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东华大学硕士学位论文摘要 电液比例阀控缸位置控制系统的研究与应用 摘要 近年来，随着电液比例控制技术的发展，凭借着成本低、抗污染能力强的优 点，电液比例阀在许多场合逐渐取代了电液伺服阀。电液比例方向阀能同时实现 流量和方向控制，并且可以方便地实现计算机控制。因此采用计算机控制的电液 比例阀控缸位置伺服控制系统具有结构简单、可靠性好等优点，在各个领域尤其 是工业领域得到了广泛的应用。 根据本课题中数控液压弯管机的工作需要，选用缸筒固定的单出杆液压缸作 为系统的执行元件，由于采用左右两边节流面积相同阀芯的直动式比例方向阀来 控制非对称单出杆液压缸，加大了对该系统进行位置伺服控制的难度。本文的工 作就是针对该系统的特点，设计高性能的控制器对其进行任意点定位和连续轨迹 跟踪控制的研究。主要内容如下： 首先，分析了系统的结构和工作原理，在此基础上搭建了系统硬件实验平台， 采用l a b v i e w 和m a t l a b 混合编程环境实现系统的实时控制功能。针对电液比例 位置控制系统的特点，建立了该系统各个环节的数学模型并进行了一些合理简 化，该模型表明系统具有高阶非线性。通过大量实验测定了比例阀的实际中位电 压和系统的动作死区电压；并对系统的输入输出特性有了较深刻的理解，为系统 控制器的设计提供了依据。 其次，为系统设计了p i d 控制器，分别对阶跃信号、方波信号和正弦信号 的系统响应进行了实验研究，发现p i d 控制器在该非线性系统中的不足并对其 进行了改进。在阶跃和方波跟踪响应实验中，控制器在单向点位控制时误差较小， 但是在跟踪连续曲线正弦信号时，由于采用对称阀控制非对称液压缸，再加上电 液比例换向阀死区的存在，造成在正弦信号拐点附近误差较大，虽然采用分段 p i n 控制器效果有所改善，但控制系统的响应仍未能达到较好的效果。 为解决实验中的上述问题，本文为系统设计了普通模糊控制器和模糊自适应 整定p i n 控制并进行大量的重复实验。结果表明，模糊控制器虽然可以实现快速 的方波响应，但难以减小消除稳态误差，这是由模糊控制器本质是p d 控制的特 东华大学硕士学位论文摘要 点所决定的。故提出了模糊自适应整定p i d 控制，提高了正弦响应的跟踪精度， 并在一定频率范围内都得到了较高精度的正弦跟踪响应，增强了系统的适应能 力。因此，本文提出的控制方法是稳定和有效的。 最后，对本论文的研究工作进行了总结，对存在的一些缺点和不足之处提出 了进一步研究工作的设想和展望。 关键词：电液比例，p i d 控制，模糊控制，模糊自适应控制 东华大学硕士学位论文 摘要 i 己e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nt h ep o s i t i o n s e r v os y s t e mo ft h ee l e c t r o h y d ra i ，i c p r o p o r r i o n a lv r ai ：v e c o n t r o l l e dc y l i n d e r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee 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 l c o n t r o lt e c h n i q u e ，t h ee 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 lv a l v eg r a d u a l l yr e p l a c e dt h e s e r v ov a l v eb e c a u s eo fi t sl o wc o s t , g o o da n t i c o n t a m i n a t i o nc a p a c i t y d u et oi t s s i m p l es t r u c t u r e ，e x c e l l e n tr e l i a b i l i t y , t h ee 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 lv a l v e c o n t r o l l e dh y d r a u l i cc y l i n d e ro ft h e p o s i t i o ns e l v oc o n t r o l l e ds y s t e mh a sa b r o a d a p p l i c a t i o ni nd i f f e r e n tf i e l d s ，e s p e c i a l l yt h ei n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h en u m e r i c a lc o n t r o lh y d r a u l i cb e n d i n g m a c h i n e ，as i n g l e - r o dh y d r a u l i cc y l i n d e r , w h o s ec y l i n d e rb a r r e li sf i x e d ，i ss e l e c t e da s t h ea c t u a t o r , b u ti t sm o r ed i f f i c u l tt oc a r r yo u ts e r v oc o n t r o lb e c a u s et h ea s y m m e t r i c s i n g l e - r o dh y d r a u l i cc y l i n d e ri sc o n t r o l l e db yt h es y m m e t r yv a l v ep o r td i r e c t a c t i n g e 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 ld i r e c t i o n v a l v e a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r s ，h i 曲 q u a l i t yc o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e dt of o c u so nb o t hp o i n t - - t o - - p o i n ta n dc o n t i n u o u s t r a c k i n gc o n t r 0 1 t h em a i nc o n t e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eh a r d w a r ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fa n a l y s i s a b o u tt h es y s t e ms 仃u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e t h er e a l - t i m ec o n t r o l l e ri sc a r r i e d o u tb yt h es o f i 、a t a r el a b v i e wa n d m a t l a b a c c o r d i n gt o t h ee l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o lc h a r a c t e r s ，t h em a t h e m a t i cm o d e l so nt h ed i f f e r e n tp a r t so f s y s t e mi se s t a b l i s h e db yd e t a i l e da n a l y s i sa n dt h e ns i m p l i f i e d ，t h em o d e ls h o w st h a t t h es y s t e mi sh i g l lo r d e ra n dn o n l i n e a r t h ev o l t a g eo ft h ep r o p o r t i o n a lv a l v em i d d l e p o s i t i o na n dt h es y s t e ma c t i n gd e a db a n di sa l s od e t e r m i n e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s t h ei oc h a r a c t e r sa r ew e l lu n d e r s t o o d ，w h i c hi st h eb a s i so ft h ec o n t r o l l e rd e s i g n s e c o n d l y , ap i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h es y s t e m ，d u r i n gt h ee x p e r i m e n t so f h t 东华大学硕士学位论文摘要 r e s p o n d i n gt h es t e ps i g n a l ，s q u a r ew a v es i g n a la n ds i n e s i g n a l ，i ti sf o u n dt h a tt h e r e a r es o m ed i s a d v a n t a g e so ft h ep i dc o n t r o l l e ri nt h i sn o n l i n e a rs y s t e m i nt h es t e p s i g n a l ，s q u a r ew a v et r a j e c t o r yt r a c k i n ge x p e r i m e n t , t h ee r r o ri sv e r ys m a l lo nt h e p o i n t - t o - p o i n tc o n t r o li ns i n g l ed i r e c t i o n b u tf o rt h ec o n t i n u o u st r a c k i n gc o n t r o l e x p e r i m e n t ，t h ee r r o ri sal i t t l eb i g , e s p e c i a l l yi nt h ed i r c t i o nr e v e r s i n gp r o c e s s t h e p i dc o n t r o l l e rw i t hs u b s e c t i o ni sd e v e l o p e da n ds o m ee f f e c t sa r eo b t a i n e d b u t g e n e r a l l y , t h ee r r o ri ss t i l lb i ga n dt h er e s p o n s ei su n s t a b l e i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，ag e n e r a l f u z z yc o n t r o l l e ra n da s e l f - a d a p t i v ef u z z y - p i de o n t r o u e ra r ed e v e l o p e da n dam a s so fe x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w st l l a tt h eg e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e ri s n ta b l et oe l i m i n a t e t h es t a b l ee r r o r , a l t h o u g hw h i c hh a saf a s ts q u a r ew a v er e s p o n s e t h a ti sd e c i d e db y t h ee s s e n c eo ft h ef u z z yc o n t r o l l e r s ot h es e l f - a d a p t i v ef u z z y - p i dc o n t r o l l e ri s a d o p t e d ，t h er e s u l ts h o w sm a tt h ep r e c i s i o no fs i n ew a v er e s p o n s ei nac e r t a i n f r e q u e n c yb o u n di si m p r o v e da n dt h ea d a p t i v ea b i l i t yi se n h a n c e d s ot h ef u z z y c o n t r o l l e ri ss t a b l ea n de f f e c t i v e f i n a l l y , f o rt h es h o r t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e ss t i l le x i s t i n gi nt h i ss t u d y , s o m e s u g g e s t i o n sa n de x p e c t a t i o n sa r ep u tf o r w a r df o rf u r t h e rr e s e a r c h ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y k e yw o r d s ：e 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 l ，p i dc o n t r o l l e r , f u z z y c o n t r o l l e r , s e l f - a d a p t i v e i v f u z z y - p i dc o n t r o l l e r 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：玛p 窆亥 日期：2 0 0 8 年3 月9 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：马，忸弦 日期：2 0 0 8 年3 月9 日 指导教师签名： 弘杪 日期：2 0 0 8 年3 月9 日 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 电液比例技术发展概况 第一章绪论 1 7 世纪帕斯卡提出著名的帕斯卡定律，奠定了液压传动的理论基础。流体传 动己经历了很长的发展历史，然而，作为现代电液控制技术的发展却只需追溯到 二次大战时期。当时出于军事需要，对武器和飞行器的自动控制系统的研究已取 得了很大的进展。战争后期，喷气技术取得了突破性进展由于喷气式飞行器速 度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度、功率和重量都提出了更高的要求。 工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。1 9 4 0 年底在飞机上首先出现了电液 伺服系统，其滑阀由伺服电机拖动，但伺服电机惯量很大，成了限制系统动态特 性的主要环节。直n 5 0 年代初才出现了高速响应的永磁式力矩马达。5 0 年代后期 又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应 最快，控制精度最高的伺服系统。1 9 5 8 年美国学者勃莱克布恩等公布了他们在麻 省理工学院的研究工作，为现代电液伺服系统的理论和实践奠定了基础。6 0 年代 各种结构的电液伺服阀相继问世，特别是以穆格为代表的采用干式力矩马达和级 间力反馈的电液伺服阀的出现和各类电反馈技术的应用，进一步提高了电液伺服 阀的性能，电液伺服技术已日趋成熟。电液伺服系统已逐渐成为武器和航空、航 天自动控制以及一部分民用工业设备自动控制的重要组成部分。6 0 年代后期由于 人们对各类工艺过程进行了深入研究，对其精确数学模型有了比较深入的了解， 因而对工艺过程控制提出了更高的要求。现代电子技术特别是微电子集成技术和 计算机技术的发展，为工程控制系统提供了充分而且廉价的现代化电子装置。于 是，各类民用工程对电液控制技术的需求就显得更加迫切和广、泛【。 但人们很快发现，由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格， 控制损失( 阀压降) 较大，使伺服技术难以为更广泛的工业应用所接受。在很多工 业场合，要求有一般的高质量的控制手段，却并不要求太高的控制精度或响应性。 现代工业的迅猛发展，要求开发一种廉价、节能、维护方便、控制精度和响应特 性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。而现代电子技术和测试技术 的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。这些都为电液比例技术的 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 发展提供了有利的条伴2 l 。 大致上，比例技术的发展可以划分为下面四个阶段： ( 1 ) 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，n 7 0 年代初日本油研公 司申请了压力和流量比例阀两项专利为止，是比例技术的诞生时期。这一阶段的 比例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压阀，以 代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含 受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在1 5 h z 之间，稳态滞环在4 7 之间，多用 于开环控制。 ( 2 ) 1 9 7 5 年至1 9 8 0 年间可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内 反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上日趋成 熟，比例元件工作频宽已经达n 5 1 5 h z ，稳态滞环亦减少到3 左右。其应用领域 日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进 一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正手段，使阀的稳 态精度、动态响应和稳定性都有了进一步提高。除了因制造成本所限，比例阀在 中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均己和工业伺服阀无异。另一项重大进 展是，比例技术开始和插装阀相结合，己开发出各种不同功能和规格的二通、三 通型比例插装阀，形成了8 0 年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器 件的小型化，还出现了电液一体化的电液元件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代 的集成化趋势。特别是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现， 为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础。 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代中后期开始，比例技术在固定工程设备上不断得到广泛应用 的同时，开始大量进入行走机械领域，各种节能的负载敏感控制、负载适应控制 等节能器件和系统日益增多。其次，作为比例阀家族新成员的高速开关阀，正从 小流量向中等流量发展，在快速性和结构简单可靠方面显示其优势。另一个重要 的进展就是为适应电液比例闭环控制的快速增长需要，出现了在一个新层面上伺 服技术与比例技术的结合的产物，即伺服比例阀，使得比例技术与伺服技术的交 融和整合更进了一步。一方面在不同的层面上各得其所，扬长避短；另一方面， 技术上进一步融合，为达到未来的一个技术体系的目标打下了更牢固的基础 3 1 。 2 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 电液比例控制系统的工作原理及组成 通过使用比例控制元件( 含比例阀、比例控制泵及比例放大器) 来接受输入 电信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制的液压系统称为电液比例控 制系统f 2 1 。 图1 - 1 为电液比例位置控制系统原理框图。 图l _ 1 电液比例位置控制系统原理框图 工作原理：系统工作时，位移传感器检测出负载的当前位置信号并转化成电 压信号u c ，该信号与指定输入电压信号u i 进行比较，经过控制算法得出控制电压 u 经放大器放大后得到与控制电压u 成比例的驱动电流i 来调节电液比例阀节流口 开度，从而使活塞杆运动到期望位置。 组成电液比例位置控制系统的基本元件有团： 1 指令元件 它是给定控制信号的产生与输入的元件。也可称为编程器或输入电路。在有 反馈信号存在的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号u i 。它 也可以是信号发生装置或程序控制器。指令信号可以手动设定或程序设定。最常 见的是手动预置设定，运行时用程序选通。 2 控制算法 它的功用是把给定输入与反馈信号通过控制算法，输出偏差信号作为电控器 的输入。进行给定输入与反馈信号必须是同类型的，比例放大器的输入量为电量， 因此反馈量也应转换成同类型的电量。如遇到不同类型的量作比较，在比较前要 进行信号类型转换，例如a d 或d a 转换或机一电转换等。 3 比例放大器 3 东华大学硕士学位论文第一章绪论 由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大( o - 8 0 0 m a ) 而偏差控制电流 较小，不足以推动电磁铁工作。所以要对控制信号进行功率放大，且偏差信号的 类型或形状都不一定能满足高性能控制的要求。比例放大器的作用是对输入的信 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。 4 电液比例阀 比例阀内部又可分为两大部分，即电一机械转换器及液压放大元件，还可能 带有阀内的检测反馈元件。电一机械转换器，它是电液接口元件。它把经过放大 后的电信号转换成与其电量成比例的力或位移。这个输出力或位移改变了液压放 大级的控制液阻，经液压放大作用，把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统 负载。这是整个系统的功率放大部分。 5 液压执行元件 通常指液压缸或液压马达，本系统中采用低摩擦单活塞杆液压缸，它是系统 的输出装置，用于驱动负载。 6 检测反馈元件 对于闭环控制需要加入检测反馈元件。它检测被控量或中间变量的实际值， 得出系统的反馈信号。检测元件有位移传感器、测速发电机等。检测元件往往又 是信号转换器( 例如机一电、机一液转换) ，用于满足比较的要求。从框图中可见， 检测元件有内环和外环之分。内环检测元件通常包含在比例阀内，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。 1 3 弯管机的发展现状 管材弯曲加工是通过局部变形来产生整体连续变形的管件成形方法，在汽车、 电子、石油化工、船舶、航空航天等很多领域有着广泛的应用。随着社会经济的 发展，各行各业对各种型号弯管需求量迅速增长，对管材弯曲成形质量和精度要 求也不断提高。 近些年来，许多西方发达国家纷纷开发研制计算机数控弯管加工设备，并陆 续推出了自己的数控弯管机，通过计算机生成弯管曲线，由计算机控制液压系统 进行弯管加工，完全脱离了模具的限制，并且弯管曲线灵活易修改，大大提高了 4 东华大学硕士学位论文第一章绪论 弯管效率和精度，在一定程度上实现了弯管技术的自动化、智能化，在实际应用 中取得良好的经济效益。 然而，国内主要弯管机生产厂家：长冶锻压机床厂、江阴机械厂、武昌船厂、 上海嘉定弯管机厂等，大多数属于液压半自动弯管机，数控弯管机品种批量较少， 很多产品数控系统均是在工业p c 基础上自主开发或者主要是国外非主流品牌数 控系统，针对性强、通用性差。国外弯管机主要生产厂家：英国a d d i s o n 公司、 意大利b l m 集团、日本大洋株式会社、瑞典h e r b e r 公司和美国e a t o n 公司等， 主要生产数控弯管机，且数控系统均是自己公司开发配套产品。 我国的管材弯曲加工设备与加工技术的研究与应用还落后于当今世界先进水 平，远远不能满足我国工业生产的需求，导致我国许多企业不得不花费大量资金 引进国外先进的管材数控弯曲加工设备。可是，国外进口弯管机价格昂贵，价格 均在七、八十万以上，且以后易损件都要进口，维护成本高。鉴于现状，有必要 加大投入开发研制数控弯管机设备来满足我国现代化建设快速发展的需求。 1 4 课题的研究目的及意义 1 4 1 研究目的 本课题来源于为上海领技型材拉弯厂开发一套用于家具装饰弯管型材的数 控液压弯管机的控制系统。研究目的是针对弯管机的具体工作要求，将电液比例 阀控缸位置控制系统应用于数控液压弯管机设备的控制系统当中，提高数控液压 弯管机工作性能和稳定性。 数控弯管机设备弯曲液压缸控制原理图如图卜2 所示： 5 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 、2 、3 一驱动滚轮4 一弯曲液压缸 图1 - 2 数控液压弯管机控制原理结构简图 。国 脚口 图卜3 数控液压弯管机滚轮表面形状 该弯管机设备可靠性高，结构紧凑，具有3 个驱动滚轮，均为主动轮，可以 在手动或数控操作下同时滚动，这样能避免型材在辊轮中打滑，薄壁材料也可以 进行弯曲。上滚轮l 位置由电液比例阀控缸位置控制系统所控制，平稳移动并能 精确定位，来控制所弯型材的弯弧半径。下两驱动轮2 和3 根据用户需要，可以 在三个不同位置调整，即下两个辊轮位置可调整成最大，最小和居中，这种相互 位置可调的滚轮在弯管过程中起着模具的作用，具有拆装方便、调节简易、一模 多用的优点。滚轮的驱动轴具有不同的速度选择，来满足不同弯弧弧长的要求。 滚轮具有与弯曲管胚断面形状相吻合的工作表面，该设备提供几种不同类型的滚 6 东华大学硕士学位论文第一章绪论 轮弯曲表面供企业客户进行选择( 如图1 - 3 所示) ，能适应各种截面尺寸的型材 加工，如铁棒、方管、圆管、铜管等可塑性金属，可以弯制不同曲率的各种形状， 如椭圆、螺旋、整圆等，使得设备的生产范围更广，适用于中、大批量生产，速 度快，效率高。 在所设计的数控弯管机控制系统中对型材弯曲半径的控制是由电液比例方向 阀控缸位置控制系统来实现的，当弯管时通过弯曲液压缸上的位移传感器实时反 馈液压缸活塞杆当前的位置，在到达计算机中预先指定的位置前，d a 输出电压 逐渐减小至零，相应比例方向阀阀芯开口量也逐渐减小到无开度，而弯曲半径逐 渐逼近事先指定的型材弯曲半径。可见电液比例位置控制系统是弯管机数控系统 的关键，它直接关系到弯曲半径的准确度。 应用上面的数控液压弯管机设备可以弯制不同曲率半径的管材，弯管的各段 曲率的变化完全可以由计算机通过控制弯曲油缸位移曲线精确实现，来满足不同 类型、不同规格的生产需求。 1 4 2 研究意义 随着社会经济的迅速发展和生活水平的不断提高，在家具业、空调制冷、汽 车配件、自动车业、卫浴设备等领域对各种弯曲成形管件的数量、规格的需要都 在不断增加、花样不断翻新，同时对弯管精度和表面质量提出了更高的要求，这 就要求弯管机能够满足不同类型、不同规格的生产需求【4 l 。 由于我国的管材弯曲加工设备落后于世界先进水平，较难满足国内快速经济 发展需求，虽然可以购买国外进口弯管机设备，但设备价格昂贵，以后易损件都 要进口，维护成本高，这对于大多数的小企业是无法承受的。 在大量的数控弯管机系统中，主要采用电液伺服阀来产生弯曲力矩，从而准 确地控制弯管半径。而由于电液伺服阀价格昂贵，这也就导致了数控弯管机设备 整体价格较高。同时，电液伺服阀对油的品质要求十分严格，使得电液伺服阀难 以被广泛的工业应用所接受，由于上面的原因使得使用电液伺服阀来产生弯曲力 矩的数控弯管机的应用推广受到一定限制。 随着近年来，电液比例技术的不断发展，又由于电液比例阀价廉、抗污染能 力强、性能又能满足大部分工业控制要求等特点，大量的研究人员对比例控制技 7 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 术进行了研究工作，尝试各种控制方式和控制策略，不断提高系统的响应性能， 极大地提高了电液比例阀的工业应用前景。 本课题试图将电液比例阀控缸位置控制技术应用到数控液压弯管机设备中， 在满足数控液压弯管机弯管成形的控制精度要求上，极大地降低了数控弯管机的 设备成本，而且能满足企业对于不同类型、不同规格弯曲管材的生产需求，扩大 了数控弯管机的应用范围，该弯管机设备有低成本、高性价比的特点，具有一定 的市场推广价值。 目前，弯管机在我国有较大的应用市场，因此如何能提高数控液压弯管机控 制精度，同时改进国产弯管机存在的问题，将会极大地推动国产弯管机的发展前 景，满足我国现代化经济建设快速发展的需求。 1 5 论文主要研究工作 本课题的主要研究工作就是针对数控液压弯管机的工作要求选择合适的液 压执行元件和控制元件，快速搭建电液比例换向阀控缸的位置伺服控制系统实验 平台。在该硬件平台的基础上，利用l a b v i e w 编程环境1 7 8 ，9 1 快速编制数据采集程 序，利用m a t l a b 和l a b v i c w 相结合的方法设计系统的多个控制器，如传统p i d 控制器、变速积分p 1 d 控制器、模糊控制器、模糊自适应p i d 控制器等。同时， 比较各个控制器的优缺点，试图找到一种能克服电液比例位鹭控制系统固有的非 线性和参数多变性等因素影响的控制方法，建立一个稳定可靠的针对数控液压弯 管机系统的高性能控制器。具体内容如下： 1 根据需要合理选择各种液压元件、电磁换向阀、电液比例换向阀、位移传感 器和数据采集卡等硬件设备。在查阅各种文献资料的基础上，确定了课题的研究 对象为电液比例方向阀控缸的位置控制系统。 2 针对选定元器件组成的电液比例位置控制系统，详细分析了系统特性，对组 成系统的各环节通过合理的简化推导系统的数学模型并建立了系统的传递函数 方框图。 3 在设计系统硬件基础上，采用l a b v i e w 和m a n a b 混合编程的方法设计该电液 比例位置控制系统的控制器，使实验系统可灵活的进行人机交互操作，以利于课 题研究和实验。 8 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 4 对p i d 控制器、模糊控制器和模糊自适应整定p i d 控制器分别进行了实验研 究，调节和优化各控制参数，提高实验位置控制精度。在分析实验数据结果的基 础上，比较p i d 控制器和模糊控制器的优缺点，并提出了改进的模糊自适应p i d 控制器，通过实验验证了控制器的有效性，并提出了有待解决的问题。 5 最后，对本论文所做的工作进行总结。指出实验中发现的问题和存在的不足， 并提出对课题进一步研究的展望。 9 东华大学硕士学位论文第二章电液比例阀控缸位置控制系统的组成及设计 第二章电液比例阀控缸位置控制系统的组成及设计 2 1 前言 电液比例位置控制系统具有严重的非线性，系统同时受到液压缸的摩擦力、 控制阀的泄漏及死区等各种复杂因素的影响，所以对其研究是一项复杂的工作。 为了提高系统的整体控制性能，在研究中采用了一些现代常用的控制方法，在一 定程度上增加了控制算法的复杂度。在研究过程中，我们无法预先确定所采用的 控制算法是否适合这一特定的被控对象，为了验证控制方法的有效性，我们通过 编制软件来实现控制思想，再通过微机和驱动器去控制被控对象，最后根据被控 结果与期望输出相比较来评判控制算法是否合适。在此过程中，往往需要反复调 整控制器的结构和参数【1 0 1 。因此，建立一个电液比例控制系统的测控平台是进行 课题研究的基础。 图2 - 1 和图2 - 2 分别是电液比例阀控缸位置控制系统的组成图和实物图。 图2 - 1电液比例阀控缸位置控制系统组成图 卜位移传感器2 一负载3 一电液比例方向阀( 配套放大器8 ) 4 一压力表 5 、1 0 - 压力传感器6 一溢流阀7 一叶片泵9 一标准液压缸 系统工作时，位移传感器检测出液压缸活塞杆的当前位置信号并通过a o 转换反馈到计算机中与指定输入进行比较，得出偏差控制量，经d a 转换并经比 例方向阀的功率放大器放大后驱动电液比例方向阀节流口开度，从而使液压缸活 塞杆运动到期望位置。图2 - 2 为电液比例阀控缸位置控制系统实物图。 1 0 末华丈学甄学位论文 第二章电液比倒阀控缸位置控崩系统的组成及设计 图2 - 2电液比例阀控缸位置控制系统实物酬 2 2 电液比例阀控缸位置控制系统的硬件构成 实验系统组成如图2 - 1 所示，图2 - 2 是实验系统的外观照片。系统采用意大 利a t o s 公司生产型号为o h z o - a 一0 7 1 一s 3 的不带内部反馈闭环的6 通径、三位四 通直动式比例方向闽，并配有比例放大器。采用低摩擦单活塞杆油缸，缸内径d - - 4 0 砌，活塞杆直径d = 2 0 衄，泵站采用y b l - - 6 3 叶片泵，由l5 肼电机驱动， 额定转速1 4 0 0 r m i n 。 2 2 1 电液比倒换向阍 本课题使用的换向阀为所示是意大利a t o s 公司生产型号为d h z o - 卜0 7 卜s 3 的不带内部反馈闭环的直动式比例方向阀。该阀采用四边滑阀结构，按节流原理 控制流量，比例电磁铁线圈可单独拆卸更换，通过附带的欧板式电子放大器给比 例阀的比例电磁铁输人不同的电流i ，使得阀芯在各种位置获得不同开口量，液 压缸便以不同的方向、不同的速度带动负载运动：当阀口关闭时，液压缸活塞也 停止运动。这里比倒电磁铁的输入电流i 是根据位置偏差e ( 给定的位置和液压 东华大学硕士学位论文第二章电液比例阀控缸位置控制系统的组成及设计 缸的实际位置之差) 及偏差变化e c 计算而得到的。 图2 - 3 为直动式电液比例换向阀的典型结构。 工作原理：电磁铁5 和6 不带电时，弹簧3 和4 将控制阀芯2 保持在中位。 比例电磁铁得电后，直接推动控制阀芯2 ，例如，电磁铁：“b 6 得电，控制阀 芯2 被推向左侧，压在弹簧3 上，位移与输入电信号成比例。这时，p 口至a 口 及b 口至t 口通过阀芯与阀体形成的节流口接通。电磁铁6 失电，2 被3 重新推 回中位。弹簧3 、4 有两个任务：电磁铁5 和6 不带电时，将控制阀芯2 推回 中位；电磁铁5 或6 得电时，其中一个作为力一位移转换器，与输入电磁力相 平衡，从而确定阀芯的轴向位置。 图2 - 3 直动式电液比例换向阀的典型结构 卜带安装底面的阀体2 一控制阀芯3 、4 一弹簧 5 、6 一带中心螺纹的电磁铁7 一三位阀转为两位阀的丝堵 表2 一l 列出了d h z o - a 型电液比例换向阀的特性参数。图2 - 4 中的曲线3 为 d h z o _ a 型电液比例换向阀在额定压差3 0 b a r 时输入信号电压与输出流量关系曲 线，该曲线反映比例阀的静态特性。图2 - 5 中的曲线1 、2 为d h z o - a 型电液比例 换向阀的频率响应曲线，该曲线反映比例阀的动态特性 表2 - 1d h z o - a 型电液比例换向阀的特性参数 响应时间重复 型号 最大流量( l m i n )压力极限( b a r )滞环( ) ( m s )精度 在a p = - 3 0 b a r 时，3 0p ，a ，b 口= 3 5 0 ； d h z 口- a 一0 71 - $ 3 0 时 删一： 箍钐 仅， l q 2 = 巴眦 东华大学硕士学位论文第三章电液比例阀控缸位置控制系统数学建模的研究 可求出左右两腔的流龇= 鲁= 厩= 鲁 设置为负载压力，定义皖= 毋- p 2 喊国椰小稍： 竺莩 帅4 山得：卜似篓 p q 一鬻 ( 3 4 2 ) ( 3 4 3 ) ( 3 4 4 ) ( 3 4 - 5 ) 考虑泄漏和油液压缩性的影响，实际进入液压缸的流量q 与流出液压缸q 2 并不 相等，我们定义负载流量为流入液压缸与流出液压缸流量的平均值，即 骁= 半( 3 4 - 6 ) 掷4 - 5 ) 帆3 4 6 埽卿q 眦孕舻丽1 - t - n ( 3 4 _ 7 ) ( 2 ) 当液压缸做负向移动，即弘0 时 比例方向阀的流量方程为： 故心= 鲁= 辟= 鲁 b 4 柳 将( 3 4 3 ) 和上式联立得： ：世 1 - i - n 2 ：墨二! ：墨 1 + n 2 帅4 固得：卜暇霹 陪q 一瓮 ( 3 4 1 0 ) ( 3 4 1 1 ) 岛 帆 懈 东华大学硕士学位论文 第三章电液比例阀控缸位置控制系统数学建模的研究 将上式代入( 3 蝴：岬q 眦乎屙l + n ( 3 化) 将妒o 和弘o 的比例阀流量方程写成统一形式： 卿e 眦厮一丽l + n 上式即为具有非对称液压缸时比例阀的负载流量方程，上式线性化后得到： q = 毛z 一尺0 皖 ( 3 4 - 1 3 ) 上式中，巧一阀在稳态工作点附近的流量增益( m 2 s ) ； 巧一阀在稳态工作点附近的压力一流量系数( m 5 n s ) 。 3 4 2 非对称液压缸的负载流量方程 假定： ( 1 ) 所有连接管道都短而粗，管道内的摩擦损失、流量质量影响和管道动态忽 略不计； ( 2 ) 液压缸每个工作腔内各处压力相同，油液温度和体积弹性模量可以认为是 常数。 ( 3 ) 液压缸的内、外泄漏为层流流动。 纵一2 警+ 茜鲁 式中，y 一控制腔体积( m 3 ) ；q 入一流入控制腔的总流量( m 3 s ) ； q 出一流出控制腔的总流量( m 3 s ) ； 将上式应用于液压缸的进出油腔，考虑内外泄漏，得到液压缸两腔流量连续方程 为： ( 1 ) 当液压缸做正向移动，即妒0 时 液压缸无杆腔、有杆腔的流量连续性方程分别为： 东华大学硕士学位论文第三章电液比例阀控缸位置控制系统数学建模的研究 q = c 。( 墨一) + c 。日+ 善启+ 4 夕 。3 4 ，4 ， 【q 2 = c 。( 月一) 一c 易昱一薏息+ 4 夕 。 吃：i v ，y 为液压缸总容积。 肌啉蝴孙rq 砰彩嵋即铲缈( 3 4 - 1 5 ) 1 7 将k 、圪代入上式得到： 叫。 l q 22 ( 日一昱) _ 昱一荔昱+ 4 夕 lq l = ( 昱一日) 一只一差霹一4 夕 【q 2 = c ( 最一日) + c 。昱+ m 爰6 2 4 夕 将武( 3 4 1 4 ) 代入负载流量q ：垒去堕式中，得： 绞= ( c + 虿1c o ) ( 只一只) + 万v ( 舅。一息) + 圭( 4 + 4 ) 夕( 3 4 - 1 6 ) 绞= ( q + 虿) ( 只一只) + 丽舅一昱) + 主( 4 + 4 ) 夕 东华大学硕士学位论文第三章电液比例阀控缸位置控制系统耋! 学建毽塑堡究 绕= c f 置+ 三4 p 声l + 厶夕 ( 3 4 - 1 7 ) 式中，q = + 导掖压缸总的泄漏系数【m 5 j ) ； 如平均活塞面( m 2 ) ，= 鱼专垒； ( 3 4 1 7 ) 式表明滑阀的负载流量除用于推动活塞运动外，还用于补偿各种泄漏 流量和压缩流量。 3 4 3 非对称液压缸一负载的力平衡方程 忽略库仑摩擦力和油液的质量，根据牛顿第二定律，液压缸的受力方程如下： ( 1 ) 当液压缸做正向移动，即妒o 时 由图3 - 4 可得：彬+ 吃夕+ k s y + f = 4 片一4 只 式中，埘一活塞及负载总质量( k g ) ，曰。一活塞及负载的粘性阻尼系数( n 。s m ) 一负载弹簧刚度( n m ) ，厂一作用在活塞上的外负载( n ) ； 将= e 一只代入上式得忍= ( 彬+ 彤夕+ k y + f 。) 4 ( 3 4 - 1 8 ) 正等效作用在活塞上的任意外负载( n ) ，以= 厂一生铲； 4 一等效活塞有效面积( 聊2 ) ，4 = 鱼毒告蔓。 ( 2 ) 当液压缸做正向移动，即妒o 时 经推导得到：丑= ( ，砂+ 艿p 夕+ k y + z ) 4 式中，z 千笋。 令式( 3 4 1 3 ) 、( 3 4 1 7 ) 署- f l ( 3 4 1 8 ) 三式联立可得对称比例阀控制非对称液压缸的数 学模型： 2 6 东华大学硕士学位论文第三章电液比例阀控缸位置控制系统数学建模的研究 x 一每( 南州) 以 荆2再磋vbp零ktm2蔫vk,一ktbp k , k ， 一般位置系统无弹性负载，即k = 。因粘性阻尼系数吃很小，故等争如， ：釜三二垂蠡竺 n 似， 由此上式简化为：以。= 4 生_ 主 筹 。小1 9 ， w 一液压固有频率( 洲s ) ，w = 2 垦甓争； 彘一液压阻砒泓辱+ 鲁跞； 邮4 - 1 9 式可黜，、活塞位移对眦鳓传递醐九半2 乙叁而 半2 甄m e ，由此得出电液比例位置控制系统必然是闭环控制的姚 2 7 东华人学硕士学位论文第三章电液比例阀控缸位置控制系统数学建模的研究 对于给定液压缸，厶是常数，所以速度增益值与比例阀的流量增益成比例， 表示比例阀对液压缸活塞速度控制的灵敏度。同一种阀在不同工况下流量增益 巧不同，在液压伺服系统分析中，心通常取空载时数值。因此可将速