（机械设计及理论专业论文）festo液压位置系统的控制开发及研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 比例阀控制液压系统兼有普通阀价格的优势和伺服阀卓越的性能，是一种极 具发展前途的液压控制技术；计算机技术的日益成熟，使其在工业生产中得到广 泛运用，具有重要的地位；而数据采集技术是实现计算机控制技术的先决条件， 影响到整个系统性能参数；工业发展对系统控制性能日益要求改善，各种控制算 法和理论得到了深入的研究。在本课题研究中，实现了液压比例控制技术、计算 机控制技术、数据采集技术和控制理论的融合。 本文为我院f e s t o 实验设备融入计算机技术和数据采集技术等新兴科技、提 升整个系统的性能和开设机电液相结合的实验做了大量工作。 本文拟定了f e s t o 液压位置控制系统的总体方案。通过分析f e s t o 液压系统 中的三位四通比例电磁阀的流量特性、液压缸内的压力、流量变化过程等，基于 流体动力学、流量连续定律及牛顿第二定律，建立了较为精确的系统数学模型。 分析了系统的基本特性。并分别利用增量式p i d 算法和线性二次型最优控制理论 对控制系统进行了调节。对比仿真效果得出线性二次型最优控制理论更适合本系 统。仿真结果表明，系统性能稳定、超调小、响应快。证明了系统整体方案设计、 数学模型建立及控制策略选择的正确性。在实验中，对f e s t o 液压系统所用的信 号给定单元、两通发大器和位移传感器进行了性能测试和标定。用实验的方法得 出了三位四通比例电磁阀的流量特性、死区范围与两通放大器在该系统中的最合 理的取值。成功完成了f e s t o 液压位置系统的控制开发及研究。对f e s t o 液压控 制系统的进一步研究和应用具有一定的参考价值和意义，对我校f e s t o 液压系统 的教学和科研工作起到积极的推动作用。 关键词：液压比例控制；电液比例位置控制系统；计算机仿真：p i d 控* l h 最 优状态控制；实验研究。 m 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a ne l e c t r o - 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 mw j t i lt h e 鬟蛐ep r i c eo fo r d i m l y v a l v ea n dt h er e m a r k a b l ep e r f o r m a n o f r 怕v a l v e ，i s ek i n do ft h ea 血e i yf u t u r e h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g y w r ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i to b t a i n st h e w i d e s p r e a du t i l i z a t i o ni nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dh a sn l ei m p o r t a n ts t a t u s d a t aa c q u i s i t i o n t e c h n o l o g yi st h ep r e c o n d i t i o no f c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc a na f f e c t st ot h ep e r f o r m a u c e o fo v e r a l ls y s t c m w r t ht h ed e v e l o p m e mo fi n d u s t r i a l , t h cp 盯如杜叩i 雠o fs y s t e m sc o n t r o l b e c o m e sl i j g h 盯a n dh i g h e r , e a c hk i n do fc o n l x o la r i t h m e t i ca n dt h et l l f yo b t a i l i e dt h eg o r o u g h r e s e a r c ht h i st o p i ci n t e g r a t e st h e c o m p u t e rc o n 订o lt e c h n i q u e ，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 l ， d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u ea n dc o n t r o lt h e o r y i nt h i s 群i p u s i n gf e s t ot e s ti n s t a l l a t i o nw h i c hi n t e g r a t e st h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e d a t aw x l u i s i t i o nt e c h n o l o g yh a sd o n et h em a s s i v ew o r k t h r o u g ha n a l y ：砖s t h ed i s c h a r g ec h a n 町k t 侧co f4 3 - w a ye l e c t r o m a g n e t i s mp r o p o r t i o n s o l e n o i dv a l v e ，t h ep r e s s u r eo f h y d r a u l i cc y l i i l d e t h e 戗咖nc a p a c 时c h a n g ep r o c e s sa n ds oo i l i nt h ef e s t oh y d r a u l i cs ) , s t e m b a s e do l lt h eh y d r o d y n a m i c s , t h ea m m c a p a c i t yl a w o f c o n t i n u i t ya n di nt h en e w t o ns e c o n dl a wf o u n d a t i o n , h a se s t a b l i s h e dt h em o r ep r e c i s e $ y s - t g m m a t h e m a t i c a lm o d e la n da n a y a ：dt h es y s t e mb a s i cc h a r a c t e r i s t i c 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 a t , t h es y s t e mp e r f o m m c es t a b l e ，t h eo v e rm o d u l a t i o n s m a l t , r t ：s p o n d sq u i c k l y h a sp r o v e nt h es y s t e mo v e r a l lp l a nd e s i g n , t h em a t h e m a t i c a lm o d e l e s t a b l i s h m e n ta n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yc h o i c e c 啪c y t h es u c c e s sh a sc o m p l e t e dt h ef e s t o h y d r a u l i cp r s l p o s i t i o ns y s t e mc o n t r o ld e v e l o p m e n ta n dt h er e s e a r c h k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r o p o f t i o n a lc o n t r o l ；e h p p c s ( e l e c t r i c i t yh y d r a u f i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o n c o n t r o ls y s t e m ) ；c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n sp i dc o n t r o l ；l i n e a rq u a d r a t i co p t i m a lc o n t r o l ； e x p e r i m e n t s 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 本章以国内外研究文献为基础，简要阐述了国内外液压技术及控制技术的发 展概况和电液比例控制技术的基本概念以及发展历程。由于电液比例技术具有廉 价、节能、维护方便、较好的控制精度和响应特性等特点，满足工业控制系统实 际需要，成为该技术出现的必然性。简述了液压位置控制系统的组成及分类。并 简单介绍了德国f e s t o 公司生产的液压实验台。最后，提出了本课题的主要研究 内容。 1 1 液压控制技术简述 液压控制技术是以流体力学、液压传动和液力传动为基础，应用现代控制理 论、模糊控制理论，将计算机技术、集成传感器技术应用到液压技术和电子技术 中，为实现机械工程自动化或生产现代化而发展起来的一门技术。它广泛的应用 于国民经济的各行各业，在农业、化工、轻纺、交通运输、机械制造中都有广泛 的应用，尤其在高、新、尖装备中更为突出阻蜘 随着机电一体化的进程不断加快，技术装备的工作精度、响应速度和自动化 程度的要求不断提高，对液压控制技术的要求也越来越高。目前，液压控制技术 已经不是传统意义上的液压传动和液力传动，液压控制技术已经从传统的机械、 操纵、助力装置等应用场合开始向高、新、尖技术领域发展，具有了更广泛的内 容，包括p i d 控制技术、自适应技术、最优控制技术、鲁棒控制技术、神经网络 控制技术等。现代控制理论、模糊控制理论的发展和应用，计算机控制技术的逐 步完善和普及，集成传感技术的飞速发展，为液压工业、电子工业将电子技术、 液压技术结合起来应用到液压控制中创造了良好的契机，使得技术装备的工作可 靠性、控制精度、响应速度及自动化程度大大提高。传统意义上的液压控制技术 己经不能满足当今技术装备日益发展的要求，液压技术在高、新、尖技术装备中 有着举足轻重的作用，掌握液压控制技术，对振兴民族工业，加速国民经济发展 有着深刻的社会意义和巨大的经济效益。 贵州大学硕士学位论文 1 2 国内外液压技术概况 我国液压行业已形成了门类齐全、有一定生产能力和技术水平、初具规模的 生产科研体系。目前全国约有几百家企业，有十多所大学设有流体传动及控制专 业，有国家级元件质量监督检测中心以及国家重点实验室。我国液压工业己可为 工程机械、机床、塑机、冶金、矿山、石油化工、铁路、船舶、轻工机械等提供 比较齐全的产品“近年来，通过科技攻关和技术引进，使液压产品的水平得 到提高，生产出一些具有世界水平的产品另外，在c a d 和c a t 技术、污染控制、 故障诊断，机电一体化、海水及高水基溶液的应用、现代控制技术的应用等方面 也取得可喜成果，不少己应用于生产 在国外，液压工业的发展速度高于机械工业，液压技术的应用领域十分广 泛，如工业机械中的机床、冶金、自动生产线等。液压主机品种日益增多，产品 更新速度加快。其液压工业的生产方式发生了变迁，基本淘汰了以普通机床加工 装配为主的生产线( 这种方式柔性差，效率低) ，代之以数控、加工中心及制造单 元为主组成的生产线，将高精度、高效率及柔性集成于一体种- 刚 1 3 液压传动及控制技术的发展概述 液压传动及控制是一种新兴技术，它被引用到工业领域只有很短的时间。 1 7 9 5 年英国人布拉默( j b r a m s h ) 发明了世界第一台水压机，不仅利用水传递 能量，还传递控制信号，这标志着液压技术工程应用的开始。 液压技术的发展与流体力学的理论成果、工程材料、工作介质等相关学科的 研究、发展紧密相连。1 6 5 0 年帕斯卡提出了封闭静止液体中压力传播的帕斯卡 原理，1 6 8 6 年牛顿揭示了粘性流体的内摩擦定律，1 8 世纪相继建立了连续方程 和伯努利能量方程，这些理论成果是液压技术发展的理论基础“”。 在液压传动及控制技术的发展过程中，电液伺服控制和电液比例控制是相继 出现的两大重要技术。电液伺服技术首先用于航空，继而应用于一些重要设备的 自动控制。电液比例控制技术是介于液压开关控制与电液伺服控制之间的新型电 液控制技术，它是针对伺服控制存在的缺点，诸如：功率损失大，对油液过滤要 2 贵州大学硕士学位论文 求苛刻，制造和维护费用高等提出来的。又加上一般工业设备对动态响应的快速 性要求不高，电液比例控制技术适应了这些要求，从而在近些年里得到极大发展。 经过不断地技术积累，液压传动及控制技术成为现代机械装备技术进步的重 要基础，广泛应用于各工业部门。液压传动及控制技术能够迅速发展，是因为它 具有不可比拟的技术优越性，液压传动与机械、电力、气压等传动形式相比较的 优势如表所示。 怒 功率转矩与响应 可控负载调速 与重转动惯速度制性 刚度范围 量比量比 机械传动小小 底差 中等小 电力传动 小小中等中等差中等 机电传动小小中等中等差中等 气压传动 中等中等 底 中等 差 小 液压传动 大 大同好大 大 表i 1 各种传动方式的主要传动特性比较 由表看出，液压传动单位功率重量比大，能以较轻的设备重量获得很大的力 和转矩；体积小、重量轻、惯性小，故液压控制系统可以安全、可靠并快速地实 现频繁的带负载起动和制动，易于实现过载保护，工作安全可靠；可轻易地实现 正、反向直线或回转运动和动力控制，这对机械传动相当困难而对电力传动则 更困难；在运动过程中能方便地进行无级调速，且调速范围大；低速性能好，液 体工作介质具有弹性、吸振和润滑能力，使液压系统运转平稳，可靠，易于散热； 液压传动的控制调节简单，操作方便，易于实现自动化；液压控制系统的负载刚 性大，受负载变化的影响小，精度高。 此外，液压传动及控制技术在高速、高压、大功率、高效率、低噪声，高可 靠性、高度集成化、数字化、机电一体化等力一面都取得了重大进展，并对机电 产品质量和水平的提高起到了极大的促进和保证作用。采用液压技术的程度已成 为衡量一个国家工业水平的重要标志。 现代液压传动及控制技术与微电子技术、计算机控制技术、传感器技术等为 代表的新技术紧密结合，形成一个完善高效的控制中枢，成为包括传动、控制、 检测、显示乃至校正、预报在内的综合自动化技术。它始终是大功率机械设备和 生产线实现自动化不可缺少的基础技术。 3 贯州大学硕士学位论文 1 4 电液比例技术 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，都可以被称为电液比例控制系统。例如数字控制系统、 脉宽调节( p 删) 控制系统以及一般意义上的电液比例控制系统。从广义上讲，在 应用液压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中，凡是系统的输出量，如压 力、流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成 比例地得到控制的，都可称为比例控制系统1 2 3 3 4 3 甜。 比例控制装置是一种有确定增益的转换器。例如，比例阀可以把一个线性运 动( 手动或电磁铁驱动) 转换成比例的油流量或压力，转换常数取决于阀的几何尺 寸及它的制造精度闭环比例阀也可以用于外部反馈闭环系统。电液伺服系统是 较早主要在军事工程领域发展起来的电液控制技术，而电液比例控制技术，是针 对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、制造维修费用高等， 而它提供的快速性在一般工业设备中又往往用不着的情况，在近几十年迅速发展 起来介于普通控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支n l 翱。 在比例控制系统中，主控制元件可以有无限种状态，分别对应于受控对象的 无限种运动。与比例控制对应的还有开关控制。由于开关控制中控制元件只有两 种状态，即开启或关闭。因此要实现高质量的复杂控制时，必须有足够大量的元 件，把各个元件调整成某一特殊的状态，从而实现使受控对象按预定的顺序和要 求动作。比例控制和开关控制都可以是手动或按程序自动进行。不同的是在比例 控制中，比例元件根据接受到的控制信号，自动转换状态，因而使系统大为简化 在工程实际应用中，由于大多数被控对象仅需要有限的几种状态。因而开关控制 也有可取之处。开关元件通常简单可靠，不存在系统不稳定的情况。 1 5 电液比例位置控制系统 电液比例位置控制系统应用十分广泛，其控制量是位移和转角。工程实际 应用中，位置和转角控制装置通常由带位置反馈的节流阀、方向比例阀、比例 排量阀等组成。另外，同步控制实质上属于一种特殊的位置控制。电液比例位置 4 贵州大学硕士学位论文 控制系统的构成可以简化为如图卜l 所示。 图卜l电液比例位置控制系统 电液比例位置控制系统一般由液压动力源、控制机构、控制对象和位置控制 器组成。控制机构由电液比例阀、液压缸( 液压马达) 和负载三部分组成。位置控 制器由计算机或单片机等部分组成。其中，位移反馈由位移传感器组成。计算机 或单片机中存储有给定位移曲线，通过函数发生器发生指令。 电液比例位置控制系统可分为定位控制、跟踪控制和保持控制三类。定位控 制是使执行元件定位于预定位置的控制，其目标位置恒定。跟踪控制是使执行元 件在某一时刻定位于特定的位置上的控制，其目标位置是随着输入指令信号连续 变化的。位置保持控制是把执行元件移到所需要的位置后将其固定在该位置的控 制类型阻训 1 6f e s t o 液压系统 德国f e s t o 公司生产的液压实验台是一套完整，灵活、紧密结合实际，并能 够不断随着科技的发展而更新的教学实验与系统设计技术相结合的系统。它包含 了液压技术、电气技术、可编程序控制器技术、自动装置技术等综合技术学科。 它提供的是教学、实验方法与技术知识紧密结合的教学、实验体系吼伽。 f e s t o 液压实验台配备了多种的液压元件。此系统的元件固定是采用在设备 面板上横纵排列等距的安装孔，使所有元件可以在任意位置上安装，根据需要任 意组合，搭成所需的实验回路。元件和管路的连接是采用灵活的快速管接头和软 管，各元件的安装和固定都非常容易，并且密封性好，操作过程快捷方便。 另外该实验台还配备了液压仿真软件f l u i d s i m 。利用该软件，可以方便的 绘制出符合工业标准的液压回路图。制图的同时，f l u i d s i m 软件还可以检查回 贵州大学硕士学位论文 路图结构的正确性。由于该软件中的元件参数的调节范围与实际设备完全一致， 所以可对设计的回路进行准确的系统模拟矧 1 7 课题来源 处于全球市场之中的工业生产必须加快新产品的开发，按市场需求调整产品 上市时间t ( t i m et om a r k e t ) ，改善质量q ( q u a l i t y ) ，降低成本c ( c o s t ) ， 并不断完善售前和售后服务s ( s e r v i c e ) ，才能在剧烈的竞争中立于不败之地。 追求完善的t 、q 、c ，s 是一个永无止境的过程，它能不断地促进技术进步与管 理改革。为了适应市场竞争需要，在追求t q c s 过程中，逐渐形成了计算机集成 制造系统，它采用系统集成、信息集成的观念来组织生产。即把整个生产过程看 作是信息采集、传送及加工处理过程，因此信息技术成为工业生产制造过程的重 要因素。综合自动化就是在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术， 实现信息集成，在信息集成的基础上进一步优化生产与操作，增加产量，改善质 量，提高企业的市场应变能力和竞争能力 随着计算机技术的发展和数据采集理论的成熟，给液压技术的进一步发展 带来了强有力的支持。同时工业自动化的进步对具有独特优越性能而在工业生产 中拥有重要地位的液压控制技术，尤其是可以广泛应用于工业中的比例控制技术 的技术革新提出了强烈的要求。顺应工业自动化技术发展的潮流，结合实际情况， 设计了这个数控液压比例进给系统。在系统中探讨了p i d 控制理论、计算机控制 技术和数据采集理论在液压比例控制方面与实际工程应用的结合，实现系统控制 元件高度的集成化和控制方式的新型化。 该控制系统的建设属于贵州工业大学科研项目。 1 8 课题研究的主要内容 分析液压技术的现状和发展方向，设计合理的液压比例控制系统及动力、执 行机构。根据设计，构建相应的液压比例控制系统以及与液压控制系统匹配的实 验台在该系统中努力实现计算机技术、数据采集技术与液压比例控制技术的融 合，使该系统成为较新型，符合工业化发展方向的数字控制液压比例系统。同时 6 贵州大学硕士学位论文 在理论上对本课题涉及的液压比例系统进行分析并建立适当的数学模型：采用在 工业实际应用中已经成熟的、经过实际应用验证具有优越性能的p i d 算法与线性 二次型最优控制理论来控制该液压比例位置控制系统，并进行相应控制效果的对 比从而体现出该液压比例控制系统的基本性能，实现对该系统的控制研究。 在系统中，由液压系统提供驱动动力，驱动油缸按照一定的方式进给。通过 安装在油缸上随动的位移传感器检测液压缸的伸缩量，由p c i 一8 3 3 3 数据采集卡 采集位移传感器的输出量，再经a d 转换后送入计算机中，然后通过编程，采用 线性二次型最优控制算法，对采集到的数据进行分析、判断、补偿，然后通过数 据采集控制卡d a 输出，调节比例阀阀芯的开口量，控制液压缸的进一步进给， 最后油缸随计算机指令下实现液压比例控制系统的实时控制位移进给。 7 贵州大学硕士学位论文 第2 章f e s t o 液压位置控制系统的方案设计与分析 液压系统是本控制平台的动力部分，液压部分性能的优劣决定了整个系统的 基本性能。而阀对于液压系统而言又起着关键的作用，它又决定着整个液压部分 的基本性能，故在方案论证时，阀的选用是讨论的主要内容。在确定最终方案以 前，提出了几种方案进行分析讨论。 2 1 液压系统方案的设计 方案一；普通电磁换向阀和调速阀组合，配合行程开关组成的液压系统。 普通液压缸 调速 关 换向阀 图2 - 1 三位四通阀与调速阔组成的液压系统 液压系统回路组成如图2 - 1 所示。在此方案中，采用三位四通电磁换向阀控 制平台的进给方向。而平台进给速度的调节依靠普通调速阀进行。 该平台可实现的功能是：通过与限位开关配合，载物台在液压缸杆的推力作 用下，沿导轨按照一定的工进速度运动，完成规定的工步；液压缸为单出杆，他 能满足工业控制中的高效率，在往返运动时，可以在相同流量下执行不同的速度。 该系统的缺点是，由于该方案中采用的调速阀不具备使用电流( 电压) 进行调 s 贵州大学硕士学位论文 控的功能，而只能用手动调节，这种方式不符合计算机自动化数字控制所要求的 基本条件。从表面上看该系统能实现无级调速，但是其中各种无级调速参数的调 节必须人为参与，由操作工人用手工进行调节，而不是在计算机的程序指令控制 下进行的。另外，这种控制只能用限位开关用电流或者电压给出有限个位置信号， 不能随机定位。与该阀相搭配的普通油缸，在启动时压力较大，内渗漏较为严重， 即便在用单向阀锁定的情况下，定位也不准确，易产生移动。内部摩擦较大，对 小流量的变化反应不灵敏。 方案二：比例调速阀与电磁换向阀的组的液压系统。 位器 图2 - 2 开环比例控制液压系统 一个能实现正反向无级调速的开环比例调速系统如图2 - 2 所示。比例调速阀 的输出流量与给定输入电压成正比。方向则取决于1 d t 或2 d t 中哪一只电磁铁通 电。通过改变给定信号的大小可以方便地实现无级调速。与前面的开关控制比较， 系统功能增加了，性能也更好。但结构却大为简化。由图可见，系统容易实现双 向无级调速，且可以扩展到对多个执行器分别进行调速控制，最终达到给定位置。 比例控制技术是在开关控制技术和伺服控制技术之间的过度，他具有控制原理简 单、控制精度高、抗污染能力强、价格适中等优点。由于不对被控量进行检测和 反馈，因而当出现被控量与期望值的偏差时无法进行修正，称为开环控制系统。 这类系统一般控制精度不高。但与开关式液压控制相比，控制质量和方式都有改 9 贵州大学硕士学位论文 进和简化。它可使被控量复现控制信号的变化规律。这类开环系统由于不存在信 号和能量的反馈，因而系统稳定性好，容易设计。是目前最常见的比例控制系统 比例阀最显著的技术特性：1 比例阀的换向过程是可控的，设定值可无级调 节，达到一定控制要求所需的液压组件少，从而降低了液压回路的材料消耗。2 使用比例阀可方便、迅速、精确地实现工作循环过程，满足切换过程要求。通过 控制切换过度过程，延长机械和液压组件的寿命。3 用来控制方向、流量和压 力的电信号，通过比例器件直接加给执行组件，使液压控制系统的动态性能得到 改善。 比例控制技术基本工作原理是：根据输入电信号电压值的大小，通过放大器 将该输入电压信号1 0 v 一- + 1 0 v 之间) 转换成相应的电流信号。这个电流信号作 为输入量被送入比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量一力或位移 该力或位移又作为输入量加给比例阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压 力通过这样的转换，一个输入电压信号的变化，不但能控制执行组件和机械设 备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行无级调节此外， 还可以对相应的时间过程，例如在一段时间内流量的变化，加速度的变化或减速 度的变化等进行连续调节。 方案三；电液伺服阀液压系统。 圈2 - 3 伺服f e e 组成的液压系统 1 0 贵州大学硕士学位论文 液压回路如图2 - 3 所示。电磁伺服阀是一种高性能、高精度、高频响应的电 液转换部件，也是电液伺服系统的关键部件，它具有快速的动态响应和良好的静 态特性。电液伺服阀的频宽通常在5 0 h z 以上，有些高频响应伺服阀其频宽可达 几千赫兹，它多用于要求响应速度快、控制精度高的闭环控制系统中。 电磁伺服系统就是用电液伺服阀作电液转换及控制组件，用液压执行组件作 驱动装置，对位置、速度和力( 压力) 等机械量进行闭环控制。电液伺服系统的工 作原理是把输入信号与被控制量的反馈信号进行比较。将其差值( 及控制偏差) 传送给控制装置，以改变液压执行组件的输入压力或流量，使负载向着减小信号 偏差的方向动作。电磁伺服系统按输入信号形式的不同，可以分为模拟型伺服系 统，数字型伺服系统。模拟型伺服系统结构简单、成本低廉、工作可靠，但抗干 扰能力较差：数字型伺服系统需采用d a 、 d 转换及其它接口电路，它使用脉 冲信号，分辨率高，抗干扰能力强，控制精度高，但结构复杂，成本较高。为配 合伺服阀的高精度，高灵敏性，在伺服液压系统中必须采用高性能伺服油缸，此 种伺服油缸必须具有启动压力低、低速平稳、密封件寿命长、无渗漏等特点 方案四：用比例方向控制阀与伺服液压缸组合成的液压系统。 图2 - 4 闭环比例位置控制系统 贵州大学硕士学位论文 如图所示为闭环比例位置控制系统。它是在开环控制基础上增加了位置反馈 元件而构成的。直接控制式比例方向控制阀能够同时实现方向控制和流量比例控 制的复合功能。位移传感器产生与位移成正比的电信号，经过匹配放大器放大后， 与给定控制信号比较，得出偏差信号。偏差信号经过功率放大后用于控制比例电 磁铁 或b ，从而控制阀的开口量及方向，达到位置调节目的。 系统引入了反馈回路，称为闭环系统。它用被控量与输入量( 给定) 的偏差信 号作为真正的控制信号，最后使输出量尽量与输入量相一致。在受到干扰时仍能 消除偏差或把偏差控制在要求的精度内。系统的输出能较准确地复现输入信号的 变化规律。但由于有反馈的存在，其稳定性成为设计的主要考虑问题，特别是比 例阀工作在较大的范围时，其非线性的影响不能忽略。 比例方向控制阀选用的额定工作压差比电液伺服阀低一个数量级，比电液换 向阀略高或者相当，采用电液比例方向流量阀的系统能耗和温升远比采用电液伺 服阀的系数低。阀的几何尺寸较电液伺服阀大，但接近于电液方向阀。为了降低 阀的制造成本，其中位死区较大但也因此具有一个附带优点，即如果采用正遮 盖阀芯，在无信号工况时即使在开环回路中，也能保证受控负载可靠的锁定。可 以根据系统的控制要求，像普通换向阀那样，采用不同的滑阀中位机能。 电液比例方向流量阀的滞环、重复精度、分辨能力以及线性度等同电液伺服 阀相当，但动态响应要比高性能伺服阀稍低。此外，电液比例方向流量阀既可用 于开环，又可用于闭环。它和电液伺服阀的使用要求不同，往往在较大的参数调 节范围内运行。故控制回路中的非线性因素不能忽略，需要同时考虑其时域和频 域的动态特性。 在比例液压系统中也必须选用伺服油缸，普通油缸的内泄漏与伺服油缸相比 较为严重，定位不准确。同时，在小流量的情况下，普通油缸的灵敏度不高，容 易造成低速下的爬行。所以，与比例阀的性能相配合，选用普通的伺服油缸，此 种油缸的启动压力较普通油缸小的多，而且在小流量情况下灵敏度也比较高。 2 2 液压系统方案的确定 从表2 - 1 中可以看出：电液比例元件的性能已经有了显著的提高，除比例元 件具有中位死区之外，在稳态滞环、重复精度等主要稳态性能上已经与伺服阀相 贵州大学硕士学位论文 当，而工作频宽又具有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平：对介质过 滤精度要求、阀内压力损失和价格方面接近于开关阀。 丽型 比例阀普通开关阀 伺服阀 介质过滤精度1 1i l l 2 0 2 53 阀内压降m p a o 5 20 2 5 - 5 7 稳态滞环( ) l 一3 l 重复精度( ) o 5 一l0 5 频宽( h z 3 d b ) 2 52 0 - 2 0 0 中位死区有有无 价格园子 i i i低 i ：j 表2 - 1 比例同，普通开关阀及伺服圄主要性能表 综上所述，方案一最为经济，但是因为这个方案不符合计算机控制的基本要 求，其参数( 流量) 需要人工对其进行手动调节，与本本课题的设计目的相违背。 方案三在上述各方案中能耗最小液压回路最简洁，而且控制性能最佳， 控制精度最高，但是，电液伺服系统造价也极为昂贵( 至少为比例控制系统的3 倍以上) ，同时，在使用条件的很多方面受到不同程度的限制( 如介质过滤精度要 求十分严格，液压执行器件性能也必须与其相适应，必须选用高精度，高灵敏度 的伺服油缸等才能真正发挥出伺服阀的优势来) ，同时根据本课题的要求，实际 不需要达到伺服阀实现的动态精度。 方案二和方案四同为比例控制方案，比例阀控制的液压系统中，中位死区 较大，线性度不如伺服阀好，控制起来，灵敏度不如伺服阀高，同时，闭环控制 容易产生震荡。但是比例方向流量阀的额定工作压差比电液伺服阀低一个数量 级，比电液换向阀略高或者相当，采用电液比例方向流量阀的系统能耗和温升远 比采用电液伺服阀的系统低，当然，不足之处在于阀的几何尺寸较电液伺服阀大。 整体就性价比来说，比例液压系统能满足通常的工业需要。 在方案二和方案四之间，虽然方案二也能用逼近的方式实现随动定位，但是， 其液压回路不很简洁，管道的连接比较复杂，因为多出一个调速阀，管路中和液 压阀上的压力损失较大，相对比起来，泄露等液压常见问题就会严重一些，与方 贵州大学硕士学位论文 案四比起来，造价还略高一些。但是一个很关键的因素是他采用普通换向阀来控 制液压缸的进给方向，由于普通换向阀的换向频率比较低，因此进给到目标位置 附近并进行调整时，不能实现高频的换向，对控制精度有较大的影响，因此定位 的控制性能不如方案四。 方案四的比例方向控制阀既能通过换向来控制执行器件( 液压缸) 的运动方 向，也能通过电流的大小来成比例的控制流量，属于复合型控制，一个比例方向 阀就可以替代比例调速阀和普通换向阀的组合，因此液压回路相对简洁，阀的压 降小，能耗显著降低，同时比例方向阀的控制性能尤其是动态特性( 如响应频率、 滞环等) 比较优越。故方案四被选中，成为该液压比例进给的数字化控制平台液 压方案。 从上述分析中可看出，由比例阀为核心组成的比例控制系统也就具有如下的 功能： i 可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制。 通过输入信号按预定规律的变化，连续成比例地调节受控工作机械作用力或 力矩，往返速度或转速、位移或转角等，是比例控制的基本功能，他不仅改善系 统控制性能，特别使过渡过程特性得以改善，而且大为简化了液压系统，降低了 费用提高了可靠性。控制器中带有斜坡函数发生器的比例阀，可以通过在控制器 中预设斜坡函数，使得系统中即使运动件质量很大，也能实现精确而无冲击的加 速或减速。就可大大改善控制过程品质，缩短工作循环时间。 2 利用电信号便于远距离控制或遥控 采用电液比例控制系统不但可实现远距离有线或无线控制，也可改善主机的 设计柔性，并且可以实现多通道并行控制。例如，工程机械中的多路阀通常必须 集中设置在操纵室，以便与操纵连杆相连接，这就使得每一受控液压缸或液压马 达的连接管路延长，增加了系统复杂性，也就增加了管路损失，对动态特性也很 不利。使用比例阀代替手动多路阀，有可能将阎布置在最合适的位置，提高了主 机总体设计柔性，对减少管路损失和改善操作特性，也十分有利。而且还可以实 际移动式或多个电控操纵站，以适应不同场合的工程操作要求，或者实现多裕度 安全控制。 3 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标。 1 4 贵州大学硕士学位论文 电液比例阀可以采用电量调节其参数，因而，可以使用于闭环控制的情况。 在闭环控制中，通过给控制器输入特定的控制量( 输入信号) ，然后控制器驱动比 例阀工作，同时传感器采集回实时的工作台的工作数据( 反馈信号) ，送回处理器， 经处理器判别输入信号与反馈信号之差( 误差信号) 的大小，给控制器发出相应的 指令，调节工作台的状态，再由传感器采集回数据，然后再根据误差的大小，调 节控制器，如此反复，最终使系统的受控量趋于期望值，实现控制精度的提高。 2 3 小结 本章对液压位置控制系统设计了四个方案，并分别对每组方案的特性进行了 分析与对比。开关控制、电液比例控制技术及伺服控制进行了比较，由于电液比 例控制技术性能介于伺服和开关之间，确定了液压位置系统控制方案为比例方向 控制阀与伺服液压缸组合成的液压系统并设计了电液比例位置控制系统，介绍 了电液比例控制系统的控制原理。最后详细地介绍了本课题电液比例位置控制系 统的功能和特点。 贵州大学硕士学位论文 第三章电液比例位置控制系统数学模型的建立 本液压系统中采用的比例阀为三位四通比例电磁阀。因此，在了解四通阀控 液压缸系统的各种特性的基础上，本章对三位四通的比例阀控液压缸系统进行非 线性模型和线性模型的数学建模。最后推导出比例方向阀控液压缸系统的动态特 性数学方程式，得到四通阀控液压缸的基本动态特性。三位四通比例电磁阀控液 压缸数学模型的得出，将为整个液压系统总体性能的判断及相应的控制系统稳定 性分析提供了有力的理论依据。 图为电液比例位置控制系统原理图，包括数字控制器环节、比例放大器环节、 电液比例方向节流阀环节、阀控缸一负载环节和反馈环节。 厂一 i 绪定 l 3 1 数字控制器环节 图 l 控制系统原理图 数字控制器环节即计算机数字控制，主要完成信号的给定和控制算法的运 算，并且将所计算得到的控制信号，通过d a 输送给比例放大器。 3 2 比例放大器环节绷 比例放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性电流，并对电液比例控制系 统进行调节的电子装置，是比例系统的重要组成。经过数字控制器处理的电压数 字信号，通过d 转换器转换成模拟电压信号后，由比例放大器将其放大转变成 电流信号并输到比例电磁铁上，其公式为 i = k p u 3 - i 其中： i 比例放大器输出电流： 1 6 贵州大学硕士学位论文 i 卜_ 一经数字控制器转换而成的电压信号； k ，比例放大器放大系数。 3 3 比例方向阀控液压缸环节 比例方向阀可用于开环，又可用于闭环。它往往在较大的参数调节范围内运 行。故控制回路中的非线性因素不能忽略，需要同时考虑其时域和频域的动态特 性。基于比例方向阀构成的比例控制系统不仅需要考虑大信号时域动态特性，而 且也应考察在某一工况点附近的小信号频域特性，故本节分别建立其非线性动态 数学模型和线性化动态数学模型。其模型结构图如下所示： 3 3 1 非线性数学模型 图3 - 1 比例阀控掖压缸原理图 1 力平衡方程 对于比例阀 乃= 毛( f 一乇) = 碗争+ 见鲁+ 2 七j y x g - 厶 其中： e ，比例电磁铁推力，昂= k l i + k y x r ： t 比例电磁铁电流一力增益： 七，比例电磁铁位移一力增益： 1 7 3 - 2 贵州大学硕士学位论文 七，阀的对中弹簧刚度； m ，比例电磁铁一阀芯质量； e 比例电磁铁一阀芯阻尼系数( 含反电动势电磁阻尼) ： 卜一比例电磁铁控制电流； “比例电磁铁起始电流； - 阀芯上的稳态液动力 对于液压执行元件 ( p l - p 2 沁m 窘+ e 老+ k y o 川+ f 。c t ) 2 连续性方程 液压缸腔k = k 。+ 砂；= k k 丢警= 白地飞，后p ( p , - p 1 ) 。一一老吲”p ：， 去警= 嘞以x r - - x d ) ( p 2 - - p l ) + 彳害一c 如一p ：， 其中： 巧液压缸左腔容积5 k 液压缸右腔容积。 k 。巧的初值； k 液压缸工作腔总容积； 庳油液等效弹性模量； q 液压缸泄漏系数； p 油液密度。 3 - 3 3 - 5 贲州大学硕士学位论文 3 3 2 线性化数学模型 考虑在某给定工况点附近1 - 作时， 1 力平衡方程 对于比例阀： 七，出= 历，了d 2 a , , c v + 见皇等+ ( 2 b - k , ) 缸，+ 吒 3 _ 6 a = k 缸r k a 印l 3 - 7 对于液压缸： a p l a = m 鲁+ b 。d 毋a y + 脚+ 峨( f ) 3 8 其中： 卸。负载压力增量，印= 锄一印：。 由3 - 6 ，3 - ? 、3 - 8 联立进行拉氏变换可得 七，( j ) + 二芋 五( j ) + ( 肘j 2 + e s + x ) j ，( s ) 】 却= 舌面万话了i 矿 3 _ 9 令吼= ，厶= 一2 一m ( 2 2 k , 坠r + k s , - 一k , ) ，忽略弹性负载时k ：o ， t j ( s ) + 耸【e ( s ) + ( t ，：+ 只。) 灭，) 】 却2 瓦嚣两 3 1 。 2 连续性方程 瓦v , 百d z x v , = 衄- a d 毋a y q 舰 3 一1 1 去警= 山2 + a d 讲a y 一渤 3 啦 当“= 巧= k 2 时，活塞处于油缸中间位置。此时的液压动力部件具有最低固 1 9 贵州大学硕士学位论文 缸，一也印。= g 印。+ 彳警+ 去等 知毒c 去川比 器 c 学+ 静2 + ， 3 - 1 3 3 - 1 4 由式3 - 1 0 与和式3 1 4 可画出该比例方向阀控液压缸的系统方块图如下所示： 其中，系统参数为： 囝3 - 2 比例阀控液压缸特性框图 编 符参数名称 数值 单位 号号 1 足， 比例放大系数 o 1k 烈 2u 控制信号 一1 0 1 0v 3 足： 比例电磁铁的电流一力增益 4 0 5n a 4 k 目 复位弹簧刚度 1 0 x 1 0 3 n m 贵州大学硕士学位论文 5 k ， 比例电磁铁的位移一力增益 5 0 x 1 0 3 n m 6 阀芯复位弹簧的预压缩量 2 5 1 0 - 3 m y o 7k总弹簧刚度 8 x 1 0 4 n m 8m 总质量 3 5 0 k g 9 为比例电磁铁一阀芯质量； o 4 堙 册， 1 0 以 为比例电磁铁一阀芯阻尼系数( 含反电动势电 5 0n s | m 磁阻尼) 1 1 比例电磁铁的起始电流 0 2a 1 21 比例电磁铁的控制电流 0 1 a 1 3 k f 流量增益 o 3 埘2 s 1 4 丘 流量压力系数 2 3 x 1 0 一“ 1 5a活塞有效面 1 2 2 x 1 0 。m 2 1 6 e 系统阻尼系数 5 0 0 0n j m 1 7 q液压缸总泄露系数 9 x 1 0 一“m 5 n s 1 8 v ， 液压缸总容积 4 x l o 5 m ， 1 9 p 为油液密度。 8 3 0 k g m 3 2 0 9 。 有效体积弹性模量 0 7 1 0 9 只 2 l 供油压力 6 1 0 6 只 p j 3 4 小结 本章对电液比例位置控制系统进行了数学建模。针对组成系统的各个环节进 行了理论分析，其中包括：数字控制器环节，比例放大器环节，电液比例方向阀 环节，阀控缸一负载环节，反馈环节。并且对上述各个环节建立了数学模型。液 压系统中采用的比例阀为三位四通比例方向阀。因此，本章主要建立了三位四通 2 l 贵州大学硕士学位论文 的比例阀控液压缸系统的非线性数学模型和线性数学模型，得出了比例阀控液压 缸系统的数学模型。此模型的得出，为整个液压系统总体性能的判断及相应的控 制系统稳定性分析提供了有力的理论依据 贵州大学硕士学位论文 第四章系统的仿真分析 4 1 系统特性的仿真分析 对系统的数学模型基于m n t l a b 平台编写l 函数文件，对系统的时域性能指 标及频域性能指标做进一步分析，以分析系统的特性。利用m a t l a b 控制工具箱 中提供的时域响应函数s t e p ( ) 、频域响应函数b o d e ( ) 和m a r g i n ( ) 求出系统的阶 跃响应曲线和系统的伯德图以及系统幅值与相位裕度及其发生处的幅值穿越频 率与相位穿越频率饥4 ”分析结果如图所示： s t 印舟簧a 。 图4 - i b o d e d o 胛 0 m 6 3b 由(