（机械电子工程专业论文）比例阀选择及其工作回路的cad软件开发.pdf

摘要 摘要 本文以中文w i n d o w s x p 为操作平台，以a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 2 0 0 4 和m a t h w o r k s 公司的m a f l a b 6 5 为支撑软件，利用v i s u a lb a s i c6 0 语言开 发了比例阀及其回路c a d 软件系统。 该比例阀及其回路c a d 软件系统主要包括的内容为：1 输入输出模块； 2 比例阀的选择及计算模块；3 比例阀回路生成模块；4 比例阀控制回路的 动态特性分析模块；5 界面模块。本文阐述了各模块的原理及实现。 该比例阀应用软件涉及到的知识有：软件工程、面向对象技术、a c t i v e x 自动化技术。本人在对比例阀及其控制回路理论资料进行总结、归纳的基 础上，利用面向对象编程的思想对软件进行了开发。 该软件的比例阀选择及计算模块可根据用户的输入，进行判断、推理， 并调用相应的计算模块，从比例阀产品数据库中选择出合适的比例阀，以 图表的形式给出结果，并可对不合理参数予以报警。比例阀回路模块利用 a u t o c a d 建立了元件符号库和基本回路库，用户既可修改己有的回路也可 根据需要调用元件符号库中的元件生成自己的回路。比例阀回路动态特性 分析模块用m a t l a b 建立了典型回路的数学模型，用户可通过选择回路模型， 输入参数，选择模拟方法实现比例阎回路的动特性分析，并得到可视化的 结果。在软件的设计中应用了a c t i v e x 自动化技术，实现了v i s u a lb a s i c 对 a u t o c a d 和m a t l a b 的控制。 软件采用了完全汉字w i n d o w s 的晃面风格，具有友好的人机交互功能， 操作简单，易学易用。 关键词计算机辅助设计；比例阀；面向对象；a c t i v e x 技术；仿真 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t st h es o f t w a r eo fp r o p o r t i o n a lv a l v ec a d t h es o f t w a r e u s e sw i n d o w sx pa s i t so s a n du s e sa u t o d e s k sa u t o c a d 2 0 0 4a n d m a t h w o r k sm a t l a b 6 5a si t sb a s i cs o f t w a r e t h et o o lo fd e v e l o p m e n ti sv i s u a l b a s i c6 0 t h es o f t w a r ei n c l u d e sf i v e p a r t s ：t h e m o d u l eo fi n p u ta n do u t p u t ；t h e m o d u l eo f p r o p o r t i o n a l v a l v es e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o n ；t h em o d u l eo f p r o p o r t i o n a lv a l v ec i r c u i t ；t h em o d u l e o f a n a l y s i so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf o r p r o p o r t i o n a lv a l v ec i r c u i t ；t h em o d u l eo fi n t e r f a c e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e o fa l lm o d u l e sa n dt h e i rr e a l i z m i o n t h es o f t w a r eu s e st h e f o l l o w i n gk n o w l e d g e ：s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h e o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，a c t i v e xa u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n o nt h e b a s i so f c o l l e c t i n gm a t e r i a la b o u tp r o p o r t i o n a lv a l v e ，t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d w i t ht h em e t h o d so f o o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) a c c o r d i n g t ot h ei n p u to f u s e r s ，t h em o d u l e o f p r o p o r t i o n a lv a l v es e l e c t i o n a n dc a l c u l a t i o nc a nj u d g ea n di n f e ra n dc a l lt h e c o r r e s p o n d i n gm o d u l e so f c a l c u l a t i o nt og e tr i g h tp r o p o r t i o n a lv a l v ef r o md a t a b a s eo f p r o p o r t i o n a lv a l v e t h er e s u l ti s d i s p l a y e db yc h a r t f u r t h e r m o r e ，p r o g r a mc a ng i v ew a r n i n gt o i l l o g i c a lp a r a m e t e r t h em o d u l eo f c i r c u i tu s e sa u t o c a dt of o u n dt h el i b r a r yo f c o m p o n e n ts y m b o la n db a s i cp r o p o r t i o n a lv a l v ec i r c u i t u s e rc a na m e n da n a v a i l a b l ec i r c u i ta n da l s oc a nc r e a t ean e wc i r c u i t t h em o d u l eo f a n a l y s i so f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf o rp r o p o r t i o n a lv a l v ec i r c u i tp r e s e n t sm a t h e m a t i c a l m o d e l so f t y p i c a lc i r c u i t s u s e rc a ng e tv i s i b l er e s u l to fs i m u l a t i o nb ys e l e c t i n g t h em o d e l ，i n p u t t i n gp a r a m e t e r sa n ds e l e c t i n gt h em e t h o d so fs i m u l a t i o n t h e s o f t w a r e a d o p t st h et e c h n o l o g y a c t i v e xa u t o m a t i o n v i s u a lb a s i cu s e st h i s t e c h n o l o g yt oc o n t r o la u t o c a da n dm a t l a b t h es o f t w a r eh o l d sf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c el i k ew i n d o w s i ti s e a s vt ou s e a n dl e a r n i i 摘要 k e y w o r d sc o m p u t e r a i d e d d e s i g n ；p r o p o r t i o n a lv a l v e ；o b j e c t - o r i e n t e d ； a c t i v e x ；s i m u l a t i o n 1 1 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 流体动力计算机辅助设计的发展及应用 电子计算机是现代科学技术的重大成就之一，它是用电子技术及相应 的数学方法实现数学运算的计算工具。计算数学的突破以及计算机硬件的 迅速廉价化，使得计算机技术深入到各个领域。计算机科学的突飞猛进， 使人们认识到数值计算并非是计算机仅有的功能，计算机的潜力还在于符 号处理方面的能力以及正迅猛发展的图形处理能力，于是计算机辅助设计 便出现在了现代工程领域。 计算机辅助设计，c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) ，是主要研究用计算机 及其外围设备和图形输入输出设备帮助人们进行工程和产品设计的综合应 用技术。它是当今科技大干世界中发展最快，影响最大的工程之一，极大 的改变了传统的工程设计思想，在很大程度上替代了工程设计人员的劳动， 使现代社会的面貌发生了巨变。 6 0 年代初，麻省理工学院的l e s u t h e r l a n d 发表论文( $ k e c h p a d ：一个 入机通讯的图形系统，首次提出计算机图形学( c g ) ，交互技术，分层存 储符号的数据结构等新思想，为c a d 技术的发展和应用打下了理论基础。 其后，计算机辅助设计技术的发展及应用十分迅速。7 0 年代，在计算机 性能提高及小型化的基础上，外围设备得到更新，价格下降，优秀软件相 继开发的情况下，形成了第二代c a d 系统，不仅硬件配备齐全，而且有较 完备的a m 软件供用户使用，称为独立单机交钥匙系统。进入8 0 年代， 微机的出现给c a d 技术带来了重大影响，c a d 技术由单纯的图形处理进 入了实现全套设计过程的c a d 化，产生了第三代c a d 系统。用户可以根 据设计条件所规定的要求，进行方案设计，确定系统原理图，对元件参数 进行计算和分析、确定设计参数、决定选择元件的规格，型号或自行设计 元件的结构，并绘制产品装配图及零件图。 流体动力c a d 的研究始于7 0 年代，一个完善的流体动力c a d 系统就 燕山大学工学硕士学位论文 是一个以工程数据库为中心，以图形为主要手段，包括设计流体动力、绘 图、工程数据处理、动态仿真等功能在内的集成的、结构开放的系统。7 0 年代，美国麦道飞机公司率先开发出预测液压元件和系统工作性能的 a f s s ( a d v a n c e d f 1 u i ds y s t e ms i m u l a t i o n ) 仿真程序软件包，使液压设计从经 验估计上升到定量分析的阶段。进入8 0 年代后，交互式图形学逐渐进入液 压领域，在绘图方面取得了更大的进步。德国斯图加特大学首次推出计算 机设计液压原理图的程序包。德国的亚琛大学还研制出一个设计液压阀块 的h n 软件包，包内含有一个有多种液压软件结构数据的数据库，能 根据设计人员输入的信息，布置阀块上的元件及连接螺孔，自动进行阀块 孑l 道的设计和校核，当设计有误时能提示错误信息，并可用人机对话方式 进行修改，最后褥到阀块的各种视图。g u l l i c k d o b s o n l t d 推出了适用于采 矿机械的液压c a d 的专用软件包。美国威格斯( v l c r ( e r s ) 公司利用c a d 技术进行液压系统原理图的计算和绘制，进行液压泵、马达、阀和集成块 的方案设计以及零部件图的绘制，进一步将设计和制造连成一体。进入9 h d 年代以来，液压c a d 在软件方面发展很快，并从理论研究步入了工程使用 阶段。以美国为例，据不完全统计，1 9 9 3 年共有3 9 家公司推出了流体动力 c a d 软件，大约是两年前的两倍。1 9 9 3 年在杭州召开的第三属国际流体动 力学术年会上，一篇论文介绍了h y d r o c a d 软件包，它能对液压系统进行 计算，液压系统图的半自动绘制，并提供材料清单，还可对开环和闭环回 路系统仿真，在用户输入系统参数后，软件能自动计算，选择元件并报价， 输出相应的清单及图纸和其他资料，实现全套设计的c a d 化，同时还设计 了与c a m 的接口。在另一篇论文中还提到了液压系统的设计和诊断知识软 件包，将专家知识库的模式融于液压系统的设计和诊断，这标志着液压c a d 技术进入了新阶段 2 - - 9 。 国内液压界的c a d 研究起步约在8 0 年代初。最初只是用计算机对特 定的液压系统或元件进行仿真，也有些研究涉及有限元分析、参数辨识和 优化设计，后来刁发展到设计和绘图。浙江大学1 9 8 4 年移植成功 d s h ( d i g i t a ls i m u l a t i o no f h y d r a u l i cs y s t e m ) 程序并作了二次开发，扩充了液 压管道静、动特性的功能，并对软件的算法、提高软件的效率、本地化、 2 第1 章绪论 国产化进行了有效的尝试，推动了我国计算机c a d 技术的进步。浙江大学、 上海交通大学及啥尔滨工业大学等高校在插装阀三维实体造型、液压c a d 等方面各自开发了相应的软件。华中理工大学还开发了基于专家系统和逻 辑设计方法的h y s s d 液压原理图逻辑设计软件包等。目前流体动力c a d 软件的发展方向是设计、仿真、绘图一体化。 1 2 比例阀及其回路的研究概况 比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。它可以接 收电信号的指令，连续地控制液压系统的压力、流量等参数，使之与输入 电信号成比例地变化。它可以用于开环系统中实现随液压参数的遥控，也 可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。 1 2 1 技术发展概况 流体传动的理论基础是由1 7 世纪帕斯卡提出的帕斯卡定律为奠基石， 之后获得了快速发展，特别是被2 0 世纪第二次世界大战期间战争的激励， 取得了很大进展，对控制系统的快速性，动态精度和功率重量比都提 出了更高的要求。比例控制技术是2 0 世纪6 0 年代末人们开发的一神可靠、 价廉、控制精度和响应特性，均能满足工业控制系统实际需要的控制技术。 当时，电液伺服技术已日趋完善，但电液伺服阀成本高、应用和维护条件 苛刻，难以被工业界接受。希望有一种价廉、控制精度能满足需要的控制 技术去替代，这种需求背景导致了比例技术的诞生和发展。1 9 6 7 年瑞士 b e r i n g e r 公司生产的k l 比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中应用 的正式开始，这一阶段的比例阀仅仅是将比例型的电机械转换器( 比例电 磁铁) 应用于工业液压阀，阀的内部不含受控参数的反馈闭环，工作频宽低。 到8 0 年代，随着微电子技术和数学理论的发展，比例控制技术已达到比较 完善的程度，主要表现在3 个方面：首先是采用了压力、流量、位移、动 压等反馈及电校正手段，提高了阎的稳态精度和动态响应品质，这些标志 着比例控制设计原理已经完善；其次是比例技术与插装阀相结合，诞生了 比例插装技术；再是以比例控制泵为代表的比例容积元件的诞生。同时， 燕山大学工学硕士学位论文 由于传感器技术和电子器件的微型化，出现了电液一体化的比例元件，使 得结构更加紧凑，性能进一步提高 1 0 1 。未来的阀可能带有储存器和具有智 能，具有自动检测和报警功能，只要接受简单的指令，就能完成一系列的 工作。 电液控制技术是一门比较年轻的技术，它的发展和普遍应用还不到5 0 年，然而，凭借它的优点却形成了流体传动与控制领域的一个重要分支， 并成为现代控制工程的基本技术构成之一。在液压传动与控制中能够接受 模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制，都可 以称为电液比例控制系统，是联系微电子技术和工程功率系统的接口，本 质是电子液压机械( e h m ) 放大转换系统。这种转换可以是电模拟 量( e a m a ) ，也可以是电数字量转换为机械模拟量( e d m a ) ，还可以是电数 字量转换为机械数字量( e d m d ) 。从工程应用的角度来看，电液比例控制 系统有以下特点： ( 1 ) 简化液压系统，实现复杂程控； ( 2 ) 便于实现远距离控制或遥控； ( 3 ) 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标； ( 4 ) 自动化程度高，容易实现编程控制： ( 5 ) 系统的节能效果好。 特别是随着计算机控制技术、电子技术在液压传动及控制系统的广泛 深入应用，使新一代电液控制系统兼备了电气和液压的双重优势，形成了 自身技术特点，扩展了电液控制系统的应用范围。 电液控制技术今后向以下几个方面发展： ( 1 ) 机电液一体化这是将微电子技术和液压技术结合成一体，出现了 将比例控制系统、伺服系统所需的放大器、传感受器、信息显示装置等与 液压泵、阀和液压缸等紧凑地组合在一起，组成新颖的一体化组件及控制 系统 ( 2 ) 高压大功率为了减轻系统重量及尺寸和解决大惯量与重负载的拖 动问题 4 第1 章绪论 f 3 1 高的可靠性为了提高可靠性，除一方面对机器本身的研究与改良 以及增加监测与诊断技术外，目前正在采用余度技术与重构技术，采用了 三和四信道的余度构成系统 ( 4 ) 理论解析与特性补偿要使系统有满意的性能，必须对复杂系统( 如 多变量液压系统) ，对复杂因素( 非线性及时变等) 进行仿真分析，研究系统 的性能补偿问题与近代控制策略 ( 5 ) 同计算机的更有效结合即智能化的电气液压控制系统 ( 6 ) 流体介质及相关工程材料的开发研究随着人们环保意识的不断增 强，非石油型号的乳化液或合成液如高水基液、水乙二醇液、磷酸脂 液等可局部替代液压油作为传动介质的流体相继研究成功，与相关的工程 材料如不锈钢、工程塑料、陶瓷等来制造液压组件的关键零部件。 电液控制技术与控制理论的发展是密不可分的，在近代电液控制系统 中，非线性、参数变化、外负载干扰和交叉干扰对系统控制性能的影响至 关重要。因此，近代控制策略在液压控制系统中应加以重视。 1 2 2 比例阀及其回路的c a d 研究 随着科学技术的发展，特别是计算机技术的发展，利用计算机作为工 具来研究实际系统的动态特性已成为可能。在计算机上进行实验，研究实 际物理系统的各种工作状态，确定最佳参数匹配，这就是计算机仿真。早 在2 0 世纪5 0 年代。l - i a n p u n ( 1 9 5 3 ) 和n i g h t i n g a l e ( 1 9 5 7 ) 就进行了液压伺服系 统的动态性能分析。那时采用的是传递函数法，一般只分析系统的稳定性 及频率响应。这种方法只能用在单输入、单输出的线性定常系统中，不足 以描述系统内部的各变量特征，也不易处理液压系统中普遍存在的非线性 问题。7 0 年代初期，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究， 但仅能进行动态性能的数字仿真计算，而且数据输入复杂。7 0 年代后期， 随着液压流体力学、控制理论、优化设计、仿真、计算机等学科的发展， 已经可以建立液压系统的分析数学模型。近年来，液压仿真技术在欧洲得 到了飞速发展，各国纷纷推出液压仿真软件的新版本，如英国的b a t h f p ， 瑞典的h o p s a n ，德国的d s h + 等。一些综合系统仿真软件在商业上也获得 燕山大学工学硕士学位论文 了很大的成功，具有代表性的有法国的a m e s i m ，波音公司的e a y 5 等。 自9 0 年代后期开始，液压仿真技术研究逐渐在我国蓬勃兴起，许多高校和 研究机构都开展了这方面的研究，并取得了一些发展。如上海交通大学研 制成功的图形自动编程仿真软件包h y c a d 。 现代液压仿真软件都具有以下功能： ( 1 ) 广泛的基本液压元件模型及灵活的组装广泛的基本液压元件模型 能够适应各种仿真要求，无论基本模型库多么包罗万象，也不可能包含用 户对元件模型的全部要求，自定义元件模型应该可以用软件自带的元件模 块组装； ( 2 ) 多领域建模仿真在实际的工程应用设计中，液压系统仅仅是某个 系统的一部分，元件库应该包括各种机械、电子及其它领域的元件模型； ( 3 ) 数据库技术一个仿真系统最主要的技术文档是系统的原理图，其 它还包括元件的微分分方程和代数方程的数学描述、参数仿真结果及其它 信息。用数据库技术对这些信息集中管理，可以实现数据共享，保证数据 的一致性、安全性及用户操作的独立性，迅速完成数据的查询和通信； ( 4 ) 图形操作界面目前，几乎所有知名的液压仿真软件都支持图形化 操作界面，从而使仿真技术能够更广泛地用于工程实际，更大范围的商品 化； ( 5 ) 实时仿真当前的液压仿真软件的积分运算的步长可以改变，硬件 速度又大大提高，使得实现实时仿真已经成为可能，使仿真计算更直观， 更具说服力。 现代液压仿真软件已经在工程实际中得到越来越广泛的应用，今后液 压仿真技术的发展方向主要有： ( 1 ) 系统的建模与算法液压系统的工作介质是流体，而流体的许多复 杂的情况还有待迸一步的研究，同时液压仿真软件的实际应用平台开始转 向微机，这就对单机算法的改进提出了要求： ( 2 ) 专家系统仿真软件的优化设计包括结构设计的优化、参数优化及 性能价格比的优化，应用现代控制理论和人工智能专家设计系统结构和确 定系统参数，缩短设计周期； 6 第1 苹绪论 ( 3 】仿真软件与实际物理系统的连接 以实际的物理部件作为仿真模型 的一部分，使仿真过程更加灵活，更有可信度。 ( 4 1 多媒体技术与面向对象多媒体技术特别特别是多媒体动化技术可 以动态直观表示液压传动内容，用面向对象的方法取代模块式的液压仿真 软件设计，可以使系统的运作能过对象之间的接口和消息传递实现，科化 仿真系统的复杂性。 现在开发的比例阀选择、计算、仿真软件包，其程序可根据比例阀的 不同功用对其进行选择并对工作参数进行计算；并通过帮助文件告诉用户 如何建立、保存和打印c a d 文件。由于使用了面向对象的可视化编程，此 软件包较先前的研究有了很大提高，其用户界面更加友好，条理更加清晰， 便于用户的学习和使用。 1 3 课题的意义及研究的主要内容 1 3 1 课题的意义 计算机辅助设计技术已经在流体动力领域中得到了广泛的应用，各种 液压c a d 软件包也相继涌现。对比例阀及其控制回路的c a d 研究大多只 局限于某一具体参数或某一具体的系统，没有一个综合而全面的方案，为 设计者带来了不便。为了提高工作效率，减轻设计人员的劳动强度，更好 地满足设计者的要求并于国外发展相适应，开发比例阀及其软件包是很有 必要的。如何合理地选择比例阀、快速生成比例阀控制回路并对其进行动 态仿真，成为越来越主要的问题。比例阀及其回路的c a d 设计可有效地解 决上述问题而且也推动了我国流体动力c a d 技术向着标准化、集成化的方 向发展。 1 _ 3 2 论文的主要内容 本课题研究的主要内容为比例阀应用软件的编制，它包括：比例阀的 选择及工作参数的计算；生成比例阀应用回路；对典型的比例阀回路进行 动态特性仿真。 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 比例阀的选择及工作参数的计算用v i s u a lb a s i c 语言编写程序主 界面；并根据不同的要求编写相应的功能模块：用a c c e s s 建立比例阀的数 据库；根据用户的输入，以图表的形式给出最终结果。 ( 2 ) 生成比例阀回路用工程绘图软件a u t o c a d2 0 0 4 建立基本回路库， 并把基本回路库中的各回路做成模板；用a c t i v e x 技术实现v i s u a lb a s i c 对 a u t o c a d 的调用；用户既可在基本回路模板的基础上稍作修改得到所需回 路，也可根据需要设计自己所需的回路。 ( 3 ) 比例阀控制回路的动特性分析对典型比例阀控制回路的动特性进 行分析，建立其数学模型；使用m a t l a b 语言和v i s u a lb a s i c 语言编程，通 过a c t i v e x 技术实现v i s u a lb a s i c 对m a t l a b 的调用。用户可通过选择回路模 型，输入参数，选择模拟方法实现比例阀回路的动态特性分析，并得到可 视化的仿真结果。 v i s u a lb a s i c 编写的程序不仅能实现上述功能，还可实现文件的打开、 打印、编辑等功能。 第2 章比例阀及其回路的理论研究 第2 章比例阀及其回路的理论研究 2 1 电液比例阀工作原理及分类 2 1 1 电液比例阀的构成 比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。它可以接 收电信号的指令，连续地控制液压系统的压力、流量等参数，使之与输入 电信号成比例地变化。尽管比例阀种类繁多，结构各异，但它的工作原理 及结构均可用图2 1 上线框内的所示的框图来表示。图2 1 所示为一个闭环 控制的电液比倪系统框图。从图中可以看出比例阀在系统中所处的地位以 及与比例放大器、液压执行器之间的关系。 圈2 - l 电液比例控制系统示意圈 f i g 一2 1t h es k e t c hm a po f h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m 电液比例阀主要由以f 几个部分组成： ( 1 ) 电机械转换元件： ( 2 ) 液压先导级： 热山人学 ：学硕十学能论文 ( 3 1 液压功率放大级； ( 4 ) 检测反馈元件。 电一机械转换元件将小功率的电信号转换成阀芯( 或喷嘴挡板) 的运动， 通过阎芯的运动去控制流体的压力与流量，完成电一机一液的比例转换： 在流量比较大的场合，力( 矩) 马达输出的力( 矩) 较小，无法直接驱动功率级 主阀这时就需要增加液压先导级，将电一机转换元件的输出加以适当的 放大再来控制主阀级；为提高电液比例阀的性能，在其内部有适当的缴间 反馈回路。 2 1 2 电液比例阀的分类 比例控制元件种类繁多，性能各异，有许多种不同的分类方法。最常 用的分类方法是按其控制功能来分类，可分为比例压力控制阀、比例流量 控制阀、比例方向阀和比例复合阀。前两者为单参数控制阀，后两种为多 参数控制阀。 按液压放大级数的级数来分，以可分为直动式和先导式。 按比例控制阀的内含的级问反馈参数或反馈物理量的形式来分，又可 分为带反馈型和不带反馈型；反馈类型又分为流量反馈，位移反馈和力反 馈。 2 2 电液比例系统的组成及分类 2 2 1 电液比例系统的组成 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能也不相同，但都可归纳为 由功能相同的基本单元组成的系统。如图2 1 所示。 ( i ) 指令元件是给定控制信号的产生与输入的元件； ( 2 ) 比较元件它的功用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差 信号作为比例放大器的输入： ( 3 ) 比例放大器其作用是对输入的信号进行加工、整形和放大。使达 到电一机械转换装置的控制要求； 第2 章比例阀及其回路的理论研究 f 4 1 比例阀它是电液的接1 ：3 元件，把经过放大后的电信号转换成与其 电学量成比例的力或位移，是整个系统的功率放大部分； f 5 1 液压执行器通常指液压缸或液压马达，是系统的输出装置，用于 驱动负载； ( 6 ) 检测反馈元件检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的反馈 信号。 从图中可看出检测元件有内环和外环之分，内环检测元件包含在比例 阀内，用于改善比例阀的动、静态特性，外环检测元件直接检测输出量， 用于提高整个系统的性能和控制精度。 2 2 2 电液比例系统的分类 电液比例控制系统可以按很多种方式，从不同角度来进行分类。目前， 最通用的分类方式是按被控对象( 量或参数) 来进行分类，则电液比例控制系 统可以分为： ( 1 ) 比例流量控制系统； ( 2 ) 比例压力控制系统； ( 3 ) 比例流量压力控制系统； ( 4 ) 比例速度控制系统； ( 5 ) 比例位置控制系统； f 6 ) 比例力控制系统： ( 7 ) 比例同步控制系统。 2 3 比例控制回路的动特性分析 2 3 1 比例位置控制回路的动态特性分析 动态设计是为了在初步设计后进一步了解控制系统的稳定性、快速性 和精确度等动态性能是否满足工程系统的要求。根据负载的不同，位置控 制系统可以分为惯性负载位置控制系统和弹性负载位置控制系统。系统负 载主要是惯性负载，其它负载可忽略不计，这种电液位置控制系统应用最 为广泛，其简化后的函数框图如图2 2 所示。 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 2l e , 侈t j 位置控制系统传传递函数框图 f i g 2 - 2t h et r a n s f e rf u n c t i o nm a p o f h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m 电液控制阀的传递函数 删= 等= 瓦k q ( 2 - 1 ) - 十j 十l jm 。 式中 k 。电液控制阀的流量增益 蛾阀的固有频率 孝。阀的阻尼系数 s 拉普拉斯算子 这些数据由制造厂商提供，有时也用曲线的方式提供，自行找出所需 要的数据。 液压缸和惯性负载的传递函数 删2 器。蕊1 a 弘：， =丝尘：区 lv 啊 瓦= 竽 式中 饥液压缸的固有频率 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第2 章比例阀及其回路的理论研究 彘液压缸的阻尼系数 k 。液压弹簧刚度 既液压油的体积弹性模量 a 液压缸的作用面积 挪负载和液压缸可动部分的总质量 矿阀至液压缸两腔的总体积 系统输出位置相应的电压与输入电压的开环传递函数为 g = 器u = 1 s ir 面墨丁f ( 2 - 5 ) 嚆+ 等川，c 蓦尝刚， ” k ，= k 。k q k 且a ( 2 6 ) 式中置，系统的开环增益 足控制放大器增益 置。位移反馈系数 当考虑电液阀的动特性时，系统的开环传递函数还是比较复杂的，通 常电液阀的响应速度较快，与液压动力元件相比，其动特性可以忽略不计， 把它看成比例环节，这样系统的开环传递函数可简化为 g 2 z k 口k 忑q k # i a 倍7 ， o ： e - 。| d h 该系统为i 型系统，在阶跃输入时，稳态误差为零，影响系统的动态 性能主要是液压缸的频率魄：系统稳定性条件为k ， 1 旷 = pa n d v a l ( f g - t e x t m a t r i x ( i ，2 ) ) - 1 2 + pa n dq 2pa n dq _ v a l ( f g t e x t m a t r i x ( i ，3 ) ) t h e n t e x t 3 t e x t2 奄，t e x t m a t r i x ( i ，1 ) n = i e x i ts u b e n d i f n e x t i i ft e x t 3 t e x t = ”t h e n m s g b o x “没有查到相符的型号，请检查输入的参数”，6 4 ，- ，提示” e x i ts u b e n d i f e n ds u b 由于比例阀产品已标准化，因此本程序的用户只拥有使用权，没有更 4 1 燕山大学工学硕士学位论文 改权，也就是说用户不能通过文本框添加、删除和更改数据库中的数据， 只有拥有特殊权限的用户才能添加、删除和更改数据库中的数据。 5 2 2 比例阀计算的编程与实现 在“比例阀参数计算”一章中，我们对不同情况下比例阀参数的取值 进行了讨论，并给出了相应的计算方法。在此基础上，编制了比例阀的选 择与计算模块。这部分分为三个步骤：选择用途，参数的输入，结果的显 不。 图5 - 4 比例方向阀计算模块 f i g 5 - 4t h em o d u l eo f c a l c u l a t i o nf o rp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v e 我们以“比例方向阀计算模块”为例说明程序的使用方法及其编程实 现。如图5 - 4 所示为此模块的用户界面，用户只需按照界面上的提示填写相 应的内容，然后按“泵压计算”按钮。程序会弹出个消息框( 如图5 5 所 第5 章软件的编程与实现 示) ，询问用户是否需要修改参数，若用户不需修改参数，点击“否”按钮， 程序便会按照用户的输入进行下一步的工作。若用户有错误的输入，按“是” 按钮，即可回到5 - 4 的用户界面。程序本身在计算过程中也会对用户输入的 参数进行检查，发现不合理参数将对其报警。 图5 - 5 消息框 f i g 5 5t h em e s s a g eb o x 下面给出部分程序代码： 为了说明方便，先声明如下几个全局变量： d i mp v ( 1t o4 ) a s s i n g l e 计算出的阎压降 d i mf g ( 1t o4 ) a ss i n g l e 液压缸所需输出作用力 d i ma ka ss i n g l e 液压缸无杆腔愿积 d i m a r a ss i n g l e d i mv la ss i n g l e 快进速度 d i mv 2a ss i n g l e 工进速度 d i m d p ( 1t o4 ) a ss i n g l e比例方向阀入口或出口阀压降 ) 实现计算功能的代码如下： 泵压计算 p r i v a t es u bc o m m a n d l _ c l i c k 0 i fm s g b o x ( ”对你所输入的参数是否需要调整? ”，3 6 ，”重设参数”1 = v b y e st h e n e x i ts u b 燕山大学工学硕士学位论文 e n d i f i n2 v a l ( t e x t l t e x t ) v l = v a l ( t e x t 2 t e x t ) v 2 = v a t ( t e x t 3 t e x t ) s b = v a l ( t e x t 4 t e x t ) f r 。v a l ( t e x t 5 t e x t ) f k = v a l ( t e x t 6 t e x t l d k = v a l ( t e x t 7 t e x t l d b ；v a l ( t e x t 8 t e x t l a n g 2 v a l ( t e x t 9 t e x t ) g = 1 0 p i = 3 1 4 1 6 a 2 v l “2 ( 2 + s b + o 0 0 1 ) f s t 2r n8 g + s i n ( a n g + p i 1 8 0 ) 静态负载 f g ( 1 ) 2 m + a + f s t + f r ，加速时 f g ( 2 ) 2 f s t + f r - 快进时 f g ( 3 ) 2 f s t + f r m + ( v l v 2 ) “2 ( 2 + s b + o 0 0 1 ) 减速时 f g ( 4 ) 2f s t + f k + f r 工进时 a k 2 p i + ( d k + o 1 ) n 2 4 a r 。a k p i + ( d b + o 1 、“2 4 d p l25 d p 2 = 5 i = l f o r i 。1t o3 i f f g ( i ) ( 2 + f ( 1 ) + d ( 1 ) ) t h e n 判断系统的稳定性 m s g b o x ”系统不稳定，请调整系统参数”，6 4 ，”警告” e x i t s u b e n d i f d i m m a u a b a s o b j e e t d i mr e s u l ta s s t r i n g s e t m a t l a b = c r e a t e o b j e c t ( ”m a u a b ，a p p l i c a t i o n “、 c a l lm a n 曲p u t f u l l m a t r i x ( ”k q ”，”b a s e ”，a i ) c a l lm a t l a b p u t f u l l m a t r i x ( ”k a ”，“b a s e ”，b ，i ) c a l lm a t i a b p u t f u l l m a t r i x ( ”l f f x ”，”b a s e ”，c ，i ) c a l lm a n a b p u t f u l l m a t r i x ( ”w h ”，”b a s e ”，d ，i ) c a l lm 甜a b p u f f u l l m a t r i x ( ”a ”，”b a s e ”，e ，i ) c a l lm a t l a b p u t f u l l m a t r i x ( ”k e ”，”b a s e ”，i ) i f o p t i o n 2 v a l u e = t r u et h e n r e s u l t = m m l a b e x e c u t e ( ”n u m = k a k q + k f x a ”)m a t l a b 仿真程序 r e s u l t = m a t l a b e x e c u t e ( ”d e n = 1 ( w h 2 ) ，2 + k c w h ，1 ，o 】”) r e s u l t = m a n a b e x e c u t e ( ”b o d e ( n u m , d e n ) ”1 r e s u l t = m a f l a b e x e c u t e ( ”m a r g i n ( n u m ，d e n ) ”) e l s e r e s u l t 2 m a t l a b e x e c u t e ( ”n u m = k a + k q a ”、 r e s u l t 2 m a u a b e x e c u t e ( ”d e n = 1 ( w h 2 ) ，2 + k c w h ，l ，k a 4 k q + k f j 【a 1 ”) r e s u l t 2 m a t l a b e x e c u t e ( ”i m p u l s e ( n u m , d e n ) “、 e n d i f r e s u l t 2 m a t l a b e x e c u t e ( ”g r i d ”、 r e s u l t 2 m m l a b e x e c u t e ( ”p r i n t ( - f l , - d m e t a ，1 d ：j e r a f ) ”) c a l lm a t l a b m i n i m i z e c o m m a n d w i n d o w f o r m 5 s h o w 第5 章软件的编程与实现 f o r m 5 c a p t i o n = ”仿真结果” f o r m 5 1 m a g e l p i c t u r e = l o a d p i c t u r c ( ”d ：j e r m 。) k i l l ( ”d 内e m p ) m a n a b v i s i b l e l e t a ds u b 5 5 界面模块的编程与实现 界面模块主要承担了编制用户界面的工作，人机界面是整个应用程序 的外包装，它是否友好关系着整个软件的质量。本模块包括窗体与菜单设 计子模块和文件管理子模块。 5 5 1 窗体与菜单子模块 绝大部分应用程序都包含有窗体和菜单，它们是构成w i n d o w s 应用程 序的主要部件。窗体是v i s u a lb a s i c 中最常见的类，几乎所有的应用程序都 是建立在窗体之上的，它为用户提供了应用程序的界面。窗体既可作为其 它对象的容器，又可作为信息的输出端。在v b 程序的设计过程中，只需 将控件放到窗体中，然后在代码编辑窗口编写处理出现在窗体上的事件。 菜单是窗体上的部件，它以窗体为容器，为程序提供执行代码和命令， 完成某种任务。v i s u a lb a s i c6 0 提供了菜单编辑器，设计菜单比较容易，但 要具体实现某种功能，则需在发生的事件中添加代码。 5 5 2 文件管理子模块 文件管理模块实现了打开、保存、打印、记忆打开的文件等功能。在 本模块中。使用了高级a c t i v e x 控件中的公用对话框控件。公用对话框控 件为编程者提供了组标准的操作对话框，进行诸如打开和保存文件、设 置打印选项、以及选择着色和字体等操作，减少了编程量，同时使应用程 序保持与w i n d o w s 应用程序一致的外观。打开对话框只能获得打开文件的 名称和路径信息，文件的打开功能必须由程序来实现1