高速电梯摆振控制器液压系统设计及布置优化

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1、第一章 绪论1.1概述电梯作为人类的代步和省力的工具，自被发明之后就获得了快速的发展，我国的电梯业也经历了从无到有从大到小的发展过程。现在我国有大小电梯生产企业三百余家，产品的结构也发生了明显的变化，老的直流电梯已被淘汰。控制系统已大量采用PLC和微电脑控制技术，最高梯速已达到4m/s。我国电梯已形成了设计制造安装调试，维修保养一条龙服务的一个完整行业，维护着全国30万台在用电梯的正常运行，新装电梯年销售额超过了100亿人民币。但也要看到，我国电梯产品在品种，质量，性能等方面与国外产品还存在着不同程度的差距，特别是在高速电梯产品以及中，高档产品上的差距更大。电梯的性能指标中控精度与乘坐舒适性是

2、电梯性能的主要体现，提高这两方面的性能对于国产电梯具有十分重要的意义。随着现代城市人口的不断增长和工商业的飞速发展，人们对空间的需求越来越大。为了更加充分地利用有限的空间资源，以缓解人们不断增长的空间需求与有限的生存空间之间的矛盾，现代城市规划者已越来越多地把目光投向了发展和建造高层，超高层建筑。目前世界上最高的大楼是马来西亚首都吉隆坡的双塔大厦，高达88层452米。第二高楼是美国芝加哥的西尔摩天大楼。1997年，在我国上海建成的金茂大厦，其地面以上由88层，建筑高度420.5米，为世界第三高楼。在香港，最高的楼有78层374米高。而且还在2003年建成一座88层440米的高楼。除了这些，很多

3、建筑师已经在设想并计划建造更高的超高建筑。在我国上海将要建成一座900米高的高层建筑。在日本东京，已计划建造一座840米高的高塔。在芝加哥还将建造一座701米高的世界贸易中心。据日本一家公司称，他们拥有建造200层摩天大楼的技术。一家日本建筑公司还建议在东京建造一座高度达1000米的摩天大楼。毫无疑问，在二十一世纪，建造更多的高层和超高层建筑将会成为有效利用空间资源的重要途径。然而，要想使超高层建筑能真正广泛地投入使用，首先必须解决超高层建筑中的运输问题。由于超高层建筑楼层高，容纳人数巨大，现有的普通电梯难以胜任超高层建筑中艰巨的运输任务。发展适合与这些超高层建筑中运行安全，舒适而且高效的超高

4、速垂直升降电梯系统。对超高层建筑功能的发挥有着决定性的作用，特别是在发生火灾等紧急情况下，安装高速，超高速电梯，以保证能在最短的时间内完成尽可能多的运输任务，对挽救生命和财产更有着不可估量的作用。随着超高层建筑的不断出现，现代电梯正向超高速方向发展。在上海的金茂大厦中，观光者可以从地下一层乘坐电梯在45秒种直达距地面340.1米高的88层。其电梯的平均速度达到了7.6m/s。芝加哥西尔斯大厦的高速电梯，速度高达548m/min(9.1m/s。1997年，日本三菱公司安装在东京的高240米的6层阳光大厦种的高速电梯的额定速度可达600m/min(10m/s)。1993年，Mitsubishi公司

5、在横滨（Yokohama）投入使用的高速电梯的额定速度达到了750m/min.同时，日立公司（Hitachi）还发展了额定速度高达810m/min（12.5m/s）的超高速电梯。如果按照这样的比例，当上海的900米高塔建成后，其使用的高速电梯的额定速度可能需要30m/s（108km/h）。未来超高速电梯的额定速度将会更高。尽管108km/h的速度对普通的地面交通工具来说并不算很高，然而电梯在其通道种以这样的高速度运行却会引起很多难以解决的摆振和噪声问题，比如：如何进行电梯的外形结构设计，以减小并尽可能地避免由于超高速电梯绕流场压力的非定常以及在高速电梯尾部大分离漩涡的周围或准周期性脱落所诱导的

6、电梯振动。总而言之，在高速电梯速度需要进一步大幅度提高的21世纪，由于电梯高速运行所引起的结构振动以及带来的强大的噪声问题严重阻碍了新型高速电梯的研制与发展。因此，研究高速，超高速电梯的摆振控制系统，并发展一套能被大多数电梯设计人员所方便使用的，应用于高速，超高速电梯液压减振系统优化设计方法，对发展21世纪的新型超高速电梯有着重大意义。但目前国内生产的高速电梯，其动态特性指标及舒适性普遍达不到国家标准电梯技术条件（GB1005888）中规定的要求，由悬架钢丝绳拽引的轿箱在整个运行过程中的振动非常明显。因此，开展电梯摆振控制系统设计和研究，对于提高国内电梯产品质量具有十分重要的意义。1.2 电梯

7、振动控制问题的背景介绍电梯是随着城市高层建筑的发展而发展的，电梯作为一种重要的垂直交通工具，评价标准中，其安全性，可靠性和乘坐舒适性是评价电梯的主要因素。电梯的振动是电梯乘坐舒适性评价的重要指标。人乘坐电梯的时间是短暂的，而电梯的振动幅值较小，在正常的情况下，不至于达到影响乘客的健康和安全的程度。但振动达到一定的量值，且振动频率在人的敏感频带时，或者电梯的起制动特性比较差时，都会使乘客有明显的不舒适感。人体是一个复杂的弹性体，人体有不少的空腔和弹性系统。据研究资料，躯干固有振动频率在3至6HZ范围内（包括胸腔和腹腔），头颈和肩膀系统的固有振动频率在2至30HZ范围内，眼球的共振频率在60至90

8、HZ范围内，下颚和头盖骨系统的共振频率在100至200HZ范围内。乘坐起来让人感觉不舒服的电梯往往是电梯的主要振动频率与人体的某一个固有频率相同。电梯的振动是与电梯运行同时产生的。随着电梯速度的不断加快，提升高度的增加，振动问题会越来越突出。突出表现维：随着速度的加快，对导轨和导靴的加工精度和安装精度要求的提高，传统的安装方法很难保证导轨的安装精度;随着速度的加快，电梯轿厢对井道内的气体的活塞效应越来越显著，由此效应而产生的轿箱上下的压力差也是导致电梯振动的原因，电梯井道中会有不平的突起物，如每层门槛，当电梯经过时会产生一个脉冲激励，当电梯的速度较高时会有很大的影响。随着提升高度的增加，钢丝绳

9、的长度也在相应增加，如何控制钢丝绳的抖动，时控制电梯振动的又一个重要课题。此外，电梯的控制系统对电梯的振动影响也很大。国内外对电梯的振动研究主要偏重于高速梯。正如前面所述，高速梯振动问题比较突出而且比较复杂。国外学者曾应用反馈控制轿厢的速度以避开钢丝绳的共振。控制拽引轮的速度以达到控制轿厢振动的目的。但是拽引轮于轿厢间时钢丝绳，属于弹性元件，使得这种控制速度的方法不是理想的方法。如图1.1所示的状态反馈控制轿厢速度的方法，可以避免采用传统的开环控制方法带来的问题。其中的x为系统的状态。状态反馈控制需要获得所有系统的状态，这里通过Kalman滤波器获得。将实测的轿厢速度与参考速度的差积分后获得新

10、的系统状态x，这种方法可以较为有效地控制钢丝绳的共振对轿厢的影响。为了减少导轨对轿厢水平振动的影响。有学者研究使用了一种不与导轨接触的电磁导靴。通过电磁导靴产生吸引力使轿厢保持与导轨的适当距离，如图1.2所示，电磁导靴1和3对轿厢施加对轿厢施加y方向的力，同样5和6在x方向对轿厢施加作用力。每个电磁导靴有独立的传感器和控制器。图1.3所示为每对电磁导靴的控制框图。这种控制需要三个传感器：一个加速度传感器测量导靴的水平加速度，一个不接触的位移传感器测量导靴与导轨之间的空气间隙的大小，和一个位于导靴上的测量空气间隙件的磁通量的线圈。内部控制回路的输入会使电磁导靴上电，产生作用力。空气间隙控制回路使

11、导靴与导轨间的间隙保持在一个定值。随机的扰动通过绝对位置反馈回路去掉。随机的扰动产生于导轨界都或不平整，由此产生的微小作用力会被加速度传感器探测到，并表现为导靴绝对位置的偏移，从而使输出控制回路控制电磁导靴产生对抗这个扰动的力。外部作用力会被加速度传感器探测到，输出控制回路会改变空气间隙之间的磁通量的大小以平衡外部的作用力。另外，对于轿厢的不均匀分布的载荷，输出控制回路也有同样的作用。图1.1使用状态反馈控制轿厢的速度图1.2 不接触型电磁导靴示意图（轿厢顶）另外由于电梯在安装时不可能完全平衡，因此空载时滚动导靴也要承受一定的力，由于滚动导靴表面材料为橡胶，当电梯载停靠较长一段时间后表面会产生

12、一凹入，它在较短时间内不太容易恢复，因此在开始运行时会产生较大的影响。为了解决这个问题，现在已有公司生产一种像自行车轮胎一样的导靴，在里面充气，使表面的变形可以很快的得到恢复。图1.3一对电磁导靴的控制原理还有学者改进了轿厢与轿厢架的直梁之间的橡胶减振垫，以减小轿厢水平振动。对于高速梯运行时风压的影响，有的电梯公司采用在电梯顶加装导流帽的方法减小风压的作用。目前有的观光电梯轿顶和轿底做成流线型。除了外观的造型需要外，也能减小风对电梯的激振作用。另外还有学者应用一些质量和弹性元件做成动力吸振器来降低系统的振动，它的原理是根据对于两自由度的弹簧质量系统。如图1.4所示，当合理调整k2和m2,可以使

13、m2的振动为零。图1.4动力吸振器原理图1.3 本次设计任务及主要内容 本次设计的任务为：a了解高速电梯水平振动的控制器的设计原则；b设计控制器液压系统；c调整液压系统的布置方式，并进行优化；d对高速开关阀特性进行实验研究。全篇论文通过三章内容对高速电梯摆振控制器液压系统设计及其结构优化进行了详细的叙述和讨论。在第一章概论里，着重介绍了当今全球电梯行业发展的一个概况，随着现代城市人口的不断增长和工商业的飞速发展，人们对空间的需求越来越大。为了更加充分地利用有限的空间资源，以缓解人们不断增长的空间需求与有限的生存空间之间的矛盾，现代城市规划者已越来越多地把目光投向了发展和建造高层，超高层建筑。这

14、就电梯向着高速的方向发展。与此同时，人们对乘坐电梯时的舒适性要求也日渐高，这就迫切要求高速电梯的振动问题能尽早得到解决。为此，对高速电梯减振的研究也逐渐成为一个电梯行业研究的一个热点问题。在第一章里，还简要地介绍了电梯振动控制问题的背景。通过对电梯在不同振动平率时对乘客身体造成的不同影响的研究，引出了如何通过控制电梯的振动频率来达到提高乘坐舒适性目的的研究。这章里，简单介绍了国内外学者对振动控制问题研究的一些成果。最后，列出了本次设计的任务和主要内容。在第二章里，详细叙述了液压系统的设计与元件的选型。首先，介绍了液压作动器在振动主控系统中的重要作用。在作动器中最为重要的又是液压控制阀。接着专门

15、介绍了一种新型的液压控制阀高速开关阀。由于其具有价格低廉、快速响应性好、抗污染能力强、易于实现数字控制等优点，使其得到了很大的发展。鉴于其在控制系统中的重要作用，在接下来的第三章里还将对其作专门的讨论。接下来对液压作动器的总体方案进行了设计。分别阐述了作动器的技术性能要求、组成和工作原理、关键技术等。最后，分别对组成系统所需元件：液压缸、高速开关阀、压力传感器、液压泵和驱动电机、畜能器、溢流阀、单向阀、压力表、过滤器、空气滤清器、液位计、油箱、集成块、油管和工作液体等的选型进行了分析，并给出了最终选择的结果。并在最后给出了液压站的总装配设计图,以及进行了结构优化后的装配设计图。在第三章里特别针

16、对高速开关阀的动态特性进行了实验。通过控制器每隔2s使高速开关阀开启10ms，相当于输入一个阶跃信号，通过测试液压缸内油液压力，得到高速开关阀在三个不同初始备压压力下阶跃信号响应。最后得出占空比越小，压力控制的稳定性越好，但压力梯度较小，增大占空比，尽管压力梯度随之增大，但压力稳定性明显降低，发生了比较明显的压力振荡的结论。并可以看出50%占空比的PWM控制信号也许是一个比较好的选择。在文章末尾的第四章里，对全文进行了总结，还展望了未来高速电梯控制系统的发展趋势。同时，表达了在整个设计过程中对我给予很大帮助的两位老师的诚挚的谢意。通过他们对我近一个学期的精心培养，我在本科学习的最后阶段又有了一

17、个新的飞跃。我相信在今后的人生旅程中我都会因这次设计，受益匪浅！1.4课题来源本课题来源于上海交通大学车辆研究所和富士达（Fujitec）有限公司的合作项目，由车辆研究所的老师提供理论上的知识和原始的资料。同时还进行了全方面的指导，特别对系统的工作原理和布置优化方案给予了很详细的教导。1.5本课题研究的目的和意义通过本次毕业设计，不仅可以熟悉对UG,Autocad等工程软件的使用，并可以通过对液压系统建模整个过程的掌握和对液压系统结构布置的优化设计，对整个液压系统建模有了完整的认识。此外，还能通过到工厂里的实践，看到了书本上无法了解的装配和调试中的实际问题，以及在今后设计中需要非常注意的问题。

18、16 原始数据1. 对象电梯规格specNoAB基本与JR货物916相同额定速度m/min420360假定上限600m/min程度轿箱质量kg50004160-额定负载kg16001600-wmm24002400-hmm40004000-hGmm500500轿箱地板基准；重心高度hBmm20002000轿箱地板基準；轿箱下RG位置hTmm50005000轿箱地板基準；轿箱上RG位置Ixkgm246003800假定重心起1500mm的集中质量Iykgm246003800假定重心起500mm的集中质量Izkgm237703120-kxN/m1.11058.81044处导向轮总和（计算值）1105k

19、yN/m2.21051.761044处导向轮总和（计算值）1105cxNs/m21032103-cyNs/m210321034处导向轮总和（据減衰波形推定）图 1.5 电梯原始数据下图为表中参数示意图图1.6 参数示意图2.导轨不平的统计数据XY波形正弦波周期(m)6或者8假定4m导轨7.5或者10假定5m导轨振幅2mm2deg平均为提示量的一半程度X Y 从导轨上方观察 X,Y,的振幅、正負的方向虽没有相互依存性、但周期的变动接近于同期。（依存于导轨的長、导轨）另外、对面的导轨（右导轨、左导轨）之间的相互关系也同样。图 1.7 导轨不平的数据统计第二章 液压系统设计与元件的选型2.1引言 电

20、梯运行速度越来越高,电梯的振动问题越来越突出,成为影响乘梯舒适性甚至安全性的因素。因此如何抑制电梯的振动成为当前国内工业界越来越迫切的问题,因为这直接关系到产品的市场竞争力。电梯的振动问题主要分为两类,既垂直振动和水平振动。但在国内关于电梯振动的研究较少,特别是水平振动。一般来说,导致水平振动的因素有导轨交接处的突起、导轨表面的高低不平、导轨的弯曲以及导轮自身的缺陷等因素。因此制造平直的导轨以及安装导轨时尽量使两根导轨对直,这将大大减少电梯的水平振动。不过,这会大大提高安装和制造成本。另外一种可以取代的方法是用控制手段来抑制水平振动。2.2 电梯系统振动分析 李立京4等介绍了一个研究水平振动的

21、简单的2自由度的电梯模型,如图2.1：图 2.1 电梯水平振动模型其振动微分方程为： （2-1）从而可以解得系统的两个固有频率： （2-2）Roberts5介绍了在导轮上的位移和外力系到质心力系的转换原则。KenlchiOkamoto6等，则分析了3种可能存在的导轨扰动模式。但是关于空间5自由度的电梯水平振动模型研究并不多见。这里首先借鉴和引用上海交通大学傅武军8等老师建立的模型。他们建立了一个空间5自由度的电梯水平振动的模型,导出位移和力系在全局坐标系和局部坐标系之间转换矩阵,并建立了系统的动态微分方程组。利用所建模型得出了某一实际电梯水平振动的固有频率,然后分析了导轨激励的特点,并求出了在

22、假设激励条件下电梯的水平振动加速度响应。 模型如下图所示：图2.2电梯系统轿箱部分结构图图2.3电梯系统水平振动动态模型由此得到了电梯系统水平振动的微分方程：+ += (2-3) 其中=diag,为质量矩阵;和分别为对称的55阻尼矩阵和刚度矩阵,且有:另外是质心的外力矩阵;,分别为质心方向质量,质心方向质量,绕轴的转动惯量,绕轴的转动惯量,绕轴的转动惯量。1和1为导轮或导靴方向刚度和阻尼,2和2为导轮或导靴方向刚度和阻尼。 接着，得出了在下述初始条件下系统的固有频率：电梯的参数为:质心的主质量=1350、=1800.74,=1900.67、=455.295,导轮的刚度1=/,2=/阻尼因子取=

23、0.03,质心的位置是:1=2.2506,2=1.5494,3=0.761,4=0.761,5=0。人对0.520的水平振动的模态频率特别敏感,如果这些频率被激起将严重影响乘坐的舒适性,因此应尽量抑制在这个频率范围内的振动加速度值。通过微分方程组得出在几种典型导轨激励(见图2.4)下电梯系统的水平振动的加速度响应，如图2.5所示。其中阶跃模式导轨激励将引起较大的质心水平振动加速度。图2.4典型导轨位移激励信号（位移时间）图2.5由典型扰动引起电梯质心水平方向振动响应（加速度时间）2.3 液压作动器的总体方案设计作动器是振动主动控制系统中的重要元件之一，其作用是向系统施加控制信号，以按照所需方式

24、改变系统的响应。作动器的主要类型有液压作动器、气动作动器、电磁作动器、压电作动器、形状记忆合金作动器和磁制伸缩作动器。其中液压作动器能在相对较小的结构尺寸下产生较大的位移和较大的作用力，在车辆主动悬挂和直升飞机机舱的振动主动控制中已得到很好的应用，但在电梯减振方面的应用尚未见有报道。液压作动器的关键元件是液压控制阀。传统的开关型控制阀上限频率为320Hz，不能满足快速性的要求，而技术先进的比例阀和伺服阀尽管上限频率均超过150Hz，但由于对油液污染较敏感，且价格较贵，限制了它们的广泛应用。近几年，一种新型的液压控制阀高速开关阀获得很大发展，同伺服阀、比例阀相比，它具有价格低廉、快速响应性好、抗

25、污染能力强、易于实现数字控制等优点，在越来越多的电液控制系统得到应用。高速开关阀由于自身结构限制，允许的流量较小，一般最大为10L/min，不能直接用于大流量控制系统中，但对本系统完全满足要求。另外，液压作动器需专门的液压站供油，容易产生噪声，并且在控制阀输人电压和液压缸的力或位移输出之间产生非线性和滞后，这是在研究中必须重点考虑的问题。2.3.1 液压作动器的技术性能要求（1）满足系统的压力和流量要求，最高工作压力为5Mpa,流量至少满足频率为4Hz外负载激励的要求。（2）保证油液的清洁度，过滤精度至少达到10m，保护各种液压元件，延长使用寿命，提高系统工作可靠性；（3）防止空气混入，油液中

26、空气含量不得超过2%，以保证系统工作稳定性和动作的快速性；（4）减小液压泵输出流量的脉动和压力脉动，以提高控制精度，可选择高性能的液压泵或增设蓄能器；（5）各种液压元件均不允许有外泄漏，保证使用环境的清洁。系统的正常工作噪声不大于40分贝；（6）整体结构紧凑，布局合理，外表美观，便于安装，符合人机工程学。高速开关阀液压缸控制器压力传感器液压油源液压站液压油液压油反馈信号控制信号图 2.6 功能模块图Fig. 2.1 Diagram of module2.3.2 液压作动器的组成和工作原理如图2.7示，液压作动器由液压站和执行装置两部分组成。液压站负责为系统提供油源，并实现控制和保护。它主要包括

27、电动机1、液压泵2、过滤器3、单向阀4、蓄能器5、压力表6、溢流阀7；高速开关阀8、9、压力传感器10以及油箱、空气滤清器、液位计等附件；执行装置安装在电梯导靴上，给轿厢提供阻尼力，它包括四套液压缸11和蓄能器12，分别通过4根高压软管并联在液压站的排油口，工作状态互不影响。图2.7液压作动器工作原理1-电动机；2-液压泵；3-过滤器；4-单向阀； 5-蓄能器；6-压力表；7-溢流阀；8，9-高速开关阀；10-压力传感器；11-液压缸；12-蓄能器液压作动器工作时，液压泵2在电动机1驱动下从油箱吸油，输出的高压油液经过滤器3过滤后进入蓄能器5，蓄能器可减小液压泵输出油液的流量和压力脉动。系统输

28、出油液的压力由溢流阀7调定，可由压力表6测出并指示，单向阀4可避免蓄能器的油液冲击过滤器和液压泵。高速开关阀8、9接收控制器输出的数字信号分别控制进入和流出液压缸的油液，实现对液压缸内油液压力的调节。液压缸内油液压力通过压力传感器10实时检测并输入控制器以实现反馈控制。蓄能器12可减小由外负载引起的液压缸内油液压力的高频振荡，有利于提高系统的控制精度。图2.7，由高速开关阀8、9的排油口、压力传感器10的进油口、液压缸11、蓄能器12及它们之间的连接管路所形成的封闭容腔，就是我们所要控制的压力区。该压力区中的压力可用式（2-4）表达： (2-4)式中：V-压力区的总容积；V-压力区油液的体积增

29、量；Ee-有效体积弹性模量。工作液体的有效体积弹性模量可用式（2-5）近似计算： （2-5）式中:Ec-管道等形成压力区的固定容器的弹性模量；El-液体体积弹性模量物理值；Vg-油液中所含气体容积；Eg-气体的绝热弹性模量，Eg=1.4p固定容器的体积弹性模量难以精确计算，常以起决定作用的管壁的弹性模量代替，即 （2-6）式中：Ep-油管材料弹性模量T -油管壁厚D-油管内径根据上述公式，设工作油压为2.5MPa，工作液体含有1%空气，可计算得有效体积弹性模量Ee为255MPa。系统中V=1.86mL，V=250mL，如不施加主动控制可知p为1.9MPa。2.3.3 液压作动器的关键技术（1）

30、高速开关阀脉宽调制（PWM）控制图2.8工作原理本系统选用的高速开关阀采用脉冲流量控制方式，开关阀直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作,在出口输出一系列的脉冲流。图2.8工作原理图。脉宽调制器将输入的控制信号与载波信号比较后,转化为周期为的脉宽调制信号。如()图中的为计算机计算输出的控制信号,通过将该信号与也是计算机输出的一系列作载波信号的锯齿波信号进行比较,如果在某一时刻的值大于锯齿波的值,则要求阀开,否则要求阀关。随后得到()图中所示的一系列控制指令,将这一系列控制指令施加到阀的线圈上，在有控制指令电压的时间阀通路打开,有流量通过,其余的时间内则无流量通过。高速开关阀采用脉宽调制原理来控制

31、其平均流量,由于时间非常小,常为0.0050.15,因此,可用平均流量来表示这一时间内阀的输出流量。 （2-7）式中：表示流量系数,表示阀口的开口面积,表示时间Ton与时间之比,p表示油的压差,表示油的密度。上式表明,高速开关阀的流量与时间Ton与时间之比脉宽占空比成正比。脉宽占空比越大,通过高速开关阀的平均流量越大。由于脉宽调制()信号可直接由计算机输出,高速开关阀能够直接以数字的方式进行控制,不必经/转换,计算机可以根据控制要求发出的脉宽调制信号,控制电机械转换器电磁铁动作,从而带动高速开关阀开或关,以控制液压缸进出油液的流量。高速开关阀采用PWM控制，PWM控制信号的载波相当于给开关阀增

32、加了一个颤振信号，该颤振信号有助于消除电磁阻尼和库仑阻尼，这样一方面减小了开关阀死区影响，另一方面也消除了阀控流量的非线性。脉宽调制式液压系统虽然具有较好的性能，但却存在压力波动，大惯量负载时尤为严重。脉宽调制系统压力波动的来源有两个：其一是阀开关信号本身的谐波分量在输出的体现。该谐波分量对实际系统输出的影响非常小以至在实验中测量不到，故可以忽略；其二是由于开关阀只以全开和全闭两状态动作，系统消除大误差时阀长时间全开可使负载（包括活塞）速度和动能响应到最大，在负载接近期望位置而关闭开关阀时，负载所获得的动能就会与液压缸容腔所形成的液压弹簧及负载弹簧之势能相互转化，这种转化过程使得负载在平衡位置

33、附近波动，直到负载动能被消耗掉为止，我们称这种波动为系统弹性波动。本系统在认真分析和实验研究的基础上，采用了蓄能器以减小系统波动，并通过系统参数匹配以满足所要求的控制精度。（2）隔振降噪技术作为主要噪声源的液压泵安装在油箱的液面以下，既可隔声也有助于散热；采用高压软管连接执行装置，减小液压缸中油液的压力脉动，也可阻止机械振动的传递；在产生油液压力脉动的源头处采用蓄能器，以吸收压力脉动；液压缸上安装消声器，降低活塞杆快速移动引起的噪声。2.4 液压作动器的选型设计2.4.1液压缸液压缸是液压作动器的执行元件，它的作用时将液体的压力能转变为运动部件的机械能，使运动部件实现往复直线运动或摆动。其性能

34、不仅影响了作动器的响应速度，而且对压力稳定性起着决定作用。受导靴上安装位置限制，其外形尺寸必须专门设计。图2.9单杆活塞缸原理图。其活塞的一侧有伸出杆，两腔的有效工作面积不相等。当向缸两腔分别供油，且供油压力和流量相同时，活塞 （或缸体）在两个方向的推力和运动速度不相等。图2.9塞缸当无杆腔进压力油，有杆腔回油（图2.9）时，活塞推力F1和运动速度v1分别为 F1=A1p=/4D2p (2-8) 进行产品设计、分析及绘图；设计完成以后，选择需进行加工制造的零部件，输入制造信息（例如刀具直径），运行制造程序，就可以自动生成相应的加工文件，该文件可以用来驱动大多数的数控加工机床。同时，它可方便的对

35、三维实体模型进行特征编辑，如密度单位及数值修改等，以便获取相应部件的质量特性参数。UG还提供工业标准之人机介面，不但易学易用，更有无限次数的undo功能、方便好用的弹出视窗指令、快速图像操作说明、自订操作功能指令及中文化操作介面等特色，并且拥有一个强固的档案转换工具，能转换各种不同CAD应用软件的图形，以重复使用旧的资料。本文主要利用UG的三维造型功能，建立液压系统元器件的实体模型，在软件环境下进行系统的装配和布置的优化，为实际系统的空间布置提供依据。液压系统原结构的UG装配图如图2.16 所示，图2.16液压站装配图经过优化后的系统布置如图2.17所示。在不影响液压系统功能的前提下，装配关系

36、改变之处有：1. 传感器位置的改变，从阀块的侧面移到阀块的顶部，为电机、滤清器、蓄能器等元件的布置提供空间；2. 滤清器和电机向靠近阀块的方向移到，可以减少油箱的长度，降低系统的体积和重量；3. 压力表和蓄能器移到油箱的上部，减少了被撞击的几率。重新布置后的系统从原理上和实际应用方面都更加合理。第三章 高速开关阀特性实验3.1模拟实验台架的组成和原理压力传感器控制器液压站液压缸计算机正弦激励模拟装置图3.1 模拟实验台架组成模拟实验台架的组成如图3.1所示，正弦激励施加到摆振主动控制系统的执行元件液压缸上，将引起液压缸内油液压力的变化，该压力由压力传感器采集送到控制器中，根据控制策略发出指令，

37、通过液压站上的高速开关阀完成对液压缸内压力的控制，同时压力传感器采集的压力值也送入监控计算机进行数据处理，显示压力变化曲线。3.2 高速开关电磁阀简介 用数字信息直接控制的阀，称为电液数字控制阀，简称数字阀，它可以直接接受脉冲电信号，不需要DA转换元件，极易与计算机相连接，与伺服阀和比例阀相比较，具有结构简单、成本低、抗污染能力强、重复性好等诸多优点。在微机实时控制系统中，它部分取代了比比例阀和伺服阀的工作。高速开关阀作为数字阀的一种，近年来在国内外己经得到了广泛的应用，但是它与伺服阀和比例阀相比，控制精度稍差。关于这方面的研究和应用已经取得了一些成果。由于高速开关电磁阀结构简单，成本低廉，在

38、液压控制系统中的应用日趋增多。PWM电液控制系统由于采用脉冲调制工作方式，与伺服阀或比例阀构成的模拟控制系统相比，则具有抗干扰能力强、结构简单、工作可靠等突出优点，在工业中的应用领域也不断拓宽。如在日本、德国等国家，利用高速开关阀的PWM电液控制系统已经普及到农业机械、运输设备、机床、航空器等各行业。国内近年来对高速开关阀及其应用研究也越来越重视。随着各种功能集成控制电路（IC）的不断推出和计算机及接口芯片技术的飞速发展，又使得PWM电液控制系统的信号处理部分不断简化，系统的控制精度不断提高，成本日趋降低，可靠性越来越高。采用高速开关阀的PWM电液控制系统将有着广阔的应用前景。 工作原理： 用

39、数字量进行控制的方法有脉宽调制（PWM）、脉频调制（PPM）、脉数调制（PNM）、脉码调制（PCM）和脉幅调制（PAM）。目前在流体动力控制系统中，PMW方式是一种比较成功的控制策略。其控制原理如图3.2所示。图 3.2 脉宽调制原理图 在图3.2a中，r（t）为控制信号，将该信号与载波信号c（t）进行比较，如果在某一时刻，r（t）值大于载波信号从c（t）的值，则使阀开启，否则使阀关闭，从而得到一系列如图2.3b所示的控制指令。将这些控制指令作用到高速开关阀电磁铁的线圈上，于是在每一周期T内有tp 的时间，阀的通道被打开，有流量Qu通过。时间tp和T之比称为占空比，记为 d，dtp/T。由于高

40、速开关阀的载波周期可以调得很低，例如0.010.05，因此可以用平均流量 来表示这一时间内得输出流量。平均流量为： 式中：P为阀口压差：c为阀口流量系数；A为阀开口面积； 图 3.3 即为修正后的高速开关阀的流量特性曲线。图 3.3 高速开关阀的流量特性曲线 高速开关阀位置伺服系统正是利用了高速开关阀的脉宽调制信号的占空比，流量特性对变量油缸的位移进行控制，从而达到调节排量的目的。3.3高速开关阀特性实验在电梯摆振主动控制系统中，高速开关阀负责接收控制器发出的控制指令，完成对液压缸内油液压力的调节。其性能的好坏直接决定了摆振主动控制系统的快速性和稳定性。因此，我们首先进行了高速开关阀的动态特性

41、实验，并确定高速开关阀采用PWM控制时不同载波频率下的占空比范围。为了测高速开关阀的动态特性，控制器每隔2s使高速开关阀开启10ms，相当于输入一个阶跃信号，通过测试液压缸内油液压力，得到高速开关阀在三个不同初始背压力下阶跃信号响应如图3.4所示。图中所显示的压力梯度（压力飞升速度）最高可达到500MPa/s，可见高速开关阀动作的快速性是非常明显的，尽管存在压力波动，但压力稳定时间不超过50ms，完全满足系统控制要求。随着初始背压的提高，压力梯度有所减小，但压力稳定时间也明显缩短，由此可知，高速开关阀输出口保持一定的背压可有效改善系统压力的稳定性。图3.4高速开关阀的动态特性曲线图3.5 高速

42、开关阀的动态特性曲线图3.6 高速开关阀的动态特性曲线图3.7 高速开关阀的动态特性曲线将时间历程缩短后可得到图3.5-3.7所示单个阶跃信号作用下高速开关阀的动态特性曲线，从中可以看出由于电磁铁响应滞后时间和阀芯运动时间等影响，高速开关阀的开启和关闭过程中，压力响应均存在一定的滞后，可用总开启时间ton和关闭时间toff来度量，这是衡量阀快速性的两个重要参数。经测试，系统中所选用的高速开关阀的ton=2.4ms，toff=3.3ms。根据ton和toff实测值可得出高速开关阀采用PWM控制时不同载波频率下的占空比范围，并得到了实验验证。载波频率50hz 占空比范围13%85%载波频率100h

43、z 占空比范围25%80%载波频率200hz 占空比范围45%70%在上述占空比范围内，为了测试高速开关阀的压力调节性能，根据液压理论中的关于半桥网络的论述，令进油阀全开，回油阀采用100Hz的PWM信号控制，占空比从30%递增变化到80%，测量液压缸内油压变化，获得了如图3.8-3.13所示的实验结果。图3.8 30%PWM控制下压力变化曲线图3.9 40%PWM控制下压力变化曲线图3.10 50%PWM控制下压力变化曲线图3.11 60%PWM控制下压力变化曲线图3.12 70%PWM控制下压力变化曲线图3.13 80%PWM控制下压力变化曲线从图中不难发现，占空比越小，压力控制的稳定性越

44、好，但压力梯度较小，增大占空比，尽管压力梯度随之增大，但压力稳定性明显降低，发生了比较明显的压力振荡。综合比较，50%占空比的PWM控制信号也许是一个比较好的选择。第四章 总结及致谢4.1总结及研究展望 本文对电梯摆振控制系统的液压执行机构进行了研究，绘制了液压系统原理图，并对液压元器件进行了选型和匹配，使之能够有效的完成电子控制器发来的控制指令。基于实际使用过程中液压系统布置存在的问题，对液压元器件布置进行了优化。 高速开关阀是液压系统的核心部件，负责接收控制器发出的控制指令，完成对液压缸内油液压力的调节。其性能的好坏直接决定了摆振主动控制系统的快速性和稳定性。为确定高速开关阀采用PWM控制

45、时不同载波频率下的占空比范围，进行了高速开关阀的动态特性实验。试验数据的分析显示，占空比越小，压力控制的稳定性越好，但压力梯度较小；增大占空比，尽管压力梯度随之增大，但压力稳定性明显降低，发生了比较明显的压力振荡。综合比较，50%占空比的PWM控制信号对本控制系统而言是一个比较好的选择。 电梯虽然已经出现了100多年，但随着新的电力器件的发明和应用，数字化系统的广泛普及以及计算机在电梯系统的大量应用，使得人们对电梯的研究高潮迭起。人们对电梯研究的深入必定带来电梯系统性能的不断提高，使得电梯这一广泛应用于人们生活中的代步工具向着更加舒适，更加安全和更高效率的方向不断前进！42 致谢 本设计得以顺

46、利完成首先要感谢管西强和张鑫老师的大力支持和帮助。在整个课题设计的过程中，两位老师一直都耐心地指导我做好每一项工作，并指导我以正确的研究方向。管、张老师严谨治学的态度，广博的知识，敏锐的洞察力和认真的态度使我受益匪浅。在论文的整理阶段，管老师还悉心对我的报告进行了审核，并提出了很多宝贵的修改意见，使我的论文更加完善。在此，谨向两位老师表示最诚挚的感谢和敬意！ 同时还要感谢和我一同进行设计的张凯之同学，他的认真、求实工作的态度一直影响着我。在论文书写和图纸设计时，他还给了我很大的帮助。 最后，还要感谢所有帮助和支持我的所有亲人和朋友们，正是他们无私的帮助和指导，使我在学习和工作中不断提高和进步!

47、 吴石庐 2004.6.10参考文献:1 金卫清,等.电梯机械系统动态特性的建模分析.机械设计与研究,1999,15(3):5355.2 张聚,等.高速电梯机械系统振动的分析与计算.机电工程,2000,17(4):7882.3 朱昌明,洪致育,等.电梯与自动扶梯.上海:上海交通大学出版社,1995.4李立京,等.电梯轿厢水平振动模型.起重运输机械,2002,(5):35.5,. .,1997.6 ,. .2000.7,.:. ,1990,3(1):2426.8傅武军，朱昌明，张长友，叶庆泰. 高速电梯水平振动建模及动态响应分析。机械设计与研究，2003年12月，第19卷第6期，文章编号：100

48、62343（2003）06065039李芝. 液压传动 机械工业出版社 ISBN7-111-0937110蔡文彦,詹永麒. 液压传动系统 上海交通大学出版社 199011上海煤矿机械研究所 液压传动设计手册 上海人民出版社1974.1212李寿刚. 液压传动 北京理工大学出版社 1994.513张聚高速电梯机械系统振动的分析与计算机电工程，2000，17（4）：788214吴国政 电梯原理，使用，维修.北京：电子工业出版社，199915Young Man Cho,Rajesh Rajamani.Identification and experimental validation of asca

49、lable elevator vertical dynamic model.Control Engineering Practice,2001,(9):18118716Tzou HS,Anderson GL.Intelligent structure system.Kluwer Academinc Publishers,199217Lee C.J.Acoust.Soc.Am.87,1990:114418Sung J Kim,James D Jones.Vibration characteristics of a composite beam with semi-active piezo-act

50、uators.ADPA/AIAA/ASME/SPIE Conf.,199119季文美，同方.机械振动M.北京.科学出版社，198520史信芳，陈影.电梯技术M.北京.电子工业出版社，198921张聚.高速电梯振动主控研究D.浙江工业大学硕士学位论文，1999.122Harrison JC.An experimental method for appraisal and comparison of vibration in highrise elevator cars.Elevator World,1998(6):81-8523Nai K,Forsythe W,et al.Improving ride quality in high-speed elevators.Elevator World,1997(6):88-9324于德介，喻进辉.高速电梯机械系统动力学模型的建立与修正振动与冲击，1997(1):11-14