2319055134.2.1 供油子系統的仿真模型 PAGEREF _Toc231905513 h 41HYPERLINK l _Toc2319055144.2.2 液壓橋和液控單向閥組成調整子系統的仿真模型 PAGEREF _Toc231905514 h 41HYPERLINK l _Toc2319055154.2.3 三級同步液壓缸構成運行系統的仿真模型 PAGEREF _Toc231905515 h 42HYPERLINK l _Toc2319055164.3 電梯上行液壓系統的仿真 PAGEREF _Toc231905516 h 46HYPERLINK l _Toc231

27、9055174.3.1 電梯上行液壓缸的速度曲線 PAGEREF _Toc231905517 h 47HYPERLINK l _Toc2319055184.3.2 電梯上行液壓缸的位移仿真曲線 PAGEREF _Toc231905518 h 49HYPERLINK l _Toc2319055194.3.3 電梯上行液壓缸各級缸筒壓力仿真曲線 PAGEREF _Toc231905519 h 49HYPERLINK l _Toc2319055204.4 本章小結 PAGEREF _Toc231905520 h 50HYPERLINK l _Toc231905521第5章電梯液壓系統的PID控制 P

28、AGEREF _Toc231905521 h 51HYPERLINK l _Toc2319055225.1 PID控制原理 PAGEREF _Toc231905522 h 52HYPERLINK l _Toc2319055235.2 位置PID控制算法 PAGEREF _Toc231905523 h 53HYPERLINK l _Toc2319055245.3 數字PID控制算法的該進 PAGEREF _Toc231905524 h 54HYPERLINK l _Toc2319055255.4 液壓電梯液壓系統的PID控制器的設計與仿真 PAGEREF _Toc231905525 h 56HY

29、PERLINK l _Toc2319055265.4.1 PID控制器設計 PAGEREF _Toc231905526 h 56HYPERLINK l _Toc2319055275.4.2 采樣周期的確定 PAGEREF _Toc231905527 h 57HYPERLINK l _Toc2319055285.4.3 PID控制器參數整定 PAGEREF _Toc231905528 h 58HYPERLINK l _Toc2319055295.4.4 電梯液壓系統PID控制器仿真 PAGEREF _Toc231905529 h 58HYPERLINK l _Toc2319055305.5 本章

30、小結 PAGEREF _Toc231905530 h 64HYPERLINK l _Toc231905531結論與展望 PAGEREF _Toc231905531 h 65HYPERLINK l _Toc231905532致 PAGEREF _Toc231905532 h 67HYPERLINK l _Toc231905533參考文獻 PAGEREF _Toc231905533 h 68第1章 緒論1.1液壓電梯的發展概況電梯的廣泛使用早已成為工業化社會的標志之一，目前在發達國家里，電梯早已經進入了人們的日常生活。在商場、辦公樓、停車場等公共場所，以與公寓樓、私人住宅中電梯已經成為人們必不可少

31、的交通工具7。液壓電梯是由液壓傳動的電梯，通過液壓動力源(液壓泵)把液壓油壓入液壓缸，使柱塞向上運動，直接或間接地作用在轎廂上，使轎廂上升。轎廂的下降一般靠自重使液壓缸的油液返回油箱中。液壓電梯是多層建筑中安全、舒適的垂直運輸工具，也是廠房、倉庫中最廉價的重型垂直運輸設備。近年來，液壓電梯以其獨特的優勢，顯示出強大的生命力8。1.1.1 國外液壓電梯的發展簡況世界上第一臺液壓電梯起源于19世紀，于1845年由威廉.湯姆森制造。隨后在1876年巴黎萬國博覽會上展出了水壓間接式的液壓電梯，它利用公用水管極高的水壓推動液壓缸的柱塞頂升轎廂，下降時靠泄流1。但由于水壓波動與生銹問題難以解決，不久就出現

32、了油壓直接式的液壓電梯。由于當時公共液壓站在造價和傳遞方面比蒸汽動力有明顯的優越性，而且蒸汽動力電梯采用強制驅動方式，其卷筒的寬度限制了電梯行程的根數，所以從1870年到19世紀末逐步得到發展。但是早期的液壓電梯功能較簡單，主要用于運送貨物。液壓電梯的大規模使用比曳引式電梯晚，第二次世界大戰后期，高壓油傳動在武器制造業的應用，使得液壓傳動和液壓控制技術得以發展。雖然19世紀中葉倫敦金融城區的辦公樓就開始使用液壓電梯，但真正大規模推廣使用是從50年代末開始，60年代進入持續穩定增長期，70年代液壓電梯進入迅猛發展階段，80年代液壓技術更加成熟，其市場占有率逐步增加2。近年來，國際市場上10層(高

33、40M)以下的建筑中的電梯70%采用了液壓電梯3。近年來，由于曳引電梯技術的進步，對液壓電梯市場產生了強有力的沖擊，尤其是無機房曳引電梯的面世芬蘭通力公司(KONE)的MONOSAPCETM和瑞士迅達公司(SCHINDELRMOBIELTM)、LMC公司的GENESIS方案、VESTNER公司的自支撐電梯方案、HRIO公司的無機房方案等，使得液壓電梯在機房設置方面的優勢不復存在5。但這并不意味著液壓電梯將被淘汰，高性價比使其還會繼續發展，在重載場合，它仍具有廣闊的市場。1.1.2 國液壓電梯的發展簡況我國液壓電梯的研制開發工作始于1977年，在當時的第一機械部起重機械研究所主持下，試制了兩臺采

34、用通用液壓元件的液壓電梯，但由于經驗不足，一些技術指標未能達到預期的性能要求9。1984年大學流體與控制研究所與電梯研究所合作，成功研制出兩臺采用流量反饋電液比例控制的液壓電梯，性能指標均達到了設計要求，并于1985年通過了省鑒定。近年來，我國液壓電梯的研究、開發和使用發展很快，國產液壓電梯新產品不斷涌現，相繼投放市場。目前，許多電梯廠家都已能生產各種液壓電梯，并正努力提高液壓電梯的國產化水平，產品性能和產品質量都得到了進一步的提高6。液壓電梯不僅具有運行平穩、舒適性好、故障率低、安裝靈活等特點，而且能達到整體協調、豪華和重載的要求，因此，液壓電梯首先可以用做商場、賓館、高級飯店、體育場、娛樂

35、場等豪華建筑和古典建筑中的觀光電梯與重載電梯。隨著人們居住條件的不斷改善，在一些舊房改建中需增設電梯的場合，不需頂層機房的液壓電梯將具有很大優勢，特別是一些需要保證外觀與在建筑風格的古典建筑中安裝電梯，液壓電梯更是由于安裝方便、性能良好與較低的故障率成為用戶的最佳的通常也是唯一的選擇。另外是一些特殊使用場合，如車用電梯、船用平臺等，由于液壓電梯具有功率重量比大、安裝靈活等特點，將會使液壓電梯壟斷這一領域10。對于辦公樓、圖書館、醫院、實驗樓、地下工程等建筑中使用的電梯，這類電梯雖然己有少量定貨，但還有待于進一步開發。這些液壓電梯市場的啟動，將推動液壓電梯生產規模的進一步擴大，成本進一步降低。促

36、使更多的資金投入研究，從而提高其性能，形成一種良性循環。1.2 液壓電梯工作原理概述液壓電梯作為除電動電梯之外的另外一個電梯種類，其工作原理和曳引電梯有很大的不同。液壓電梯是通過電力驅動的泵傳遞液壓油到油缸，柱塞(或者活塞)通過直接或間接的方式作用于轎廂，實現轎廂上行:通過載荷和轎廂重力的作用使油缸中的液壓油流回到油箱，實現轎廂下行13。液壓電梯的液壓傳動系統包括以下幾個主要部件:(a)、液壓泵站，即電機、油泵、油箱。油泵是將電動機輸入的機械能轉化為流動油液的壓力能。油箱包括控溫元件、濾油器、消音器與油管等輔件，以保證液壓系統可靠、穩定、持久的工作; (b)、控制閥，它是由多種閥組合而成的控制

37、閥塊，控制液壓油的流向、速度與加減速度，從而使轎廂達到良好的運行性能;(c)、油缸，動力執行元件，將油液的壓力能轉換為與其直接聯接的轎廂運動機械能。(d)、牽引裝置，液壓缸的運動，通過牽引裝置來牽引電梯轎廂的運動。轎廂的運動是由電力驅動的泵使具有壓力的液壓油通過控制閥和管路從油箱流入液壓缸，或從液壓缸流回油箱來實現的。控制閥與油泵電機靠機房的控制柜來控制。液壓電梯的控制系統是一個速度控制系統。其工作過程是這樣的:當液壓電梯上行時，電機帶動油泵迫使一部分油液進入油缸，推動柱塞以一定的加速度伸出油缸;接著油泵輸出的油液全部進入油缸，轎廂以額定速度運行;當轎廂接近所選層站時，液壓電梯捕捉到井道中的減

38、速信號，通過控制系統進入油缸的油液減少，使轎廂以平層速度運行，通常在0.05-0.lm/s之間。當轎廂與所選層站水平時，電梯又捕捉到井道中的停止信號，控制系統關閉所有的上行閥，隨后油泵電機停止工作，電梯停在所選層站，同時液壓控制系統中的單向閥阻止油液流回油箱，轎廂保持靜止。為了使轎廂下行，電器操縱的下行閥打開，靠轎廂重力與載荷使油液通過控制閥以一定的流量流回油箱，柱塞縮回到油缸中，從而實現轎廂下行，其加減速度與上行時基本一樣22。液壓電梯與電動電梯相比，由于技術實現上完全不同，因此具有其本身的一些特點：液壓系統功率重量比大，而且傳送距離長，因此機房面積小且設置靈活；一般不帶配重，因此減小了井道

39、尺寸;載重可通過油缸直接作用在地基上，因此載重量大，而且井道不受力，降低了建筑費用。上述特點使得液壓電梯適合于中低層建筑(1t)、舊屋改造等場合，如倉庫、停車場、機場等等，或者在古典建筑、舊房中增設電梯。因此，盡管液壓電梯存在著提升高度低、速度低等局限性而受到曳引電梯的巨大挑戰，但上述優勢使得液壓電梯依然在市場中占有可觀的份額，而且技術的進步使其依然具有很好的發展前景。1.3 液壓電梯的技術特點1.3.1 液壓電梯的性能要求電梯工業經過多年的發展，在電梯制造與安裝安全規、電梯技術條件、電梯試驗方法、電梯鋼絲繩、電梯轎廂、井道、轎廂等各方面都已形成各種嚴格的技術要求和安裝規，己形成統一的國家標準

40、11。液壓電梯除了要滿足這些要求外，在電梯性能方面，也需要滿足以下幾項指標：1）、安全可靠性、穩定性液壓電梯作為一種載人的交通工具，安全性要求十分重要，電梯要求故障率小，應急設施齊全，在任何正常工況(負載變化、油溫變化、電網擾動)下，均能按要求的運行曲線反復保持可靠地運行，不得有漏油現象。2）、經濟性液壓電梯結構簡單，裝拆方便，維護費用低廉，是其保持強有力的市場競爭的根本。3）、舒適性特別對于乘客液壓電梯，其舒適性的好壞至關重要。人們常常將上浮感、下沉感、不穩定感等統稱為不舒適感，產生這種不舒適感的主要原因是人對垂直運動往往比較敏感，尤其是在電梯的加速或者減速段。1.3.2 液壓電梯的優點液壓

41、電梯與其它驅動方式(如曳引電梯)的垂直運輸工具相比，具有以下優點12:1）、機房設置靈活。液壓電梯靠油管傳遞動力，因此，機房位置可設置在離井道周圍20m的圍，且機房面積僅4-5m，再也不需要用傳統方式將機房設置在井道上部，可使建筑結構簡化。2）、井道結構強度要求較低。因液壓電梯轎廂自重與載重等垂直負荷均通過液壓缸全部作用于地基上，對井道墻與頂部的建筑性能要求低。3）、井道利用率高。一般液壓電梯不設置對重裝置，故可提高井道面積的利用率。一樣規格的液壓電梯要比曳引電梯的井道面積少12%。4）、結構緊湊。在一樣主參數情況下，液壓傳動系統比曳引驅動系統的體積小、重量輕。1.3.3 液壓電梯的缺點由于輸

42、入功率、控制與結構等條件的限制，一般液壓電梯的升程有限(40m)，速度不高(lm/s以下)。需要輸入的功率大。因為液壓電梯不設配重，在額定載重量、額定速度與提升高度一樣的情況下，液壓電梯所需要的電機功率是曳引電梯的2.5-3倍，因為液壓電梯配套的動力電路容量比曳引電梯大。盡管液壓電梯電機只在上行時工作，但其能量消耗至少為同等曳引電梯的2倍左右。溫度與載荷變化對液壓電梯的起制動、加減速有一定的影響。液壓電梯的動態速度模型隨著環境的變化會有所變化，增加了控制難度。由于溫度的變化和泄漏等因素的影響，當轎廂較長時間停在某層站時會下沉，因此必須采取措施防止轎廂下沉12。1.4 本論文的選題意義與研究容1

43、.4.1 本論文的選題意義由于液壓電梯具有機房設置靈活、對井道結構強度要求低、運行平穩、載重量大, 以與故障率低等優點, 在國外中、低層建筑中的應用已相當普遍。由于我國對液壓電梯的研制、開發起步較晚, 雖已有一些單位開展研究、生產, 但國產化程度不高, 主要依靠進口。隨著今后人民生活水平的日益提高, 多層建筑也將安裝電梯, 而液壓電梯則是最適宜的機種。另外, 舊房改造對液壓電梯也將會有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場合, 如汽車梯、船用平臺等, 由于液壓電梯具有功率重量比大、設置安裝靈活的優點, 尤其適用。對于這些大載重量電梯, 宜采用對稱布置的雙缸直頂支承方式, 可使轎廂處于相當平穩的運

44、行狀態。目前國對此類液壓電梯的研制還比較少，而且研究水平還處在一個較低的水平。為適應國這種形勢，最重要的是利用現有技術力量，投入必要的資金，開展液壓電梯的研發，選擇適用的控制策略，采用先進的計算機處理方法來對液壓系統進行控制。為徹底解決國產化問題，并將液壓電梯迅速推向市場，必須優化液壓系統設計，設計合理的控制系統，使得電梯的運行性能達到國際水平的前提下，大幅度降低造價，以促進液壓電梯在國大規模的廣泛使用。本論文在對液壓電梯的具體工作情況做了詳細分析后，設計了一個較優化的電梯液壓系統，然后根據轎廂的載重和計劃運行速度，對各個液壓元件進行了設計計算，最后結合實際情況對液壓系統進行了建模和仿真，得出

45、系統運行的曲線。這樣更直觀的模擬出了電梯在運行過程中的速度、壓力和位移的曲線的變化。針對電梯在啟動和平穩運行過程中速度的振動較大的情況，本文中在液壓系統中加入了PID控制算法，從而有效降低了系統的誤差，減少了電梯運行的速度振動，增強了電梯運行的平穩性和舒適性。1.4.2 本論文的研究容1）、電梯液壓系統的設計在以前的液壓電梯系統中，很多都采用單缸支承，由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大, 綜合結構剛度較差，這種支承方式偏載較大時會嚴重影響電梯的運行平衡性, 加劇導軌的磨損。本論文中采用雙缸支承電梯轎廂如圖1-1，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，這樣不僅節約了在電梯運行時液

46、壓缸的行程，降低了液壓缸的制造成本和安裝空間，而且保證了電梯運行過程中的平穩性和安全性。1-為電梯轎廂 2-為支承液壓缸圖1-1 液壓電梯結構簡圖2）、電梯液壓系統的建模在完成液壓系統的設計和相關計算后，需要確立系統合適的控制策略，那么首先要建立系統的數學模型。由于液壓電梯液壓系統具有長行程、變負載、變液容以與由于油溫變化引起變泄漏的特點，直接由其機理推導出數學模型相當復雜。本論文中采用拓撲原理建立系統的數學模型，即先根據系統的總體結構建立液壓系統的拓撲結構圖，將系統分成若干個可以獨立的子系統，然后再分別建立每個子系統的數學模型，最后再根據拓撲結構組合成整個大系統的數學模型。這種建模方法不僅降

47、低了建模的復雜程度，節省了建模的時間，而且這種模型在出現問題時更利于改進。3）、電梯液壓系統的仿真建立起電梯液壓系統的數學模型后，就需要對根據數學模型來建立系統的仿真模型。本文中采用MATLAB中的Simulink來對系統進行仿真，并且把整個系統分為三個子系統：液壓泵、單向閥和調速閥組成供子油系統；液壓橋和液控單向閥組成調整子系統；三級同步液壓缸構成運行系統，下面對三個子系統分別建立仿真模型，然后再組成系統的總體仿真模型，進行仿真，這樣具有很強的可觀性和部可移植性，給程序調試和設計帶來很大方便。在對系統仿真過程中，對系統輸入了階躍的流量信號和一個調速信號，系統輸出為液壓缸的速度、壓力和位移曲線

48、。4）、電梯液壓系統的PID控制在對電梯液壓系統進行了仿真后，得到了液壓缸運行的速度、壓力和位移曲線，分析各級缸筒的曲線，可以看出液壓缸的缸筒的各級速度曲線總體運行都符合設計要求，但是缸筒速度的振動較大，這使得電梯不能穩定的運行。綜合考慮，對電梯液壓系統加入了PID控制器，以減少液壓缸速度運行的誤差。在加入了PID控制器后，液壓缸缸筒在啟動過程中的調整時間減少，速度變得平穩，增加了電梯運行的平穩性和舒適性。第2章 液壓電梯的液壓系統設計2.1設計背景與工況分析隨著人們生活水平的不斷提高，電梯已經廣泛運用于人們日常生活中，而液壓電梯則是電梯中的一個重要梯種，液壓電梯具有機房設置靈活、對井道結構強

49、度要求低、運行平穩、載重量大, 以與故障率低等優點, 在國外中、低層建筑中的應用已相當普遍, 我國對液壓電梯的研制、開發起步較晚, 雖已有一些單位開展研究、生產, 但國產化程度不高, 主要依靠進口。隨著今后人民生活水平的日益提高, 多層建筑也將安裝電梯, 而液壓電梯則是最適宜的機種。另外, 舊房改造對液壓電梯也將會有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用場合, 如汽車梯、船用平臺等, 由于液壓電梯具有功率重量比大、設置安裝靈活的優點, 尤其適用。對于這些大載重量電梯, 宜采用對稱布置的雙缸直頂支承方式, 可使轎廂處于相當平穩的運行狀態16。根據實際情況和參照相關電梯承載的參數，我設定液壓電梯的總負

50、載（包括電梯本身自重）為3000Kg，電梯行程為12m，運行平穩速度為0.75m/s，由于重載液壓電梯的轎廂尺寸一般較大, 綜合結構剛度較差, 若采用單缸承重, 偏載較大時會嚴重影響電梯的運行平衡性, 加劇導軌的磨損, 因此宜采用雙缸支承23。雙缸液壓電梯的結構簡圖如圖2-1所示。電梯為四層四站, 每層高3米, 采用直頂支承方式, 兩柱塞缸左右對稱布置, 分別立于相應導軌一側。1-為電梯轎廂 2-為支承液壓缸圖2-1 液壓電梯結構簡圖2.2 液壓系統設計液壓電梯中用得最多的液壓系統是節流調速系統。本液壓系統也采用節流調速系統, 上行時為旁路節流調速, 下行時為回油節流調速25, 液壓系統原理見

51、圖2-2。1. 泵 2. 電機 3. 單向閥 4. 電磁溢流閥 5. 比例流量閥 6. 手動節流閥 7, 8. 比例節流閥 9, 10. 液壓轎 11, 12. 電控單向閥 13, 14. 油缸15. 手動下降閥 16. 回油濾油器 17. 進油濾油器 18. 高壓濾油器 19. 壓力表開關 20. 壓力表 21. 油箱 圖2-2 液壓電梯液壓系統原理圖電梯上行需由泵源驅動。電機啟動時,電磁溢流閥4 失電,泵卸荷,比例流量閥5的開度為最大,而后電磁溢流閥通電,此時調節比例流量閥的開度即可實現電梯的旁路調速。系統的安全工作壓力為溢流閥的調定壓力。電梯下行是靠轎廂與載荷的自重作用實現的。當有下行召

52、喚信號出現時,打開電控單向閥11、12,調節比例流量閥就能實現電梯的回油節流調速。雙缸的同步運動通過調節兩比例節流閥7、8 來實現,由于比例節流閥只能沿一個方向通流,需加液壓橋路9、10, 使得電梯上、下運行時這兩個比例閥都能正常工作。電控單向閥由普通液控單向閥改裝而成,電磁閥失電時像普通單向閥一樣正向通流, 反向截流;而當電磁閥得電后,可以實現反向通流。由于電控單向閥不采用間隙密封, 不會發生泄漏, 因此可有效解決液壓電梯的自動沉降難題。手動節流閥6在電梯試驗運行時用來調整雙缸液壓管路的沿程壓力損失。手動下降閥15又叫應急閥,當電網突然斷電或液壓系統因故障無法運行時,操縱手動下降閥就可使電梯

53、以安全低速(0.1m/s)下降26。2.3 液壓缸的設計在機械制造行業中，液壓傳動已成為必不可少的一門技術而普遍地應用于各種機械、機床和設備中，發揮著獨特地、極為重要地作用。液壓缸是液壓系統中最重要的執行元件，它將液壓能轉換為機械能，實現直線往復運動。液壓缸結構簡單，配置靈活，使用維修方便，所以比液壓馬達，擺動液壓馬達應用更為廣泛。液壓缸能與各種傳動機構相配合，完成復雜的機械運動，從而進一步擴大了它的運用圍。作為執行元件，液壓缸是液壓系統的最后一個環節，液壓缸性能的優劣直接影響機械系統的工作性能。所以液壓缸必須根據不同的機械系統和具體工況來設計，以達到設計效果。因此，做好液壓缸設計必須首先對各

54、種形式的液壓缸的特點有充分的了解，做好選型工作，然后再根據具體情況來進行設計計算。2.3.1 同步伸縮液壓缸的工作原理液壓缸是這個液壓系統中的重要執行元件，由于液壓電梯的重載和穩定運行的特性，則需要根據具體情況來設計液壓缸。液壓電梯的液壓缸需要安裝空間不大但伸縮長度較長，所以選擇伸縮液壓缸。由于載人液壓電梯的速度不能有突變，其速度曲線必須是平滑連續的，所以需要伸縮液壓缸的各級是同步伸出的，如果逐級伸出，那么會導致轎廂速度突變，并產生較大的振動。因此在液壓電梯的液壓系統中，不能使用普通多級伸縮液壓缸，需要使用各級柱塞同時運動同時停止的多級同步液壓缸4。與普通多級伸縮缸的最大不同之處在于同步伸縮缸

55、的各級柱塞桿的出桿速度是相等的。同步伸縮缸的結構簡圖如圖2-3，從各級缸筒結構設計上保證：第三級活塞背腔環形作用面積與第二級活塞的前腔作用面積足夠近似相等即；并且溝通容腔和，即可實現同步運行14。當三級活塞位移變化時，容腔被壓縮了，排出油液進入容腔，使二級活塞現對三級活塞產生位移，即：可得： 進一步微分可得：再微分可得：同理可得到：從以上分析可知：結構上的近似相等的設計和被忽略的因素存在，多級同步伸縮缸不可能完全同步，一定存在同步誤差。右圖中，缸筒2和缸筒3底部活塞上來補油，用來消除因結構設計和被忽略因素影響而產生的同步誤差，在正常工作時，由于第二級的壓力明顯高于第三級壓力，此單向閥處于關閉狀

56、態。單向閥的開啟壓力應設計成低于第三級活塞密封件的總靜摩擦力折算的當量壓力。這樣系統壓力大于而小于時，就開始補油。2.3.2 同步伸縮缸的參數計算在大多數電梯生產企業，他們的液壓電梯中的多級同步伸縮液壓缸大多形成型譜表，型譜表中規定了不同系列的三級同步伸縮液壓缸的各級活塞桿的外徑尺寸，有些還各級有缸頭尺寸，對本系統中同步液壓缸的設計有重要的參考價值。在設計三級同步伸縮缸時，首先根據同步原理計算相關參數，然后根據實際情況參考相關產品的型譜圖來選擇具體的參數15。根據同步原理可得下面方程組： （2-1）方程組2-1中都是相對速度而不是絕對速度，就是說是柱塞桿相對于柱塞的現對速度，是柱塞桿相對于柱塞

57、桿的相對速度，是柱塞桿相對于缸筒的相對速度14。簡圖如圖2-4，根據方程組2-1可推得如下方程： （2-2）化簡為： （2-3）由于各級的相對速度想等，即，所以得如下方程組： （2-4）即等于： （2-5）圖2-4 液壓缸缸筒簡圖獲得以上公式后，可以根據電梯工作情況的要求，按照上面的公式來計算同步液壓缸的具體尺寸，但是實際設計中由于密封件和鋼管材料規格的限制，和不可能取得計算數值，而制作符合計算數值精度的密封件具有一定難度且價格過高，所以只能根據現有密封件和缸筒材料，在滿足電梯液壓系統運行條件的情況下，選擇接近計算數值的尺寸。經過反復計算和查閱各種密封件規格資料，并結合實際情況參考同類產品規格

58、，確定如下表2-1所示的三級同步伸縮液壓缸的型譜計算表20。表2-1中，計算值是指按照2-4方程組計算所得數值，實際值是參照計算值對照密封件和鋼管材料所取得實際各級缸筒的徑和外徑，速度比反映了同步誤差大小。表2-1 液壓缸設計計算型譜表35557565.1926599.24721000.97951.03551.014440609072.11172115.2561150.990.98860.9787507510090.13990134.5361350.991.01541.00536385120105.8105159.4521600.95741.01580.972675105140129.0313

59、0191.051901.04440.97631.019785125170151.16150226.7162300.95151.06661.015100150210180.28180276.5862800.991.05861.0481125170240211.01210318.9043200.97281.01580.9882150200280250250375.36638011.0561.056實際設計的三級同步伸縮液壓缸時，綜合考慮實際情況并參考三菱電梯的相關參數，取如下參數為同步伸縮缸的實際尺寸。表2-2 選定參數85125170150230所以可以綜合列出液壓缸設計的綜合參數如下表：表2-

60、3 基本參數表名稱（參數）值同步缸級數3活塞桿直徑（mm）85125170包括轎廂總負載（Kg）：Q3000行程（m）：L12轎廂速度（m/s）：v0.75電梯支承方式：直頂式要使三級活塞上下運動的速度基本一樣，行程也一樣，這要求第三級活塞環形面積等于第二級活塞下腔面積，以此類推，根據這個原理來計算液壓缸的相關尺寸。根據前面得到的方程組（2-4）可知：由基本參數可知：解方程組得：令 得到壁厚：檢驗之比： 將以上數據帶入方程組（2-2）得：從以上計算可得各級參數值如下：知道了缸筒的徑、外徑，材料選用20#無縫鋼管，可以計算各級缸筒的質量，由于活塞的質量對三級同步伸縮缸的影響是很小的，可以將缸筒作