（机械电子工程专业论文）双液压缸同步数字控制系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 液压技术在工程机械及航空航天等领域中应用非常广泛，而在一些负载比较 大的场合或因布局需要两个执行元件共同驱动一个工作部件，液压同步技术因此 得到发展。随着现代科学技术和加工制造技术的快速进步，越来越多的加工机械 及冶金设备等对液压同步技术的高精度要求越来越迫切。影响同步系统精度的主 要因素有系统流量控制元件和控制策略的应用。目前流量控制元件主要有电液比 例阀、电液伺服阀和数字流量阀，其中数字阀是新的发展趋势，它能够与计算机 技术、现代控制理论相结合形成数字控制系统，对液压系统进行闭环控制，以提 高同步系统控制精度。 本文首先根据要求对双液压同步系统进行总体设计，提出采用新型数字阀作 为系统控制元件实行闭环控制的设计方案，接着按照总体设计的要求设计双液压 同步系统回路，并详细介绍了新型数字阀的设计及其工作原理。由于系统采用闭 环控制，因此对执行机构的位置检测是必不可少的。但由于本系统使用环境非常 恶劣，采用外置传感器检测容易失效而导致检测故障，造成系统不能同步。为此 本文对液压缸进行了改进设计，将液压缸的位置检测装置设计成安装在缸内部的 结构，使其不受外界使用环境的影响。在系统的控制器选型上，本文选择了在机 电控制中应用较多的单片机作为系统控制器。 同步控制策略的应用同样制约着系统的同步精度，本文对比各种控制策略对 系统同步精度的影响，选择了“同等方式 的控制策略。并在此基础上建立系统 的近似数学模型，画出了同步系统传递函数方框图。由于液压同步系统具有强耦 合及非线性的特点，因此将数字p i d 控制算法引入系统。通常对p i d 控制算法中参 数的整定都是在某一特定条件下完成的，因此不能有效克服模型参数等其他因素 的变化对系统的影响。然而采用先进控制策略和p i d 控制算法相结合能解决以上问 题，因此本文提出采用模糊控制算法对p i d 参数进行在线整定，设计适应该系统的 模糊控制器，并介绍了模糊p i d 控制算法程序实现的过程。 最后，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对双液压同步系统进行性能仿真， 分析了系统的稳定性和同步性。结果表明所设计的控制系统具有良好的稳定性和 同步性，能够实现高精度同步驱动。 关键词：双液压缸，新型数字阀，同步控制，模糊p i d 控制算法，性能仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t h y d r a u l i ct e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n da e r o s p a c ef i e l d t h e r ea r en e e d e dt od r i v eo n ew o r k i n gp a r t s i m u l t a n e o u s l yw h e nl a r g el o a di s d e m a n d e do rs e v e r a l d r i v i n ge l e m e n t s ，i nc o n s e q u e n c eh y d r a u l i cs y n c h r o n i s m t e c h n o l o g yd e v e l o p s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c et e c h n o l o g ya n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ep r o c e s s i n ge q u i p m e n t sa n dm e t a l l u r g i c a l m a c h i n e r i e sd e m a n dh i g hp r e c i s i o no fh y d r a u l i cs y n c h r o n i s mt e c h n o l o g yu r g e n t l y m a i nf a c t o r st h a te f f e c ts y n c h r o n i s ms y s t e m sp r e c i s i o na r ec o n t r o l l i n gc o m p o n e n t so f s y s t e mf l o w sa n da p p l i c a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y a tp r e s e n t ，m a i nc o n t r o l l i n g c o m p o n e n t so ff l o ws y s t e ma r ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v ov a l v e ，a n dd i g i t a lf l o wc o n t r o lv a l v e t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lf l o wc o n t r o l v a l v ei sn e wd e v e l o p m e n tt e n d e n c y ；i tc a nc o m b i n ew i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d m o d e mc o n t r o lt h e o r yt of o r md i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nr e a l i z eh y d r a u l i c s y n c h r o n o u sc l o s e d - l o o pc o n t r o l l i n g ，e n h a n c et h ep r e c i s i o no fs y n c h r o n i s ms y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yd e s i g n sd o u b l eh y d r a u l i cs y n c h r o n i s ms y s t e m g e n e r a l l y a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t ，p u tf o r w a r dt h ep r o g r a mw h i c ha d o p t sn e w - t y p ed i g i t a lv a l u e a s c o n t r o l l i n gc o m p o n e n to fs y s t e mt or e a l i z ec l o s e d - l o o pc o n t r o l ，t h e nd e s i g n s d o u b l e c y l i n d e rs y n c h r o n o u sh y d r a u l i cc i r c u i t si na c c o r d a n c ew i t ho v e r a l ld e s i g na n d i n t r o d u c et h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fn e w - t y p ed i g i t a lv a l u ei nd e t a i l a st h es y s t e m a d o p t sc l o s e d l o o pc o n t r o l l i n gc i r c u i t ，t h ep o s i t i o nd e t e c t so fe x e c u t i n ga g e n c y 一h y d r a u l i cc y l i n d e ri sv e r yi m p o r t a n t i na d d i t i o n ，b e c a u s eo ft h et e r r i b l ec o n d i t i o n ， e x t e r n a ls e n s o rd e t e c tw i l ll e a dt of a u l td e t e c t i n g ，s oa st ot h es y s t e mw i l lg oo u to f s t e p i nt h i s r e s p e c t ，t h i sp a p e rg i v e sa ni m p r o v i n gd e s i g no fh y d r o c y l i n d e r , t h a ti s ，t h e p o s i t i o nd e t e c t i n ge q u i p m e n to fh y d r o c y l i n d e ri si n s t a l l e di n s i d ei no r d e rt og e tr i do f c o n d i t i o n si n f l u e n c e a sf a ra st h es y s t e mc o n t r o l l e ri sc o n c e m e d ，t h ep a p e rc h o o s e s s i n g l e c h i pm i c r o - c o n t r o l l e rw h i c hi sa p p l i e dw i d e l yi ne l e c t r o m e c h a n i c a lc o n t r 0 1 t h e a p p l i c a t i o no fs y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n gt a c t i c sa l s or e s t r i c t ss y s t e m sa c c u r a c y i ns y n c h r o n i s m ，s ot h ep a p e rc o m p a r e sv a r i o u sc o n t r o l l i n gt a c t i c s i n f l u e n c eo ns y s t e m s a c c u r a c yi ns y n c h r o n i s m ，a n dt h e nc h o o s e st h et a c t i co f ”p a r a l l e lm o d e i nt h i s f o u n d a t i o n ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e ss y s t e m sa p p r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d r a w s b l o c kd i a g r a mo fs y n c h r o n i s ms y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o n a sh y d r a u l i cs y n c h r o n i s m s y s t e mp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r o n gc o u p l i n ga n dn o n l i n e a r i t y , t h ep a p e r i i i n t r c 。d u c e sd i g i t a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mi n t ot h es y s t e m u s u a l l y , t h ep a r a m e t e ro fp i d c o n t r o la l g o r i t h mi ss e tu n d e rs o m es p e c i f i e dc o n d i t i o n ，s os u c hf a c t o r a sm o d e l p a r a m e t e r si n f l u e n c eo ns y s t e mw i l l n o tb ec o n q u e r e de f f e c t i v e l y h o w e v e r , t h e c o m b i n a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dp i dc o n t r o la l g o r i t h mc a nr e s o l v et h e p r o b l e ma b o v e ，s ot h i sp a p e rp r e s e n t sf r i z z y c o n t r o la l g o r i t h mt os e tp i d p a r a m e t e ro n l i n e ，d e s i g n st h ef u z z yc o n t r o l l e rs u i t a b l e t ot h i ss y s t e m ，a n da l s oi n t r o d u c e st h e c a r r y i n go u tp r o c e s so ff u z z y p i dc o n t r o la l g o r i t h m sp r o c e d u r e a tl a s t , t h ep a p e ru s e ss i m u l a t i o ns o r w a r es u c ha sm a t l a b ，s i m u l i n k t o g i v eap e r f o r m a n c es i m u l a t i o no nd o u b l e c y l i n d e rs y n c h r o n i s ms y s t e m ，a n a l y z e st h e s y s t e m ss t a b i l i t y , d y n a m i cp e r f o r m a n c ei nt h ec i r c u m s t a n c e so fr e s p o n s e t os t e ps i g n a l a n di n c e n t i v eo fr a n d o md i s t u r b a n c e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o l l i n gs y s t e m p o s s e s s e sg o o dc h a r a c t e r i s t i co ft r a c k i n ga n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ，a n dc a n r e a l i z e h i g hp r e c i s i o ns y n c h r o n i z e dd r i v e k e y w o r d s ：d o u b l eh y d r a u l i cc y l i n d e r s ，n e w - t y p ed i g i t a lv a l v e ，s y n c h r o n o u sc o n t r o l ， f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的让士学位论文础衄磁数星必! l 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：铆铆 签字日期：尹叼、莎， 导师签名： 签字日期：x 刀哆厶f 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程) ，愿意将本人晦组士学位论文盛翻弛鹾瑚眩敞劾劾擞遨蚴提交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k ： ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：金辔谁一 导师签名： 卅年多月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 随着现代机械加工工业及航空航天等技术的发展，越来越多的冶金设备、工 程机械及航空航天设备的驱动装置对高精度同步驱动技术的要求也越来越迫切， 其中，液压同步驱动系统由于结构简单、组成方便、适宜大功率场合和易于控制 等优点而占据了非常重要的位置。因为液压同步驱动的性能取决于同步驱动方式、 同步控制元件的性能、以及控制策略和现代控制理论的应用，因此以上影响同步 控制的各因素都成为了人们研究的焦点。 1 1 液压同步系统研究现状 液压同步系统就是以液压油为工作介质来传递、分配和控制能量，使得两个 或多个液压执行元件输出位移保持相同的液压系统，其实质就是设法按比例分配 进入各执行元件的压力油流量。其中影响同步控制精度的因素主要有同步控制方 式的选择、同步控制策略的应用及现代控制理论的应用。 1 1 1 液压同步控制方式研究 液压同步回路采用开环控制不对执行元件的输出结果进行检测与反馈，而只 是完全依靠液压控制元件本身来对执行元件的同步进行控制，控制元件的各项精 度对同步精度至关重要。由于不对执行元件的输出结果进行检测与反馈，因此不 能消除或抑制不利因素对高精度同步的影响，同步精度也就比较低。这样就在很 大程度上限制了此种同步控制方式的应用，但是由于开环控制具有结构简单、成 本低，因此通常应用在对同步精度要求不高的控制场合。 利用流量阀( 节流阀、调速阀) 作为控制元件实现多缸同步动作是最基本的位置 控制方法【l 】【2 】o 这类控制系统一般以对称结构形式安装且采用手工方式对同步进 行调整，近年来虽然流量阀的静态、动态性能有了较大改善，对同步误差也采取 了一些补偿措施，但这些仍然克服不了系统要求结构元件完全对称安装所带来的 固有的缺陷。因而此类位置同步控制亦只适合于应用在同步精度要求较低的控制 场合。 利用同步阀( 集流分流阀) 实现位置同步控制在开环同步系统中得到了广泛应 用。同步阀是利用负载压力反馈来补偿因负载压力变化所引起的流量变化，属于 “压力反馈间接补偿流量 型的流量分配阀。位置同步系统中，同步阀的分( 集) 流精度直接决定了系统同步性能优劣。为此，近二十年来，国内外众多学者、专 家对同步阀的研究开发工作从未停止过。为改善和提高同步阀的性能，提高位置 同步控制精度上起到了积极作用。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 此外，还有采用同步油缸开环同步控制系统和采用并联油泵供油的开环同步 控制系统等。 液压同步闭环控制是指对执行元件的输出结果进行检测与反馈来组成闭环， 虽然组成闭环结构较复杂、造价也偏高，但是由于它对输出结果进行检测与反馈， 因而能够在很大程度上消除或抑制不利因素对同步精度的影响，因此可获得较高 精度的同步驱动。由此液压同步闭环控制方式使得到人们越来越重视，特别是由 于计算机技术的成熟和现代控制理论的发展，此种控制形式在高精度液压同步控 制中应用地非常广泛。 采用电液伺服阀作为同步控制系统元件。电液伺服阀是一种接受模拟电信号 后，相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。由于电液伺服阀具有动态响应快、 控制精度高等优点，而且已广泛应用在航空、航天、舰船、冶金、化工等领域。 针对电液伺服阀的研究也一直都在进行，自从人类历史上第一个液压伺服阀的出 现到目前已经经历了2 0 0 0 多年的历史，发展到现在由于新型结构的改进、加工工 艺进步、新材料的使用以及新型传感器和计算机技术的引进，使得伺服阀发展成 了集成机械、电子、传感器及计算机技术为一体的智能化新型伺服阀。由伺服阀 组成的液压同步闭环控制系统不仅响应速度较快【3 j ，而且同步控制精度也较高。但 是，由于此种液压阀的结构较复杂、造价偏高而且抗污染能力较弱，因此由电液 伺服阀组成的液压同步闭环控制系统一般适用于同步精度要求较高的各类主机设 备中【4 】【5 1 。目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统己经成为武器自动化和工业自 动化的一个重要方面，应用十分广泛。 电液比例阀是一种在工程领域应用较多电液控制元件【6 】【7 1 ，它是电液比例控制 技术的核心和主要功率放大元件，代表了流体控制技术的发展方向。它以传统的 工业用液压控制阀为基础，采用电一机械转换装置，将电信号转换为位移信号，按 输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。与电 液伺服阀相比，性能在某些方面还有一定的差距。但电液比例阀抗污染能力强， 减少了由于污染而造成的工作故障，可以提高液压系统的工作稳定性和可靠性， 更适用于工业过程；另一方面，比例阀的成本比伺服阀低，而且不包含敏感和精 密的部件，更容易操作和保养，因此在许多场合电液比例阀获得了广泛的应用。 数字流量控制阀是上世纪八十年代初期逐渐发展起来的另一种新型机电液一 体化流量控制元件。其最大特点就是能满足计算机控制的需要，采用计算机输出 的数字量直接控制系统来实现同步驱动控制，其中省去了通常计算机控制过程中 所必需的数模转换装置。另外，此种流量阀具有较好的抗污染的能力。因此，采 用此种数字阀组成液压同步闭环控制系统具有结构简单、控制方便、可靠性高等 优点。目前采用此种数字流量阀组成的同步闭环控制在一些要求精度较高的位置 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 和速度同步驱动场合得到了实际应用【8 】 9 1 。当然此种控制形式的同步控制精度要受 到数字阀驱动部分的驱动信号的脉冲数量、脉宽占空比以及计算机系统的硬软件 条件的影响。 1 1 2 同步控制策略及现代控制理论的应用研究 在液压同步控制系统中采用同步闭环控制的主要目的，就是要利用闭环控制 的所具有的特点来获得受控的多个执行元件输出结果的高精度同步。对于液压同 步闭环控制系统来讲，采用得比较多的是“同等方式 和“主从方式 两种同步 控制策略【l0 1 。“同等方式 的控制策略是指多个需同步的执行元件，同时跟踪设 定的理想输出状态而都分别受控来达到执行元件之间的同步驱动。“主从方式” 的控制策略是指多个需同步的执行元件，控制系统以其中一个执行元件的输出结 果作为理想输出，使其余执行元件均受控来跟踪这一理想输出状态并达到同步驱 动。两种控制策略相比，采用“同等方式”的控制策略要比采用“主从方式 的 控制策略获得更高精度的同步输出。 由于液压同步闭环控制系统各支路之间具有的强耦合特性及非线性等特点， 所以仅依靠选择不同控制策略来实现高精度的同步驱动还不能达到很好的控制效 果。因此，人们通过增加各种各样的校正环节于系统的前馈和反馈通路上以提高 同步闭环控制系统的性能，例如采用了“同步误差比例微分积分校正 【l l 】【12 1 、 “加速度小闭环与瞬态速度反馈校正【1 3 】 1 4 1 、“状态差值反馈与加速度微分顺反 馈补偿”【l5 】等校正环节，并都已在闭环控制系统中了不错的效果。另外，现代控 制理论自上个世纪七十年代以来取得了快速的发展，尤其是随着自适应控制理论 和智能控制理论的发展与成熟以及在工业控制应用中获得的成功。使得人们有了 充分的信心将这些新理论成果应用于各类工业实际中去。在液压同步驱动控制中 这些现代控制理论也能充分发挥其作用，更好的解决了高同步精度驱动的问题， 人们已经采用自适应控制理论和智能控制理论来设计同步控制器，例如：p i 与p i d 优化调节器【1 6 】【1 7 1 、参考模型自适应( m r a c ) 控制器【1 8 】【1 9 1 、模糊学习控制器【2 0 】、自 适应学习控制器【2 l 】等。利用这些新理论设计的新型控制器应用于液压同步控制系 统中，使得液压同步控制的同步性能有了很大提高与改善，具有明显的应用价值。 1 2 液压同步闭环控制的应用 随着工程领域技术的发展，对液压技术的要求也不断提高，液压同步闭环控 制技术因其自身的各种特点而得到了广泛使用。 液压折弯机是一种大量用在汽车、船舶、飞机及家电制造业的通用的金属板 料折弯机械。此种设备的主要用途就是在常温下利用模具将原始板料折弯成各种 所需的型材或零件。两个置于横梁两端的用于控制横梁运动的液压缸同步控制的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 效果就决定了板料折弯成型的质量。通常对板料成型质量要求不高的小型折弯设 备的同步控制采用由机液伺服阀组成同步闭环控制系统，对于中大型的折弯设备 通常采用电液伺服阀或电控变量泵来组成同步系统进行控制。 在汽车制造行业中对汽车纵梁进行加工的设备纵梁液压机是必不可少的一种 大型设备。该设备一般要采用多个液压缸并联工作，因此要对设备中的各液压缸 进行同步驱动成为设备正常工作的关键技术。目前在此设备中一般都采用电液比 例阀作为控制元件来组成的同步闭环控制系统实现多缸同步驱动【2 2 1 。如目前我国 研制出两种大型汽车纵梁液压机( 3 0 0 0 0 k n 和3 5 0 0 0 心, r ) 都是采用了电液比例阀作 为控制元件组成的同步闭环控制系统【2 3 】【2 4 1 。 现在能源采集设备的工作平台的上升与下降以及其他大型设备的整体提升技 术都是采用液压同步闭环进行同步位置控制。例如文献 2 5 】和 2 6 】中所研究的钻井 平台的四缸整体提升驱动技术就是利用液压同步闭环控制完成的。在文献 2 6 】中所 介绍的设备是采用了由比例变量泵作为动力装置、自整角机作为误差检测装置而 组成的采用四个液压缸作为执行元件同步位置控制系统。而通过对文献【2 5 】的了解 其同步驱动技术是采用计算机技术、电磁比例变量泵、位置传感器技术等成功地 实现了计算机对四个执行元件的同步驱动控制。 随着工业水平和人类科学技术发展，人们对产品的性能要求越来越高，对系 统、设备的安全期望值越来越强。针对液压同步系统技术进行研究，改善同步方 法，达到合理的同步精度来满足工业工程中不断提出的高性能要求，使液压同步 控制系统技术的研究具有非常重要的现实意义。 1 3 论文选题意义及主要研究内容 1 3 1 论文选题意义 液压同步控制系统是机电液一体化技术的一个重要领域，在工业生产中得到 广泛应用。目前，液压同步驱动技术在航空航天和机械加工等装置中的应用越来 越广泛。然而由于液压同步系统中元件加工精度、性能及装配精度、负载的变化 以及液压同步系统的非线性和时变性等因素影响，保证高精度的同步具有一定难 度。故液压同步系统的关键是价格、高同步精度问题。因此，如何开发、研制高 精度、价格合理的液压同步控制系统就成为工程技术人员普遍关心和研究的热点 问题之一。 液压同步闭环控制与开环控制相比较，前者对输出结果进行检测与反馈，能 消除或抑制不利因素对同步性能的影响，因而可以获得较高精度的同步驱动效果。 液压闭环控制系统中常常采用的控制元件有电液伺服阀、电液比例阀和电液数字 控制阀。以电液伺服阀作为控制元件组成的液压同步控制系统具有响应速度较快、 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 同步控制精度高的特点，但是组成的系统造价偏高，抗污染能力较弱；由电液比 例阀组成的液压同步控制系统造价较低、抗污染能力高，但要采用计算机控制必 须进行d a 转换，因此系统的稳定性要受到一定影响；电液数字阀作为同步控制元 件组成同步控制系统能够适应计算机控制的要求，采用计算机输出的数字量来实 现实时控制，中间省去了通常计算机控制系统中所必备数模转换装置，由它组成 的液压同步闭环控制系统具有控制比较方便、可靠性高、重复精度高、构造简单 等特点，而且利于采用计算机直接控制，抗污染能力较强，造价与比例阀相当。 结合以上所介绍的液压同步系统所惯常采用的控制阀的各自特点，以及本课 题实际应用背景，本文提出了选用电液数字阀作为控制元件建立同步控制系统的 方案，并以此系统为研究对象进行研究，目的在于为工程的实际应用提供一种经 济实用、可靠性高、控制方便简单的同步控制方案，这就是本论文的研究目的及 意义所在。 1 3 2 论文主要研究内容 本论文研究的主要内容是将电液数字阀应用到同步控制系统当中，建立基于 数字阀的同步系统数学模型，并与现代控制理论相结合实现同步数字控制。 液压缸结构改进设计：从同步系统实际使用的工况环境及经济角度出发， 对液压缸的结构进行改进设计。 建立同步系统数学模型：建立基于新型数字同步阀双液压同步系统的开环 数学模型，并分析系统特点。 同步系统算法设计：将同步系统常用控制策略与现代控制理论相结合，采 用模糊p i d 控制技术实现同步控制。 系统性能仿真：利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件进行仿真，得出系统同步 运行仿真曲线，并对结果进行分析。 重庆大学硕士学位论文 2 双液压缸同步数字控制系统设计 2 双液压缸同步数字控制系统设计 液压技术在工程机械领域应用得非常广泛，在一些负载较大或因布局受影响 的场合通常需要将多个执行元件进行控制来驱动同一个工作部件进行作业，液压 同步驱动技术因此而得到发展。液压同步技术的研究目前已经取得较大的进展， 在各种工程领域已得到成功的应用。现在，随着计算机技术的成熟和控制理论及 技术的发展，使得液压同步技术逐渐成为了集机、电、液、计算机和现代控制理 论于一体的先进控制技术，此种控制技术在工作过程中能全自动完成同步，而且 能使多个执行元件的运动速度或相对位移保持一致，从而能够满足特定的工作需 求。目前，液压同步控制方式的种类较多，本章采用以新型数字阀作为控制元件， 建立了基于数字阀的同步系统，并根据系统使用工况环境对系统执行元件液压缸 的结构进行了改进设计。 2 1 双液压缸同步数字控制系统总体设计 双液压缸实现同步控制的方式通常有开环控制和闭环控制两种形式。采用开 环控制方式的同步系统，其同步精度完全依赖于液压控制元件本身的精度，而不 对执行元件的输出结果进行检测与反馈，因此此种控制方式不能抑制或消除不利 因素对同步性能的影响，因而同步精度比较低，但因其具有结构简单、成本低等 特点，通常将其应用于对同步精度要求不高的场合。采用闭环控制方式的同步系 统，与开环相比虽然组成复杂而且造价要高，但此种控制方式对输出结果进行检 测与反馈，因此能在很大程度上抑制甚至消除不利因素的影响，因而可获得较好 的同步驱动效果。 同步闭环控制常采用的控制元件有电液伺服阀、电液比例阀、数字流量阀等。 电液伺服阀具有精度较高、频率响应较快的特性，因此由它组成的液压同步闭环 控制系统既具有较高的控制精度响应速度，又具有较高响应速度。但此种结构的 比较复杂，而且造价较高且抗污染能力较弱；电液比例阀是目前在工程机械行业 应用的较多的一种新型的电液控制元件，它的频率响应较电液伺服阀的低，但其 价格比较低，抗污染能力也较伺服阀的好：数字控制阀是新发展起来的机电液一 体化控制元件，性能与电液比例阀相近，其最大特点就是能满足计算机控制的要 求，采用计算机输出的数字量来直接进行控制，省去了通常计算机控制中必不可 少的模数转换环节，目前该种控制元件在一些高精度的位置和速度控制上得到广 泛应用。 根据以上所述，本文所研究的双液压缸同步控制系统选择采用闭环控制的方 6 重庆大学硕士学位论文2 双液压缸同步数字控制系统设计 式来实现，控制元件选择采用新型数字流量控制阀以便于计算机进行控制，以减 少系统中间模数转换环节，使系统更加简单减少误差积累及提高稳定性。 2 2 双液压缸同步回路设计 采用新型数字阀作为控制元件在双液压同步系统中应用方式很多，但所有双 缸同步回路都属于阀控缸系统。为使设计的控制系统更具有广泛性和控制性能的 覆盖性，选用水平卧式单作用双液压同步系统作为本章和后续各章的研究对象， 所得出的数学模型和控制器等研究结果具有通用性。 图2 1 双液压缸同步数字控制系统原理图 1 一滤油器；2 一液压泵：3 溢流阀；4 一泄压阀； 5 、仁数字阀；7 、8 - 液控单向阀：9 、1 旺液压缸；1 1 、1 瑚感器 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f d o u b l eh y d r a u l i cc y l i n d e rs y n c h r o n i s md i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 1 - o i lf i l t e r ；2 - h y d r a u l i cp u m p ；3 - o v e r f l o wv a l v e ；4 - p r e s s u r er e l e a s ev a l v e ；5 、6 - d i g i t a lv a l u e ； 7 、8 - h y d r a u l i cc o n t r o lo n e w a yv a l v e ；9 、1 0 一h y d r a u l i cc y l i n d e r ；11 、1 2 一s e n s o r 7 重庆大学硕士学位论文2 双液压缸同步数字控制系统设计 图2 1 为系统原理图，图中虚线框5 、6 为新型数字阀。当系统工作时，控制系 统根据工况要求的液压缸的行程及速度确定驱动数字阀5 、6 的脉冲数及频率，控 制数字阀的脉冲数及频率就决定了液压缸的行程及速度。同时传感器1 1 、1 2 检测 液压缸的位置，当检测出两缸有位置误差时，控制系统通过改变驱动数字阀的脉 冲数或频率来控制两缸同步。液压缸的前进及后退由控制数字阀的步进电机的转 向来控制。溢流阀3 和阀4 组合既能调节系统压力又能使系统卸荷。 2 2 1 新型数字阀工作原理 随着液压技术的不断发展，尤其是液压同步技术。对液压系统数控化的要求 越来越迫切，而实现液压系统数控化的关键部件是数字流量阀。现有技术中有许 多种数字流量阀，比较典型的是由高速开关阀组成的数字流量阀系统。其原理是 通过控制其驱动装置信号的脉冲宽或脉冲频率来控制高速开关阀的导通占空比或 导通频率从而控制流量，且高速开关阀本身结构也非常复杂，造价昂贵。本文所 采用的新型数字阀的原理则有所不同。其原理图如图2 2 所示。 图2 2 数字阀原理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i g i t a lv a l u e 该数字阀主要由驱动部分1 、阀门开关部分2 、计量部分3 及换向部分4 ，这 四大主要部分组成。结构中驱动部分1 为步进电机，阀门开关部分2 可以看作两 位四通阀。结构中计量部分3 为一体积恒定的小型油缸和其中的活塞组成，活塞 将小油缸分隔为两部分。步进电机每旋转一步两位四通阀动作一次计量部分输出 二分之一小油缸体积的液压油，输出的液压油的体积由小油缸1 决定，以保证步 进电机每转动一步输出的液压油的体积一定，因此，小油缸的体积大小就决定了 该型号数字的排量。选择不同型号的数字阀，就能选择不同的排量以满足不同的 使用要求。换向部分4 实际为一个三位四通阀，它在其中的作用是当步进电机的 旋转方向发生变化时，三位四通阀同时也换位，使得控制的执行机构的运动方向 也发生改变。当数字阀工作时，由脉冲源发出驱动脉冲信号给环形分配器，环形 重庆大学硕士学位论文2 双液压缸同步数字控制系统设计 分配器按照一定的相序将脉冲信号传送到驱动器，驱动器将接受到的脉冲信号进 行功率放大，然后驱动步进电机旋转，阀在步进电机的驱动下开始工作。步进电 机的角位移和角速度分别决定了通过数字阀的液压油的流量和流速，从而决定了 液压缸活塞的位移和速度，步进电机的旋转方向就决定了液压缸的移动方向。因 此，调节步进电机的角位移和角频率，就能在一定范围内控制液压缸活塞的位移 和速度。由此种数字阀组成的液压系统能方便的实现计算机控制，很好的实现了 机电一体化。 2 2 2 液压缸结构改进设计 在液压系统中，液压缸是实现直线往复运动的执行元件，它是把流体的压力 能转换成机械能的能量转换装置。其结构简单、工作可靠，可以很方便地获得直 线往复运动、实现频繁转向且运动平稳无间隙，在使用中无需减速装置，因而在 各种机械液压传动系统中应用非常广泛。本文所设计的液压同步系统使用背景为 某炼钢厂的炼钢炉上料设备的驱动装置，使用环境恶劣、灰尘多污染严重，用于 检测两液压缸位置的常规位置传感器在这种恶劣环境下寿命短使用容易失效，如 采用全封装防尘位移传感器寿命长可靠性高但其价格也较昂贵。因此针对液压缸 的结构改进设计的目的是为了找到一种经济可靠的位置反馈方法，可以使系统成 本降低但不降低系统的寿命及可靠性。 缸筒设计计算 1 ) 缸筒设计主要技术要求【2 】： a 有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生 永久变形； b 有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不至于产生弯曲； c 内表面与活塞密封件及导向环的摩擦作用力下，能长期工作而少磨损，有 较高的几何精度，足以保证活塞密封件的密封性； d 还要求具有良好的焊接性，以便焊接后不至于产生裂纹或过大的变形。 2 ) 系统压力确定 对于液压动力系统来说，假设系统的最大静压力为尸，考虑到摩擦等机械损失 ( 系数取1 1 ) 以及设备运动时的动载系数( 取1 1 ) ，那么系统的最大动压力为： 只= 1 1 x 1 1 x p = 1 2 1 p ( 2 1 ) 而液压动力系统的最高工作压力r 斌一般为系统最大动压力的1 5 倍，即： = 1 5 砌= 1 8 1 5 p( 2 2 ) 系统工作是泵站能够提供的最大工作压力为i o m p a ，因此，系统最大静压力p 为： 9 重庆大学硕士学位论文2 双液压缸同步数字控制系统设计 p ：生：旦：5 5 m p a ( 2 3 ) 1 8 1 51 8 1 5 。 3 ) 缸筒材料选择【2 7 】 缸筒材料的选择主要考虑液压缸的结构机械性能并兼顾经济性和工艺性。 a 对标准液压缸大部分采用4 5 号钢材，若结构上有焊接则可采用2 0 - 3 5 号钢 材。 b 当缸筒外形较复杂是可考虑采用铸件，要求一般时选灰铸铁h t 2 0 0 h t 3 5 0 ， 要求较高时则选用球墨铸铁q t 4 5 0 1 0 、q t 5 0 0 7 、q t 6 0 0 - 3 等。若用铸钢则多为 z g 2 3 0 4 5 0 、z g 2 7 0 5 0 0 、z g 3 1 0 5 7 0 等。 c 特殊要求可用铸钢、铝合金。 针对以上选择原则，由于缸筒上有焊接结构因此设计缸筒时应选用3 5 # 钢材。 4 ) 缸筒内径计算 液压缸的理论作用力f 为4 0 k n ，系统最大静压力尸为5 5 m p a ，则缸筒内径 d 为： 肚竺：黑：9 6 2 1 0 4 掰 ( 2 4 ) 、z r p , f7 r 5 5 1 0 6 、7 按照国家标准g b2 3 4 8 8 0 的规定的缸内径系列，取缸内径d = 1 0 0 m m 。 5 ) 缸筒允许最小厚度计算： 选择缸筒材料为3 5 # 钢，按照设计参考标准缸径d = 1 0 0 m m ，选择缸筒的外径 d l = 1 2 1 m m 。即缸筒厚度t s o = 1 0 5 m m 。 当缸筒厚度6 与缸内径d 关系为6 d 0 0 8 时，厚度6 可用薄壁缸筒的使用 计算式计算： 赴钎( 聊) 当缸筒厚度6 与缸内径d 关系为6 d = 0 0 8 一一0 3 时， 式计算： 6 珥p 于m a x 菇d ( 聊) ( 2 5 ) 厚度6 可用中等壁厚公 ( 2 6 ) 当缸筒厚度6 与缸内径d 关系为6 d o 3 时，厚度6 可用以下公式计算： 6 旦f ， 2 或6 1 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 重庆大学硕士学位论文 2 双液压缸同步数字控制系统设计 式中，d 缸衙内彳仝( m ) ； r 斌缸简内最高- v 作压力( 御a ) ； 6 卜一缸筒材料的许用应力( m p a ) 其中，【艿】= 鲁= 5 3 0 5 = 1 0 6 m p a ( 2 9 ) 瓯缸筒材料的抗拉强度( m p a ) 。 行安全系数，通常取5 。 按照设计标准选择缸筒壁厚6 0 = 1 0 5 m m ，则言= 等= o 1 0 5 1 3 1 6 m m ，故选用6 个m 1 6 ( g b t 8 9 7 - - 1 9 8 8 ) 螺栓，用于联结端盖与液压缸缸体。 8 ) 缸筒制造加工