（机械电子工程专业论文）基于dsp的电液伺服控制系统的研究.pdf

t h e 1。一 原创性声明 明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 敝储鹤m 宁讹厶r 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝攀轹护奇刷程 日期：1 矽c d ， ， & r 。 l 1 3 国内外研究现状3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 课题的主要研究内容5 1 5 本章小结5 第二章液压系统的数学建模7 2 1 液压伺服位置系统的简化模型7 2 2 各模块的数学模型7 2 2 1 功率放大器的数学模型一7 2 2 2 位移传感器的数学模型。8 2 2 3 伺服阀的数学模型8 2 2 4 液压缸一负载的数学模型8 2 3 各模型参数的确定9 2 4 系统稳定性分析1 1 2 5 本章小结一1 2 第三章控制系统的硬件设计一1 3 3 1d s p 芯片选型1 3 3 1 1 d s p 芯片简介一1 3 3 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介1 4 3 2 控制系统硬件总体方案1 5 3 2 1 电源单元设计1 5 3 2 2 外部存储器扩展接口单元16 3 2 3 时钟接口单元1 8 3 2 4d a 转换接口单元2 0 3 2 5a d 转换调理单元2 1 l v 2 t i 基于d s p 的电液伺服控制系统的研究 3 2 6 串行接口单元2 l 3 2 7 仿真模块( j t a g ) 2 2 3 2 8 复位模块2 3 3 3 本章小结2 3 第四章控制系统的软件设计2 5 4 1 控制算法的选择2 5 4 1 1p i d 控制算法2 5 4 1 2 神经网络控制2 6 4 2b p 神经网络自适应p i d 控制器2 8 4 2 1b p 神经网络自适应p i d 控制器的结构2 9 4 2 2 控制器的算法实现3 2 4 3d s p 软件开发流程。3 2 4 3 1d s p 软件开发工具。3 3 4 3 2 软件程序的编写3 4 4 4 本章小结4 0 第五章系统实验与仿真研究4 1 5 1 采样周期的确定4 1 5 2 实验调试4 2 5 3 系统仿真。4 4 5 3 1 神经网络p i d 控制器模型建立。4 4 5 3 2 仿真结果4 5 5 4 本章小结4 8 第六章结论与展望4 9 6 1 结论4 9 4 9 5 1 ! ；5 奖情况5 7 i i 济南大学硕i j 学位论文 i v 济南大学硕f j 学位论文 曼曼量笪!苎!曼曼曼皇曼!i蔓毫曼曼皇曼曼曼曼鼍曼曼曼! a b s t r a c t t h ec n ct u r r e tp u n c ha sas o p h i s t i c a t e de q u i p m e n to f p a n e lp r o c e s s i n gh a sa r o u s i n g t h ea t t e n t i o no ft h ep e o p l ei nr e c e n ty e a r s a tp r e s e n t ，i no u rc o u n t r yt h ec o r ep a r t so ft h e c n c p u n c h sm o t i v ef o r c e - - h i g h - s p e e dh y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mw h a th a v ea l w a y s b e e nd e p e n d e n to ni m p o r t s s ow en e e dt od e v e l o pt h eh i g h s p e e di n t e g r a t e dh y d r a u l i c s e r v os y s t e mw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si m p e r a t i v e l y t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mw h i c hi su s e di nt h eh i 班- s p e e dc n c p u n c hi ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mm a i n l yu s e st h eh y d r a u l i cc y l i n d e rt od r i v et h e h e a dh i ta n du s e st h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v et oc o n t r o ls t a m p i n g t h eh y d r a u l i e s y s t e m ss t r u c t u r ei sc o m p a c ta n ds i m p l e t h es e r v oc o n t r o l l e ru s e si n d u s t r i a lg r a d e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc h i pw h i c hi sp r o d u c tb yt ic o m p a n ya n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m a d o p tn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，s ow h e t h e ri nt h ec o n t r o la c c u r a c ya n dc o n t r o l s p e e da n do t h e ra s p e c t sh a v ear a p i dd e v e l o p m e n t t h es t a m p i n gs p e e dc a nb er e a c h e da t 10 0 0t i m e s r a i n ，a n dt h er a t e dw o r k i n gp r e s s u r ec a nb er e a c h e dt o2 0t o n s s e c o n d l 5 b e c a u s et h es y s t e mu s e sc l o s e d l o o pc o n t r o la n dt h ej o u r n e yo ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e rc a n b er e g u l a t e da r b i t r a r i l y , s oi tc a l lr e g u l a t em o l d i n gm o l db yc o n t r o l l i n gt h ep u n c h ss t r o k e a n de a s y t o u s e f i r s t l y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h em a i nd r i v es y s t e m o ft h ec n ct u r r e tp u n c h ，a n dt h e nd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d so ft h es u b j e c t ，t h es t a t u sa n d t r e n d so ft h ec n cm a c h i n et o o li n d u s t r yd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d t h i sp r o b l e m l o o k e du pal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i 盟r e l a t i v el i t e r a t u r e st oc o n f i r mt h ed e s i g n s c h e m ew h i c hi sa c h i e v e dt h ec o n t r o lo ft h es t a m p i n gb ye l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v o - v a l v eh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sq u i c kr e s p o n s e ，h i g h c o n t r o lp r e c i s i o na n ds oo n c o n s e q u e n t l y , t l l e ya r ew i d e l yu s e di nt h eh i 曲- s p e e d ， l l i g h v o l t a g e ，h i g h f r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e m s a c c o r d i n gt ot h es c h e m ed e s i g n o ft h es y s t e m , w es e l e c tt h em a i nh y d r a u l i c c o m p o n e n t sa n de s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m t h ep u r p o s eo f t h ee s t a b l i s h m e n to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e li si no r d e rt os i m u l a t ec o n v e n i e n t l y t h e s i m u l a t i o ns t u d yc a nk n o wt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，a n dp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt h es y s t e m sc o n t r o lp e r f o r m a n c e t h i sp a p e r v 基于d s p 的电液伺服拧制系统的研究 f i r s t l yd e t e r m i n eam a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e s ，a n d a c c o r d i n gt ot h ef l o we q u a t i o no ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dt h em o t i v ee q u a t i o n so ft h e p i s t o nt oe s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev a l v e c o n t r o lc y l i n d e r f i n a l l y , g e tt r a n s f e r f u n c t i o no ft h eh y d r a u l i cs e i v os y s t e m e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mi sc o n t r o l l e db yt h ed i g i t a lc o m p o n e n t sa n dt h e d i g i t a lc o n t r o l l e ri st h ec o r ec o m p o n e n to ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o lq u a l i t yo f t h ew h o l es y s t e md e p e n d so nt h ec o n t r o la l g o r i t h m sw h i c hi sa d o p t e di nt h ep r o c e d u r e s t o e n s u r et h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o la l g o r i t h m ，w ec h o o s ed s pa st h ec o r eo ft h ec o n t r o l l e r t h ew h o l es y s t e m sh a r d w a r ei n c l u d e sa da n dd am o d u l e , p o w e rm o d u l e ，m o d u l eo ft h e p o w e rc o n v e r s i o n ，j t a gi n t e r f a c em o d u l e ，m e m o r ym o d u l ea n ds c ia s y n c h r o n o u ss e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e mw h i c hi ss t u d i e di n t h i sp a p e rb e l o n g st ot y p i c a l n o n - l i n e a rc o n t r o ls y s t e m ，i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ef a v o r a b l ec o n t r o le f f e c tb yu s eo ft h e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e rc h o o s en e u r a ln e t w o r kp i d c o n t r o la l g o r i t h m ，i tc a nc h a n g et h et h r e ep a r a m e t e r so ft h ep i do n l i n et h r o u g h s e l f - l e a r n i n gf u n c t i o n ，i ta l s oc a n a c h i e v eg o o dc o n t r o le f f e c ti nn o n - l i n e a rc o n t r o ls y s t e m s f i n a l l y , b yu s eo ft h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs e r v os y s t e ma n dn e u r a l n e t w o r kp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，t op e r f o r mt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no nt h eb a s i so ft h e m a t l a bt o o ls o f t w a r ea n dg i v et h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y z ei t t h r o u g ht h es i m u l a t i o n , y o uc a nc l e a r l ys e et h en e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o la l g o r i t h mi nt e r m so fb o t hs t a b i l i t ya n d r a p i d i t yh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e dt om e e tt h es y s t e m sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o l ；d s p ；n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ；m a t l a b v l 济南大学硕f ：学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 数控转塔冲床作为钣金加工设备的高端设备，是集机、电、液一体化的前沿产品， 广泛用于各类金属薄板零件加工、一次性自动完成多种复杂孔型的钣金加工的关键设 备中，其应用领域包括农机、汽车、电力开关、电梯、通讯设备、各类仪器仪表等行 业。随着中国经济的快速发展及世晃加工基地格局的形成，数控板材加工设备将有巨 大的市场需求，据行业管理部门调查预测，目前全国市场对数控板材设备的年需求总 量为3 0 0 0 , - - 5 0 0 0 套，估计将多年保持快速增长的态势【1 1 。 机床拥有量在一定程度上标志着国家的制造能力的大小。经过几十年的努力，目 前我国已是机床生产的大国之一，机床产业已经成为我国国民经济的重要组成部分。 我国的机床拥有量也是惊人的，在八十年代初就已经达到几百万台，居世界第二位。 虽然我国是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支撑国民 经济和国防工业的需要。我国所制造的机床中，现代数控、精密的机床所占比例很小， 在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，存在较大差距，大部分处于技 术跟踪阶段。目前，我国的中、高档数控机床仍然主要依靠国外进口。随着社会的发 展，对中、高档数控机床的需求量越来越大。因此必须加大中、高档数控机床的研制， 尽快向国际水平靠拢。 我国机床制造技术与世界先进水平相比，存在的差距主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 国产高档数控机床的品种、性能和数量都满足不了国内发展需求。至2 0 0 5 年进口机床在市场中的占有率仍高达6 0 ，其中汽车、航空、航天、兵器、造船、通 用机械等行业是主要进口大户。 ( 2 ) 与高档数控机床配套的关键功能部件和数控系统发展滞后。 ( 3 ) 机床制造业行业制造能力、技术装备水平及服务能力等还不能满足市场快 节奏的要求。 因此，发展我国数控机床的制造业，就必须掌握数控系统当中的关键技术。研制 具有中国自主知识产权的数控液压控制系统，对我国机床加工工业、装备制造业以及 国民经济的发展都具有十分重要的意义。 本课题就是在这种背景下产生。本课题来源于项目高速数控转塔冲床液压伺服控 制系统，研究了用于高速数控转塔冲床的液压伺服控制系统。液压控制系统按照偏差 基于d s p 的咆液伺服控制系统的研究 信号获得和传递方式的不同分为机液、电液、气液伺服控制系统等，其中近年来应用 较多的是电液伺服控制系统。另外，根据被控物理量的不同，液压伺服控制系统可以 分为位置控制、速度控制、力控制、压力控制和其它物理量控制等。电液位置伺服系 统是最常见的伺服系统，由于它能充分发挥电子与液压两方面的优点，具有响应速度 快、控制精度高等优点，在工业过程控制中得到了非常广泛的应用【2 】。随着数字自动 化技术和半导体制造工艺的发展，对电液伺服控制系统的稳定性、快速性、准确性、 自适应性和鲁棒性等控制品质都提出了越来越高的要求。本文所研究的系统具体地说 就是一个电液位置伺服控制系统。 本课题拟用一个伺服控制器来控制电液伺服阀的动作，从而控制液压缸行程，通 过液压缸驱动冲头，进行冲压控制。本系统要求高速冲压时最大冲压力为3 0 吨，冲 裁板厚2 m m ，工作行程1 0 m m ，最大行程4 0 m m 。实现工作频率达到6 0 0 次m i n ，最 高冲压频率实现1 0 0 07 欠m i n 。通过以上参数的设计要求，我们可以看出该系统是一 个典型的高频、高速、高压系统。本文主要进行伺服控制部分的设计研究。该系统是 通过控制电液伺服阀的阀口开度来控制液压缸内活塞行程，进而通过液压缸驱动击打 头来进行冲压控制。其系统控制原理图可用图1 1 来表示。 图1 i 电液伺服控制系统原理图 本系统使用了具有高频响应特性的电液伺服阀，冲压速度有了飞跃式的提升，最 高可达1 0 0 0 次分钟以上。其次，液压缸的行程可控制，因此可以通过控制冲头的行 程来调节成型模具，使用方便。该液压伺服控制系统中各性能指标超出国内同类设备 的性能指标，可达到国外同类设备的要求，但是价格要低于国外同类产品。所以此控 制系统有助于提升国产设备的形象，降低生产成本及提高企业的核心竞争力。 1 2 数控转塔冲床主传动系统的发展 由于数控转塔冲床具有加工的万能性和高度的自动化，一直受到厂家的重视，成 为现代冲压行业的主要设备之一，其地位与加工中心类似。数控转塔冲床的主传动系 统负责模具的动力提供和冲压控制，数控冲床的生产效率主要是受主传动部分冲压频 2 济南大学硕l 学位论文 率的影吲3 1 。因此主传动系统被看作是数控冲床技术进步的标志之一，是制造商和用 户关注的焦点。 数控转塔冲床按系统主传动方式的不同，主要可分为三类：机械驱动式、液压驱 动式以及伺服电机驱动式数控转塔冲床。 机械驱动式数控转塔冲床是最早的一类数控转塔冲床，其中的典型代表有村田机 械的c - 2 5 0 0 、c - 3 0 0 0 ，天田公司的p e g a3 5 7 等。此类数控转塔冲床通过一个主电机 带动飞轮旋转，由离合器进行冲压控制。它的优点是机床的结构简单且价格低。但其 缺点也是显而易见的。首先，机械式数控转塔冲床冲压行程是固定的，因为它必须等 飞轮转过一圈才进行一次冲压，所以冲压速度没法提高。其次，击打头的行程没法控 制，因此进行成型冲压时不易控制。像这类机床必须要通过调节数冲模具才能达到理 想成型，调节难度较大【4 1 。另外，这类机床还有冲压噪音大、耗电量大等缺点。 随着冲床技术的发展，出现了液压驱动数控转塔冲床。它的典型代表有村田机械 的v 系列，天田公司的v i p r o s 系列，通快公司的t c 系列等。这类机床通过液压缸 驱动击打头，由电液伺服阀进行冲压控制，所以在冲压速度上有了飞跃式的提升，最 高可达1 0 0 0 次分钟以上 5 1 。其次，由于液压缸行程可控制，所以可以通过控制击打 头的行程来调节成型模具，使用方便。也可以在工作时控制击打头靠近模具，减少冲 压噪音。 伺服电机驱动数控转塔冲床是由伺服电机直接驱动的数控转塔冲床。由于采用伺 服电机直接击打头的技术，在保持高速冲压的同时，可极大的减少用电量。伺服电机 驱动式数控转塔冲床虽然具有高效、节能、环保等优势，但由于其振动和噪音大，其 生产量和销售量都比较少，还不能成为目前的主流产品。 数控转塔冲床主传动系统从最初的曲柄滑块机构加气动离合制动器或液压离合 制动器的主传动，发展到现今高频次、低噪声、性能完善的液压主传动系统。从近年 来的销售情况看，机械式数控转塔冲床的销售量正逐步萎缩，液压式数控转塔冲床的 产量不断增加并已占据主导地位。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外在7 0 年代由美国s t r i r p t 公司研制出了第一台数控转塔冲床，随后数控冲 床产业发展迅速。至9 0 年代，全世界年产量可达2 0 0 0 多台。主要生产厂商有美国 w i e d e m a n n 、s t r i p p i t ，德国t r u m f , b e h r e n s ，瑞士r a s k i n ，日本a m a d a ，芬兰f i n n p r o w e r ， 3 基于d s p 的电液伺服控制系统的研究 英国的r h o d e s 等公司。国外的数控冲床普遍采用液压式主传动系统，由安装的数控 系统来控制工作台的进给运动和冲头的冲压动作，同时还控制压力机的排屑润滑、模 具的定位加紧，并配有完善的送料排料机构，以实现完全自动化冲压控制，自动化程 度达到了较高水平8 1 。国外一般高速冲床的冲压频率均为4 0 0 次m i n 以上，有的甚 至高达1 0 0 0 次m i n 。 目前国外数控转塔冲床液压主传动系统的发展已经比较成熟，主要分为两类：一 类是德国哈雷公司生产的专门用于冲床的系列产品，具有规格齐全、技术领先、节能、 性能优良、便于维修等优点，在国内外市场均占有较高的份额。另一类是德国博士力 士乐公司生产的伺服阀控制液压冲孔系统，它具有响应速度快、位置精度高等优点， 不足之处是耗能较高、发热量大及维修成本较高等。 1 3 2 国内研究现状 我国在2 0 世纪8 0 年代，由原机械工业部济南铸锻率先吸收国外早期数控冲床技 术，自主开发出了j 9 2 k 系列数控转塔冲床，并在1 9 9 7 年，研制出中国第一台液压式 主传动数控转塔冲床【9 】。 目前国产数控机床可提供市场上1 5 0 0 种数控机床，覆盖了超重型机床、高精度 机床、特种加工机床、锻压设备等领域【1 0 1 。数控转塔冲床的生产厂家主要有江苏亚威、 江苏金方圆、江苏扬力、济南捷迈数控、黄石锻压以及台湾台励福公司等。江苏亚威 机床有限公司的数控转塔冲床主要有h i q 系列高速智能化数控转塔冲床和h p i 、h p h 系列数控转塔冲床，主要部件由日清纺n i s s h i n b o 公司提供，德国h + l 液压冲头 及液压系统。其中h i q - 3 0 4 8 型号数控转塔冲床，其核心部件采用了日本n i s s h i n b o 公司提供的产品，该机床的性能和技术水平比较高，公称力达3 0 0 k n ，冲压次数1 5 0 0 次r a i n 。山东捷迈数控机械有限公司生产的s k y y 系列，采用了日本f a n u c 的数控 系统和德国h + l 公司的液压系统，冲压频率在4 0 0 6 0 0 次m i n 。生产的r t 系列数控 转塔冲床是江苏金方圆数控机床有限公司与瑞士r a s k i n 公司合作生产的，其冲压 速度在2 5 m m 步距时可达到3 9 0 次m i n 。江苏金方圆数控机床有限公司生产的v t 系 列冲床是在r t 系列基础上，根据中国市场的具体情况，配置德国公司的液压系统改 制而成，冲压速度达6 0 0 次m i i l 。 我国数控机床产业化低，与国外发达国家数控机床产业相比仍有很大差距。目前 我国是全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。2 0 0 4 年，我国 金属加工机床消费额达到了9 5 亿美元，占世界总量的1 5 。其中，进口份额占6 3 ， 4 济南大学硕卜学位论文 数控机床进口额3 4 亿美元，占全部进口金属切削机床的7 8 6 。国内生产的数控转 塔冲床的冲压频率一般在6 0 0 次m i n 以下，并且国内所用液压系统基本上都靠从国外 进口，成本较高，阻碍了我国机械行业的发展。美、德、日三国是当今世界技术最先 进、经验最多的国家。中国加入w t o 后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加 速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。 1 4 课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容包含以下几个方面： ( 1 ) 建立液压系统的数学模型。首先建立了伺服放大器、传感器、电液伺服阀、 液压缸及负载的数学模型，随后得到了整个被控对象的传递函数。 ( 2 ) 进行伺服控制系统的硬件设计。本课题选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为伺 服控制器的核心，根据系统的功能要求，设计相应的硬件电路。 ( 3 ) 进行伺服控制系统的软件设计。将神经网络p i d 控制算法引入电液伺服控 制系统当中，并利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱，建立控制算法的仿真模型，通过观 察系统对阶跃信号、方波信号及正弦信号的响应曲线来验证控制算法的优越性。 ( 5 ) 在c c s 环境下，利用c 语言编写各个程序模块，包括串口通讯、a d 、d a 以及神经网络p i d 控制程序，并在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 上进行调试。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景和意义，随后介绍了数控转塔冲床主传动系统的 发展历程。通过对国内外数控转塔冲床的发展现状进行对比，可以看出加大力度开发 具有自主产权的数控系统伺服控制器的必要性。最后阐述了本课题的主要研究内容。 5 基于d s p 的电液伺服控制系统的研究 皇曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼量曼曼曼鼍曼! 曼鼍曼曼曼毫曼! 曼曼曼! 蔓! i i i 二iim 皇曼鼍曼曼! ! ! 量! ! ! ! ! 皇曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼鼍詈皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼鼍曼曼曼曼曼曼曼 6 济南大学硕i ：学位论文 蔓曼皇曼曼曼皇! 曼! 曼曼蔓曼曼曼曼皇曼! ! i i 一_ i _ 一i i；i ! ! 曼曼曼! 曼! 曼曼 第二章液压系统的数学建模 为了便于数字仿真，研究液压系统的稳定性及动态性能，需要建立液压位置系统 的数学模型。建立一个能准确描述液压系统动态性能的数学模型是仿真的前提和关 键，能为进一步完善系统的控制性能提供理论依据【l l 】【1 2 1 。 本课题所研究的控制系统是一个典型的电液位置伺服控制系统。研究线性系统动 态特性时，传递函数分析法是最常用的工具之一。利用传递函数分析法可以对系统动 态特性的分析过程进行简化【1 3 1 。尽管液压系统一般存在较多的非线性因素，但是传递 函数分析法能通过对液压系统进行适当的线性化处理，较好地分析液压系统的动态性 能【1 4 1 。在电液位置伺服系统的动态特性的研究中，传递函数分析法也是应用最多的建 模方法。 2 1 液压伺服位置系统的简化模型 对于一个复杂的液压控制系统，我们在在对其进行动态特性分析前，应该先对其 作适当简化，这也是系统动态特性分析的关键步骤。本课题研究的液压位置伺服控制 系统可以简化为一个阀控缸位置伺服系统，它的基本结构如图2 1 所示。 图2 1 液压位置伺服控制系统结构图 伺服系统由控制器、被控对象、反馈测量装置以及比较器等部分组成，控制器利 用比较器对控制输出与传感器反馈回来的信号进行比较，按照一定的控制规律调节输 出信号，使系统产生所期望的输出。 2 2 各模块的数学模型 2 2 1 功率放大器的数学模型 控制器输出的电信号较小，需接入功率放大器将电信号进行放大，从而控制伺服 阀。功率放大器由集成电子元件组成，响应速度很快，可视为一个比例环节1 5 1 ，其数 学模型为： 卜k 。u 即g 知) = 怒= k 。 ( 2 1 ) 基于d s p 的电液伺服控制系统的研究 式中：，放大器的输出电流，a ； k 。放大器的增益，v ； u 输入的电压信号，v 。 实际系统中可以取功率放大器的放大倍数e = 0 0 1 ( a v ) 。 2 2 2 位移传感器的数学模型 传感器是伺服控制系统当中的重要元件，传感器应根据系统的精度要求来选择， 传感器的精度应比系统精度高一个数量级。本系统选用上海天尧科技有限公司最新开 发的w d l 5 0 b 系列精密位移传感器。位移传感器可视为一个比例环节【1 6 1 。 哆2 巧x y 毗，= 等吗 ( 2 2 ) 式中u ，位移反馈信号，v ； k ，传感器的位移电压转换系数，v m ； y 液压缸输出位移； 本系统检测对象的位置范围为4 0 m m ，对应的输出电压范围为1 0 v ，可得电压转 换系数为：k ，= 2 5 0 v m 。 2 2 3 伺服阀的数学模型 在控制系统中，通常把电液伺服阀看作是一个二阶震荡环节f 1 7 1 ，其传递函数可以 写成如下形式： 刚班器2 甄g s v q 3 二” 式中：皱( s ) 伺服阀在s 域中的流量表示； ( 曲一控制电流增量的j 域表示； k 伺服阀的流量增益； 一伺服阀的固有频率； 厶一伺服阀的阻尼比。 此时增量和变量相等，可得阀的 ( 2 4 ) 一流量系数，毛为阀芯位移，咒 济南大学硕 = 学位论文 ilm_mmqi_ 为供油压力。液压缸进油腔瞬态流量连续方程为【1 8 】： q 嵋兄鹄鲁+ 老鲁 ( 2 5 ) ( 2 5 ) 式中q 为液压缸输入流量；a e 为液压缸有效- y 作面积；e 为液压缸总泄露 系数；忍为液压油弹性模量；形为系统总压缩容积；x e 为液压缸活塞位移。液压缸 的输出力与负载力的平衡方程为： p l a p = m t 矿d 2 x e + 啡i d x p + 缸尸+ 吒 ( 2 6 ) ( 2 6 ) 式中m t 为活塞及负载折算质量；啡为活塞及负载的黏性阻尼系数；k 为负 载弹簧刚度；疋为作用在活塞的外负载力。式( 2 4 ) ( 2 6 ) 是阀控缸的三个基本 方程，描述了阀控缸的动态特性嘲。对此三式做拉氏变换并消去中间量，即得到液压 缸活塞的输出位移为： 石g q 毛一鲁( 1 + 去s ) 五 砟一再而磊丐两石乒两亿7 、 ( 2 7 ) 式中心= k c + e ，吃为总的压力一流量系数。本系统负载为惯性负载， 所以k = 0 ，且啡很小可近似为零。式( 2 7 ) p - q 6 龋： 每一鲁( 1 + 去s ) 兄 铲_ 丐寿盯 但名 舯黼廊觚砒他黼廊贿孵。= 箐 则液压缸的传递函数为： l 生： 兰 ( 2 9 ) q s ( 乓+ 堡j + 1 ) c o 功4 2 3 各模型参数的确定 系统的最大工作压力选为p n = 2 5 m p a 。f 为冲压过程中差动进给和工进转换过程 中的调定压力，一般来说压力应该选高一些，以便在差动状态下产生较大的冲压力。 但选的过高，模具接触板料时受到的冲击作用将导致回路压力超过安全溢流压力。据 经验本系统的调定压强选为2 0 m p a 。机械效率取为= 0 9 。 油缸缸径： 肚赤_ j 嘉淼一o 蜥m 9 基于d s p 的电液伺服控制系统的研究 nun。mi m _ 曼皇曼曼曼曼曼曼蔓曼! 鼍曼舅量皇鼍曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼 根据g b 2 3 4 8 8 0 取9 = ：11 0 m r n 。活塞杆径d = 0 7 0 7xd = 7 4 4 7 m m ，根据g b 2 3 4 8 8 0 取d = 8 0 m m 。即得到液压缸有效工作面积以= ，桫一d 2 ) 4 = 4 4 7 7 x 1 0 - 3 m 2 。活塞的行程 h = 1 0 m m ，从伺服阀到油缸的管子长度为l m ，选择管径为2 5 m m ，壁厚为2 m m 的 油管1 2 0 。则k ：4 4 7 7 1 0 。4 + 至( o 0 2 5 2 0 0 0 4 2 ) 1 ：9 2 6 1 0 4 m 3 。液压油弹性模量尾 4 取7 x 1 0 8 p a ，负载折算质量为1 8 0 k g 。则液压缸固有频率为： q 2 ：、4 x 7x1 0 sx ( 4 4 7 7 x 1 0 - 3 ) 2 一5 8 0 r a d s ( 2 1 1 ) v9 2 6 x1 0 ，、1 8 0 、 在液压位置伺服系统中，当伺服阀在零位区域工作时磊一般取0 1 o 2 ，本系统 我们取为o 1 5 。所以液压缸一负载的传递函数为： l 生： 垒：垒2 2 丕! q ： ( 2 1 2 ) q j ( 嘉+ 等川) 本课题选用博士力士乐公司生产的型号为4 w s e 2 e d l 6 2 x 1 5 0 8 9 e t 3 1 5 k 9 e v 的 两级电液伺服阀。根据伺服阀的参数手册可得：在压差为3 1 5 b a r 时，频率为11 0 h z ， 额定流量为1 5 0 l m i n ( 2 5 1 0 - 3 m3 s ) ，额定电流为1 0 m a ，磊一般取0 6 - - 0 9 ，此处 选0 9 。则伺服阀的流量增益为： k ：2 5 i x l 忑0 - 3 丁x 3 愿t 。s o 2 ( 2 1 3 ) k = 瓜而广0 2 ( 2 1 3 ) 所以伺服阀的传递函数为： g 。( s ) = 了可0 2i ( 2 1 4 ) 1 1 0 2 l l o = - 十一墨十 由匕可确定系统的方框图为： 图2 2 系统方框图 进而可以求得系统的开环传递函数： 0 l 2 5 。忑4 4 7 趣7 x 10磊-3三两021 ( 2 m ) s i + 罗+ l + j + l 、1 ， 、5 8 0 2 5 8 0 1 1 0 2 1 1 0 s ( 2 4 6 1 0 1 0 s 4 + 9 1 4x1 0 8 s 3 + 9 4 1 1 0 5 s 2 + 1 6 8 1 0 2 s + 1 1 济南大学硕 ：学位论文 2 4 系统稳定性分析 一个能在实际中