（机械设计及理论专业论文）基于三级油箱结构的精密油温控制系统.pdf

基于三级油箱结构的精密油温控制系统 摘要 温度控制在日常生活、工业生产、科学研究等诸多领域占有极其重要的地位。尤其在 钢铁、机械、石油化工、电力、环境设备、军事设备等工业生产中，温度已经成为极为普 遍而又非常重要的热工参数之一。目前，液压系统油温控制方法中，油温控制装置主要有 一级油箱装置、二级油箱装置及高低温配流油箱装置等，在这些油箱装置中工作介质处于 不稳定的紊流状态，从而产生温度场不稳定、温度控制分布不均衡的问题，同时由于温度 传感器响应时间较长，在测量流动的工作介质时不能实时检测当前介质温度，从而无法实 时控制油温。 本文在分析研究目前普遍采用的几种温度控制装置存在问题的基础上创新性的提出 了基于三级油箱结构的精密油温控制方法，其控制原理是在常规油温控制装置的基础上增 加了恒温箱环节，使油液经过两次油温自动控制，避免了传统油温自动控制装置存在油液 搅动，油箱内油液温度场不稳定、油温空间分布不均衡、温度传感器响应时间长而导致测 量的油温不可靠的缺陷，从而容易进行油温的精确测量与控制，为工作系统提供精密油源。 本文根据三级油箱温度控制原理，开发了基于三级油箱结构的温度控制试验系统，并 对基于三级油箱结构的精密油温控制方法的可行性了进行了试验研究，结果证明该温度控 制方法可行，而且能够达到较高的控制精度，基于三级油箱结构的精密油温控制系统在液 压系统油温控制、精密机床油温控制等需要介质温度精密控制的场合具有广阔的发展前 景。 关键词：油箱，温度控制，油温，液压传动 a no i lt e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c ew i t hh i g hp r e c i s i o n b a s e do nt h r e e - l e v e lt a n ks t r u c t u r e a b s t r a c t t e m p e r a t u r ec o n t r o lp l a y e dav e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h ed a i l yl i f e ，i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， s c i e n t i f i cr e s e a r c h e s p e c i a l l yi nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fm e t a l ，m a c h i n e r y ，e l e c t r i cp o w e r ， e n v i r o n m e n te q u i p m e n t ，m i l i t a r ye q u i p m e n t ，t h et e m p e r a t u r eh a db e c o m eo n ec o m m o na n d i m p o r t a n tt h e r m a lp a r a m e t e r a tp r e s e n t ，t h e r ew e r em a i nt h r e ek i n d so i lt e m p e r a t u r ec o n t r o l d e v i c e si nh y d r a u l i cs y s t e mo i lc o n t r o lw a y s o n ew a sc a l l e do n e - l e v e lo i lt e m p e r a t u r ed e v i c e ， a n o t h e rw a sc a l l e dt w o l e v e lo i lt e m p e r a t u r ed e v i c e ，t h el a s tw a sc a l l e do i lt e m p e r a t u r ed e v i c e w i t hh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r eo i lm i x e dt o g e t h e r i nt h e s eo i lt e m p e r a t u r ed e v i c e s ，t h ew o r k i n g m e d i u mw a si na nu n s t a b l et u r b u l e n ts t a t ew h i c h w o u l dr e s u l ti nt e m p e r a t u r ef i e l du n s t a b l e 、 u n e v e nt e m p e r a t u r ec o n t r o ld i s t r i b u t i o n w h a t sm o r e ，b e c a u s eo f t h el o n gr e s p o n s et i m eo ft h e t e l _ d e r a t u r es e n s o r , t h er e a l - t i m eo i lt e m p e r a t u r ec o u l d n tb ed e t e c t e dw h e nw ed e t e c t e dt h e u n s t a b l ew o r k i n gm e d i u m s ow ec o u l d n tc o n t r o lt h er e a l - t i m eo i lt e m p e r a t u r e t h ea r t i c l ec r e a t i v e l yp u tf o r w a r da no i lt e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c ew i t hh i g hp r e c i s i o n b e s e do nt h r e e 1 e v e lt a n ks t r u c t u r eo nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ee x i s t i n g d r o b l e mo ft h ep r e s e n tc o m m o n l yu s e do i lt e m p e r a t u r ed e v i c e s i t sc o n t r o lp r i n c i p l ew a s t h a ti t a d d e da ni n c u b a t o ri nt h ec o n v e n t i o n a lo i lt e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c e s ，m a k i n gt h eo i la u t o m a t i c c o n t r o lt w ot i m e sa n da v o i d i n gt h ep r o b l e mo fo i ls t i r ，u n s t a b l et e m p e r a t u r ef i e l d ，u n e v e n t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ns p a c e ，u n r e l i a b l eo i lt e m p e r a t u r ew h i c h r e s u l t e df r o ml o n gt i m eo f t h e t e m p e r a t u r es e n s o ra n dt h e nw ec o u l dc o n t r o la n dd e t e c tt h eo i lt e m p e r a t u r ea c c u r a t e l ya n d o f f e r e do i lw i t hh i g hp r e c i s i o nt ot h ew o r k i n gs y s t e m t h ea r t i c l ed e v e l o p e dat e m p e r a t u r ec o n t r o lt e s ts y s t e mb a s e do n t h r e e l e v e lt a n ks t r u c t u r e o nt h eb a s i so f t h r e e 1 e v e lt a n kc o n t r o lp r i n c i p l ea n ds t u d i e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h i sc o n t r o l m e t h o d b vc a r r y i n gt e s t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eo i lt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw a sf e a s i b l e a n d c o u l da c h i e v eh i g hc o n t r o la c c u r a c y t h i so i lt e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c ew i t hh i g ha c c u r a c y b a s e do nt h et 1 1 r e e 1 e v e lt a n ks t r u c t u r eh a d aw i d eh o r i z o no fd e v e l o p m e n ti nt h eo i lt e m p e r a t u r e c o n t r o lo f h y d r a u l i cs y s t e ma n dp r e c i s i o nm a c h i n et 0 0 1 k e y w o r d s ：t a n k t e m p e r a t u r ec o n t r o l o i lt e m p e r a t u r eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n 集美大学硕士学位论文基于三级油箱结构的精密油温控制系统 1 1 引言 第1 章绪论 温度控制广义上是指对某一特定的空间或者系统工作介质的温度进行有效调节，使其 能够达到系统要求的温度精度，进而满足工业过程中的各项工艺要求。随着各种控制技术、 测量技术等不断发展，温度控制现在已经影响到了日常生活、工业生产等诸多领域的方方 面面，尤其在钢铁、机械、军工等需要对温度进行精确控制的场合，温度是起主导作用的重 要参数之一。温度控制从d , n 人们的日常生活，大到各种类型的大型工业生产过程都具有 广泛的应用前景。本文主要研究目标是实现液压系统中介质油温度的精密控制，由于介质 油有很大的热惯性，控制精度受到环境、控制装置、控制器等各种因素的影响，因此采用 一般的控制装置温度控制效果较差。本文在分析了几种普遍采用的温度控制方法之后，基 于三级油箱结构，采用p l c 控制器开发了基于三级油箱结构的精密油温控制试验系统，达 到了很好的控制效果。 1 2 温度控制发展现状 温度控制广义上包括温度测量技术和温度控制技术两个方面内容。温度测量技术主要 包括接触式测量和非接触式测量两种。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动 态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪的控制目标是使被控对象的温度值按照预先设 定好的曲线变化。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要 求其波动幅度不能超过某允许值。本文所讨论的基于三级油箱结构的精密油温控制系统就 是要实现对液压油的恒值温度控制。以下仅对恒值温度控制进行讨论，温度控制技术可分 为以下几种d , 2 l ： 1 ) 开关控制法：通过硬件电路或软件计算判别当前温度的偏差，进而对系统加热装 置( 或者冷却装置) 进行通断判断。这种方法不必通过计算机进行控制，完全靠利用很基 本的模拟电路就可以满足要求。现在这种方法仍然用在对温度控制精度要求不是很高的工 业场合中。但是采用此方法不能解决控制过程中温度滞后性温度，控制精度较低，根本无 法满足需要高精度温度控制的工业场合。 2 ) p i d 线性控制法：此方法是在经典p i d 调节器控制原理的基础上建立起来的，因为 p i d 调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此其控制性能是 开关控制法多不能比拟的，优势大大超越开关法。这种方法控制性能的好坏主要取决于三 个p i d 参数( 比例系数、积分常数、微分常数) 。p i d 三个参数经过恰当选择，就能对一个 确定系统进行较为精确的控制。但是此方法不足之处在于控制的系统一般是确定的，对于 非线性或者性能变化的系统，控制精度就会难以实现。 集美大学硕士学位论文基于三级油箱结构的精密油温控制系统 3 ) 智能温度控制法：此种方法克服了经典p i d 控制方法的不足之处，在实践过程中 产生了多种自动调整p i d 参数的方法，并将智能控制与p i d 控制结合在一起实现温度智能 控制。 1 2 1 国外温度控制发展现状 欧美、日本等国家从2 0 世纪7 0 年代就开始着手对温度控制进行了深入的研究和探索， 刚开始进行温度控制时采用模拟式的组合仪表，由各种组合仪表显示并指示、记录和控制 现场信息。等到2 0 世纪8 0 年代末国外产生了分布式控制系统。随着计算机技术、测控技 术、传感技术等各个学科的蓬勃发展，世界各国的温度测控技术发展很快，目前少数发达 国家已经开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。欧美等国家在实现 自动化的基础上正向着完全自动化、智能化的方向发展，它们大多数采用先进的控制算法， 如模糊算法、免疫p i d 算法、自整定p i d 算法等【3 。8 】，使得温度控制精度很高。 1 2 2 国内温度控制发展现状 在搜集到的有关温度自动控制的资料中，如孙征、史俊青【9 】在其设计的液压缸试验台 系统中采用的装置是在油箱内安装一定功率的加热器，在进回油管路上设置一定功率的散 热器；顾峰 1 0 】在其设计的温度控制装置中采用的是在进油管道上加一定功率的加热器，在 油箱中设置一定功率冷却管的方法；周垄敏【1 1 】在设计的液压缸试验台中采用的油温自动控 制装置结构和控制原理与孙征、史俊青设计采用的方法基本相似；王剑彬【1 2 】在精密机床温 度控制中采用在油箱内安装满足要求的加热器和冷却器的方法。 从所收集的文献及生产实践中可知当今主流采用的油温控制方法主要有：第一种是如 孙征、史俊青、周垄敏等设计的液压缸试验台系统中以及王剑彬中在精密机床温度控制中 所采用的方法，即采用一个进油箱和一个回油箱的方法，在油箱内安装一定功率的加热器， 在回油管路上设置一定功率的散热器来控制油温的方法，在此可称为基于二级油箱的温度 控制系统；第二种方案是采用两个油箱，两油箱内分别放置高温油和低温油，在油箱内部 或回油管路上装有加热器和冷却器，两个油箱内不同温度的油液在进油管道中按特定比例 进行混合达到试验要求温度，可称为基于高低温配流的温度控制系统。这两种方法共同点 是试验过程由精度较高的温度传感器进行实时动态监测，通过p l c 或单片机等控制器运用 特定的控制算法来控制加热器和冷却器恰当交替工作使油液温度达到满足系统要求的温 度。 这两种温度控制装置结构和控制原理如下： ( 1 ) 基于二级油箱结构的温度控制方案 下图为基于二级油箱的控制过程流程图： 集美大学硕士学位论文基于三级油箱结构的精密油温控制系统 图1 1 基于二级油箱温度控制系统流程图 此方案工作原理是试验开始由温度传感器检测油液温度，若油温低于试验要求温度范围， 油箱内加热器开始工作；如果油温高于试验要求温度范围，冷却器开始工作，整个试验过 程由温度传感器进行实时动态检测来保证油液温度保持在系统要求的范围。 此方案控制过程虽然简单，操作方便，但是控制精度不易保证，由上面流程图可以看 出，进油箱中油液连续经过控制装置和执行装置后与回油箱中剩余油液混合，存在油液搅 动，油液始终处于动态，油箱内温度场不稳定、油温空间分布不均衡，而温度传感器存在 滞后使得测量的油温不可靠，油液实际温度与试验要求温度误差较大。 在引起温度误差的因素中，温度传感器响应时间是最主要的因素，当前工业生产中最 常用的精度较高的是铂温度传感器，铂热电阻的热响应时间是工业热电阻主要技术指标之 一：在温度出现阶跃变化时，热电阻的输出变化至相当于该阶跃变化的5 0 所需要的时间 为热响应时间，用s 表示。其热响应时间受感温元件，保护管材质和直径的影响较大。当 使用普通铂感温元件，不锈钢保护套管直径为1 2 m m 时，s 4 5 s ，1 6 m m 时 t - o5 u - t ， 匿注 羡太 芋童；曼 搿8 s l _ l 匿# 峦浸亭 子了蕊 e r r - 势是j 审毫。嚣警硪| j 罨巷魏 擎l擎完擎曼芋轰鼍 基是童太譬 羔甚在露；￥童守蓐裂喜。磬量毒螺 手上燕缡i 室一詈乍最 膏甓瑟奄躐蠛 集美大学硕士学位论文 基于三级油箱结构的精密油温控制系统 篷嚣辕涯蛊