（机械工程专业论文）电液位置伺服控制技术在dfma造型机上的应用研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 中史摘要 摘要 电液伺服系统在信息传递中不仅采用机械和液压部件，还大量的使用电气元件。它具 有控常4 精度高、动态性能好等优点。因此，电液伺服系统在工业中有着广泛的应用前景。 本论文以全自动造型线造型机作为研究对象，分析了电液位置伺服控制系统。论文以 流体力学和控制理论为基础，建立了对称阀控非对称缸的数学模型，并合理采用p i d 调节 器，不但提高了系统的控制精度，而且还降低了系统除反馈元件外的其它元器件性能要求 ( 如零漂，死区等) 。论文还提出了简单实用的基于软件平台的系统重要参数一开环时域 增益确定法。论文所分析系统频宽达到7 5 1 r a d s ，位置精度达到0 。0 2 m 。由于论文分析 的系统工作精度高，油源品质的好坏对系统的动态性能、稳定性、可靠性等系统性能有直 接影响，因此，论文对价格一性能比较好的定量泵一溢流阀油源进行獠别分析。对油源系统 建模并作动态分析后表明，采用该油源系统完全满足造型机电液位置伺服系统的动态性能 要求。 造型机是铸造工业的关键设备之一。论文的研究成果将促进我国铸造设备制造水平的 提高，使我国在造型机位置控制精度步入世界先进水平。 关键词：造型机电液位置伺服控制技术特性分析 昆明理工大学硕士学位论文英文摘要 s u m m a r y w h e nt r a n s f e rt h ei n f o r m a t i o n t h ee l e c t d cl i q u i ds e r v os y s t e mn o to n l yu s em e c h a n i ca n d h y d r a u l i cc o m p o n e n t s b u ta l s o u s e al a r g en u m b e ro fe l e c t r i cc o m p o n e n t s t h e r e f o r e 。t h i s e l e c t r i c - 而e c h a n i cs e r v os y s t e mw i l lh a v eaw i d eo u u o o kf o ri t sa p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r y t h ep r e s e n tt h e s i st a k e ss p e c 饷ch y d r a u l i cm a c h i n e - - m o u l d i n gm a c h i n ea sj t ss t u d yt a r g e t i t d e s i g n e de l e c t d cl i q u i dp o s i t i o ns e r v ov a l v es y s t e m ，a n dt a k e sf l u i d i cm e c h a n i ca n dc l a s s i c a lc o n t r o l t h e o r ya si t sb a s e i ts e tu pam a t hm o d e lo nt h es y m m e t r ya si t sb a s e i ts e tu pam a t hm o d e lo n t h e s y m m e t r yv a l v ec o n t m lt h en o n - s y m m e t r yc y l i n d e ra n da d o d tr a t i o n a l l yp i dr e g u l a t o r , t h i si sn o to n l y i n c r e a s et h ep r e c i s i o no ft h ep o s i t i o nc o n t r o lo ft h es y s t e m b u ta l s oi tr e d u c e dt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r a m e n to no t h e rc o m p o n e n t s ，e x c e p tf e e db a c l c o m p o n e n t s ( s u c ha s ：z e r od r i l t d e a db a n de t c ) t h et h e s i sa l s or a i s e das i m p l ya n dp r a c t i c a lm e t h o do fd e f i n et h eo p e nl o o p = r a i s e t h i sm e t h o di s b a s e do nt h em a j o rp a r a m e t e ro ft h es o f tt e r r a c es y s t e m t h ew i d t ho ft h ef r e q u e n c yo ft h ed e s i g n s y s t e mr e a c h e d7 5 1r a d s t h ep r e c i s i o ni s - - + 0 0 2 m m a st h et h e s i sd e s i g n e dw i t hah i g hp r e c i s i o n w o r k i n gs y s t e m 。t h eq u a l i t yo ft h eo ns u p p l yw i l le f f e c td i r e c t l yo nt h ef u n c t i o nf o ri t sd y n a m i c p r o p e r t y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y f o rt h i sr e a s o n ，t h et h e s i sc h o o s er a t i o np u m p - o v e r f l o wv a l v ew h i c h h a sag o o dp r i c ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c ef o ri t so i ls u p p l y e r a f t e rf o u n dt h eo i ls u p p l ym o d e la n d m a d et h ed y n a m i ca n a l y s i so ni t i te x p r e s st h e ( w h e ni ta d o p t e dt h i so i ls u p p l ys y s t e mi tc a nf u l l y s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to nd y n a m i cf u n c t i o nf o rt h ee l e c t r i cl i q u i ds e r v os y s t e mo ft h em o u l d i n g m a c h i n e t h em o u l d i n gm a c h i n ei so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t so nt h ef o u n d r yi n d u s t r y t h er e s u l to ft h i s s t u d yo ft h et h e s i sw i l li m p r o v et h ep r o d u c t i n gl e v e ro nt h em o u l d i n gm a c h i n em a n u f a c t u r ea n dm a k e o u rc o u n t r y st h ep r e c i s o nc o n t r o lo nt h em o u l d i n gm a c h i n er u ni n t ot h ew o r d sa d v a n c e dl e v e r k e yw o r d ：m o u l d i n gm a c h i n e s e r v ot e c h n i q u eo fe l e c t r i cl i q u i dp o s i t i o nc o n t r o l c h a r a c t e ra n a l y s i s 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。了 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。本声明的法律结果由拳人承担 学位论文作者签名：缮移 日期：加悼f o 月z 占e l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：论文作者签名：盔 日期：丝竺生2 旦兰苎旦 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1电液伺服系统的发展及其分类1 1 1 3 1 1 4 1 液压技术是以静压力传递原理( 帕斯卡原理) 来工作的，依靠静压力来传递力和功率。 该原理早在1 6 5 0 年就由帕斯卡提出，但作为工业应用则始于1 7 9 5 年，英国人约瑟夫布 拉默( j b r a m a h ) 首次用水作为介质以水压机的形式付诸于工业生产，；用于压紧羊毛和 编织原料。但直到1 9 世纪5 0 年代的英国工业革命，采用蒸汽机驱动水泵作为动力源才将 液压技术在工业生产中得以广泛应用。从原理的提出到在工业上的广泛应用，液压技术的 发展经历了2 0 0 余年的时间。然而，高品质的液压系统的出现，则是在2 0 世纪中期二次 大战。 帕斯卡原理提出近3 0 0 年后，由于喷气式飞机对控制系统的快速性、动态精度和功率 重量比都提出更高要求，1 9 4 0 年底，在飞机上出现了电液伺服系统。但在该系统中，电 液伺服阀是由一个伺服电机拖动，作为电液转换器。由于伺服电机惯量大，使伺服阀成为 控制回路中响应最慢的元件。直到2 0 世纪5 0 年代初，出现了快速反应的永磁力矩马达， 才形成了当今所使用的电液伺服阀的雏形。2 0 世纪5 0 年代末，c o r n e l 在d a c lo fm i ，t 的合作下研制出喷咀挡板阀作为前置的两级伺服阀，进一步提高了电液伺服控制系统的快 速性。使电液伺服系统成为响应速度最快，控制精度最高的液压控制系统。6 0 年代中又出 现了干式力矩马达，解决了油液中金属微粒吸附在磁隙中的难题，使得电液伺服阀性能趋 于完善。2 0 世纪8 0 年代初，由于电子技术的发展与液压技术的结合，出现了采用高速开 关阀和步进电机拖动的数字阀的脉宽调制( p w m ) 型电液伺服系统和数字增量控制( i d c ) 型电液伺服系统。其特点为：1 ) 抗干扰能力强，普遍用于存在较大程度参数变化和外负 载干扰环境；2 ) 采用各种类型的数字阀，省去d a 转换装置；3 ) 控制策略以近代控制方 法，智能化控制方法和鲁捧控制方法为主，控制器采用以数字控制和微机控制实现为主【2 】。 随着传感技术及微电子技术与液压技术的有机结合，工业应用中业已形成“液压、气 动技术+ 电子技术+ 传感技术”的局面。目前，国外的1 3 的自动生产线，3 0 的机器人， 9 0 的包装机械，7 0 的铸造、锻造设备，2 0 的轻纺机械都采用“液压气动技术+ 电子技 术+ 传感技术”。9 5 的工程机械，9 0 的数控加工中，t l , ，9 5 以上的自动生产线都采用电 液控制技术。此外，专家系统、人工智能控制已开始用于电液传动及控制系统中，并取得 可喜的成果胪j 。电液伺服控制技术在高性能伺服阀基础上，增大电机械转换器的输出功率 和适当简化伺服阎结构，着重改善阀的抗污染性能，并降低制造成本，因此在工业技术中 电液伺服控制系统得到日益广泛的应用。 伺服系统是闭环控制系统( 可分为：伺服系统、自动调整系统和过程控制系统) 之一， 其被控量是指位置、速度、力之类的机械量，并要求输出量和输入量有一个函数关系【2 引。 而电液伺服控制系统是指信息的传递不仅使用机械和液压元部件，还大量的使用电气元 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 件，这种系统不但系统控制精度高，而且动态性能好。按被控量的不同，电液伺服系统可 分为： ( 1 1 电；斑健置俪照系统 电液位置伺服系统充分发挥了电子与液压两方面的优点，即能控制很重的惯量和产生 很大的力或力矩，又具有高精度和快速响应能力，并有很好的灵活性和适应能力。它不仅 可以直接用于位置控制，在控制其它物理量的系统中，如压力、流量、金属液面、温度等 控制系统中，也常有位置控制小回路作为大回路的一个环节【7 l 。系统的被控制量是直线位 移或者是旋转角度。 ( 2 ) 电液速度伺服系统 电液速度伺服系统就是把输出动作的速度变化经速度传感器反馈给输入端，形成一个 伺服回路。在很多情况下，速度回路也可作为一个辅助回路出现在位置回路内，它可以提 高系统的刚度和减小主回路中伺服阀参数的变动影响，起到改善系统的作用叽电液速度 伺服系统的被控制量是直线速度或者是旋转速度。 0 1 电液施力伺服系统 电液施力伺服系统是电液伺服系统的一个组成部分，在工程上主要应用于疲劳试验加 载系统，张力控制系统及模拟负载装置等。系统的被控制量是力、力矩或者是压力。 1 2 液压控制系统的特点1 7 】 众所周知，电气或电子技术在信号的检测、放大、处理和传输等方面比其它方式具有 明显优势。因此，工程控制系统的指令及信号处理单元和检测反馈单元几乎无一例外采用 了电子器件。然而，在功率转换放大单元和执行部件方面，液压元件则具有更多的优越性。 液压控制系统有如下特点： i ) 液压执行元件的功率重量比和转矩惯性矩比( 或力质量比) 大，具有很大的功 率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元。而且液压执行元 件的功率重量比取决于最高允许压力，实际上只受材料安全强度和密封技术的限制。因此， 液压执行元件的功率重量比要比电磁执行元件的功率重量比几乎大一个数量级。液压马 达的转矩惯性矩比可达直流电机的1 0 1 5 倍。 2 ) 液压系统的负载刚度大，精度高。由于液压执行元件的泄漏很小，液体介质的体 积弹性模量又很大，故具有较大的速度负载刚度，即速度力或转速力矩曲线斜率的倒数 很大，因此可用于开环系统。用于闭环系统时则表现为位置刚度大，其定位精度受负载变 化的影响小。液压马达的开环速度刚度约为电动机的5 倍。电动机的位置刚度很低，是无 法和液压马达相比。所以，电动机通常只用来组成闭环位置控制系统。 3 ) 液压装置的工作较平稳、反应快、冲击小，液压驱动能实现较大的加速度，1 可以 安全、可靠和快速地实现频繁带负载起动和制动及频繁的换向。与其它驱动技术相比，在 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 相同的时间内走完相同的距离需要较低的峰值速度。这在机器上可延长轴承的使用寿命。 此外，液压控制系统可方便地实现正反向的直线( 回转) 运动和动力控制，并且具有很大 的调速范围。 4 ) 最简单的直线运输液压缸是用于产生宜线运输的最简单装置，仅带两个工作件 活塞和缸体，其结构简单、故障率极低且修理成本也很低。 5 ) 自润滑性好、并方便地取走热量液压的介质本身即是滑润剂，因而可靠和长寿 且具有液压驱动的特征。液压介质在元件和管道中流动，可把热量带到个方便的远处再 做处理。而其它装置则多采用从发热处辐射热量。 6 ) 易于实现过载保护和自动化。 7 ) 液压元件已实现了标准、系统化和通用化，便于设计、制造和使用。国外的生产 厂不仅能提供单一器件，而且还能为客户提供成套产品。如r c x r o t h 公司将液压元器件与 工业微机控制系统相结合实现铸铁厂的高速、高精度控制及监视成套装置。 1 3 本论文研究的内容 随着我国加入w t 0 ，中国已成为世界级的加工厂，工业技术的发展离不开铸造行业的 水平的提高。造型机是铸造行业的关键设备，其品质优劣，技术指标高低直接影响产品质 量、产量及原料消耗。因此对引进造型机的分析研究将对我国铸造行业提供技术支持。 对于该造型机的举升机构液压控制系统来讲，使之高效准确完成规定动作，对保证整 条生产线的生产节拍，其中保证其举升位置的高质量工作是整台设备长期稳定正常工作的 关健。 从整条生产线的循环设计图来看每个砂型的单循环时间为3 7 秒，每一箱造型时间为 1 7 5 秒，除去加砂，换位，压实，模板旋转的必要时间外，用于举升，下降的时间各为 2 5 秒，因此，电液伺服控制技术在d 聃柏造型机上的应用研究是本论文的研究重点。系 统采用位置传感器检测位移，和伺服阀一起构成速度位移闭环控制，根据实际生产情 况完成液压系统的分析研究。运用现代控制理论的有关知识，对控制系统进行建模，并做 动静态分析和数值仿真，使之更好应用于工程实践。 1 ) 对称阀非对称缸系统与对称阀控对称缸系统相比在特性上有很大差异，而且在一 般位置系统建模不考虑弹性负载。本论文将建立具有弹性负载的对称阎控非对称缸的数学 模型，并对系统的动静特性及误差进行分析。 2 ) 论文将着重研究电液位置伺服系统的控制精度和稳定性。 3 ) 系统的开环增益是影响系统性能的重要参数之一。论文摒弃传统的由静刚度及系 统对干扰的静差计算开环增益的方法，而另辟溪径采用基于软件平台的开环增益时域确定 法。 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 4 ) 论文将详细论述对称阀控非对称缸不相容性对系统压力、活塞往返速度及两向动 态特性影响，并依据造型机工况和工艺要求提出了数字( 模拟) 压力动态补偿法，以求实 现输出对负载无反应，提高了系统的抗负载扰动能力。 5 ) 论文最后将就分析油源品质对系统性能的影响，分析如何进一步保障了电液位置 伺服系统的控制精度和稳定性要求。 4 昆明理工大学硕士学位论文第二章d f m a 造型机设计分析 为了适应现代造型机的高效生产，增加了各种辅机与之配套，以实现全自动造型生 产，这就是自动造型线。 2 1k w 4 6 2 造型线 k w 4 6 2 全自动生产造型线采用d f m a 型单主机组线，上箱移出的串联开放式布置。 ， 适用于生产灰铸铁铸件，主要设备有主机、辅机分箱机、合箱机、翻箱机、铣浇日机、 转运小车、落砂机等辅机。全线采用s 5 1 3 5 u 可编程控制器集中控制，控制方式为节拍 式驱动，除浇注组芯外全部为自动化，性能稳定、运行可靠。 一设备平面布置及组成 设备布置图见图2 - 3 1 回车带由4 # 小车，捅箱移箱机，捅箱机，分箱机，缓冲气缸等组 成，完成注型从冷却带到捅箱机捅箱，然后分箱等动作。 2 造型段完成砂箱，小车的清扫，上下箱静压轮流造型，翻转，下 芯等工作，由小车，砂箱清扫装置，d f m - 1 a 造型机，翻箱机，下芯机，转运小车 等构成，造型机带有换模机构，可快速更换模板。 3 上箱段 有铣浇口机，扎气眼机，翻箱机，合箱机组成。 4 下芯段主要由下芯机，2 # 小车构成。 5 浇注段合箱钩机，浇注机，定位气缸共同构成了浇注段，并通过 3 # 小车把浇注完的铸型送入冷却带。 6 冷却带三条冷却带一共容纳了一百二十三套砂箱，铸型可以在这 进行两个半小时的冷却工艺过程。 7 落砂段两部由德国申克公司生产的落砂机分离铸件，震动的频率 和输送的速度可调，落砂后的铸件由一机械手夹起装到悬链上，送至清理厂房。 8 电气系统 全线有一个中央控制室，1 1 个现场操作站组成，采用西 门子s 5 1 3 5 u 可编程p l c 实现总体控制。中控室带电后，设备上的传感器将信号传 给中央处理单元处理，然后输出到继电器，接触器，比例阀控制板，伺服电机控 制板等元件，进而控制电机，气缸，油缸等执行元件使生产线动作。 9 液压系统液压系统位于造型线的地下室内，采用力士乐液压元件， 集中供油，共有1 1 6 个油缸，1 8 3 个阀类控制元件。选用e s s 0u n t oh 4 6 液压油， 工作油温4 0 c 。5 0 c 。，滤油精度1 0 u m ，工作压力8 m p a ，高压2 0 m p a 。 7 8 昆明理工大学硕士学位论文 第二章d n t a 造型机设计分析 抖、f，荨一 暴& 键 墨担蝠a 碱辑廿， 暴墙卜h 暴潦露 暴躲骧墓 器蜒求c i 格抖回望 嚣州_ 【一 嚣蜒楗斡。_ 暴壤姐” 赛蝴嚣目 靼螂嚣n 晕 幂史n 卅、f ，# n _ 匝删姆好耐蜊h)i 昆明理工大学硕士学位论文 第二章d f m a 造型机设计分析 二造型线工艺流程 工艺流程图见图2 - 4 。 图2 - 4 造型线工艺流程 经浇注冷却的铸型由4 # 小车运往造型线回车带，捅箱移箱机将其送到捅箱机捅箱， 捅出的砂胎被推到震动槽上，铸件与砂子初步分离，然后在落砂机上进行彻底的落砂，铸 件被机械手夹起放到悬链上作进一步的处理。 返回的空砂箱送到分箱机，上下箱被分离开来，依次送到主机造型工位进行造型。 造好的砂型由翻箱机翻转1 8 0 度，送到移落箱机，由移落箱机分别送到上箱辊道，下 芯带。上箱在这进行铣浇口，检查内腔等工作后，再次翻转，迸入合箱机，下箱则经过涂 料喷涂，下芯机下泥芯等工序后，用2 # 小车送入合箱机，合箱。 合箱后送往浇注带浇注，再经3 驯、车送到冷却带冷却。 9 昆明理工大学硕士学位论文 第二章d i m a 造型机设计分析 三造型线特点 a 、整体直线布置，占地面积少； b 、造型机设有快换模板机构，适应性强； c 、采用液压传动，电子控制。运动平稳，工作可靠： d 、采用s 5 可编程控制器控制，不但能对造型线进行行程控制和对造型的加砂量， 下芯，换模板，铣浇冒口等进行控制，还能记录故障时间，故障部位，一天生产情况。 e 、铸型紧实度高。 f 、砂型轮廓清晰，高强度，即能保持铸尺寸精度，又可防止多种铸造缺陷。 2 2d f m - a 造型机 一造型机构成 造型机主要由举升油缸、工作台、模型及模板框、余砂框多触头油缸、称量斗构成。 见图2 - 6 二造型工艺流程 称量斗固定在主机顶部，加砂斗和多触头油缸轮流进入造型工位。举升油缸工作台托 起模型，接起砂箱和余砂框到加砂高度，加砂、多触头进入造型工位，举升油缸多触头油 缸同时加压，型砂被挤压到一定强度的模样，然后模型，砂箱分型，下降，所有设备都回 到初始位，一个新循环再次开始。图2 5 为造型工艺流程图。 图2 - 5 主机造型工艺流程图 昆明理工大学硕士学位论文 第二章d f m a 造型机设计分析 图2 - 6主机外观简图 1 称量斗2 加砂斗3 多触头油缸4 余砂框 5 砂箱 6 模型及模板框 7 举升工作台8 举升油缸 k w 主机电控系统为西门子s 一5 ，模拟量输入模块用于砂斗电子定量称和液压系统 油温检测，模拟量输出模块用于多触头两个压力分区的压力控制，e m g 液压控制模块用 于举升油缸行程的速度及位置曲线控制。从主机造型工艺流程图2 - 5 我们得出主机举升油 缸上升曲线控制图2 7 。 从图中可以看出举升缸从零位开始加速上升，达到最大速度后减速，到达模型时速度 为0 ，行程3 0 ，托起模型后继续从0 开始加速上升，在按砂箱时减速，速度为0 托起砂 箱，如此不断重复该动作，托起余砂框，加砂气流预实，高压压实，完成造型后，举升油 昆明理工大学硕士学位论文 第二章d f m a 造型机设计分析 缸加速、匀速、减速放回框、砂箱、模型整个上下降时间各自都不能超过设计要求1 5 s 。 图2 7 举升油缸液压伺服系统控制曲线 2 3 液压控制系统设计 一。液压原理图 主机举升油缸液压原理图见图：2 - 8 厂一 i i i i l 一 图2 8 主机举升油缸液压原理图 昆明理工大学硬士学位论立 第二章d l m a 造型机设计分析 缸_ 力口速、匀速、减速放回框、砂箱、模型整个上下降时间各自都不能超过设计要求1 5 s 。 图2 7 举升油缸液压伺服系统控制曲线 2 3 液压控制系统设计 一液压原理图 主机举升油缸液压原理图见图2 - 8 主机举升油缸液压原理图见图2 - 8 广一 i i l 一 图2 - 8 主机举升油缸液压原理图 昆明理工大学硕士学位论文 第二章d f m - - a 造型机设计分析 二控制系统的设计要求及性能指标 1 工作压力8 0 b a r 2 油缸活塞直径m1 2 5 m m 3 油缸活塞杆直径由9 0 m a 4 油缸行程1 2 0 5 m 5 油缸承重 6 4 1 0 k g 多触头压力 1 3 9 5 8 0 k g 6 位置调节时域动态指标 总上升时间 1 5 s 超调量m o w 。 8 技术经济指标 位置控制精度 0 时( 参照图3 1 ) ，伺服阀两腔的流量方程分别为： 1 7 昆明理工大学硕士学位论文 第三章造型机电液位置伺服系统的分析 卧c d 碳再丙 卧c d m x 跖 式中，q 。油缸无杆腔流量，l m i n ： q ：油缸有杆腔流量，l m i n ： m 伺服窗口的面积梯度，m ； x 伺服阀阀芯位移，m ： p 液压油密度，k g m ；3 p 。液压油源压力，p a ； p 。油缸无杆腔压力，p a ； p ：油缸有杆腔压力，p a 。 非对称油缸的流量方程： ( 3 一1 ) q - = c * c e 一只，+ c ”只+ 善只+ k 。一。， q 2 - c 胛吲一最一瓷b 一 式中，c 。油缸内漏系数，m 3 p a s ； c 。油缸外漏系数，m 3 p a s ： v 。油缸无杆腔容积，m ；3 v 。油缸有杆腔容积，m ；3 鼻。液压油的体积弹性模数，p a 。 由式( 3 一1 ) 与式( 3 2 ) 可得两腔流量比n q ：堡：匹：o p ( 8 - p o - c e p 8 - 堡& - g q 1 v 只一只c f p ( 只一b ) + 嘲+ 姿e + k p 。 由于泄漏及液容效应所引起的流量远小于活塞运动引起的流量，故将其忽略。上式可 近似写成： q = 磊= 鲁 今设v i - v 。+ a ，y v 2 - v m - a 2 y ( 3 - - 3 ) 昆明理工大学硕士学位论文第三章造型机电液位置伺服系统的分析 式中，v 。无杆腔在两腔平衡点的容积，m ； v 。有杆腔在两腔平衡点的容积，m 3 ： a ，油缸无杆腔有效面积，一； a ：油缸有杆腔有效面积，m 2 ： y 活塞位移，m 。 对时间求导后可得： 联= a 。y 。堡：生 ka i 睁岛y 将式( 3 4 ) 代入式( 3 3 ) 可得 f 马 一4 ： 1 百可一百 定义p 。= p ，一p 。 q f 半 式中，p l 负载压力，p a ； q 。负载流量，l m i n 。 将式( 3 5 ) 与式( 3 6 ) 联立可得 卜爷够 只= 雩产 。 乱训艄莎鬲 式中口= ! 兰堡 l 2 ( 1 + 叩2 ) 2 ) o( x o ) 活塞向下运动 当活塞速度， o ，伺服阀两腔流量方程分别为： 氓_ c x j 号e ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 昆明理工大学硕士学位论文 第三章造型机电液位置伺服系统的分析 q 2 “一。吾假嵋) ( 3 7 1 1 ) n = 毒- p 2 一：垒( 3 - - 1 2 ) la l 篡荨 姗沪 q h 训岛州怙僻屿) o )( 3 - 1 4 ) 吁战棚。仁( 只一齑兄) ( 3 _ 1 5 ) 式中，屁一0 勃q = a c d 仁( 只- ) 抄o 时，对称阀控非对称缸流量压力系数； 疡工作点处的负载压力； x 。_ 工作点处的阀芯位移。 将式( 3 1 4 ) 在零位处线性化可以得到当， 0 ( 活塞向应运动) 时的线性方程 乳砒以x 圪。，只( 多 o )( 3 1 7 ) 式中，以矿孥：巩。、仁( 只+ 气) 叹vp 当i o 时对称润摔非对称缸流量增益： 瓣 堕砚 昆明理工大学硕士学位论文第三章造型机电液位置伺服系统的分析 ，一魄一蚂1 砉 “一瓦一习丽 卜蚂国莎瓦 k 蒜 ( 3 1 9 ) 当 o 时 将式( 3 _ 8 ) 代入式( 3 _ 2 9 ) 得： 昆明理工大学硕士学位论文第三章造型机电液位置伺服系统的分析 p f 击谚十c ，吼j ，蜕) 式中，等效干扰力，n ； ，于产厶 z 厂邛付加外干扰，n ； 序等_ ( 1 - c 2 地e ， 伽 式中，c 2 = 击； a d 活塞杆截面积，m 2 。 当 o 时，将式( 3 1 4 ) 代入式( 3 2 9 ) 得： p l _ 去( 矽柳坳织) 与式( 3 _ 3 0 ) 相同 而附加干扰力：分吾鲁= c 2 以只 ， 。 由以上论述可知： 厶= 甾裂舭 茹 非对称油缸的数学模型 由式( 3 1 8 ) 与式( 3 2 4 ) 联立讨得： 既m 嘣以c + 茜即以j 矿 v ( 世一+ c - ) 最+ 兹e + 4 m e 2 k “+ x 设k h = k + c i 总流量一压力系数，m 3 p a s 。 取拉氏变换可得： ( k + 茜5 ) r 卅4 盯妒k “嘣 由式( 3 3 0 ) 取拉氏变换可得： 啦) 2 去陋+ 删盹) ) + 】 ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) 式( 3 3 6 ) 与( 3 3 7 ) 联立，消去p l f s ) 可得非对称油缸的数学模型为 昆明理工大学硕士学位论文第三章造型机电液位置伺服系统的分析 嘲= 缸若奔一p ，曲 正 1 餐 2 o c 2 a d 只= 0 8 x 0 0 2 0 7 5 x3 1 5 1 0 6 = 5 2 3 1 0 5 n ，( 0 由式( 3 3 9 ) 可知： = z 警= z j 塑需糍业 = 1 5 1 7 1 4 t a d s = 2 4 1 4 6 h z 据文献 7 、文献 1 1 和文献 2 3 3 ，阻尼比彘。随工况的改变会发生很大变化，伺服位 胃系统，伺服阀在零位区域工作时孝。，= o i 0 2 ，本论文取考。= 0 , 2 。 因：等= 揣娟躺 3 5 昆明理工大学硕士学位论文 第三章造型机电液位置伺服系统的分析 l ： 3 0 8 1 0 1 2 a 。一。 o 0 3 7 o 0 3 1 k = 2 6 8 x 1 0 9 o 0 1 l 4 尼k 。4 x 7 4 5 x 1 0 8x 3 0 8 x 1 0 。2 据文献 2 4 取k s = 2 x 1 0 7 n m 些垒：! ：里! 兰! ! ：垒! 兰! 旦! ：o 0 5 4 a 。一。 i ) 0 3 7 x 0 0 3 1 = 1 2 0 所以据式( 3 3 9 ) 对称阀控制非对称缸的数学模型为： y ( ，) ：! 唑兰二兰：磐! 堕! ! ：型盘 。( o 删( 赤+ 揣川) 3 ) 确定伺服阀传递函数 由图2 1 0 可知，电液伺服阀在零位附近的固有频率为6 0 h = 2 1 8 h z = 1 3 6 9 7 3 z a s 与液压负载的固有频率m o = 2 4 1 4 6 h z 还小，故其传递函数按二阶振荡环节近似得。 熹：尝( 3 - - 7 3 ) d o ( 引。s 2 + 盗s + 1 式中，0 3 。伺服阀在零位附近的固有频率； 善。伺服阀在零位附近的阻尼比。 由图2 8 近似认为磊= 0 9 由式( 3 7 3 ) 可得： d o ( s ) f 。2 x 0 9 。1 1 3 6 9 7 3 1 3 6 互7 3 1 4 ) 选择位移传感器 传感器是将被测的某一物理量，按一定规律转换为与其对应的另一种( 或同种) 物理量 输出的装置。传感器是自动控制中实现检测的重要手段。按传感器的工作原理可分为应变 式、电压式、电容式、差动变压器式、电涡流式等。本论文将采用差动变压器式传感器， 此类传感器具有以下优点：( 1 ) 无活动触点，比电位器式传感器工作可靠，寿命长；( 2 ) 分 辨力高，可达0 1 p m 线性位移和0 1 ”角位移；( 3 ) 灵敏度高；( 4 ) 线性好，重复性好；( 5 ) 测量范围宽。 具体采用f x 一6 3 型直流差动变压器式位移传感器，其主要参数为：度等级0 1 ，供 电电压】5 v ( d c ) ，满是程输出电压2 v f d c l ，帚程2 5 m m 。 因此位移传感器的传递函数为： 昆明理工大学硕士学位论文第三章造型机电液位置伺服系统的分析 h y = u - 。- l = 万知= s 驯珑 5 ) 确定导纳k 。 为给伺服阀提供尽可能大的加速能力，又不至于烧毁力矩马达线圈，因此k 。的设定原 则是使放大器能够产生的最大电流等于伺服阀允许的最大短暂电流。取最大短暂电流是额 定电流的l 倍，即6 0 1 1 1 a 。 因而k 二唑：6 x 1 0 a i v “ 1 0 6 ) 由基于软件平台的时域方法确定系统的开环增益。 在3 3 2 论述中，论文采用串联p i d 调节器的方法把系统改造为i 型系统，彻底地4 消除了由输入及各种干扰引起的位置误差。因此在一般电液位置系统中，通过静刷度及系 统对干扰的静差来计算开环增益的方法在本文中已是苍白无力。本文用根轨迹法依据系统 的时域性能指标确定系统的开环增益。 所谓根轨迹是当系统某一参数( 通常取系统的开环增益) 从零变到无穷大时特征方程 的根( 也即闭环系统的极点) 在s 平面内的轨迹。根轨迹法的基本思路是：利用开环传递函 数和特征方程来求出系统闭环后的极点，从而求出闭环系统瞬态响应的基本特征。因此根 轨迹法对于系统闭环后极点的变动，左右系统性能的主导极点的描述，时域中瞬态响应的 变迁给出较明确的物理概念啪1 。 由控制理论可得到以下关系式。”： m p ：塑掣：p 再1 0 0 ( 3 7 4 ) x o t o ) 式中，心最大超调量； ( ) 峰值时间的输出量 x o ( c o ) 稳态输出值： f 系统阻尼比。 j 1 0 。 1 卜斗 孝= c o s l 9 ( 3 7 5 ) 式中各项关系如图3 1 0 所示。 ”等( 3 - - 7 6 ) 式中，。系统的固有频率； f 。调整时间。 图3 1 0 复平面内标点与诸号数的关系 3 7 昆明理工大学硕士学位论文第三章造型机电液位置伺服系统的分析 由式( 3 7 4 ) 和式( 3 7 5 ) 可知，最大超调量必与系统阻尼比f 有一个非线性的函数关 系，而在s 平面上，极点的位置又阻尼比f 有关，因此我们可以得到在不同阻尼比下，最 大超调量 易与夹角8 ( 即标点位置) 的关系。如表3 1 所示。以及在不同超调量下阻尼比及 夹角e 的值。如表3 2 所示。 表3 1 阻尼比f 和超调量屹、夹角8 的关系 阻尼比f o0 1o 20 30 4 7 0 5 超调量坼1 0 0 1 0 0 7 2 95 2 73 7 2 2 5 41 6 3 夹角0 9 0 。8 0 。1 5 7 2 。3 2 7 2 6 3 2 6 6 。2 5 6 0 6 阻尼比f0 60 70 80 91 0 超调量 厶1 0 0 9 54 61 50 1 5o 夹角0 5 3 0 7 4 5 。3 4 3 8 。5 22 5 。5 00 。 表3 2 预期超调量4 下的阻尼比f 及夹角e 超调量忆1 0 0 51 01 52 02 53 0 阻尼比f o 6 9 0 5 9 1 0 5 1 7 0 4 5 60 4 0 40 3 5 8 夹角日 4 6 。2 1 5 3 o 4 5 5 8 。5 2 6 2 o 5 2 6 6 。1 1 6 9 60 r 综上所述，对于时域性能指标最大超调量及调整时间，我们可以通过表3 1 及式( 3 7 6 ) 在复平面内做数值量化，而上升时间t ，不能明确和极点的位置联系在一起。但其遵 循一条原则：离s 平面的原点距离域远的极点，上升时间越短。 根轨迹法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法。通常来说，要手工绘制出系统 的根轨迹是很繁琐很困难的事，因此，在教科书中仅以简单系统的图示法得到。本论文将 在现代计算机技术和m a t l a b 软件平台支持下，利用软件专门提供的绘制根轨迹的函数( 如 r l o c u s 、r l o c f i n d ) 等轻松得到系统的根轨迹图，并求丌环增益值及增益相关的所有极点。 m a t l a b 软件基本方法为”： f f ( j ) = 1 + 眉g k ( 5 ) m m 总器 。叫7 式中，只曲闭环特征方程； g ( 曲二开环传递函数； 厅。系统开环总增益； 门删( 曲开环传递函数的离子； ，。，：。，j月。：j ；乏曩：? 力零。 利用根轨迹函数r l o c u s ( n u m ，d e n ) 便可得到系统根轨迹图。再根据表3 2 及式( 3 7 6 ) 昆明理工大学硕士学位论文 第三章造型帆电液位置伺服系统的分析 做复平面的两个函数，以二维会图命令p l o t ( x ，y ) 绘制极点的允许范围，最后在范围内选 取满足上升时间t 。要求的一点，并得到系统开环的总增益值及其相关的极点值。 由图3 7 可得到i 型系统的开环传递函数： 刚加霜露羞 沪7 8 ) 代入有关数值可得： 一磊画磊焉k a 丽( 0 3 3 s + 磊1 ) 磊 删) 刚2 忑丙磊磊磊磊丽 p 7 9 由系统的性能指标可知膨 5 ，查表3 2 可以得到，阻尼比f = o 6 9 ，夹角8 = - 4 6 。2 1 4 6 3 5 。 由此得直线方程式为： p 5 1 0 5 z ( x 0 时系统的稳 定裕度必然较 o 时系统响应较快的原因) 。 非对称缸系统的动态过程的不对称性，该系统设计带来一定麻烦，如果以正向运动时 的参数为准，则可能使反向运动时系统的动态特性变得迟钝。反之，则会使正向运动振荡 加剧。 移旺 芯 阀的时动 一还 向 uf鲁堕4扩址4红4 i l i 昆明理工大学硕士学位论文 第四章对称阀控非对称缸不相容的补偿 4 4 造型机电液位置伺服系统的不相容性 4 4 1 造型机不相容性的特点 由于铸造工艺要求，造型材料在挤压过程中以弹性力为主，造型机加压后应该保压一 定时间以确保砂型硬化，防止反弹。 因此，造型机电液位置伺服系统的不相容性与其它位置伺服系统相比有特别之处。 1 ) 一般位置伺服系统速度变化为“正向一逆向”，其换向瞬间加速度存在巨大跃变。 而造型机工艺为“工进加压一保压一卸压”即速度变化为“正向一停留一逆向”，因造型 机在换向时，活塞停止一段时间后再换向，其加速度无跃变。以两腔压力来说，近似于对 称缸换向时存在两腔压力变化。再加上作者在设计液压回路时采用带卸荷阀芯的液控单向 阀，减少了卸压瞬间时冲击，因此，我们可以忽略不相容性产生的压力跃变。 2 ) 造型机位置控制以工进时为主，卸压时无位置控制要求，因此造型机以工进方向 设计确保动态特性满足要求即可。 3 ) 造型机