（机械电子工程专业论文）压注机电液伺服系统模糊pid控制的研究.pdf

哈尔滨t 业大学工学硕上学位论文 摘要 压注机是一个快速成型的设备，它包括塑化、注塑、保压和冷却几个过 程。其中，注塑过程和保压过程分别是典型的电液位置和电液压力伺服控制 系统。 由于注塑模具的不同，导致保压控制弹性负载发生变化，用传统的p i d 控制已经不能满足系统的要求。本文针对这一特点，用模糊控制方法来适心 系统参数的一定变化。但是由于模糊控制自身的特点，它并不能产生较高的 精度，所以本文吸取模糊控制和p i d 控制的共同优点，选用了模糊p i d 控 制策略。用模糊控制和p i d 控制的不同组合形式，得出模糊增益自调整p i d 控制、模糊一p i d 复合控制和模糊p i d 双模控制三种刁i 同的模糊p i d 控制 器，并分别介绍了其工作原理和特点，并结合压注机系统设计了这三种模糊 p i d 控制器的结构形式。 模糊增益自调整p 1 d 控制能够根据系统的误差和误差变化自动调整p i d 控制器的三个参数，使其适应系统参数变化；模糊一p i d 复合控制是通过模 糊控制器和p i d 控制器的综合输出来提高系统的精度和响应速度，并能适 应参数的一定变化；模糊p i d 双模控制是在大误差范围内采用模糊控制器 以提高系统的鲁棒性，小误差变化范围内采用传统p i d 控制，来提高系统 的精度。 通过m a t l a b 仿真，在注塑过程中，得出的p 1 d 控制性能，并分析当 液压阻尼比发生变化时对系统性能的影响；在保压过程中，分析当弹性刚度 发生变化的情况下，比较传统的p i d 控制与三种模糊p i d 控制的控制性 能，最终得出适应本过程的最佳控制策略。 关键词压注机；电液力控制系统；模糊p i d 控制；仿真 堕查鎏三些奎兰：! ；兰竺! ：兰堡篓兰 a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n g1 s am a c h i n ew h i c hc a nm o u l ds o m ep r o d u c to fs o m e s p e c i a ls h a p e sq u i c k l y i t c o n t a i n sf o a rw o r k i n gp r o c e s s ，m e l t i n g ，i n j e c t i n g ， k e e p i n gp r e s s u r ea n dc o o l i n g i n j e c t i n gp r o c e s si se l e c t r o - h y d r a u l i cd i s p l a c e m e n t s e r v ec o n t r o ls y s t e m ，a n dk e e p i n gp r e s s u r ep r o c e s si s e l e c t r o h y d r a u l i cf o r c e s e r v ec o n t r o ls y s t e m b e c a u s eo fd i f f e r e n tm o u l dp a t t e r n ，e l a s t i cl o a di sc o n s t a n t l yc h a n g i n gi nt h e k e e p i n gp r e s s u r ep r o c e s s ，s o i ti s i m p o s s i b l e t h a t s y s t e m c a nh a v ea g o o d p e r f o r m a n c eu s i n gp i dc o n t r o l l e r s b a s eo nt h i sc h a r a c t e r , t h i sp a p e rw i l l u s e f u z z yc o n t r o l l e rt oa p p l ys o m ep a r a m e t e rv a r i e t i e s ，h o w e v e r ，b e c a u s eo ff u z z y c o n t r o l l e r ss t r u c t u r e ，i tc a n th a v eag o o dp r e c i s i o n s ot h i sp a p e ra b s o r bt h e a d v a n t a g e so ff u z z ya n dp i dc o n t r o l l e r s ，i tu s eac o n t r o lm e t h o d so ff u z z yp t d c o n t r o l l e r ( f p c ) f p c h a ss o m es t r u c t u r ef o r m s ，s u c ha sf u z z y t u r n i n g p i d c o n t r o l l e r s ，f u z z ya n dp i d c o n t r o l l e rc o m b i n a t i o n ，a n df u z z yo rp i dc o n t r o l l e rs o o n t h ep a p e rr e f e r st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e c i s i o no ft h i sf p ci nk e e p i n g p r e s s u r ep r o c e s sf o ri n j e c t i o nm o l d i n g f u z z yt u r n i n g p i dc o n t r o l l e ri st h ec o n t r o l l e rw h i c hc h a n g e st h et h r e e p a r a m e t e r so f p i dc o n t r o l l e rb yt h ee r r o ra n de r r o r sv a r i e t i e so f s y s t e m s ，s oi t c a na d a p ts o m ep a r a m e t e r s v a r i e t i e sf o r s y s t e m f u z z y a n dp i dc o n t r o l l e r c o m b i n a t i o na l s oc a l la d a p ts o m ep a r a m e t e r s v a r i e t i e sb yc o r p o r a t eo u t p u to f f u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e r ，a n d i t i m p r o v e ss y s t e m sp r e c i s i o na n d r e s p o n s e f u z z yo rp i dc o n t r o l l e ri s ac o n t r o l l e rt h a ti ti saf u z z yc o n t r o l l e rt o i m p r o v es y s t e mr o b u s tp e r f o r m a n c ei nt h eb i g g e re r r o rr a n g e ，a n di t i sap i d c o n t r o l l e rt oi m p r o v es y s t e mp r e c i s i o ni nt h es m a l l e re r r o rr a n g e b ys i m u l a t i n go f m a t l a bf o rs y s t e m w ec a ng e tt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m b y p i dc o n t r o l l e ri n i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，a n dg e th y d r a u l i cd a m p s i n f l u e n c eo ns y s t e mw h e ni tv a r i e t i e s i n k e e p i n gp r e s s u r ep r o c e s s ，c o m p a r e f p i d cw i t hp i dc o n t r o l l e rw h e nl o a dv a r i e t i e s 。a n dc o n f i r mt h eb e s tc o n t r o l l e r s k e y w o r d si n j e c t i o nm o l d i n g ；e l e c t r o h y d r a u l i c f o r c es e r v ec o n t r o l s y s t e m ； f u z z y p i dc o n t r o l l e r ；s i m u l a t i o n 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题是自拟课题。 压注机又称作压射成型机，它是一个使塑料压缩成型的设备。注塑成型 是一种注塑兼模塑的方法，将聚合物的组分料粒或者粉料装入压注机的料桶 内，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用，使物料进行均化和熔融，这一 过程又称塑化。然后再借助于注塑油缸向熔化好的聚合物熔体施加压力，则高 温熔体便通过料简前面的喷嘴和模具的浇道系统射入预先闭合好的低温模腔 中，再经冷却定型就可开启模具，顶出制品，得到具有一定几何形状和精度的 塑料制品。 压注机 j 作时分为塑化、注塑、保压和冷却等几个阶段【引，其中，注塑阶 段是个电液位罨伺服控制系统，保压阶段是个电液力伺服控制系统。而保压过 程是决定注塑成品质量的最重要的过程，它的控制也是本论文研究的重点。 注射成型例是加工塑料制品的主要方法之一，适应各种聚合物加c ，易于 实现全自动化生产，在塑料机械中占有很大的比重。因此对它的研究，能对改 进加工工艺和手段、提高塑料制品质量以及推动注塑工业的发展都很重要。由 于压注机模具的大小形状的各式各样，导致保压过程系统的负载弹性刚度发生 变化，造成系统控制的复杂性。在保压阶段的控制方法的好坏是决定压注机性 能的关键因素之一，采用有效的方法来适应本过程中的弹性负载随着模具的变 化而发生变化显得十分重要。经典的p i d 控制理论虽然能产生较高的控制精 度，也具有简便的控制算法，但是它并不能适应系统的参数的变化，达不到较 好的系统性能。模糊控制【4 l i 5 】【6 l 【7 是以模糊集合论、模糊语言和模糊逻辑推理 为基础的种控制方法，反映了人类智慧思维的智能控制，具有较好的鲁棒性 和适应性，被广泛的应用在线性和非线性复杂控制系统中。然而，模糊控制方 法由于其自身量化的特点，它并不能产生较高的控制精度，因此，本文基于压 注机液压控制系统的复杂性和控制要求，用模糊控制和p i d 控制的二者结合， 取长补短，应用m a t l a b 8 】【9 】的s i m u l i n k 控制工程箱0 0 1 1 1 1 1 进行计算机模拟， 没计出最优的模糊p i d 控制器，对压注机系统有着重要的理论基础和实际借鉴 经验。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 1 2 液压伺服控制系统发展与现状 液压伺服控制1 1 2 j 是一门比较新兴的科学技术，它= _ 1 i 但是液压技术中的个 新分支，而且也是控制领域中的一个重要组成部分。人类使用水力机械及液压 传动虽然已有很长的历史，但液压控制技术的发展却是近儿十年的事。早在第 二次世界大战期间及其以后，由于军事刺激，自动控制特别是武器和飞行器控 制系统的研究发展工作得到很大的进步。液压系统由于反应速度快、重量轻、 尺寸小及抗负载的刚性大，特别受到重视。尽管流体传动设备价格比较贵，且 有许多不方便的地方，还是要研究如何更好地利用它。1 9 4 0 年底，首先在b 机 上出现了电液伺服系统。但在那种系统中，滑阀由伺服电机拖动，作为电液转 换器。由于伺服电机质量大，使电液转换器成为系统中时间常数最大的环节， 限制了电液伺服系统的响应速度。直到5 0 年代初出现了快速反应的电磁力 矩马达，才形成了电液伺服阀的雏形。5 0 年代末，又出现了喷嘴挡板阀作第一 级的电液伺服阀，进“步提高了电液伺服阀的快速性。从而使电液伺服系统成 为响应速度最快、控制精度最高的伺服系统。6 0 年代，各种结构的电液伺服阀 相继出现。特别是杆式力矩马达的出现，进一步提高了电液伺服阀的性能。由 下电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到了迅速的发展。随着加 工能力的提高和电液伺服阀的工艺性能的改善，电液伺服阀的价格不断降低。 出现了抗污染和工作可靠的工业用廉价电液伺服阀，使电液伺服系统开始向一 般工业中推广。目前，液压伺服系统，特别是电液伺服系统已成为武器自动化 和工业自动化的一个重要方面，应用非常广泛。液压伺服控制已经发展成一门 比较成熟的技术，一些基本的理论和技术问题得到了较好的解决。 电液力控制系统是电液伺服控制系统的一个重要组成部分【1 3 ，在 程上有 着广泛的应用，如疲劳试验加载系统，飞机防滑刹车系统，张力系统以及模拟 负载装置等等。它分为下列两种型式的系统，若力指令信号为负载运动量的函 数时，这种系统称为被动式力控制系统，简称加载系统；若力指令信号与负载 运动量无关时，称为主动式力控制系统。在主动力控制系统中，如果力的检测 量不包括负载质量力时，称它为主动式检测负载力控制系统，简称负载力控制 系统；如果力的检测量包括负载质量力时，称为驱动力控制系统。本论文的压 注机保压控制系统就是一个驱动力控制系统。 喻尔滨工业大学工学硕寸一学位论文 1 3 压注机电液伺服系统工作原理 压注机是一个快速浇注成型的没备，将料桶里的高分_ 了- 料粒或者粉料经过 塑化后熔化为高分子熔料，在一定的压力和速度卜注入模具的模腔内。工作原 理如图1 - 1 表示：它由电液伺服阀、伺服放大器以及液压缸和注塑缸等组成。 为了保证注塑出来的质量，它要求在保压过程中注塑缸2 保持一定的压力。 图l - 1 压注机工作原理图 f i g u r e1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n j e c t i o nm o l d i n g 指令信号由计算机发出，经过伺服放大器放大，驱动电液伺服阀工作，推 动双出杆伺服液压缸1 动作，进而推动注塑缸2 动作，把从漏斗里的熔料快速 推进模腔里，压注机系统进入注塑阶段，这时该系统是一个电液位置伺服控制 系统，系统的运动速度由位移运动的微分获得，信号的斜率不同，对应系统的 不同速度，要求速度控制范围为o 2 1 0 删_ i l s 。熔料充满模腔时，系统由注塑 过程进入保压过程，控制系统相应的由位置控制切换到压力控制。压力信号经 过压力传感器送到计算机，指令信号的大小对应控制压力的大小，要求压力控 制范围为o 1 一l m p a 。 由工作原理图我们可以看出，压注机电液伺服控制系统是由注塑过程的电 液位置伺服控制系统和保压过程的电液压力控制系统组成。在注塑过程中，液 压缸1 活塞的运动，推动注塑缸2 动作，将经由料桶流向的缸内的熔化塑料以 一定的速度压进模腔内。当熔腔即将充满时，压力传感器检测到微小压力，系 统自动的切换到压力控制系统，为了保证注塑出来的产品质量，保压压力要迅 速的固定在某一个值上，以便填补由于熔料冷却而产牛的空隙。而本过程是本 系统的最主要的过程，它的控制也是本文的研究重点。 1 4 液压伺服系统控制策略现状与发展 液压伺服控制系统的经典控制理论1 1 4 1 5 0 年代初由美国麻省理 i 学院丌始 研究，到6 0 年代初构成了其基本类型。经典控制理论采用基于：i i 作点附近的 增量线形化模型来对系统进行分析和综合，设计过程主要在频率中进行，控制 器的形式主要为滞后、超前网络和p i d 控制等等。目前，液压伺服系统的经典 控制理论已经成熟。对于一些频宽不太高、参数变化和外界于扰不太火的液压 伺服控制系统，采用经典方法进行设计已经能够满足工程需要。 近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制 技术提出了越来越高的要求，液压控制技术也从传统的机械、操纵和助力装置 等应用场合开始向航空航天、海底作业和车辆与工程机械等领域( 如模拟加载 装置、发动机燃料进给控制与转速控制、车辆主动悬挂装置、车轮防抱死制动 系统和机器人电液伺服系统等) 1 1 5 】扩展。在这种情况f ，仅采用液压控制技术 已经难以适应上述应用场合提出的要求，机、电、液一体化技术正是在这种背 景下产生的。7 0 年代末至8 0 年代初逐步完善和普及的计算机控制技术和集成 传感技术为电子技术和液压技术的结合奠定了基础。计算机控制在液压控制系 统中的应用也大大地提高了控制精度和工作的可能性，使得以往难于用模拟控 制实现复杂控制策略的实现成为可能，下面就介绍一下近代液压控制系统的控 制策略应用与发展趋势。 1 4 1p i d 控制 与经典控制理论相应而发展起来的控制策略以p i d 控制【1 6 j 为代表。近代 控制理论和智能控制理论仍然吸取了p i d 控制的一些基本思想。p i d 控制基于 系统误差的现实因素( p ) 、过去因素( i ) 和未来因素( d ) 进行线性组合来确 定控制量，具有结构简单易于实现等特点，至今在液压伺服控制系统中仍有广 泛的应用。 传统的p i d 采用线性定常组合方式，难于协调快速性和稳态特性之间的矛 盾，在具有参数变化和外界干扰的情况下其鲁棒性也不够好。随着对系统性能 要求的不断提高，传统的p i d 控制往往不能满足系统要求。在这种情况下吸取 自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机技术的优势，对传统的p i d 控 融尔演工业大学工学硕士学位论文 制进行改造形成自适应p i d 控制、模糊p i d 控制、智能积分p i d 控制和非线 性p i d 控制等，使其适应系统的新要求【1 5 1 。 1 4 2 人工智能控制 6 0 年代中期，美国最早开展了对智能控制的研究，付京孙首先提出了人工 智能控制( a i c ) 1 7 j 的感念。按照此观点，智能控制是自动控制、运筹学和人 工智能三个主要学科相互渗透、相互结合 1 勺产物。a i c 通过对系统特征的描述 和提取，符号和环境的识别，知识库和推理机的开发以及控制规律的在线学习 和修f ，使系统对实际环境或者过程有一定的组织、决筻和规划的能力，能模 拟人的某些智能和经验来控制对象。智能控制的发展与人，j ：智能的发展密剀相 关，人工智能研究主要有两种不同的“流派”，一种是“功能派”，另一种是 “结构派”。前者也称为“古典人工智能”，这种人工智能实际上是一种基于知 识的系统，它根据人的思维活动和智能行为的心理特征，利用计算机软件与心 理学方法，从宏观功能上模拟人的智能l ”j 。 1 。4 。3 模糊控制 建立在被控对象精确数学模型基础上的经典控制理论和现代控制理论已经 在很多领域中取得了辉煌的成就，但是在实际的工业控制和实际生产中，由于 影响控制系统的因素很多，也很复杂，因此建立控制系统数学模型很网难，甚 至是不可能的。于是，美国的控制理论专家扎德( l a z a d e h ) 【4 于六十年代 创建了模糊控制( f c ) 集合理论( f u z z ys e tt h e o r y ) ，1 9 6 5 年，扎德教 授发表了“模糊集合”和“模糊集合与系统”两篇开拓性的论文，将集合论的 要素和隶书函数有机的结合起来，并发展成了新颖的模糊控制技术，提出了模 糊控制技术，参考现状操作人员的运行经验，对系统进行实时控制。七十年 代，英国的马佐尼首次将模糊控制理论应用于蒸汽机和锅炉的控制上，学者汤 哥( r t o n g ) f i b 】在学术杂志上首先发表了模糊控制技术论文。a - f 一年代模糊 控制技术的应用进入全面、深入、硬件专门化的阶段，在日本被广泛的应用于 家用电器领域，其应用产品包括模糊电饭锅，模糊空调等。我国许多学者自 1 9 7 9 年以来在模糊控制领域开展了大量的理论及方法实验研究，并应用于实际 的生产过程中，推动了工业生产的发展。 f c 的主要不足之处是其控制精度较差，所以必须对经典的f c 进行适当的 改造才能使其在液压控制领域得到广泛的应用。因此就出现了模糊p i d 控制、 哈尔滨工业大学t 学坝小学位论殳 神经网络模糊控制【1 9 1 l 2 0 】1 2 ”、专家模糊控制【2 2 j 1 2 3 【2 4 】 25 1 、遗传算法模糊控制2 3 1 2 6 】【2 7 j 以及多变量自学习模糊控制2 8 l 2 9 】等高级模糊控制策略。 1 4 4 鲁棒控制 在实际问题中，系统地模型可能包含不确定的因素，希望这时控制系统仍 有良好的性能，这就是鲁棒控制问题。近年来出现了日设计方法，要求频率 响应函数的口+ 模的上确界极小。这种方法成功解决了多变量定常系统的镇定 补偿问题。日。方法既保留状态空间方法在计算卜的优点，又有频率法的直观 性，加上h 。控制器设计全部工作可由m a t l a b 2 5 l 语言实现，所以对工程技术 人员很有吸引力。但是当系统发生不是小扰动时， l 下的优化是否能保持次 优越性还不清楚，p i c h e r 和p o n j o l a i n e us 针对电液位置伺服系统，分别采用 基于混合灵敏度问题的由g l o v e r 和d o y l e 提出的t w o r j c c a t ie q u a t i o nf o r m u l a 方法和基于结构奇异值优化的d o y l e s 方法实现了日控制【”】。 1 5 本文的研究内容 压注机电液伺服控制系统包括注塑过程的电液位置伺服控制系统和保压过 程的驱动力电液力控制系统，本文针对这一个特点，从下列几个方面对该系统 进行全面的研究。 压注机电液伺服控制系统的建模以及稳定性分析：主要介绍液压动力机构 系统的基本组成及工作原理，建立压注机系统的电液位曼和电液力两个系统的 数学模型，指出参数变化对系统的影响；设计p i d 控制器，分析系统的稳定 性，指出p i d 控制的不足，得出使用模糊p i d 控制的控制策略。 模糊p i d 控制器的原理和设计；介绍模糊控制发展的概况以及模糊控制理 论的优缺点。通过它和p i d 的不同组合，组成模糊增益自调整p i d 控制器、模 糊p i d 复合控制器以及模糊p i d 双模控制器三种不同结构形式的模糊p i d 控 制器，分析其各自的工作原理和特点，并对其进行设计。 压注机电液伺服控制系统的仿真研究：通过m a t l a b 的s i m u l i n k 控制工 程箱进行系统的模拟实验仿真。首先对注塑过程的电液位置控制系统的p i d 仿 真研究，分析其控制性能指标：其次重点对保压过程中的电液力伺服控制系统 的仿真研究，分析当系统参数发生变化时，三种模糊p i d 控制器与传统p i d 控 制器的控制性能，得出应用在本系统中的最佳控制方法。 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 第2 章系统建模以及稳定性分析 液压动力机构( 或称液压动力元件) ，是由液压控制元件、执行机构和负 载组合成的。液压控制元件可以是液压控制阀或伺服变量泵；液压执行机构为 液压马达或者液压缸。 动力机构按控制元件的不同可分为两种控制方式： 1 ) 泵控，又称容积控制：用伺服变量泵给执行机构供油，通过改变泵的 排量来控制进入执行机构的流量，从而改变输出速度。在泵控系统中，压力取 决于负载。 2 ) 阀控，又称节流控制：用伺服阀来控制从液压油源流入执行机构的流 量，液压油源通常为恒压油源【b 】。 按控制元件和执行机构的不同组合可分为四种基本类型：阀控马达、阀控 液压缸、泵控马达和泵控液压缸。 对大多数液压控制系统来说，动力机构的动特性在很大程度上决定着整个 系统的性能。 本文研究的压注机电液伺服控制系统就是一种阀控液压缸的动力机构结构 形式，它可以简化成如图2 1 所示的物理模型。 图2 - 1 液压动力机构原理图 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f h y d r a u l i cd y n a m i c a lm a c h i n e 晴尔滨t 业大学工学硕上学位论文 2 1 阀控缸动力机构的基本方程 2 1 1 滑阀的流量方程 如图2 1 所示，假定： 1 ) 阀为理想零开口四通滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的： 2 ) 节流窗口处的流动为紊流。由于液体密度的变化量很小，液体压缩性的 影响在阀中予以忽略； 3 ) 阀具有理想的响应能力，即对应于阀芯位移和阀压降的变化相虑的流量 变化能瞬间发生； 4 ) 供油压力只恒定不变，回油压力只为零。 图2 - 1 中的各种物理量的方向以箭头所示方向为正。 当阀作正向移动的时候，流进液压缸进油腔的流量为： 5 一 q l = f ( x ，p ，一p 1 ) = 勺侧，、仨( n p 1 ) vp 由液压缸回油腔流出的流量为： 眄一 q 2 = f ( x ，p 2 ) = c d g - o x ，i - ? p 2 vp 由于液压缸的外部泄露和压缩性的影响，动态时，q l q 2 为流进流出液压缸的平均流量： 盼半屯嬲去( 厄i + 厄) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 取负载流量 ( 2 3 ) 又负载压降为 p , c = p 1 一p 2 ( 2 4 ) 对式( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 线性化，联立公式( 2 - 3 ) 和( 2 4 ) 则可得滑阀的 流量方程，见公式( 2 5 ) 。其中，由于我们研究的本来就是在稳态工作点附近 作微量运动时的规律，为了简便，仍令变量本身表示它们的从初始条件下的变 化量。 q f j = k q x 。一k c p l t 2 - 5 ) 式中： k 。滑阀的流量增益，( m3 s ) s ； 。滑阀阀芯的位移，m ； 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 疋滑阀的流量一压力系数，f m3 s ) p a ： 最液压缸两腔压差( 负载压降) ，p a 。 2 1 2 液压缸的连续性方程 假定： 1 ) 所有连接管道都短而粗，管道的摩擦损失、流体质量影响和管道动态 忽略_ i 计； 2 ) 液压缸每个工作腔内各处压力相同，油液温度和体积弹性模数可以认 为是常数。 3 ) 液压缸的内、外泄漏为层流流动。 因此由图2 - i 可得液压缸进油腔和回油腔的流量方程分别为： q i g ( n p 2 ) 一巳局= 警十鲁鲁 ( z 。) 一p 2 ) 一一q 2 = 警+ 去- 鲁 ( 2 _ z ) 式中：c 。液压缸的外泄漏系数，( m3 s ) p a ； c 。液压缸的内泄漏系数，( m3 s ) p a ； k 液压缸进油腔容积，m ； 以液压缸回油腔容积，m3 ； 。有效体积弹性模数( 包括液体、混入油中的空气以及：r 作腔的机械柔度) ，n l m2 ( p a ) 。 又因为液压缸工作腔的体积可写成： k = 】+ a y 和 k = k 2 一a y ( 2 - 8 ) 式中： k 。液压缸进油腔初始容积，m 3 ； 液压缸回油腔初始容积，m 3 ； y 活塞的位移，n q ； 爿液压缸活塞的有效面积，m2 。 假定：活塞在中间位置做小幅度位移，因此 。= ：= = ( 2 9 ) 式中： 哈尔滨t 业大学工学碘1 ：学位论文 矿液压缸的总容积，m 。 则联合式( 2 6 ) 一( 2 9 ) 可以得到下列形式： 骁= 4 鲁+ c f c 圪+ 老警 式中： 巳液压缸总的泄漏系数，( m s ) p a ，r c 。2 c i c 4 l c 。 2 1 3 液压缸和负载的力平衡方程 忽略库仑摩擦等非线性负载，忽略油液的质量，根据牛顿第二定律，可 得： 州硼等+ 坑等+ i c y + f 式中： 聊活塞和负载的总质量，k g ； 盈活塞和负载的粘性限尼系数，n ( m s ) ； f 作用在活塞上的任意外负载力，n ； k 负载的弹簧刚度，n m 。 2 2 阀控液压缸系统的方块图以及传递函数 2 2 1 电液伺服控制系统的传递函数的一般形式 把式( 2 5 ) ，( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 三大方程进行拉普拉斯变换，可得下列阀 控缸控制系统一般形式的方块图，见图2 - 2 ，图中f = o 。 图2 - 2 电液伺服控制系统方块图 f i g u r e 2 2b l o c k c h a r to f 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 s y s t e m s 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 生 以格 c 等+ 嚣擎十嚣卜争 22 二= 7 _ 弋垒厂弋一 ( 一1) 皂2 + b s+10 k 丝：1 。筮二_ 丁二、一( 2 一】3 ) 格 降十貉+ 擎+ 杀卜争 令毛：型 (214)12 盱监： ym 式中： m 活塞和负载的总折算质量，虹； 彩。无阻尼液压固有频率，r a d s 。 活塞与一个质量一弹簧负载相连，其等效的机械振动系统是由两个弹簧并 联工作：一个是液压弹簧，另一个是负载弹簧。这时系统的总刚度凰为 x o = k + k 固有频率。为 国。- j 鲁= 厢碱小+ 专 式中： 液压弹簧和负载并联工作与负载质量构成的系统固有频 率，r a d s ； 簪 ，iv 竺至鋈三些奎兰三兰堡圭耋竺篁兰 国。负载弹簧与负载质量构成的机械系统固有频率，r a d s 。 其中 2 2 2 传递函数的简化形式 在液压控制系统中，a 2 k 。主要由阀和液压缸的泄漏产生的阻尼系数，其 值一般都比眈大慨所以有眈瓦小 ，又总有( 1 + 刳孔 故 褐列 ，p 、 1 1 + 剖 式中： k k h 负载弹簧刚度与液压弹簧刚度之比，无因次。 在本文研究的压注机系统中，在注塑阶段它是一个负载弹性刚度等于零的 电液位置伺服控制系统，在保压阶段，是个负载弹性刚度不为零的电液力伺服 控制系统。所以： 在注塑阶段传递函数可以简化成为： k = _ _ 丛1 ( 2 15 ) i ，f 乓+ 盗川1 “ l ( o hj 在保压阶段传递函数可以简化成为； p i ? x v 式中： 彘液压阻尼比，无因次。 其中 辱= 厢地雁 国：4 , 8 k * ：k h k _ , 。 1 矿爿2 ( 21 6 ) 压 | l 哈尔滨工业大学t 学硕上学位论文 k k 。 22 广 驴煅+ 跏“丢( 睾) + ：帆b c = 等居+ 去 彘= 鲁厣一4 a 匹f 1 m 2 3 压注机电液伺服系统的开环传递函数 2 3 1 注塑阶段 一等。爵 伺服放太广一皇兰型! ! ! ! ! ! ! 爷查h 盘卜 jf 图2 - 3 注塑阶段的电液伺服控制系统的方块图 f i g u r e 2 3b l o c kc h a r to f 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 m s i nt h ei n j e c t i o np r o c e s s 则可以得到该系统的开环传递函数为 哈尔滨工业大学t 学硕上学位论文 卜簪翻 1 8 ) 2 3 2 保压阶段 保证的压力，记作p ，它与负载压降见可以看成一个线性关系，故可得 喜母篇卜 图2 4 保压过程电液伺服控制系统的方块图 f i g u r e 2 - 4b l o c k c h a r to f 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 m s i nt h e k e e p i n gp r e s s u r ep r o c e s s 由图2 - 4 可以得到该系统的开环传递函数： g ( 占) = 袁距。b b 等+ ， ( 2 2 0 ) 我们如果把模腔内可压缩的熔料整体作为一个研究对象，那么由流体力学 的知识我们可以得到液体的体积弹性模量的定义： f 肛一a p v o 一旦k ：一竺堡：芷堕 。 a v a 。a l “a l 乓4 、叫 什 臻百 + 顷 什 堡 + 生： ，v00八、 “ 旦q ， 堕尘堡；! 些銮兰! ；兰堡圭耋篁篁兰 则 p 鲢、 ( 22 1 ) 式中： 高分予熔液的体积弹性模量，n m ； 晾是模腔可压缩熔料的初始容积，m 。 由世的公式( 2 2 1 ) 可以看出，茁值大小与模腔内可压缩熔料的初始体积 与熔液体积弹性模量卢有关。对于囊i 同的注塑材料，熔化后的的火小就不 一样，但对于高分子材料来说，在熔化状态下，口值相差甚小，可以忽略；对 于不同的模具，模腔内可压缩熔料的初始体积k 就不同。一般来说，模具越 小，模具内的可压缩的熔液的初始体积越小，它对值的影响比较可观。因 此，在保压过程中，负载等效的弹性刚度k 是随模具的不同而发生变化的。压 注机注塑的成品好坏与本阶段的保压压力的控制有很大的关系，能否尽可能的 减少压力超调对产品的质量来说是至关重要的。 2 4 稳定眭分析 对于任何一个伺服控制系统来说，首先要保证其稳定性，因此根据压注机 实际的性能要求，选择参数建立模拟实验台： 动力机构运动部件最大质量m = 1 0 奴 最大行程上= 0 2 4 m ； 粘性阻尼取口= 1 0 0 0 m n s ； 油液体积弹性模量膨= 6 9 0 m p a ； 注塑缸有效面积a 。= 3 0 1 0 - 3 m3 ； 伺服液压缸有效面积一= 1 0 1 0 4m3 ； 供油压力p 。= 1 0 m p a ； 额定流量q = 1 0 l r a i n 。 2 4 1 伺服阀的选择 选择国产电液伺服阀f f l 0 2 1 0 ，通过查样本手册可得： 额定流量绕= 1 0l m i n ，额定电流乇= 4 0 m a ，线圈电阻r = 5 0 f 2 ，单边 阀压降卸。= 3 5 m p a ，伺服阀的固有频率1 0 0 h z ，阻尼比为0 5 。 由电删霞f 囤实际的工作流量瓯= 摩= 辱肌5 1 0 m 3 s ! 窒堡三些奎兰三兰堡耋堡尘圣 则k 。等。2 8 7 5 1 旷3 m 3 a s 则可得电液伺服阀的传递函数为： ( 5 ) 一q 一：；墅! ! ! ! ! ：( 2 - 2 2 ) 1s 22 0 5 6 2 8 26 2 8 。= - 十一j 十l 伺服放大器系数七。= 掣= o 0 2 a v 又可以假设泄露系数t 。“k 。 对于新的电液伺服阀，其压力增益k p o = 8 0 1 ，p 型= 2 1 0 1 。p “a 眠地= 去= 等等乩。s 州旷3 眺3 n 2 4 2 传感器的选择 根据系统的要求选择下列高温压力传感器和位移传感器型号： 压力传感器类型：型号：c y - y z 一3 0 5 b ，测量范围：0 1 m p a 。位移传感 器类型：行程：2 4 0 r a m ，输出：o 一5 v 。则高温压力传感器以及位移传感器的 传递函数分别为： 巧= 5 1 0 6 = 5 1 0 “v p a ，巧= 5 0 2 4 = 2 0 8 3 v m 。 2 4 3 稳定性分析 把上面的数值代入式( 2 1 8 ) 和( 2 2 0 ) 中，可得注塑阶段和保压过阶段 的开环传递函数分别如公式( 2 2 4 ) 和( 2 - 2 5 ) 所示。 刚沪雨y(s)2琢磊司175x霜10-3 2 3 ) 5 l 面+ 酉抖1j | 丽矿+ 1 而h 1j g：丛堕：2 u ( s ) 5 8 4 f 姜+ 2 x 0 0 6 6s + 1 1 【1 0 9 5 21 0 9 5j + 一) + 等刚 ( 斋+ 黼州 ( 1 ) 注塑过程 一1 6 ( 22 4 ) 晗力 滨工业大学t 学硕上学位论文 由公式( 2 2 4 ) | = | _ 以画出注塑过程系统未加校正时系统的开环b o d e 图和 闭环b o d e 图，见图2 5 和图2 - 6 。 。广鼍霉! _ _ 黑f 善= i 焉f j 嚣j j 嚣 * l。j + ! j 抬墨。! _ _ j j ! 埘：_ 撼：彗 ：。：粥。1 。、- ：r 1 ：。 e 雕：埘! ：嵋1 j j ：、；曼j ：。制i j ；1 ：| | ! ：i ，r z _ ；! ；：in1 l 叫 嘲，誊_ 一嘲j ；一i ；“i - - 嘴酞j 习 z ；- “ i 一品： = _ | - lx ，* 州* 1v 。圳- ；州嘲* 竹、。一 i 。、。，：- ，。1 ，：黜：、。 i 4 = ：。艘。+ x 1 0lj-u_t。“。一4一刖 。广r 嚣赞翟誉i 翟一一胃：f _ 焉f 一胃i 罾? ”一嗣 叶：it ! i i i i ；嘣删鼍寸曩誊4 j 蹦争：r 州 r 、，嘲 i ，* * ，臻扣寸嘲h 。瓣 曲一瞢j _ _ ；i ：- t ：。= ；= ：? 。_ _ _ 1 ：x _ = _ = = 。4 ： l ：“ 甫， 一：争。矧# + ：* ：“ 一峥i 。，= 巷 “ i ，：_ _ = ：= ：= _ ：4 ： 捣卜：量氍“：i ：i ：毒一：甍一崔：! ： 。l 一! 置二烈，i 盟i 麓。j ：。i 。糍i 。、j 麟妊；募，l 1 0 11 ， r z ， _ ：_ 1 5 图2 - 5 未加校正的系统开环b o d e 图图2 - 6 术加校正的系统闭环h o d e 图 f i g u r e 2 - 5o p e nl o o pb o d ep l o to ff i g u r e 2 6c l o s e dl o o pb o d ep l o to f s y s t e mw h e n u n r e v i s e d s y s t e m w h e nu n r e v i s e d 由图2 5 和2 - 6 可以看出，系统的幅值裕度为4 0 d b ，相位裕度为8 9 6 度，系统的频宽为4 0 8 r a d s ，开环增益为1 7 5 x 1 0 。3s - l ，所以虽然系统的幅值 裕度和相位裕度足够，但是其频宽和开环增益都很低，系统的快速性和频宽均 不能满足要求，因此需要校正。 ( 2 ) 保压过程 由公式( 2 2 5 ) 可以画出保压过程系统未加校正时的系统开环b o d e 图和 闭环b o d e 图，见图2 7 和图2 - 8 。 1 r 1 。r 。r t r t l ”盯一，y n 目 i：，：i ：二，：= - = ：，：；。“? “# 5 0 带端哥恻删娥釜溉* 糍苷酬。一自 j i ：，引。崔i f 畦：鼎：、二 j ：；：二：= ：；：；：；谢；t - * * = ：j ，：* ：。盟；i ：= ；，w i ：i ：i j “j 氍臻：i 蠢 。卜一r r h “l * 。、o 静一 r x “y “糍肿+ + 1 川4 f 一。：纠：j ，= 二= k ：_ ：，? - ：- _ _ = = ：= ：=：n ：一：，。- c ，1r 4 4 ! ! 一。? i 一 “一! ； “x 廿 “，t “l q 目 1 。；：+ ，w = 。：“。搿，矗：n t l i u m 0 4 出t i o o k m = i o o o * 赶。l l 出d 图2 7 未加校正的系统开环b o d e 图图2 - 8 未加校正的系统闭环b o d e 圈 f i g u r e 2 - 7o p e nl o o pb o d ep l o to ff i g u r e 2 - 8c l o s e dl o o pb o d ep l o to f s y s t e mw h e n u n r e v i s e d s y s t e mw h e n u n r e v i s e d 由图2 7 和图2 - 8 我们可以看出，系统的开环增益为5 8 4s1 ，幅值裕度 2 4 3d b ，相位裕度1 6 8 度，频宽5 8 4r a d s ，所以，系统的开环增益太高，幅 值裕度和相位裕度太低，系统性能不好，需要校正。 vt2|#v 2 5p i d 控制器设计 p i d 控制是虽早发展起来的控制策略之一，由于其算法