（机械电子工程专业论文）300mn水压机液压操纵系统性能仿真及其控制策略研究.pdf

摘要 液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。由于液压机在工作中的广泛 适用性，使其在国民经济的各部门得到广泛的应用。随着我国航天事业的不断发 展以及国防现代化的需要，对我国高精度、大吨位液压机锻造的控制水平提出了 更高的要求。我国现有的3 0 0 m n 模锻水压机是目前亚洲最大的水压机，是加工 各种航天设备以及军事设施的关键设备。但现有的3 0 0 m n 水压机的操纵系统已 经老化，需要对其进行改造。将现有的“水控水”结构改造成为“油控水”的结 构形式。新增的油压系统在操纵系统中起着非常重要的作用，为了更好的了解液 压操纵系统的性能和其影响因素，本文以3 0 0 m n 水压机液压操纵系统为研究对 象，通过计算机的建模仿真，了解了系统的工作特性，并针对系统中突变负载干 扰问题分析研究了合理的控制策略。因此本文无疑对提高水压机操纵系统的控制 精度和效率具有一定的意义和实际应用价值。 本文首先根据3 0 0 m n 水压机实际工作的需求，分析了液压操纵系统的构成 和形式。设计了以电液比例控制技术为核心的数字化电液系统，通过电气系统的 控制可以实现系统流量的精确控制，最终达到对水压机的精确控制。 根据牛顿力学定律和液压系统流量方程以及流体的可压缩性方程等推导了 电液比例阀、方向插装阀和接力器等主要元件的数学模型。在m a t l a b 语言环 境下建立主要元件的计算机仿真模型，并将其分别封装后构成单个模块，将单个 模块通过c o p y 和连线构成复杂的液压操纵系统的整体仿真模型。利用该模型对 液压操纵系统进行了计算机仿真研究，通过仿真和实际实验结果的比较，证明了 系统模型建立的正确性。同时仿真结果表明，液压操纵系统在未进行校正时的控 制效果是难以满足实际需求的，必须设计合理的控制器对其进行校正。 针对水压机液压操纵系统存在的负载干扰问题，研究了系统的控制策略。将 常规的p i d 控制和p d 一且驻制策略分别应用于系统中进行仿真，得出常规的 p i d 控制难以抑制系统的负载干扰，系统的控制精度较差。而将p i d 控制和h 。 控制有机的结合起来，构成了p i d - - h 控$ u j 器，在保证系统的输出跟踪精度的同 时，也能很好的抑制负载的干扰。仿真结构显示该控制策略用于水压机的操纵液 压系统是一种较好的控制策略。 关键词水压机，液压系统，比例控制，建模，仿真，m a t l a b ，p 1 d ， 脯制 a b s t r a c t h y d r a u l i cp r e s si so n eo ft h ef a c i l i t i e sw h i c ha r eu s e da b r o a di nt h e m a n u f a c t u r eo fp r o d u c tf o r m i n g b e c a u s eo fi t sa b o r a da p p l i c a b i l i t yi n w o r k , h y d r a u l i cp r e s sa r ea p p l i e da b r o a di ne v e r yd e p a r t m e n to fn a t i o n a l e c o n o m y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es p a c e f l i g h tp r o j e c ta n dt h e r e q u i r e m e n to ft h em o d e mn a t i o n a ld e f e n c e ，i tc a l l sf o rh i g h e rp r e c i s i o n a n dl a r g e rt o n n a g eh y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e 3 0 0 m nh y d r a u l i cp r e s s m a c h i n ei st h eb i g g e s tp r e s sm a c h i n ei nb o t ho u rc o u n t r ya n da s i a , w h i c h i st h ek e yf a c i l i t yt om a n u f a c t u r ek i n d so fs p a c e f l i g h te q u i p m e n ta n d m i l i t a r ye s t a b l i s h m e n t h o w e v e r , t h eo p e r a t i o ns y s t e mo f3 0 0 m n h y d r a u l i cp r e s si sa g e i n g ，a n di ti sn e c e s s a r yt ob er e d e v e l o p e d i nt h e c o u r s eo fr e d e c v e l o p m e n t ，t h es t r u c t u r eo f w a t e rc o n t r o lw a t e r w a s r e p l a c e db yt h en e ws t r u c t u r eo f “o i lc o n t r o lw a t e r t h en e wo i ls y s t e m p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eo p e r a t i o ns y s t e mo fh y d r a u l i cp r e s s i n o r d e rt or e a l i z et h ep r o p e r t i e sa n dt h ee f f e c tf a c t o r so ft h es y s t e mw e l l ， t h eo p e r a t e dh y d r a u l i cs y s t e mo f3 0 0 m nh y d r a u l i cp r e s sw a f ts t u d i e di n t h i sp a p e r b ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nw i t hc o m p u t e r , t h ep r o p e r t i e so f t h es y s t e mw a sr e a l i z e da n dt h en e wc o n t r o ls t r a t e g yw a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f e r e n c eo fs u d d e n l yl o a d s ot h es t u d yo ft h i s d i s s e r t a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h eh y d r a u l i cc o n t r o l p r e c i s i o na n de f f i c i e n c yi nt h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h er e a lw o r ks i t u a t i o no f3 0 0 m n h y d r a u l i cp r e s s ，t h es t r u c t u r eo f t h eo p e r a t e ds y s t e mw a sa n a l y z e da tf i r s t an e w d i g i t a le l e c t r i c a l - h y d r a u l i cs y s t e m w i t l lt h ec o r eo f e l e c t r i c a l - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g i e sw a sd e s i g n e d ，w h i c hc a l l c o n t r o lt h ef l o wp r e c i s e l yw i t ht h ee l e c t r i c a ls y s t e m , a n dt h e nf i n i s ht h e c o n t r o lo f t h ew h o l eh y d r a u l i cp r e s s t h ed y n a m i cm o d e lo ft h eh y d r a u l i ce l e m e n t sa r ee s t a b l i s h e db a s e o nt h eb a s i ce q u a t i o n s ，a n dt h e nt h e s es i n g l em o d e la r ee n c a p s u l a t e d ，a t l a s t b yc o p y i n ga n dl i n k i n go ft h e s es i n g l em o d e l st h ec o m p l e x s i m u l a t i o nm o d e li so b t a i n e d t h ec o m p l e xm o d e lw a su s e dt os i m u l a t e d i nc o m p u t e r , a n dc o m p a r i n gw i t ht h ee x p e d m e n tr e s u l t , t h em o d e lo ft h i s s y s t e mw a sc o r r e c t t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f o p e r a t e dh y d r a u l i cs y s t e mw i t h o u tc o n t r o l l e rc a nn o tm e e tt h en e e do f i n d u s t r y , a n di tm u s tb ea d j u s t e db yan e w c o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f e r e n c eo fs u d d e n l yl o a d ，an e wc o n t r o l s t r a t e g yw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ep i d c o n t r o la n dp i d 一日。c o n t r o l w a ss i m u l a t e ds e p a r a t e l y , a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ep i dc o n t r o lc a n n o tr e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c eo fl o a da n dt h ep e r f o r m a n c ei sb a d t h ep i d h 。c o n t r o l l e rw h i c hi sc o m b i n e dw i t hp i dc o n t r o la n dh 。c o n t r o l c a ne n s u r et h e p r e c i s i o n o ft h e o u t p u tt r a c k i n g a n dr e s t r a i nt h e i n t e r f e r e n c eo fl o a dw e l l t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h i si sag o o d c o n t r o ls t r a t e g yf o rt h eo p e r a t e dh y d r a u l i cs y s t e mo f h y d r a u l i cs y s t e m k e yw o r d sh y d r a u l i c p r e s s ，h y d r a u l i cs y s t e m ，p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ， m o d e l ，s i m u l a t i o n ，m a t l a b ，p i d ，日。c o n t r o l n i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：丛纽月乒日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 师竽名粹吼丝年蜘上日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1课题的背景 第一章绪论 本课题“3 0 0 m n 水压机液压操纵系统仿真研究”来源于国防科学技术工业 委员会资助项目“3 0 0 0 0 吨模锻水压机改造及生产线配套”，编号：科工技字 2 0 0 0 1 5 8 9 号。 3 0 0 m n 水压机是目前我国，也是亚洲最大的水压机，是我国国防和基础建 设的关键设备，为我国的经济发展和国防建设起到了不可估量的作用。3 0 0 m n 水压机在前期经过了第一步改造，成功完成了水压机同步平衡系统、应力保护系 统以及操作系统的现代化改造，实现了p l c 控制、上位计算机监控管理、人机 友好界面。但现有的操纵控制系统较为落后，不能很好的满足生产的需要。在此 基础上，迫切需要对水压机进行第二步改造，将整个操作系统改为数字电液伺服 控制，对水压机的工作过程实现快速、精确控制以提高水压机的工作效率和加工 精度。 3 0 0 m n 水压机现有的操作系统采用机械式的大扳把形式，由操作工人搬动 扳把通过一系列杠杆机构使阀芯控制机构处于相应的位置，从而完成各分配器的 分配任务。3 0 0 m n 水压机共有六个分配器，分别为主分配器、中央顶出器分配 器、移动工作台分配器、侧顶出器分配器以及左变压器分配器、右变压器分配器。 现有的分配器是机械驱动的，由于机械杠杆的力不足以使阀芯动作，则需要从系 统本身引入高压水通过中间机构来使阀芯完成动作。其中主分配器阀芯的动作是 通过接力器完成的，其余的分配器的阀芯的动作则是通过单顶缸完成的。即原系 统分配器的控制方式为“水控水”的方式。水压机现有的操纵控制方式已明显老 化、落后，存在着操作不便、响应慢、控制精度差等缺点，使得水压机的运行可 靠性得不到保证。为此，我们采用现代化的科学技术对水压机进行改造，将水压 机的操纵系统改为数字电液伺服控制系统，采用“油控水”代替原有的“水控水” 的方式。即采用新的油压系统直接驱动分配器，通过电气系统的控制实现阀芯的 动作。“油控水”方式的液压操纵系统减少了系统的泄露、提高了传动的稳定性， 使得水压机的控制精度得到很大的提高。 液压操纵系统对于水压机起着至关重要的作用，它的工作性能对整个控制系 统和生产工作都有着重要的影响。在实际调试过程中发现液压系统中一个因素的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 变化都可能导致系统性能的变化。同时由于3 0 0 m n 水压机的重要性，对液压操 纵系统进行仿真分析，了解系统的工作性能是完全必要的。 1 1 2课题研究意义 操纵控制系统是水压机的关键组成部分，水压机的工作性能是系统改造设计 的主要目标。水压机的性能有动态性能和稳态性能两种。过去的水压机设计是基 于满足稳态性能的要求，稳态性能主要是水压机的吨位和滑块的速度。在水压机 的实际工作过程中，由于分配器和阀的不断转换，水压机的运动速度是发生一定 变化的。所以只研究水压机的稳态性能己不能满足大流量的水压机的要求，必须 考虑系统的动态性能。从系统的观念考虑机械、电气和液压系统之间的匹配问题， 得到性能最好的水压机。 液压系统的性能也主要包括动态性能和静态性能两部分。稳定性是系统工作 的基本前提，动态品质和稳态精度则是对系统动、静态性能的优劣评价。设计系 统时必须满足动静态性能的要求，但两者之间又是矛盾的，这就要求设计合理的 控制器对系统进行校正，使系统得到较好的工作性能。由于液压系统是欠阻尼系 统，同时液压系统中存在着较多的非线形因素的影响，这也需要设计合理的控制 器对系统进行校i t _ t 1 - 2 。为此，本文基于m a t l a b 语言环境下建立了液压操纵系 统的模型，对液压系统的动态特性进行了研究，探讨了液压系统的控制策略。 本课题对水压机液压操纵系统的仿真的意义有： 1 解放工程技术人员，重复性的工作交给计算机来完成，提高工作效率， 缩短系统的研发周期。 2 通过计算机对液压系统的仿真，比较不同的液压回路的性能，选择合理 的元件和回路完成特定的功能。 3 研究不同控制器时系统的特性，选择合理的控制策略，实现系统的精确 的控制。 4 对系统的安装调试有指导性作用，使现场的工程技术人员有的放矢的对 参数进行调整。 5 对液压系统的仿真研究可以完成现场难以实现的实验，实现多方案、多 目标优选 3 - 4 。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2国内外研究现状 1 2 1液压机技术发展与现状 液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。由于液压机在工作中的广泛 适用性，使其在国民经济的各部门得到广泛的应用。液压机按工作介质的分类主 要有两种，采用乳化液为介质的一般称为水压机，采用油为介质的称为油压机。 液压机发展的历史已经有二百多年了。十七世纪中叶，法国科学家帕斯卡提 出了著名的静压传递原理。1 7 7 5 年英国b r a m a h 造出了第一台水压机，随后英、 美等国在液压机制造上加大了投入，制造了较大吨位的液压机。2 0 世纪初，随 着航空工业和军事工业发展，液压机吨位不断提高，应用越来越广。第二次世界 大战后，为了迅速发展航空工业，美国在1 9 5 5 年左右，先后制造了两台3 1 5 m n 和两台4 5 0 m n 大型模锻水压机：而前苏联则在1 9 5 5 年到1 9 6 0 年之间，先后制 造了四台3 0 0 m n 和两台7 0 0 m n 大型模锻水压机，液压机吨位的大小一度成为 各国机械行业制造水平高低的标志【5 - 7 1 我国液压机的发展起步较晚，解放后工业的进步促进了我国液压机的发展。 1 9 5 7 1 9 6 2 年间，我国已开始自行设计、制造了3 0 台1 0 m n 到3 1 5 m n 的大型 锻造水压机及两台万吨级重型锻造水压机。6 0 年代，我国先后成套设计了一些 重型液压机，其中有3 0 0 m n 有色金属模锻水压机、1 2 0 m n 有色金属挤压水压机、 8 0 m n 黑色金属模锻水压机等，到了8 0 年代以来，液压机的设计制造又有了一 些新的发展，相应地，我国也陆续制定了各种液压机的系列及零部件标准。今天 我们已经拥有种类规格较全的5 0 0 0 多台大中型锻压装备，其中1 0 m n 以上的大 型自由锻造液压机就有6 5 台，它们分布在机械、冶金、铁路、水电、兵器、船 舶等基础工业部f i t s 。 由于液压机的整机结构方面，已经比较成熟，国外液压机技术发展主要体现 在电液控制系统方面。相比来讲，国内机型虽品种齐全，但技术含量较低，缺乏 技术含量高的机电液一体化高档机型。国内外液压机控制系统按发展主要有三种 类型：1 以继电器控制为主的传统型液压机，电路结构简单、技术要求不高、成 本较低、控制功能简单、适应性不强。2 以可编程控制器( p l c ) 控制为主的液 压机。这种控制方式是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐 发展成以微处理器为核心，把自动化技术计算机技术、通讯技术融为一体的新型 工业自动化控制装置。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，采用可编程控制 器控制，使系统的控制性能和可靠性大大提高。3 应用高级微处理机( 或工业控 制计算机) 的高性能控制系统为主的液压机。该控制方式是在计算机控制技术成 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 熟发展的基础上采用的一种高科技含量的控制方式，以工业控制机作为主控单元， 可编程控制器( p l c ) 作为现场控制中心，通过外围接口器件( 如a d 或d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式 的控制系统，达到精确控制的目的叫。正是因为采用这种先进的控制方式，使整 机的控制性能，生产效率都有很大提高这是目前液压机成热、可靠的先进控制 方式【1 0 】。 在液压机液压操纵系统方面也经历了较大的发展。传统的大型水压机都是采 用水压驱动方式，通过泵一蓄势器的方式提供能源。这种传动方式泄露严重、冲 击大，传动方式较为落后。现有的液压操纵系统趋向于油压驱动方式，采用油泵 直接传动或“油控水”的方式对液压机进行控制。这种驱动方式传动平稳、控制 精度高。在油路设计方面，国内外都趋向于集成化、封闭式设计。插装阀、叠加 阀和复合化元件及系统在液压系统中得到广泛的应用【i l l 。国外已广泛采用封闭式 循环油路设计。可有效地防止泄油和污染，更重要的是防止灰尘、空气和化学物质 侵入系统，延长了机器的使用寿命。由于加工工艺等方面的原因，国内采用封闭式 循环油路设计的系统还不多见。 国外生产液压机的厂家主要有丹麦的s t e n h q j 公司、美国的m u l t i p r e s s 公司、加拿大的b r o w n b o g g s 公司等【1 2 】。它们普遍应用微电子技术和比例伺 服系统控制，能有效利用能源减少冲击和噪声。d a k e 公司、迪斯公司、f e r r a r a 公司都推出了低噪声，高速度系列的机型。在系统安全方面，国外厂家采用电子互 锁门( 如f r e n e h p r e s s 公司) 来加强其操作时的安全性。在系统维护方面，国外某些 生产厂采用微处理器控制的高性能液压拉深机，并利用软件进行故障的监测和维 护，如b r o w nb o g g s 产品可实现负载监测、自动模具保护以及错误诊断等功 能1 3 1 。 1 2 2液压仿真技术发展与现状 对液压元件和系统利用计算机进行仿真的研究和应用已有3 0 年的历史。随 着流体力学，现代控制理论，算法理论，可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算 机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的有 力工具。液压仿真技术主要由系统的建模方法和仿真软件两个主要部分构成，随 着计算机技术和液压系统理论的发展，仿真技术也经历了高速的发展 1 4 - 1 5 】。 液压系统的建模方法现在主要有解析法建模、功率键合图建模和实验法建模 等几种形式。解析法建模主要采用了经典的动态特性分析方法对液压系统进行建 模。可以根据对液压系统的分析利用各种物理定律和和系统中各参数之间的关 系，直接建立系统的数学模型。复杂的液压系统可以借助方块图、信号流图或传 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 递函数分析法，然后转化成系统的数学模型。功率键合图法是建立动力系统数学 模型既简便又简明的方法。键合图是利用图形的方式来描述系统中各元件问的相 互关系。他能反映元件间的负载效应及系统中功率流动的情况，还可以表示出与 系统动态特性有关的信息。键合图中规定的各种变量一般都是有物理意义的变 量。利用变量间的因果关系可以很方便的由键合图直接列出适合于仿真的状态方 程。这种广义的网络符号，在机械、电气等多种领域得到了应用，特别是在液压 系统的仿真建模中得到了广泛的应用。由于液压系统建模过程中涉及到很多的液 压参数，由于有些参数难以直接获得，而且有些参数在实际的工作过程中将会发 生变化。实验法建模就是利用简单实验得到的实验数据，对系统进行参数辩识， 得到这些难以确定的参数。实验法建立的模型适合于计算机的仿真，能准确的描 述系统的动态性能。 液压系统仿真技术软件始于2 0 世纪5 0 年代，德国亚琛工业大学的d s h 和英国b a t h 大学的b a t h f p 推出得最早。在行业中影响也最大。b a t h f p 系统是 专门用于液压与气动系统的时域仿真软件，由英国b a t h 大学传动与运动控制中 心开发。该软件在上世纪8 0 年代初先以h a s p 为名出现的，1 9 9 2 年以全新的 面貌，推出其升级版，命名为b a t h f p 。德国的d s h p l u s 软件现为德国f l u i d o n 股 份有限公司的产品，是专用的液压仿真软件系统。该公司是从德国亚琛大学流体 传动及控制研究所分离出来的。d s h p l u s 的早期d s h 版本于1 9 7 2 开发，d s h p l u s 是其升级版本。该软件采用c + + 语言编写，运行时需要c + + 编译器支持【1 6 】。 瑞典的h o p s a n 软件【1 7 1 由瑞典林雪平大学流体机械工程系统部( f l u i da n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs y s t e m sa tt h e d e p a r t m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ( i t p ) a ：tl i n kp i n g u n i v e r s i t y ，s w e d e n ) 开发，最早于1 9 7 7 推出。由于拥有丰富的液压元 件子程序库，特别适合液压系统的仿真。该软件最初是为微型机开发，2 0 0 1 年发 布了该软件 骚r m d o w sn t 版本，该新版本还可以应用于实时系统的测量和控制。 该软件系统被许多研究机构和生产企业所使用，林雪平大学也不断地投入人力， 进行进一步的完善与开发。a 1 河! s i m 系统是由法国i m a g 玳e 公司开发的，可 用于完成工程系统的建模，是一个通用的仿真和动态性能分析的一个图形化开发 环境。a m e s i m 软件的界面用c + + 实现，算法用f o r t r a n 语言实现，不需要 其他商用软件作支撑【1 8 1 。近年来，又有数十款液压仿真软件应运而生，包括荷兰 的2 0 2 s i m ，美国的e a s y 5 等。 在众多的液压仿真软件中，m a t l a b 和s i m u l i n k 仿真工具箱有着最为广泛 的应用。s i m u l i n k 系统是m a t h t o o l s 公司的科学计算语言m a t l a b 的一个分支， 主要用来实现对工程问题的模型化和动态仿真，目前广泛应用于动力系统仿真、 信号控制模拟、机器人控制模拟及其生物医学工程等诸多领域，在全世界范围内 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 有庞大的用户群。在美国和其他发达国家的理工院校, m a t l a b 和s i m u l i n k 的使用 已经成为了一门必修课。s i m u l i n k 本身没有专门针对流体仿真的工具箱，用户使 用时要自己建立模型，但已有的大量控制模块可以任意调用。同时m a t h t o o l s 公司 另行开发的一些收费模块( a u t o m a t i v e ，s i m m e c h a n i c s ) 里包含大量的机械、液压、 气动模型，拷贝后可以使用。目前，m a t l a b 已经开发出了专门针对液压系统 仿真的h y d r a u l i cs i m 系统，使得液压系统的仿真更加简单方便。 国内在液压仿真软件的研究起步较晚，在上世纪8 0 年代初，液压仿真技术 列为国家的六五、七五攻关项目，由浙江大学等单位联合攻关，从引进国外先进 液压仿真软件，到自主软件的研制开发，开展了我国自己的液压仿真技术的研究。 浙江大学引进德国亚琛工业大学的d s h 液压仿真软件，在此基础上开发了具有 自主知识产权的s i m u l z d 液压系统仿真软件。东南大学在原d s h 的基础上， 结合窗口技术，开发了基于w m d o w s 的d s h 软件版本【1 9 1 。其它许多高校和研 究机构都开展了这方面的研究，并取得了一些进展，如北京航空学院研制的f p s 通用仿真程序 2 0 l ；上海交通大学研制开发的针对液压原理图的仿真软件包 h y c a d 【2 1 1 ；浙江大学流体传动及控制研究所与国营1 8 3 厂合作开发的液压系统 及元件仿真软件系统d l y s i m 2 2 1 。另外，华中理工大学和大连理工大学等单位也 进行了不少研究工作。 1 2 3电液控制技术的发展与现状 流体传动技术作为传动技术中的一个重要组成，有着传动力矩大、适应性强 等特点。随着传感技术、数字开环及闭环控制系统的出现，液压传动已经发展成 今天的电液传动技术。5 0 年代左右，以反馈控制为主体的基于经典控制理论的 电液伺服系统得到快速发展，为工程控制提供了精度高、响应快、大功率的技术 手段。7 0 年代末期，以可靠、价廉、节能、易维护并具有相当高精度和动态响应 特点为标志的电液比例控制技术迅速崛起。8 0 年代以来，比例元件的设计原理 进一步完善，采用了多种形式的内反馈、动态反馈及电校正等手段，使阀的精度、 响应、稳定性都得到了大幅度提高，稳态滞环减d , n3 左右，工作频宽可达2 5 h z 2 3 1 。 近年，计算机的飞速发展带来了控制领域的革命，出现了采用高速开关阀和 步进电机拖动的数字式元件，以及以此为基础的脉宽调制( p w m ) 型电液控制系 统和数字增量控制( m c ) 型电液控制系统。它们从抗干扰性和适应复杂环境的 能力以及控制方式、控制策略上与传统的电液控制系统有着显著不同，可以称之 为近代电液伺服控制。电液系统控制技术的发展离不开液压元件的发展，近些年 来液压元件都向集成化、智能化的方向发展。从元器件结构组成上，往往是集传 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 感器、控制放大器、执行器于一身，构成集成化功能单元。而系统应用上则趋向 于采用集成单元，来实现复合功能。同时，新的机敏材料的引用和智能化的检测 和控制技术的引用使得液压元件更具智能化。液压元件的高精度方面也有了很大 的提高，美国o i s e n 的l s 3 0 0 精密数字油缸，其移动精度( 分辨率) 己达1 2 7 u m ， 西安交通大学流体传动与控制教研室近年开发研制出的计算机控制液压伺服系 统，用于汽车椭圆活塞车加工设备，其位移动态精度高达7 u m 左右吲。采用对 污染不敏感结构，提高对环境的适应能力，是电液控制元件发展的又一重要趋 势。就此而言，电液比例控制元件及数字式控制元件的进展是令人满意的。这类 元件对介质清洁度无特殊要求，适应能力强，工作可靠，动、静态特性却足以满 足大多数工程控制要求。 电液控制技术的发展除了电子液压元件的进步之外，也与控制理论的发展有 着密切的联系。经典控制理论和现代控制理论在过去的若干年取得了巨大进展， 在许多工业控制领域得到了广泛采用。经典控制理论采用增量线性化方法对系统 进行分析与综合，设计过程主要在频域中进行，它对于哪些频宽不太高、系统参 数模型稳定、外干扰不太大的场合仍是适用的。近年来随着工作对象对精度、响 应速度和自动化程度要求的提高，对电液伺服控制系统的要求也越来越高。同时， 相当多的复杂控制对象要用精确的数学模型来描述是非常困难的，其中的多数 又具有时变性和非线性。因此。对新的控制策略提出了迫切要求。计算机技术的 飞速发展，使新的控制策略的不断涌现和逐步完善成为可能瞄】。比较常见的主要 有以下几种： 1 p d 控制：以经典控制理论为基础的pd 控制，因其具有结构简单易于 实现的特点，至今在电液伺服控制中仍有着广泛应用。但传统的pi d 采用线性 定常组合方式，难于协调解决快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化和 外干扰情况下其鲁棒性也不够好。吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用 计算机的优势，对传统的p d 控制进行改造后，形成了自适应p m 、模糊p d 、 智能积分pd 和非线性pm 等新的控制方式【2 叼。 2 状态反馈控制：电液控制系统的状态反馈控制方式屡屡见于文献报道。 除了位置信号进行反馈外，执行器的速度和加速度也反馈回控制器中。由于液压 系统的阻尼较低，通过加速度的反馈可大大提高系统的阻尼，明显改善系统的响 应鲫。 3 自适应控制( a c ) ：在设计控制系统时，往往存在不完全知道系统参数 或结构的情况，这就要求一边估计末知参数，一边修正控制作用，这便是自适应 控制。液压【2 8 l 控制系统采用的a c 多为m r a c 或其变型，国内的林建亚、丁崇 生等人研究了模型跟随自适应控制( 越q f ) ，并在机器人电液伺服系统和试验机 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 液压伺服系统中获得了成功的应用。自适应控制( a c ) 的不足之处是它对对象的 数学模型( 阶次和相对阶) 仍有严格的要求，偏多的约束条件制约了a c 具有更 强的鲁棒性。吸取其它控制策略的长处，研究约束条件少、算法更简便、鲁棒性 强的a c 是今后的发展方向。 4 变结构控制( v s c ) ：v s c 本质上也属于一种自适应控制，滑模可看作 是参考模型，它根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器的结构，从而使系统 按照滑模规定的规律运行【2 9 】。vs c 与传统的控制方式相比具有控制规律简单， 可以协调动态与稳态性能间的矛盾，特别是其滑动模态( s m ) 对系统参数变化和 外部干扰具有完全不变性。液压控制系统采用的v s c 律和滑模可达条件大多针 对连续系统导出，而工程实现则由计算机来完成，这是一种近似方法，系统存在 严重的抖动现象，并且难以用于采样周期较长的控制系统。近年来，基于离散控 制系统的v s c ( u pd v s c ) 已有进展。此外，还出现了采用模糊控制和神经网络 控制实现的离散变结构控制【3 0 j 。 5 鲁棒控制：鲁棒控制指的是对于系统模型包含不确定性因素时，仍然希 望控制系统始终有良好性能的一种控制方式。近年出现的h o o 设计方法正是鲁棒 控制的代表。该方法运用经典函数论和算子理论，在h o o 模约束下成功地解决了 多变量定常系统镇定补偿问题。p i c h er 和p o n j o l a i n c 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t w o r i 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 异值化的d o y l e 7 su - s y n t h e s i s 方法实现了扭。控制，结果显示系统具有良好的静 动态特性，且对未建模动态具有较强的鲁棒性【3 l 】。h s i atc 提出了一种基于复合 控制原理的鲁棒伺服控制方法，其控制器由主控制器和辅助控制器组成。主控制 器根据被控对象额定工况参数按照最优化控制原理设计，辅助控制器的输出则 取决于系统的不定性。j e ny 等人将该控制方法成功地用于泵控马达伺服系统的 控制。 6 模糊逻辑控制( f l c ) ：f l c 的引入主要是考虑到可不需要建立精确的数 学模型，而依靠模糊推理或其它经验来调定控制器。模糊控制使用于被控参量无 精确的表示方法和被控对象各参数之间无精确的相互关系的情况，在这种情况 下，f l c 比精确控制优越，而液压系统正属于这种情况。 7 神经网络控制( n n c ) 圈：n n c 是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工作 原理而工作的。它可以同时接受大量的信息，并对它们进行处理，结果也是平行 的一批信息，在系统中硬件是模仿神经细胞的网络，软件则是模仿神经细胞的工 作方式，即每个神经元接受信号按“乘权值后相加”，输出信号按“阈值”大小 确定，这样做的优点是可以快速处理复杂的事务，但要求在处理某一事物之前对 系统进行教学，使系统通过学习确定“权值”和“阈值”，教学内容来自专家的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 经验或系统期望的动态行为。n n c 的工作方式目前有离线学习参数和在线更新 参数两种。目前，关于n n c 的研究大多数停留在仿真阶段，n n c 学习算法的收 敛性和n n c 系统的稳定性在理论上还没有完全的解决。将n n c 与其它的智能 控制方法相结合的控制系统又是控制策略发展的新方向。 1 3本文研究内容 本文主要针对3 0 0 m n 模锻水压机液压操纵系统进行仿真和控制技术的研 究。由于3 0 0 m n 水压机操纵系统的改造主要是将原来的“水控水”系统改为“油 控水”系统，这样改造后的液压操纵系统为数字化的电液伺服系统。液压操纵系 统是系统的改造中具有非常重要的一部分，由于液压系统的不确定因素，使得系 统的动态特性难以通过经典的方法判定。同时，液压系统具有非线性和参数可变 性，使得系统的控制器难以设计。因此，本文以3 0 0 m n 水压机液压操纵系统为 研究对象，利用m a t l a b 语言环境下的s i m u l i n k 工具箱对液压操纵系统的仿真 建模方法进行研究，探讨基于水压机复杂可变负载情况下的液压系统的控制策 略，并通过试验进行比较分析，验证模型的正确性和可靠性。 本文的主要工作如下： 1 通过文献检索工具，及时跟踪、了解水压机液压技术与自动控制技 术的国内外最新发展情况，对水压机液压操纵系统所涉及到的液压 元件、控制策略进行分析，确定本文的研究内容和方法。 2 根据水压机的实际要求，分析液压操纵系统的实际工作过程和性能 特点。并在现场进行安装调试，采集相应的数据，为下一步的计算 机仿真提供实际数据。 3 根据牛顿力学定律和液压系统连续流量方程以及流体的可压缩性方 程，利用传递函数和状态方程的方法建立主要元件的数学模型。同 时利用m a t l a b 的封装技术将子系统的模型连接成系统的整体模 型。 4 利用m a t l a b s i m u l i n k 对主要元件和系统进行仿真分析，研究系统 的动态、静态特性。同时与试验采集数据进行比较分析，调整模型 中的不确定因素，最终得出系统的可靠模型和性能曲线。 5 针对水压机工况的复杂性带来的液压操纵系统的负载变化的特点， 将多种控制策略进行比较分析，提出适合水压机液压操纵系统的控 。 制策略，仿真和实际结果显示该策略是成功的。 9 中南大学硕士学位论文第二章水压机液压操纵系统工作原理分析 第二章水压机液压操纵系统工作原理分析 2 1水压机操纵系统概述 一般水压机操纵系统的结构主要由如下几种：水压传动操纵系统、油压传动 操纵系统、电气操纵系统、电液操纵系统。操纵系统是水压机中非常重要的一个 环节，操作工人通过操纵手柄或按钮等元件完成对水压机各分配器的控制，以完 成水压机相应的动作。 3 0 0 m n 水压机中共有六个分配器，分别为主分配器、移动工作台分配器、 侧顶分配器，中顶分配器和左右变压器分配器。分配器主要完成水压机水路系统 的近水和排水的分配，使得水压机能完成不同的动作。主分配器主要是控制水压 机本体的动作，分配水压机中工作缸、提升缸、平衡缸的水。其中l 、3 阀控制 工作缸的进水，2 阀控制工作缸的回水，5 阀控制平衡缸的进水，4 阀控制平衡 缸的回水，6 阀是逆止阀，主要是防止液压冲击，7 阀用来控制提升缸的进水，8 阀控制工作缸的回水。 左右变压器分配器用来分配水压机的增压器水的流向，以达到为水压机增压 或减压的作用。水压机增压器分为两侧缸和中间缸，当只有中间缸进水时，就是 减压行程，当两侧缸和中间缸都进水时是增压行程，左右变压器是相似的结构， 每个分配器上安装了4 个阀，其中t 阀控制中间缸进水，2 阀控制中间缸的回水， 3 阀控制两侧缸的进水，4 阀控制两侧缸的回水，通过左右变压器的交替工作实 现增压器的连续动作。 中央顶出器分配器控制顶杆的项出和退回动作，上面安装有4 个阀，其中1 、 4 阀开启是顶出动作，2 、3 阀开启是退回动作， 移动工作台分配其主要控制移动工作台的移入和移出，分配器上装有4 个阀 芯，其中l 、4 阀开启是移入动作，2 、3 阀开启是移出动作。 侧顶出器分配器控制侧顶出器的进出水，其中1 阀开启是顶出动作，2 阀开 启是退回动作。 操纵系统就是完成分配器的各种不同的动作，由于分配器中的阀芯直径较 大，难以直接通过机械机构推动，所以大部分的操纵系统中都引入了液压和电气 系统。对于各种操纵系统而言，工作原理都基本相似，下面以3 0 0 m n 水压机主 分配器操纵系统为例，介绍操纵系统的一般工作原理，如图2 1 所示。 1 空程行程将手柄由“停止”位置向前扳到“空程”位置，通过随动控制 系统，主分配器传动轴作逆时针转动，回程缸排水阀8 打开，回程缸排水，主工 1 0 中南大学硕士学位论文第二章水压机液压操纵系统工作原理分析 作缸排水阀2 逐步关闭，活动横梁在自重作用下下行，充水阀在工作缸和充液罐 液压差作用下打开，充液罐项工作缸中大量充以低压水。当活动横梁接触锻件时， 压差消失，充水阀在弹簧作用下自动关闭，结束充水行程，以待工作行程的开始。 2 工作行程手柄继续向前推向“加压”位置，传动轴继续作逆时针转动， 工作缸进水阀1 、3 阀打开，高压水进入工作缸，8