（机械制造及其自动化专业论文）铝液抬包清理机液压控制系统设计与研究.pdf

铝液抬包清理机液压控制系统设计与研究 摘要 铝液抬包清理机实现了铝液抬包内壁的铝渣和电解质清理的机械化、自动化，降低 了劳动强度，改善工作环境，提高生产效率，因此在电解铝行业得到了初步的应用。然 而目前国内已使用的抬包清理机液压系统采用的是定量泵供油的开环阀控系统，很难满 足工作要求。在清理铝渣的切削过程中经常造成刀具的卡死以致刀头的损坏，甚至破坏 抬包内壁结构，有时还需要人工辅助清理，生产效率不高。 本文针对原有抬包清理机存在的问题进行了详细分析，通过重新设计液压控制系统 和选择合理的控制策略，使得抬包清理机在非线时变负载工况下能以合理的刀具切削速 度和切削扭矩、适度的刀架推进力和推进速度进行平稳切削，基本解决了卡刀问题，并 进一步降低液压系统的功率，提高液压系统的效率。对提高抬包清理机的工作性能提供 理论依据，具有明显的实际意义。 本文首先论述了国内外抬包清理机的发展历程及研究现状，分析总结了目前抬包清 理机液压系统所存在的问题，简要介绍了课题的研究意义，确定了论文的研究内容。 其次，根据铝液抬包清理机的功能要求重新设计液压控制系统。以铝液抬包清理机 的工作状况以及负载特性为依据，对整个系统进行运动学和动力学分析。根据实际工况 的要求确定和计算液压系统的主要参数，估算液压缸一负载系统的固有频率，制定液压 系统设计方案，合理选择液压元件，并对整个液压系统进行温升计算。 最后，使用a m e s i m 软件建立了推进系统的仿真模型并对速度闭环控制系统进行 了仿真。通过仿真结果分析提出了需要进一步采用p i d 控制和模糊p i d 控制来提高系统 的控制性能和品质，并运用a m e s i m m a t l a b 联合仿真来实现。仿真结果表明：p i d 控 制在降低系统静差、加快调节时间、提高系统稳定性方面起到一定作用。模糊p i d 控制 在改善系统超调波动方面有非常显著的作用，和p i d 控制相比，模糊p i d 控制在跟踪系 统调节时体现出了更加优越的控制性能。 论文结尾对全文进行了总结，并对下一步需要进行的工作进行了展望。 关键词：铝液抬包清理机；a m e s i m m a t l a b 联合仿真；模糊p i d 控制 硕十学位论文 a b s t r a c t t h ei n v e n t i o no fa l u m i n u ml a d l ec l e a n i n gm a c h i n ea c h i e v e st h em e c h a n i z a t i o na n d a u t o m a t i o no fc l e a n i n ga l u m i n u ms l a ga n de l e c t r o l y t e ，r e d u c e sl a b o ri n t e n s i t y , a n di m p r o v e s t h e w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , t h e r e f o r ei t o b t a i n st h ep r e l i m i n a r y a p p l i c a t i o ni nt h ee l e c t r o l y t i ca l u m i n u mi n d u s t r y h o w e v e r , o p e n l o o pv a l v ec o n t r o ls y s t e m w i t ht h eq u a n t i t a t i v ep u m pi sm a i n l ya d o p t e di nt h ec u r r e n td o m e s t i cm a r k e t , s oi ti sd i f f i c u l t t om e e tt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n t s t h e r ew i l la l w a y sb es o m em i s t a k e sd u r i n gp r o c e s s ，f o r e x a m p l e ，g e t t i n gs t u c kc u r e r , d a m a g i n gt h ec u r e rh e a da n dl a d l ei n n e rw a l la n ds oo n i n a d d i t i o n , i tr e d u c e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yb ya r t i f i c i a la u x i l i a r yc l e a n i n gs o m e t i m e s t h ep r o b l e m sa b o u to r i g i n a ll a d l ec l e a n i n gm a c h i n ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h e nb y t h ed e s i g n i n go f h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n dt h es e l e c t i o no fa p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g y , t h e r e a s o n a b l ec u r i n gs p e e da n dc u r i n gt o r q u ea n dm o d e r a t ec u t t e rd r i v i n gp o w e ra n ds p e e di s u s e dt oe n s u r es t a b l ec u t t i n gi nn o n l i n e a rt i m e v a r y i n gl o a dw o r kc o n d i t i o n , t h e r e f o r ei ts o l v e s b a s i c a l l yt h ep r o b l e ma b o u tg e t t i n gs t u c kc u t t e r s ，f u r t h e rr e d u c e st h ep o w e ro ft h eh y d r a u l i c s y s t e m ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y t h i sd e s i g np r o v i d e st h et h e o r yb a s i sf o ri m p r o v i n gt h e w o r k i n gp e r f o r m a n c eo fl a d l ec l e a n i n gm a c h i n ea n dh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ep a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na b o u tt h el a d l ec l e a n i n gm a c h i n ea t h o m ea n da b r o a d ，c o n c l u d e st h e p r o b l e m sa b o u tt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fl a d l ec l e a n i n g m a c h i n e ，b r i e f l yi n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c eo ft o p i cr e s e a r c h ，a n di d e n t i f i e st h er e s e a r c h c o n t e n to ft h ep a p e r s e c o n d l y , h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s o ft h ea l u m i n u ml a d l ec l e a n i n gm a c h i n e ，i na d d i t i o n a l ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i sf o r t h ew h o l es y s t e ma r em a d eb a s i n go na l u m i n u ml a d l ec l e a n i n gm a c h i n ew o r kc o n d i t i o na n d l o a dc h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n st h em a i np a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i c s y s t e ma r ec o m p u t e d ，t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h es y s t e mi se s t i m a t e d ，t h es c h e m eo ft h e h y d r a u l i cs y s t e ma n dr e a s o n a b l ec h o i c e o fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa r em a d e ，a n dr i s i n g t e m p e r a t u r ev a l u eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi sc h e c k e d t h i r d l y , a m e s i ms o f t w a r ei su s e dt ob u i l tt h ep r o p u l s i o ns y s t e mm o d e la n ds i m u l a t e c l o s e dl o o ps p e e dc o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s ti ti sn e e d e dt ou s ep i d c o n t r o la n df u z z y - p i dc o n t r o lt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yt h r o u g ht h e v 铝液抬包清理机液压控制系统设计与研究 a m e s i m m a t l a b j o i n ts i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tp i dc o n t r o lr e d u c e ss t a t i c e r r o ro f t h es y m e ma n da d j u s t i n gt i m ea n di m p r o v e st h es t a b i l i t yo f t h es y s t e ma n d f u z z y p i d c o n t r o lh a sg o o de f f e c ti ni m p r o v i n gt h es y s t e mo v e r s h o o t i n gw a v e i nc o n c l u d e ，c o m p a r e d 、而mp i dc o n t r 0 1 f u z z y p i dc o n t r o ls h o w st h em o r es u p e r i o rc o n t r o lp e r f o r m a n c ei nt r a c k i n g s y s t e m f i n a l l y , t h ep a p e r i ss u m m a r i z e da n dm a k e st h ee x p e c t a t i o nf o rf u t u r er e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：a l u m i n u ml a d l ec l e a n i n gm a c h i n e ；a m e s i m m a t l a bj o i n ts i m u l a t i o n ； f u z z y - p i dc o n t r o l v i 硕士学位论文 1 1 铝液抬包清理机简介 第1 章绪论 随着电解技术不断改进，电解铝产量不断增加，清理铝液抬包中残留铝渣的周期要 求越来越短，导致工人的数量不断增加，劳动强度也随之增大，从而造成大量的人力、财 力及能源耗费。抬包清理机实现了抬包清理机械化，降低了工人的劳动强度，提高了生 产效率，因此在铝行业得到了初步的应用。 如图1 1 所示，抬包清理机的机械部分主要由机座、推进装置、铣刀盘、夹紧机构、 残渣小车等几部分组成。 川l 擞恣 j| 7 | 0 ：乡 抬包残渣小车 机座 液压站电控柜抬包 图1 1 铝液抬包清理机结构简图 工作时，首先由起重设备吊起抬包，利用抬包上蜗轮蜗杆装置将抬包旋转9 0 。后安放 到工作台上的支撑定位部件上，再由夹紧缸驱动夹紧机构夹紧抬包，实现抬包的定位和 夹紧。铣削刀盘旋转并进给，对抬包侧壁和底面残留的铝渣进行清理，铣削下来的铝渣 和沉淀物由固定在铣削刀杆上的螺旋叶片输送推出，落入残渣小车。当铣削遇阻超过最 大转矩时刀盘同方向旋转后退，负载降低后铣削刀盘再次正向进给。进给达到设定的行 程后，铣削刀盘后退至原位。最后，夹紧缸松开，起重设备吊起抬包，人工利用抬包上的 蜗轮蜗杆装置将抬包回转9 0 0 ，完成一个抬包的清理工作。 1 2 铝液抬包清理机国内外研究现状综述 1 9 9 2 年，德国w i t t eb o h r t e c h n i k 公司制造的抬包清理机可以准确快捷地将冷凝在出 铝抬包中的铝及电解质清除干净，而不会损伤抬包内衬的保温层1 1 1 。机器上的抬包压紧 铝液抬包清理机液压控制系统设计与研究 机构、铣削动力机构、进刀机构都是由液压执行元件来实现抬包压紧松开、铣削头旋转 切削、进刀刀架前进后退等动作。铣削动力由六台定量液压马达通过齿轮与铣削头的回 转齿轮啮合，带动铣削头转动进行铣削，铣削速度可无级变化。液压站与抬包清理机本体 之间的液压管路由八根高压油管相连接，折装方便。该系统使用双联定量液压泵供油， 形成阀控节流调速的开式回路。 2 0 0 1 年，意大利t o m m o r o wt e c h n o l o g y 公司开发出一种新型的有色金属抬包自动 清理机，设备由专家组集体研制，并和铝及其它有色金属用户合作对各种类型的抬包进 行了清理试验【2 l 。这种新型的有色金属抬包自动清理机是一种特殊的铣床，铣刀上备有 可更换的齿，可用来清理不同类型及尺寸的抬包，如圆柱型、圆锥型、椭圆型抬包等。 设备装在干净防尘的柜体内，前部分由一滑动通道构成，后半部分在地面固定，抬包由 天车运送，整个清理工作完全自动化，具有投资成本低、清理周期短、方便使用维护、 运行费用低等特点。铣刀清理的动作均匀也延长了耐火材料使用寿命，并清除了操作者 工作区域的粉尘和噪音。 2 0 0 5 年，沈阳工业大学陶柯针对早期刀具多采用大十字刀的不足发明一种抬包清理 机床【3 】。该抬包清理机床的主轴装置里设置有两个或两个以上的铣刀盘，该铣刀盘通过 主轴装置的传动机构既作自转，又绕主轴作公转，实现铣削。铣刀盘轴的公转半径都相 等，则受力对称。此结构设计减少了单个刀头的切削量，改善刀头的受力情况，而且使 得切削范围可调节，可以切削不同尺寸的抬包。 2 0 0 8 年，中国有色( 沈阳) 冶金机械有限公司通过考察国内多家电解铝厂的实际情 况，并借鉴进口同类设备先进的设计理念，应用目前国内外先进的机械、液压、自动控 制等技术，研制开发出国内首台能满足清理各种规格抬包的固定工作台式抬包清理机， 目前已正式投入使用，并取得了良好的效果 4 1 。机械部分、电控系统及液压系统构成了 它主要的三部分，其中固定机座、主机小车、夹紧装置、残渣运送车、铣刀装置、吸尘 装置及操作走台等组成了它的机械部分。固定机座是设备的基础，它由工作台和主机部 分的固定机座组成。工作台部分机座用来固定夹紧装置，主机部分固定机座用来固定主 机。键定位保证主机与小车架中心一致，连杆通过固定小车架的尾部，保证了小车架与主 机的整体化以及与小车架上的导轮相互平行。另外，通过小车导轮和偏心轮上安装的调 节盘进而调整导轮与轨道的间隙，使得主机与固定机架的中心平行且与抬包中心重合。 另外，该公司还设计出了一种倾翻式抬包清理机【5 】。普通的抬包清理机多利用抬包 自带的蜗轮蜗杆装置实现抬包的翻转，再用夹紧装置夹紧抬包。减速机是抬包的倾转机 构，由于抬包容积增大的同时也增大了其自重、盛铝量及抬包的倾转力矩，使得手动倾 转费力、效率低下且具有不安全性。该减速机手动和电动均可使用，电动为正常时的操 2 硕七学位论文 作，检修和突发事故时使用手动，爪式离合器用来切换手动与电动，使用起来迅速方便， 安全可靠。该减速机电动使用三级蜗轮蜗杆减速，手动使用两级蜗轮蜗杆减速，减速比 大。倾翻式抬包清理机是涉及清理抬包的设备结构改进。其结构要点：机座上设置有倾 翻抬包装置、清理刀具装置，及机座下设置有清渣车：支座的翻转轴上设置有翻转台， 翻转台的一侧的固定轴上的固定连杆同同一侧轴上液压缸的活塞杆相连，翻转台的另一 侧设置有抬包支承座：机座的支架的轴上设置有抬包的定位压杆；支座的轨道上设有刀 座，刀座由液压缸驱动，刀座的左端镗刀端为刀盘，镗刀外为螺旋片，镗刀内孔同吸尘 管相连。工作时，首先将需清理的抬包放置于翻转台上，启动液压缸，使固定连杆将抬 包定位、翻转，抬包落于翻转台另一侧的抬包支承座上，再以支架上的定位压杆固定抬 包；启动液压缸使轨道上的刀向左移动，镗刀的刀盘进入抬包内进行清渣；清除后的铝 渣经镗刀搅动进入清渣车内，清渣后的粉尘经吸尘管排出。 目前国内已使用的抬包清理机液压系统采用的是定量泵供油的开环阀控系统，很难 满足工作要求。在清理铝渣的切削过程中经常造成刀具的卡死以致刀头的损坏，甚至破 坏抬包内壁结构，有时还需要人工辅助清理，生产效率不高，有待进一步设计合理的液 压系统及其控制方案。 1 3 控制理论的发展 控制理论与技术从上世纪初以来得到了迅速发展，电子计算机的快速更新换代也进 一步推动了控制理论的发展。控制理论的发展历程概括起来包括经典控制理论时期、现 代控制理论时期和智能控制理论时期三个阶段。结合本课题研究思路，现对以下几种控 制技术发展现状做以简要概述。 1 3 1p i d 控制技术发展现状 p i d 控制技术的发展大致分为三个阶段： ( 1 ) 从十七世纪中叶至二十世纪二十年代。工业革命的蓬勃发展使得行业对机器的 控制有了更高的要求和标准，进而提出了反馈方法。在对气动和电动记录仪的研究过程 中，比例( p ) 和积分( i ) 作用被发现，通过使用p 和p i 控制器来调节火炉的温度和 蒸汽机的阀门位置等，类似于b a n g b a n g 继电控制调节方式，但是精度相对较低。 ( 2 ) 从二十世纪二十年代至四十年代。泰勒仪器公司发现了微分( d ) 作用，从而能 直观地对慢系统进行控制，实现了对该系统的动态性能的调节，至此，比例、积分和微 分作用构成了主要的调节部件，微分作用的发现具有重要的意义。 ( 3 ) 从二十世纪四十年代年至今。泰勒仪器公司的z i e g l e r 和n i c h o l s 等人于1 9 4 2 年 铝液抬包清理机液压控制系统设计与研究 和1 9 4 3 年在系统开闭环情况下分别对比例、积分和微分在控制中的作用进行了大量的 实验研究，在p i d 控制器参数自整定方面取得了较大进展。至今，p i d 控制器的参数自 整定方面已经发展出了诸如预估p i d 控制、自适应p i d 控制、模糊p i d 控制、神经网 络p i d 控制等一系列高级控制理论1 6 j 。 在人们通过大量的实践总结出了许多有关p i d 控制理论方法的同时，p i d 控制参数 整定问题也是被关注研究的焦点。由于控制系统的参数经常变化，建立其精确的数学模 型又难以实现，对系统进行模型辨识需要花费很大的代价，而且效果一般很不理想，所 以人们常根据经验进行参数整定，p i d 控制的参数自整定方法也在随后些年中得到了较 大的发展。z i e g l e r 和n i c h o l s 首先于1 9 4 2 年提出z - n 法，即把p i d 参数通过带有时滞 环节的一阶近似模型的阶跃响应数据进行相应换算。 由于p i d 控制器的结构简单，容易被接受和实现，因而p i d 控制器成为应用最广泛 的控制器。但是人们对p i d 控制器的认识和改进还远远不够，p i d 控制的机理、使用范 围、鲁棒性等问题还没有被彻底全面的分析研究。p i d 控制器存在其自身固有的缺点： ( 1 ) p i d 仅对呈基本线性和动态特性不随时间变化的系统具有较好的控制性能， 而很多工业过程是非线性或时变的。 ( 2 ) p i d 参数必须根据过程的动态特性进行相应合适地整定。如果过程的动态特 性变化，p i d 参数就要重新整定，p i d 参数自整定技术应运而生。p i d 参数整定与自整 定的方法很多，但在精度与速度的折衷及使用对象的范围上常常难以令人满意，在实际 应用中，往往难以实现或很不理想。因此，在p i d 参数的整定及自整定技术方面还有待 进一步的深入研究。 ( 3 ) p i d 在控制强耦合及结构不确定的复杂过程时总不尽理想。 1 3 2 模糊控制技术发展现状 在工业生产过程控制中运用经典和现代控制理论设计控制系统时，总会遇到建立被 控对象模型时具有模糊性等类似不明确问题。系统的动态特性一般很难正确掌握，难以 通过传递函数进行真实描述，如近似化模型、分割大系统、降阶高阶系统、参数估计的 误差等都具有一定的模糊性，并不是所有的系统都能简化为线性、低阶、非时变系统， 而且性能指标函数的设计也不明确。另外，经典控制理论经常把多目标设计方案简化为 求单一极值问题，其中忽略了很多因素，也明显具有其一定程度的模糊性。因此针对这 些问题，经典控制提出了很多理论方案，例如鲁棒控制、自适应控制等控制方式和绝对 稳定度及稳定裕度等概念。然而这些理论都要求首先建立起精确的数学模型，对于变量 关联、控制机理复杂、具有非线性时变和存在多种扰动的系统，数学模型往往难以建立。 此外，由于建立的模型不精确，有些计算机控制系统在控制效果上还不如手动操作。故 4 硕十学位论文 而模糊控制的产生有效控制了这些用传统控制方法难以控制的工业生产过程。 模糊控制技术是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法，它是智能控制的一个 重要分支。在科学技术与工业生产的发展过程中，尽管自动控制理论与技术的发展发挥 了巨大作用，但是对于复杂的系统由于变量太多往往难以正确的描述系统的动态，通过 简化系统或者忽略一些次要因素来实现对系统的控制，常常难以得到理想的效果。来自 于现代技术和工业的强烈要求，模糊数学应运而生，用模糊数学来处理这些控制问题的 方法得到了应用发展。 模糊控制的研究始于19 6 5 年，美国加州福尼亚大学自动控制系教授l a z e d e h 在 一篇论文中首先提出模糊集合的概念。其后又陆续出现了许多成果，例如1 9 6 8 年提出 了模糊算法概念，1 9 7 0 年提出模糊决策，1 9 7 1 年提出模糊排序。1 9 7 3 年扎德教授又进 一步研究了模糊语言处理，将模糊算法的概念引入模糊控制，提出用规则来表述人类语 言，将模糊逻辑运用于控制领域，奠定了模糊控制的理论基础。1 9 7 4 到1 9 7 9 年是模糊 控制的发展阶段。1 9 7 4 年，伦敦大学教授e h m a m d a n i 制造出用于锅炉和蒸汽机的第 一个模糊控制器，从而开创了模糊控制的历史。1 9 7 5 年，丹麦首先在工业上建立了模糊 控制水泥窖。1 9 7 9 年，模糊控制进入了高性能阶段。1 9 7 9 年l e h o l n b l a d 在瑞典石灰 重烧窑工业设备上应用了模糊控制；1 9 8 5 年日本学者s e j i i iy a s u n o b u 提供了仿真，证 明在仙台地铁采用模糊控制的优越性；1 9 8 7 年仙台地铁开始运行，采用模糊系统控制列 车的加速、刹车及停靠站；1 9 8 8 年，随着国际模糊工程实验室的建立，4 8 家模糊研究 机构之间可以相互协调，模糊理论的浪潮迅速蔓延到各个领域【_ 7 1 。模糊控制在机械、液 压、家电、化工、人文科学、经济学等多领域得到了运用发展。1 9 9 1 年，三菱、松下、 东芝等品牌的吸尘器、空调、全自动洗衣机等高档家用电器都普遍采用了模糊控制理论， 将过去只使用在大型工业设备和生产过程中模糊控制应用于面向大众的家电产品中。其 次，在对通用化设备和小巧、简便、高速的模糊器件需求增长的环境下，加速了模糊推 理、模糊控制器等专用芯片的研究，开发出模糊控制通用系统，推进了硬件的发展。 1 3 3 模糊p i d 控制技术发展现状 模糊控制是以人对被控对象的操作经验为依据而设计控制器的，故无须知道被控对 象内部结构及其数学模型，这对于一些复杂系统进行自动控制是非常有利的。而且，模 糊控制采用的模糊量以及模糊控制规则都是由人类日常工作总结出来，用自然语言表 述，特别容易被人们接受，提高了机器的灵活性。另外，模糊控制规则通过模糊集合论 和模糊推理理论转换成数学函数，很容易和其他物理规律结合起来，便于用计算机实现 控制策略。因此，它特别适合控制非线性时变大滞后又难以建立精确数学模型的系统。 模糊控制利用人的思维经验，采用模糊合成法则和隶属函数，实现了对传统的控制法则 铝液抬包清理机液压控制系统设计与研究 失效的系统的良好控制，成为控制领域非常有前途的发展分支之一。但是，模糊控制发 展并不十分成熟，尚缺乏重大的理论性突破，控制品质和精度都欠佳。因此，模糊控制 在应用上有待于进一步的深入研究和探讨。 常规的p i d 控制器至今仍是使用最多的控制器。目前，数字p i d 控制器的出现在一 定程度上使得传统p i d 控制器的性能得到了改善。另外还有许多新的p i d 改进算法，如 梯形p i d 控制算法、变速积分p i d 控制算法等等。p i d 控制有成熟的控制理论分析设计 方法，具有控制算法简单、控制稳态精度高、可靠性好等优点，但p i d 控制器不能动静 态性能兼顾，二者还时常产生矛盾。此外，p i d 控制器对于电液伺服系统这样具有高度 非线时变不确定性的系统很难找到的合适参数来得到理想的控制效果。因此就要求p i d 控制器不仅不依赖数学模型，更要能实现实时调控。 比较p i d 调节器和模糊控制器，后者具有更快的响应、更小的超调、较好的鲁棒性 和适应性，能够克服非线性因素的影响。虽然模糊控制器具有这些优良品质，但由于模 糊控制器缺少积分作用，使它消除系统误差性能欠佳，难以达到较高的控制精度。p i d 控制算法对大多数过程都具有良好的控制性，但p i d 参数调整需要凭借人们的操作经 验，耗费了大量的时间。即使在一种特定的情况下调整好p i d 参数，若再用它们去控制 系统的全过程，系统的调节性能会随着系统控制参数的变化而受到影响，故p i d 参数的 在线自动调整显得十分重要。随着控制理论的进一步深入研究，模糊控制和p i d 控制算 法的结合诞生了模糊p i d 控制器，并因为它的优良控制性能得到了普遍应用。模糊p i d 控制器既利用p i d 控制器算法简单、稳定性好、可靠性高、设计容易、适应面宽等特点， 又结合模糊控制器能充分利用操作人员进行实时非线性调节的成功实践操作经验，充分 发挥p i d 控制器的优良控制作用，使整个系统达到最佳控制效果。总之，模糊控制器能 很好地适应具有非线性时变性地被控对象，而且鲁棒性好。但是它的稳态控制精度较差， 难以达到较高的控制精度，尤其在平衡点附近。另外，由于它缺少积分控制作用，系统 的静差也难以消除。然而p i d 控制器中的积分环节能很好的消除静差，但动态响应效果 差。因此将模糊控制和p i d 控制算法结合起来的模糊p i d 控制算法具有较好的控制效果。 1 4 本课题来源及主要研究研究内容 本课题来源于工程项目。 本文针对原有抬包清理机存在的问题进行详细分析，通过重新设计液压控制系统和 选择合理的控制策略，使得抬包清理机在非线时变负载工况下能以合理的刀具切削速度 和切削扭矩、适度的刀架推进力和推进速度进行平稳切削，基本解决卡刀问题，并进一 步降低液压系统的功率，提高液压系统的效率。对提高抬包清理机的工作性能提供理论 6 硕士学位论文 依据，具有明显的实际意义。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 综述国内外抬包清理机的发展历程及研究现状，分析总结目前抬包清理机液 压系统所存在的问题，简要介绍了课题的研究意义，确定论文的研究内容。 ( 2 ) 根据铝液抬包清理机的功能要求重新设计液压控制系统。以铝液抬包清理机 的工作状况以及负载特性为依据，对整个系统进行运动学和动力学分析。根据实际工况 的要求确定和计算液压系统的主要参数，估算液压缸一负载系统的固有频率，制定液压 系统设计方案，合理选择液压泵、液压马达、液压缸、比例阀、传感器以及其他阀和辅 助元件；对整个液压系统进行温升计算。 ( 3 ) 运用a m e s i m 软件建立抬包清理机推进电液速度闭环控制系统的仿真模型， 选择和确定模型中各个参数值从而进行动态仿真，并对其结果进行分析。 ( 4 ) 综合a m e s i m 在建模和m a t l a b 在控制系统算法设计的优势，采用a m e s i m 和m a t l a b 联合仿真技术对推进系统的p i d 控制和模糊p i d 控制进行仿真研究，并将其 仿真结果进行对比分析。 1 5 本章小结 本章简要介绍了铝液抬包清理机的工作原理及目前存在的问题，综述了抬包清理 机的国内外研究现状以及控制理论发展现状，并详细介绍了本课题的研究内容及意义。 7 铝液抬包清理机液压控制系统设计与研究 第2 章抬包清理机液压控制系统设计 电液比例控制系统设计内容和步骤一般包括： ( 1 ) 明确产品生产过程和工艺对电液比例控制系统的要求。 ( 2 ) 确定电液比例控制系统的工况及其特点，包括执行元件运动参数的数量和型式、 执行元件驱动的负载及其变化规律、多个执行元件之间的运动关系和每个执行元件在一 个运动周期中的动作顺序以及每个执行元件所要求的性能。 ( 3 ) 估算各执行元件运动参数和动力参数。 ( 4 ) 拟定系统方案，元件选型，绘制电液比例控制系统原理图，决定控制方案。 ( 5 ) 建立系统数学模型，计算系统数学模型中的重要参数。 ( 6 ) 系统静态性能和动态性能的校核。 本章将详细进行前四项的设计内容，其他部分将分章节进行详细研究。 2 1 抬包清理机液压系统设计要求及有关设计参数 2 1 1 设计要求 ( 1 ) 抬包清理机的加工过程实现自动控制，能够完成一个工作循环的联动控制。 ( 2 ) 轴向进给速度进行实时控制，与旋转切削运动进行匹配，实现加工的平稳进 行，避免卡刀，提高生产效率。 ( 3 ) 夹具液压缸要有保压装置，一旦泄压时补油，确保工作过程中夹持力恒定。 ( 4 ) 当铣头遇阻，油压力超过最大设定压力，铣头刀架要工退，确保加工安全。 2 1 2 设计参数 抬包清理机液压系统设计参数如下： 铣头直径 夹紧缸行程 刀架快进行程 刀架工进行程 夹紧缸单缸夹紧力 最大进刀力 最大切削扭矩 刀架及主机小车移动部件总重量 8 2 1 0 0 r a m 3 7 1 m m 4 8 3 m m 1 3 2 0 m m 4 3 k n 4 0 5 k n 2 2 6 7 5 n m 1 1 t 硕士学位论文 夹紧装置总质量 夹紧缸快进速度 夹紧缸回退速度 铣头旋转速度 刀架快进速度 刀架工进速度范围 刀架工退速度 刀架快退速度 2 2 液压执行元件载荷力和载荷扭矩计算 3 6 t 2 2 m m i n 2 2 m m i n 7 6 r m i n 2 1 9 m m i n 0 0 4 - 0 12 m m i n 0 4 5 5 m m i n 2 1 9 m m i n 2 2 1 进给缸载荷力计算 暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考 虑。因工作部件是卧式放置，重力的水平分量为零，计算中主要考虑的力有进给阻力， 导轨摩擦力和惯性力。 考虑进刀主轴机械强度允许的情况下，最大进给阻力等于所要求的最大进刀力 z = 4 0 5 k n 。 导轨的静摩擦力凡： r = z = f , g = f , m g ( 2 1 ) 式中，z 昔摩擦因数，正= 0 2 ； m - 移动部件质量，m = 1 1 x 1 0 4 k g ； g 重力加速度，g 取1 0 m s 2 。 根据式( 2 1 ) 可计算出导轨静摩擦力r = 2 2 k n 。 导轨的动摩擦力： = 乃n = 乃g = 正m g ( 2 2 ) 式中，厶钥对钢的滚动摩擦系数，理想状态下，五= 0 0 9 。而工程实际中，钢 轮与其中心轴之间存在摩擦或有夹杂物等综合因素考虑，取兀= o 1 8 。 根据式( 2 2 ) 可计算出导轨动摩擦力= 1 9 k n 。 惯性力c ： c 硼詈 ( 2 3 ) 阻 式中，掖压缸启动响应时间，a t = 0 1 s ； v 速度变化值，a v = 2 1 9 6 0 = 0 0 3 6 5 m s ； 9 铝液抬包清理机液乐控制系统设计与研究 根据式( 2 3 ) 可计算出惯性力巴= 4 k n 。 当进给缸工退时，由于抬包内壁仍会残留少量的铝渣和电解质，则此时依然会受到 回退阻力，负载数值大小不确定，这里负载力巧近似取7 5 k n 。 设液压缸机械效率= 0 9 5 ，则进给缸在各工作阶段的总机械负载如表2 1 所示。 表2 1 进给缸各运动阶段负载表 运动阶段计算公式总机械负载f ( k n ) 启动 f = 以r , 2 3 加速 f = ( + 吒) 2 2 快进 f = r , 2 0 工进 f = ( z + ) 6 0 工退 f = ( 巧+ ) 2 5 快退 f = r , 2 0 2 2 2 夹紧缸载荷力计算 如图2 1 所示为夹紧装置在夹紧保压工况的结构简图，根据力矩平衡，对o 点取矩 可得： 互乞+ 6 l , = f a ：譬c 。s 吃 1 ， 2 = o a s i n a l 厶= o b c o s a 2 式中，夹紧杆与活塞杆的夹角，a l = 1 8 。； 夹紧杆与重力力臂的夹角，幺= 2 5 。； o a d 点分别到力作用点彳的距离，o a = 0 7 8 m ； o b d 点分别到力作用点b 的距离，o b = 1 1 7 m ； e 抬包对夹紧臂的反作用力，e = 4 3 k n ； 五o 点到重力的力臂，r n ； 2 o 点到只的力臂，m 。 根据式( 2 4 ) 可计算出液压缸在保压时所受负载力e = 11 0 k n 。 1 0 ( 2 4 ) 硕十学位论文 f 2 个 图2 1 夹紧装置结构荷图 快进时，由于央紧装置的重力本身形成超越负载，此时负载力不予考虑。 复位时，夹紧缸作用在夹紧臂的力的方向和图2 1 中f 方向相反，在图2 1 所示位 置夹紧缸所受力最大。根据力矩平衡，此时对0 点取矩可得： lg = b 如 = 譬c o s ( 2 5 ) i 如= o a s i n o q 根据式( 2 5 ) 可计算出液压缸在复位时所受负载力凡= 7 7 6 k n 。 2 2 3 旋转马达载荷扭矩计算 液压马达通过一级齿轮减速( 速比j - 3 1 2 ) 带动铣头同一方向旋转。如图2 2 所示 为铣削机构简图，其中吸尘装置利用除尘器等造成的副压，通过铣刀杆内中空孔、主轴 中空孔、两个吸尘弯管及其之间的伸缩软管等将清理抬包时产生的粉尘吸出，收集到除 尘装置进行处理。 塑婆丝丝些丝坠些丝型丝堕一 图2 2 铣削机构伺图 则铣刀杆转动惯量： 正= i m ( 墨2 + 墨2 ) 式中，铣刀杆转动惯量，k g m 2 ； 聊铣刀杆质量，m = 1 9 0 0 k g ； 墨铣刀近似等效半径，蜀= 5 0 5 m m ； 足吸尘孔半径，玛= 6 0 m m 。 根据式( 2 6 ) 可计算出铣刀杆转动。l 贯i t l = 2 4 5 7 k g 。m 2 。 根据力矩平衡： 对a 点取矩 g 厶= 厶 式中，o 点所受支持力，方向向下，n ； 厶么、召两点距离，厶= 1 3 8 0 m m ； 厶d 、4 两点距离，岛= 3 0 0 m m 。 根据式( 2 7 ) 可计算出= 8 5 7 k n ； 对。点取矩 g ( 厶4 - 厶) = 厶 式中，彳点所受支持力，方向向上，n ； 1 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 硕十学位论文 根据式( 2 8 ) 可计算出= 4 2 2 k n 。 则轴颈摩擦力矩： 巧= 目，- ( 2 9 ) 式中，轴颈半径，= 恐= 3 6 5 m m ： 摩擦因数，= 0 0 2 ； 日轴颈所受支持力，目= + = 1 2 7 9 k n 。 根据式( 2 9 ) 可计算出轴颈摩擦力矩弓2 9 3 4 n m 。 惯性力矩： 瓦= 以仁以等 ( 2 1 0 ) 式中，以铣刀杆转动惯量，正= 2 4 5 7 k g m 2 ； 占_ 角加速度，r a d s 2 ； 国叫速度变化量，国= 兰孑= o 7 9 5 洲s ，其中刀：为刀盘主轴转速 刀：= 7 6 r m i n ： 址培动或制动时间，垃= 0 5 s 。 根据式( 2 1 0 ) 可计算出惯性力矩兀= 3 9 1n m 。 在稳定运行时主轴所受力矩为最大 巧一= 面r g + r l ( 2 1 1 ) 式中，r z 。轴承的机械效率，仉= 0 9 8 ； 液压马达的机械效率，- 0 9 5 ； t - 工作负荷力矩，i = 2 2 6 7 5 n m ； l 颈摩擦力矩，t = 9 3 4 n m 。 主动轴工作阶段所受扭矩如表2 2 所示( 叩= 仉= 0 9 3 1 ) ，结合表2 2 和式( 2 1 1 ) 可知主动轴工作阶段所受最大扭矩为一= 2 5 3 5 9 n m 。 表2 2 主动轴工作阶段所受扭矩值 工况计算公式 弓( n m )疋( n m )i ( n m )巧( n m ) 启动加速 乃= ( 弓+ 乏) ，7 1 4 2 3 稳定运行 巧= ( i + 弓) 7 9 3 43 9 12 2 6 7 52 5 3 5 9 减速制动 = ( 弓瓦) 刁 5 8 3 主动轴所需要的最大功率为：巴。= 2 n z r 。= 2 0 2 k w 。 铝液抬包清理机液压控制系统设计j 研究 2 3 液压系统主要参数计算 2 3 1 初选执行元件工作压力 根据执行元件所受最大载荷初步确定：进给缸的工作压力为5 5 m p a ，夹紧缸的工 作压力为1 5 5 m p a ，马达的压差为1 9 5 m p a 。 2 3 2 确定执行元件主要结构尺寸 ( 1 ) 确定进给缸的主要结构尺寸 要求往返速度相同，则无杆腔有效面积4 ： 4 = 二百 ( 2 1 2 ) 1 a 一魏( 1 一矽2 ) 式中，f 进给缸最大负载力，f = 6 0 k n ； a 掖压缸工作压力，a = 5 5 m p a ； 见徊油路背压，死= 0 8 m p a ； 矽液压缸杆径比，取矽= o 7 1 。 根据式( 2 1 2 ) 可计算出无杆腔有效面积4 = 1 1 7 x 1 0 。2 m 2 。 则液压缸直径d ：，丛：1 2 2 m m ，活塞杆直径d ：0 7 1 d ：8 6 7 m m 。 v 万 按g b t 2 3 4 8 19 9 3 将所计算的d 与d 值分别圆整到相近的标准直径后得： d = 1 2 5 m m ，d = 9 0 m m 按标准直径算出： 以：n d 2 ：1 2 3 1 0 - 2 m 2 4 4 = 三( d 2 搿) = o 5 9 l 1 0 2 m 2 按最低工进速度验算液压缸尺寸，调速阀最小稳定流量= o 2 5 l m i n ，i 玉i - r _ 进 速度1