（机械设计及理论专业论文）液压位置保持系统控制策略的研究及其应用.pdf

液压位置保持系统控制策略的研究及其应用 摘要 大型模锻液压机是机械加工工业中一种重要的加工设备，而其中 的两步平衡控黼系统，楚为了院j = 工佟过程中活动横梁在编心力矩瓣 作用f 发生较大倾斜，并保持其水一平度在较商的精度范围内而设髓 瞧，对于缆蕞模锻佟戆尺寸耩鹱，改善承压褫框粲豹受力获态，廷长 水骶机本体和模具的使用涛命嶷有熏要作用。 奉论文工俘以3 0 0 m n 模锻承羝辊鬻岁平衡控制系统为磷究对象， 提出了液压位瀚保持系统的概念，并在以下几个方瑚开展了全面而深 入的研究0 。 1 、讨论分析了液压位置保持系统的类型、系统组成和工作原理， 搔 l 了，液匿位置缣持系统怒一个以营移量作为爱壤静力涤隧 控制系统，薛对同步平衡控制系统这一实际研究对象，通过 动力学分祈，建立了系统懿数学模墅。 2 、研究r 在液压位鼹保持系统系统中运朋流麓控制和压力控制 这两种不同类鼙丰孥镯方式的实豌，荠分饕撵导了系统在这耩 种不同控制方式1 f 的数学模型，对这两个数学模型的理论分 轿表萌，这两种方式都毹这到位置保持的控箭要求，两者的 控制效果可以完全相同，数字仿真的结果也 匹实了这点。 3 、对p i d 控戳策略、裔适应控翩策略帮模翻泞稍策路在液压位 鼹保持系统中的应用进行r 深入研究，分别建立r 系统在4 i 潲控简策硌下煎效学模銎，并运滔数字蕊襄麓方法对霞臻t 述兰种控制策略时的系统控制性能进行了分析，结果表明都 可以取褥较好鹄拎澍效巢鼗备其特点，其中赛璇蓠革、嫡惠 快j 1 控制精度较黼的p i d 控制策略最嶷优势。 4 、运甭前述对液匮位置绦持系统挖铺繁路静磺究结粱，对舔阉 步平衡控制系统提出_ r 以计算机为控制核心，采用p i d 控制 策略，运角电液比例流最控制技术韵数字纯控黼系统改造方 案，并结合实际情况对改造后系统的总体控制性能进行了数 字仿真分桥。仿粪结采表硝，改造后的系统不仅控耩鞲痰键 ，商，响应加快，而f 1 有很高的稳定性。、 全文共8 章，文字耋45 万，圈表5 0 余瞩。 主瑟谪：液压位置绦持同步平德最铺系统液压擦稍方式控筏策旃 中南大学砸j + 学位论文 as t u d yo nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft h eh y d r a u l i c p o s i t i o n k e e p i n gs y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t l a r g ed i ef o r g m gp r e s si s ai m p o r t a n tp r o c e s se q u i p m e n ti nt h em a c h i n ep r o c e s s i n d u s t r y i ti se q u i p p e dw i t ht h es y n c h r o m s m b a l a n c i n gc o n t r o ls y s t e mt op r e t e n d t h ea c t l v eb e a mf r o m1 a r g el e a nc a u s e db yt h ee c c e n t r i ct o r q u ea n dk e e pi t1 n 仆l e h i g hp r e c i s i o no fh o r i z o n t a l s t a t ed u r i n gt h ew o r kp r o c e s st h es y n c h r o n i s m b a l a n c i n gc o n t r o ls y s t e m1 sv e r yi m p o r t a mi ni m p r o v i n gt h ep r o c e s sp r e c i s i o no f t h ep r o d u c t ，a m e l i o r a t i n gt h ef o r c es t a n d i n gs t a t eo ft h e d i ef o r g i n gp r e s sf l a m e ， a n de x t e n d l n qt h e1 i r eo ft h ed i ef o r g i n gp r e s sb o d ya n dt h em o u l d s i nt h i sp a p e r ，w i t ht h es y n c h r o m s m b a l a n c i n gc o n t r o ls y s t e mo ft h e3 0 0 m nd m f o r g i n gp r e s sa st h es t u d yo b j e c t ，t h ec o n c e p to fh y d r a u l i cp o s i t i o n 。k e e p i n gs y s t e m w a ss u g g e s t e d ，a n dad e e p l ys t u d yw a sd e v e l o p e di ns u c hf i e l d sa sf o l l o w s 1 t h es t y l e s 、c o n s t i t u t i o na n dw o r k i n gt h e o r yo ft h eh y d r a u l l cp o s i t i o n k e e p i n g s y s t e mw e r ed l s c u s s e d i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h e s y s t e mi s ak i n do ff o r c e f 0 1 1 0 ui n gc o n t r 0 1s y s t e mw i t hp o s i t i o ns u f , e y l n ga s1 i sf e e d b a c kt ot h er e a l s t u d yo b 1 e c t ，t h es y n c h r o n i s m b a l a n c i n gc o n t r o ls y s t e m ，a m a t h e m a t m a l m o d e l 、a se s t a b i i s h e dt h r o u g ht h ed y n a m i ca n a i v s l so ft h es y s t e m 2t h er e a l l z a t l o no fu s i n gf l o wc o n t r 0 1a n dp r e s s u r ec o n t r 0 1m o d e si nt h e h v d r a u l j cp o s i t i o n k e e p i n gs y s t a mw a ss t u d i e da n dt h em a t h e m a t l c a lm o d e l s o ft h es v s t e mw o r k i n gu n d e rt h et w od i f f e r e n th y d r a u l i cc o n t r o lm o d e sw e r e d e v e l o p e d r e s p e c t w e l 、，t h et h e o r va n a 】v s l s0 ft h et w om a t h e m a t l c a lm o d e ls s h o w st h a tb o t ho ft h ec o n t r 0 1m o d e sc a na c h l e v et h er e q u e s to ft h ep o s i t l o n k e e p m gc o n t r o la n dt h e 3c a ng e tt h es a m ec o n t r o le f f e c t i v e n e s s t h ef o l l o w e d d i g i t a ls i m u l a u o nr e s u l t sa p p r o v e di t 3ad e e p l ) s t u d yo fa p p l y l n gt h ed 】f f e r e n tc o n t r 0 1s t r a f e g i e ss u c ha sp l dc o n t r o l ， a d a p t l v ec o n t r o la n df u z z c o n t r o lt ot h eh y d r a u l i cp o s t t i o n - k e e p i n gs y s t e m ua sc a r r i e do u t a n dt h em a t h e m a t l c a lm o d e l so ft h es y s t e mw o r k l n gw l t h t h o s ec o n t r o ls t r a t e g i e sw e r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l ya n dd i g i t a ls i m u l a t i o n na su s e dt oa n a l y s i st h ec o n t r o lc a p a b i l i t yo ft h es y s t e mw o r k i n gw i t ht h e t h r e ec o n t r o ls t r a t e g i e st h er e s u l t ss h o wt h a tt h o u g ha l lo ft h e mc a nm a k et h e s xs t e mo b t a i n w e l l c o n t r 0 1e f t e e l l v e n e s s e a c ho ft h e ys i i l lh a s1 t ss p e c l a l c h a r a c t e r sa m o n gt h e m ，t h ep l dc o n t r o ls t r a t e g y 、w h i c h1 se a s yt ob er e a l i z e d ， r e s p o n d sf a s ta n dh a sh l g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，h a st h eg r e a t e s ta d v a n t a g e 4p r e y l e v qs t u d vr e s a l t sw a st a k e ni n t o d e s l g n l n gar e m o u l dp l a n f o rt h e0 1 d s 5n c b r o m s m b a l a n c m gc o n l r 0 1s 、；s t e mt h ep l a n 。1 1 】l r a n s f o r mt h e0 1 ds y s t e m 中南大学埘! 士学位论文 i n t oam o d e r n i z e dd i g i t a lc o n t r o ls 、s t e m l t hu s i n gc o m p u t e ra sc o n t r o lc e n t e r a p p l y m gp i d c o n t r o l s t r a t e g ya n de l e c l r o n l c - h y d r a u l l cp r o p o r t i o n a lf l o w c o n t r o lt e c h n o l o g y d i g i t a l s i m u l a t i o nw a su s e dt o a n a l y z e t h ec o n t r o l c a p a b i h t yo ft h er e m o u l d e ds y s t e mu n d e rt h er e a lw o r k i n gc i r c u m s t a n c et h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er e m o u l d e ds y s t e mn o t0 n i vh a sh ic , h e rc o r l t r 0 1p r e c i s i o n a n dr e s p o n d sf a s t e r ，b u ta l s oh a sv e r vh i g hs t a b l h t v t h l sd i s s e r t a t i o nc o i l s l s t so f8c h a p t e r s ，a b o u t4 5t h o u s a n d sw o r d s ，m o r et h a n5 0 f l a u r e s k e yw o r d ：h y d r a u h cp o s i t i o n k e e p i n g s y n c h r o m s m b a l a n c i n gc o n t r o ls y s t e m 、 h y d r a u l l cc o n t r o lm o d e c o n t r o ls t r a t e g y 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 课题来源 模锻液压机是机械加工工业中一种重要的加工设备，它利用液 压将金属胚料在模具之间挤压成型，因而能使加工后的工件具有理想 的机械性能和物理性能，并且相对于切削加工能节约大量金属、能源 和工时，经济效益十分可观，因此得到了广泛的应用。实际上，大型 模锻液压机是目前宇航、航空、原子能、汽车、船舶等工业中必不可 少的关键设备，也是重型机械制造业的重要设备，它对于一个国家的 国防工业及重型机械制造业等领域的技术水平与生产率有着关键的作 用，是一个国家工业化程度和经济、国防实力的重要标志之一。 3 0 0 m n ( 三万吨) 模锻水压机1 2 l 。t 3 1 是目前我国，也是亚洲最大的 模锻液压机，它投产于1 9 7 1 年7 月，1 9 7 4 年由西安重型机械研究所 进行了技术改造，几十年来为我国的国民经济和国防建设作出了巨大 的贡献，具有重要的地位。然而，随着时间的推移，科技的进步，三 万吨模锻水压机原有的电液控制系统已相对落后，不能满足当今高精 度模锻件生产的要求，迫切需要对其进行现代化的改造。经过各方努 力，由中南工业大学机电工程学院与信息工程学院共同承担了对三万 吨模锻水压机电液控制系统进行现代化改造这一重大科研项目。其 中r 由机电工程学院具体实施的三万吨模锻水压机同步平衡控制系统 改造子项目，目的在于提高该系统在工作过程中对水压机活动横粱( 动 梁) 水平度的控制精度，这直接关系到该模锻水压机的产品加工精度 和生产率，是整个改造项目的关键所在。 模锻水压机在工作时，由于模锻件胚料各部位温度、厚度、毛边 宽度的差别及其它原因，模锻件变形力的合力中心往往偏离液压机的 中心，导致动梁承受由此产生的偏心力矩，使动粱发生倾斜，并将绝 大部分力矩传递给液压机框架，导致水压机各构件的受力情况恶化， 立柱的附加弯曲力矩将明显增加，有可能导致总应力超过允许值而发 生事故。同时大型模锻水压机一k 模锻件的水平尺寸一般较大，动梁发 生倾斜后，上、下模不能准确地压合，必然使模锻件不能达到要求的 变形量，满足不了精度要求。对于加工余量小的精密模锻件加工，动 梁的倾斜更是不允许的。 模锻水压机同步平衡控制系统，由同步平衡缸及其电液控制回路 组成，是为了防止工作过程中动梁在偏心力矩的作用下发生较大倾 斜，并保持其水平度在较高的精度范围内而设置的，其外观如图1 1 所示。 中南大学硕士学位论文 l 二二m 一一一m m 越1 瑶 i j 二二= 。 广一一l “ 图l - 13 0 0 m n 模锻水压机本体及同步平衡控制系统示意图 中南大学硕士学位论文 同步平衡控制系统通过平衡缸对动梁施加一个合适的反向力矩， 对偏心力矩的作用进行平衡，将倾斜的动梁校回并保持在水平位置。 同步平衡控制系统的使用，不仅能提高模锻件的尺寸精度，而且改善 了水压机框架的受力状态，延长了水压机本体和模具的使用寿命。因 此，同步平衡控制系统对于大型模锻水压机是必不可少的。 3 0 0 m n 模锻水压机上现有的同步平衡控制系统存在韵主要问题 是： 1 ) 现有系统使用的是开关继电型流量补偿控制系统，补偿流量大 小不可调，只能在0 与全流量之间选择，控制精度较低，而且在补偿 流量要求较小时，易超调而产生系统震荡现象。 2 ) 集成度低，可靠性差。其电控系统是由单个电子元件连接而成， 接点多，整个系统的可靠性及精度不高，维护、保养较困难。 3 ) 工艺性差。其工艺要求的实现都是靠硬件接线组合而成，若想 对生产工艺稍作更改，就需要重新接线和增减元件，不适宜于现代化 的生产。 4 ) 现场调试困难。由于系统所使用的是模拟量，测试和调整都不 方便。 在当前工业新技术不断发展和进步的现实下，用先进的控制系统 取代这种落后的开关继电型控制系统，对于提高产成品的精度，加速 我国重型机械的自动化程度，具有重要意义。 中南大学硕士学位论文 1 。2国内外液压位置保持系统研究简介 液压位置保持系统是一类控制量是恒值的液压位置反馈控制系 统，要求被控对象保持在某一设定的位置。它不同于一般的按照以某 一规律变化的控制量改变被控对象位置的液压位置控制系统1 4 r 6 】，其 作用表现在被控对象受到外部干扰时尽可能迅速地作出反应，将被控 对象校正回来并保持在原设定位置。由于液压位置保持系统的这特 点，决定了它主要应用于要求始终高精度地保持被控对象在设定位置 的特殊控制系统。国内外一般没有将其作为一类独立的位置控制系统 来做深入的研究，所见相关的一些研究主要集中在对大型模锻液压机 活动横梁水平度保持系统和汽车液压主动悬挂等领域中。 根据所查阅的资料，就应用于保持大型模锻液压机活动横梁水平 度的液压位置保持系统来说，在近四十年中随着液压控制系统整体的 发展也有了很大的进步。在我国，7 0 年代初由第一重型机器制造厂 设计制造的3 0 0 m n 模锻水压机上配备了开关阀控补偿型动梁水平度 保持系统，当时电控部分使用的是相敏继电器系统和普通换向阀。7 4 年，西安重型机械研究所用反应灵敏的集成插装阀块代替了原有的普 通换向阀，并将相敏继电器系统改换成了由逻辑门和继电器等元件连 接丽成的控制柜。俞新陆1 7 在其液压机现代设计理论书中通过 对水压机活动横梁的受力分析，建立了补偿型同步平衡控制系统的数 学模型。谭建平1 8 1 在此基础上对同步平衡控制系统的动态特性进行了 分析，并运用计算机进行了仿真，提出了对控制参数的优化。言坚 9 1 提出了使用计算机控制电液比例阀实现对同步平衡系统的受控补偿， 取代原有的流量开关型补偿控制系统。 由此可以看出，前人对液压位置保持系统研究，基本上都是通过 对系统进行分析，运用一系列经典理论建立系统的理想数学模型，然 后在此基础上对系统进行动态分析、仿真和控制。然而，在理论建模 的过程中，忽略了液压控制系统本身的特性。实际上，液压控制系统 的特征参数，如：液压固有频率、液压阻尼比、液压刚度、泄漏以及 外界干扰力【力矩) 等随负载的变化及其工况、外界环境的改变将发 生较大i 嚆度的变化，并带有一定的随机性质，使系统变为不确定的系 统，理论模型与实际会有较大的出入，给系统控制带来很大的困难。 运用基于理论数学模型的经典控制方法控制液压位置保持系统，在高 速、高精度、高可靠性要求的场合，将很难达到预期的控制效果。当 工况发生较大变化，系统参数也随之变化时，会使系统控制性能明显 f 降，甚至不能满足工程要求。 为了解决液压位置保持系统控制方式研究中存在的问题，可以借 鉴液压控制系统其它领域已有的研究成果。 中南大学硕士学位论文 近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对 液压控制技术提出了越来越高的要求，液压控制系统的非线性、参数 变化、外负载干扰和交叉干扰对系统控制性能的影响表现得比已往更 为至关重要，也得到了国内外专家学者的高度重视【l “1 。由于经典 控制理论采用基于工作点附近的增量线性化模型来对系统进行分析与 综合，设计过程主要是在频域中进行，控制器的形式主要为迟后超 前网络和p i d 控制 1 2 i 州5 1 等，对于环境和任务复杂，普偏存在较大程 度的参数变化和外负载干扰的具有较大非线性的现代电液控制系统， 经典控制理论有时无法取得满意的控制效果，目前国内外专家学者已 将研究重点集中在运用自适应控制i ”h 2 “、最优控制1 2 2 1 巾”、模糊控制 1 25 1 小1 和神经网络控制【3 2 h ”等现代控制方法对现代电液控制系统进行 控制的研究上，荠取得了成功的应用。 王占林和刘长年在国内最早涉及了现代电液控制系统的有关研究 工作，系统地研究了基于= 次型最佳指标的线性最优控制理论在电液 控制系统中的应用，提出了电液控制系统的优化设计理论。林建贬和 r 崇生针对电液控制系统的特点，研究了模型跟随自适应控制在机器 人电液伺服系统和实验机液压伺服系统中的应用。李从心在液压控制 领域最早开展了模糊控制方法的应用研究，王孙安等结合大功率液压 马达转速控制系统的研究进一步推动了模糊控制在液压伺服系统中的 应用。 根据以上文献提供的信息，对液压位置保持系统这一工作在有大 外载干扰、系统参数时变的非线性恒值控制系统，开展运用现代控制 策略进行控制的研究，并将其应用到3 0 0 m n 模锻水压机同步平衡控 制系统的改造项目上来，应该是一项具有现实和前瞻意义的工作。 中南大学硕士学位论文 1 - 3 论文研究内容及意义 在本论文接下来的主体部分，将对以3 0 0 m n 模锻水压机同步平 衡控制系统为代表的液压位置保持控制系统的工作原理及其在运用几 种不同的控制方式和p i d 控制、自适应控制和模糊p 1 d 控制策略等 的实现和系统特性进行具体的理论研究和分析，并将运用数字仿真的 手段，对各种情况下系统的动态响应特性进行直观的分析与比较。根 据对液压位置保持控制系统的研究结果，选择一种控制方式及策略， 设计3 0 0 m n 模锻水压机同步平衡控制系统的改造方案，完成改造项 目。 本论文进行的工作，有助于深入了解液压位置保持控制系统的工 作特性并评判其在不同控制方式和控制策略卜的控制效果，对该类系 统t 业控制装置的设计和制造具有定的指导价值，特别为3 0 0 m n 模锻水压机同步平衡控制系统改造设计方案提供了理论依据。 中南大学硕士学位论文 第二章液压位置保持系统数学模型 的建立及理论分析 2 1 液压位置保持系统的类型、工作原理及组成 一、液压位置保持系统的类型和工作原理 如综述中所述，液压位置保持系统的控制目标就是在系统受到外 载干扰的作用时，能够寻找到正确的控制作用，使被控对象偏离原来 的设定位置最少，并尽可能地使被控对象迅速地回复到设定位雹。按 照其工作方式分类，可以将液压位置保持系统分为封闭型和补偿型两 种，如图2 1 及2 2 所示： 蔓， 。j 二一一一一一 1 嘏比缸2 被控埘氰1 液压缸 2 被控州象 3 拧制蚓 3 位移捡洲器4 补偿拧制系统 图2 1 封闭型液压位置 图2 - 2 补偿型液压位置 保持系统简图保持系统简图 封闭型液压位置保持系统是最原始的液压位置保持系统，当系统 丁f 始t 作前，控制阀将连接工作缸左右两腔的油路导通，使工作缸的 两腕都加压到工作基准压力，并设置被控对象到预定位鼍。工作时， 控制阀将连接工作缸左右两腔的油路切断，使这两腔封闭。当被控对 象受到外加载荷的作用而偏离设定位置时，将引起封闭的液压缸左右 阿腔发生容积变化，一腔压力上升，另一腔压力下降，由两腔压力差 产生的力通过活塞杆传递到被控对象上，该力的方向始终与外加载荷 的施力方向相反，对外加载荷进行平衡。平衡缸两腔间的压力差是随 着被控对象偏离设定位置距离的增加而增加的，直到其产生的平衡力 增大到与外载的大小一致，被控对象才不再偏离设定位置；而且在外 载消失时被控对象才能回到设定位置。显然这是一种有差调节系统， 其稳定精度与液压缸内油液的特性及外加载荷的大小有关，它无法在 育外加载荷存在的情况下将被控对象校回到原设定位置。 而补偿型液压位簧保持系统是对封闭型液压位置保持系统的改 进，当系统处于初始状态，被控对象位于设定位置时，工作缸左右两 中南大学硕士学位论文 腔的压力由供油控制系统保持在相同的基准工作压力，系统待命。当 工作过程中，被控对象受到外加载荷的作用而偏离设定位置时，根据 检测器检测到的被控对象相对于设定位置的位移量，液压位置保持系 统通过闽控或泵控供油控制系统向需要增压的工作缸液压腔补油使 另一腔封闭或泄油，这样能使两腔迅速产生适当的压力差，通过活塞 杆向被控对象施力，平衡外加载荷的作用，阻止被控对象进一步偏离 设定位置，并最终将被控对象校回并保持在原设定位置。 对于补偿型液压位置保持系统，按照控制方式的不同，可以分为 流量控制和压力控制两种。流量控制方式下的系统，根据位移检测器 提供的位置反馈信号，通过供油控制系统，对进出平衡缸的工作油液 的流量进行控制，达到使平衡缸两腔迅速产生适当的压力差的作用。 压力控制方式下的系统，根据位移检测器提供的位置反馈信号， 通过供油控制系统，直接对平衡缸两腔中工作油液的压力进行控制， 按照需要使平衡缸两腔迅速产生适当的压力差。 近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对 于所配套使用的液压位置保持系统也提出了高精度、快速响应和自动 控制的更高要求，封闭型液压位置保持系统已经很难满足需要，因此， 液压位嚣保持系统的研究重点也主要集中在补偿型液压位置保持系 统，本文也只对补偿型液压位置保持系统进行研究，以下文中所提的 液压位置保持系统均指补偿型液压位置保持系统。 二液压位置保持系统的组成 液压位置保持系统从总体上可以分为位移检测单元、电气控制单 元和液压执行单元三大部分，如图2 3 所示： 图2 - 3 液压位置保持系统组成简图 在液压位置保持系统工作时，由位移检测单元实时检测被控对象 相对于设定位置的位移，并将其转换为电信号输出给电气控制单元， 由电气控制单元对位移偏差信号进行处理，随后向液压执行单元发出 控制信号，控制液压系统向需要增压的工作缸液压腔补油，使另一腔 封闭或泄油，这样能使两腔迅速产生适当的压力差，通过活塞杆向被 控对象旖力，阻止被控对象进一步偏离设定位置，并最终将被控对象 校回并保持在原设定位嚣。 液压位置保持系统的位移检测单元，可以使用。的检测装置1 3 7 有很 中南大学硕士学位论文 多，如常见的电位计、自整角机、感应同步器、光电编码器、光栅、 磁栅、超声波检测器和激光测距仪等等，需根据不同的位置量、检测 精度和现场要求合理选用。 液压位置保持系统的信号处理单元，可以分为模拟系统和数字系 统两大类。模拟系统由模拟电子电路构成，可完成对位移信号的简单 处理，给出基于p i d 控制策略的模拟控制信号。而数字系统1 3 8 , 3 9 1 则以 计算机为核心对转换为数字量的位移检测信号进行处理，可以实现一 些复杂的基于现代控制理论的控制策略，如自适应控制、最优控制、 模糊控制和神经网络等，所给出的数字控制信号可以直接控制数字式 液压执行机构，也可以通过d a 转换器转换成模拟信号控制模拟液压 执行机构。模拟系统具有响应快、造价低等特点，但控制参数调整复 杂，适应性较差。数字系统结构简单，可靠性高，控制策略和控制参 数调整方便，适应性广，可用于系统参数不确定和时变的非线性系统， 但使用复杂算法时会造成系统响应较慢，同时系统造价也较高。随着 汁算机技术的飞速发展，计算机的运算速度越来越快，价格也不断降 低，圉此在液压控制领域得到了越来越广泛的应用。 液压位置保持系统中的液压执行单元，主要任务就是根据电气控 制单元给出的控制信号动作，控制向工作缸补液和排液的过程。液压 执行单元可分为容积式( 变量泵控制系统) 和节流式( 阀控系统) 两 犬类。容积式系统效率高，但响应速度较慢，操纵变量机构所需的力 较大，需要专门的操纵机构，使系统复杂化，冈此在对系统响应速度 要求较高的液压位置保持系统中应用较少。节流式系统效率较低，但 响应速度快，控制精度高，比较适应液压位置保持系统的要求。在早 潮的液压位置保持系统中使用的多为开关阀，向工作缸补油时，供油 流量只能在0 与全流量两者问切换，冈此系统有着难以克服的大工作 死区，低精度，液压冲击、震荡犬等缺点。而伺服阀、电液比例阀及 旺在推广应用中的高速开关阀等液压控制闽，能够实现根据控制信号 对通过阀体的液体流量或系统压力进行连续的调节，因此被广泛地用 于高精度的液压位置保持系统中。 根据以上介绍的液压位置保持系统各部分组成元件的种类，考惫 到工程应用中的实际，本文主要针对目前具有良好发展势头，前景广 阔的以数字系统为电气控制单元，电液比例阀为液压执行单元的液压 位置保持系统的控制方式进行研究。 中南大学硕士学位论丈 2 2 液压位置保持系统的理论分析及数学建模 为了使研究工作更具体和叙述的方便，以下以3 0 0 m n 模锻水压 机同步平衡控制系统这一液压位置保持系统系统的典型实例为研究对 象，开展对液压位置保持系统的深入研究。 一3 0 0 m n 模锻水压机同步平衡控制系统工作原理 3 0 0 m n 模锻水压机同步平衡控制系统的外观及结构已见图1 1 ， 其二广作原理如图2 - 笋所示： 同步平衡控制系统的作用是保持水压机工作时活动横梁的水平 图2 母同步平衡控制系统工作原理简图 缸 横粱 管道 度，对活动横梁受到外载作用时相对水平位置的偏斜程度( 活动横梁 平面相对水平面的倾斜角巾) 进行控制。系统在水压机的四个角落各 设嚣了个活塞式的液压缸( 平衡缸) ，缸体固定在水压机的下横粱 l ，活塞杆与水压机的活动横梁铰性连接。四个平衡缸按每一对角线 上的两个为一组分为两组，每组中的一个缸的上腔与另一缸的下腔用 输油管道连通，即每组缸中两个缸四个腔交叉连接，实际上每一组平 衡缸控制着活动横梁基准面上的一条对角线的水平度。 活动横梁处于水平位置时平衡缸各腔具有相同的基准压力，平衡 缸的行程与水压机活动横梁的最大行程相同。活动横梁上下垂直运动 时各交叉连接腔的总容积保持不变，两连接腔及管道中仅有油液的流 动而不产生压差( 忽略油液在管道中的沿程损失) ；如果活动横梁在 锻造过程中由于偏心力矩的作用发生倾斜，即检测系统检测到活动横 梁平面相对水平面有倾斜角如l 出现，供油控制系统根据电气控制单元 发出的控制信号通过输油管道a 、b 、c 、d 控制向各腔的补油或泄 油过程，以产生合适的反向力矩( 平衡力矩) 阻止活动横粱的进步 中南大学硕士学位论艾 倾斜，并将活动横梁校正回水平位置。 二系统受力分析及其动力学方程 同步平衡控制系统的控制对象是水压机的活动横粱，而活动横粱 在工作中的状态是由作用在其上的各种力矩综合作用的结果，这些力 矩有：活动横粱旋转惯性力矩m 。= 一j 2 ( j 一活动横粱转动惯量) 、锻造 曲2 偏，t 5 力矩m = f e ( f 水压枫主缸加载力；e 一偏心距1 、平衡缸产生的 平衡力矩m ，、框架对活动横梁的反力矩m 。= k 。，由( k q - - 水压机框架刚度 系数) 、主缸密封因压力变化而产生的干摩擦阻力矩m 。( 方向与动梁旋 转速度方向相反) 、活动横粱旋转的粘性阻力矩m ，= b 塑( b 一粘性阻尼 d l 系数) 。另外，活动横梁各缸密封预紧、活动横梁与框架之间的摩擦力 矩相对很小，可以忽略不计。 根据动力学知识，作用在活动横梁匕的各力矩的关系可以表示 为： 将式2 - 1 等号右侧与倾角巾有关的项移到等号左边并整理得： ，+ b 警+ 。= m m ，+ m 。：， 各力矩对动梁的作用如图2 - 5 中模型所示： 1 哺q 图2 - 5 动梁受力模型 因此，要使动梁保持水平状态，应使式2 2 等号右侧为零，即： m m 。十m 。2 0 ( 2 - 3 ) 在动梁处于水平静止初始状态时，系统各反力矩m ，、m ，、m 。、 m ，、m 。均为0 ，当干扰量偏，i i , 力矩逐渐增大超过m 。的临界值m + 。时， 式2 3 不再成立，动梁开始偏转。同步平衡液压控制系统的目的就是 控制m ，能相应变化，迫使动梁回复到水平位嚣，使式2 3 能重新成 立，也就是要促使下式成立： l m m 胚m 。 ( 2 - 4 ) 因此，同步平衡液压控制系统对动梁倾斜度的控制，从最终目标 中南大学硕士学位论文 上来看是位置控制，即位置量倾斜角度由；但工作过程中实际要保证 的是对力的控制，即平衡力矩m ，。只有通过直接控制的平衡力矩来 不断抵消掉偏心力矩的干扰，才能保证动梁的位置。实际上同步平衡 控制系统相当于一个力跟随系统，如果系统能使平衡力矩m 。始终跟 随偏心力矩m 的变化，并保持两者之间的差值满足式2 - 4 的要求，动 梁也就不会发生倾斜。同样的，液压位置保持系统实际上是一个以位 移量作为反馈的力跟随控制系统。 由于实际上水压机工作过程中的干扰量偏心力矩m 难以直接检 测和预见，不能以它为反馈量通过液压系统控制补偿平衡力矩m ， 使平衡力矩m ，对偏心力矩m 进行很好的跟随，而只能以位置偏差( 倾 斜角由) 作为反馈量建立m 与m 之间的间接联系。 所以，决定同步平衡系统控制效果的关键就在于系统根据倾斜角 由使平衡缸产生的平衡力矩对于偏心力矩跟随效果的好坏。补偿型同 步平衡液压控制系统就是由向同步缸补液来控制补偿平衡力矩，使得 平衡力矩m 始终跟随偏心力矩m 的变化。 倾斜角由的存在，就说明眦一mr | m 。，这可分两种情况，种 是m m ， 彳。，是由于m 增大而引起动粱偏斜，另一种是 m ，一m m ，是由于补偿超调过量而引起动梁反向偏斜。中角值越 大，m 与m 之阆的差距越大。对于第一种情况，应增大m 。； 对于 第：二神情况，应减小m ，。由于增大或减小m 。在控制方法上区别不大， 为简洁起见，仅讨论第种情况。 同步平衡液压控制系统通过选用合适的控制方式及设备，使系统 能控制平衡力矩m ，根据由角的变化对m 的变化做出迅速的反应， 有效控制动梁倾角的最大动态偏差，同时在反向将动梁校回时能隧中 角的减小而逐渐减小m 。的增长速度，直至由角为0 时也同时停止m ， 的增长，避免因为补偿过量而出现反向超调现象，获得理想的控制精 度。 三、使用不同控制方式的同步平衡控制系统的数学模型 对于同步平衡控制系统，从工作过程中对平衡缸进行补油和排油 的控制方式可以分为流量控制和压力控制两种方式，这两种方式的控 制过程和控制效果的区剐，将影响到对控制方案的选择和设计，因此， 在以下对两种控制方式进行理论分析。 1 采甩流量控制的同步平衡控制系统 同步平衡控制系统采用流量控制方式，即系统通过精确调节给霈 增压腔的补油流量或需减压腔的泄油流量，来获得需要的压力差产生 中南大学硕士学位论文 合适的力矩对偏心力矩进行平衡，这一过程可以在液压执行单元选用 电液比例流量阀实现。 经过几十年的发展，电液比例技术【4 。1 1 已经很成熟，高品质的 电液比例阀也具有相当优良的性能，就比例流量阀来说，在阀上压差 稳定时，能够做到阀的输出流量与其输入信号保持稳定的线性比例关 系，因此，在对系统进行理论分析时，一般理想地将其视为系统中的 一个比例环节，即： q 。= k l u( 2 5 ) 式中：q ，一比例流量阀输出流量； k 一比例流量阀放大系数； u 一比例流量阀输入控制信号； 在向电液比例流量阀发出控制信号时，可以选择两种方案： 只向需增压的腔室补液，其它腔室封闭； 向需增压的腔室补液，同时将需减压的腔室排液。 a 选择方案 在这一方案中，只对需增压的腔室按式2 5 流量补液，以产生所 需的平衡力矩。 平衡力矩m ，是平衡缸施加到动梁上的，作用力由平衡缸两腔间 的压力差产生。而在流量控制方式下，压力差可以看成由两部分组成， 其一是由动梁倾斜时引起平衡缸内原有液体容积变化而产生的，对应 封闭平衡力矩m ，其值与倾角成正比，即： m f = 一k f 由 ( 2 - 6 ) 式中：k ，一平衡缸内液体弹性刚度系数： 其二是为了进一步抵消偏心力矩而向同步缸补液腔补液使腔内液 体发生额外容积变化而产生的，对应补偿平衡力矩m 、，其值与进入 补油腔和流出泄油腔的液体体积的和成正比，方向与偏心力矩相反， 即： m 6 = k v = k 6 i q ，d t ( 2 - 7 ) 式中：k 。流量补偿系数： v 一补液液体体积，矿= l q ，功； j 将式2 5 代入式2 7 得在该补偿流量f 进入同步缸的液体产生的 补偿平衡力矩m 。为： m = k 矿= k 6 i q ，d t = k i k “d t ( 2 - 8 ) ，f 衡力矩m 。是m ，和m 。的叠加，即： m 一m r + mh ( 2 9 ) 中南大学硕士学位论文 将式2 - 9 代入式2 - 2 整理得： ，宰+ 片竽郴。屿肛肘喝m “出+ m 。 旺。 将式2 10 进行拉氏变换并整理得系统传递函数如下： 烈固2 面i 未瓦巧坝d 一蟛s 竖板叼+ 帆( 驯 ( 2 1 1 ) 由式2 1 1 可得系统传递函数的方框图： 阁2 - 6 流量控制方式下采用方案的同步平衡控制系统传递函数方框图 从图2 - 5 中可以看出，偏心力矩m 和摩擦阻力矩m 。是系统的干 扰壤输入，而同步平衡控制系统中的电气控制单元( 圈中表示为控制 器) 和液匿执行单元构成系统的前向通道，位置检测单元构成了系统 的负反馈环节。 b 选择方案 存：这一方案中，对进出平衡缸的液体流最按以f 关系进行控制 q f l = k l “l( 2 12 ) g 。2 = kl 2 “2( 2 13 ) 式中：k 。，一补油比例流岛阀放火系数 k ，：一排油比例流量阀放大系数 u 一补油比例流量阀输入控制信号； u ：一排油比例流量阀输入控制信号： 平衡力矧jm 。仍然可以视为封闭平衡力矩m ，和补偿平衡力矩m 。 阿部分的和，其中m ，不变，而m 。变为： m = k 。( k + f ，t 2 ) = k q c , ，i 新+ f a ，：d t ) ( 2 1 4 ) 骂 惑一 圈一 酽 一 中南大学硕t 学位论文 式中：v l - - 补液液体体积，k = i g 。d t ： v ：一排液液体体积，；f 0 ，：d t ： 将式2 1 2 、2 13 代入式2 1 4 得： m = k ( ik 1 ”1 d t + ik 2 “2 折) ( 2 - 15 ) 则式2 1 0 变为： 爷+ 8 等+ ( x q + kr 1 十= m 一lk 叫。虬1 d f 、+ m 。( 2 - 1 6 ) 将式2 1 6 进行拉氏变换并整理得系统传递函数如下： 妒( s ) = 了i 丁i 1 最 m ( s ) 一等- k l l u i ( s ) + k l 2 u 2 ( s ) 】+ ，( s ) ) 2 1 7 由式2 1 7 可得系统传递函数的方框图： 罔2 7 流量控制方式下采用方案的同步平锈控制系统传递函数方框斟 1 采用压力控制的同步平衡控制系统 同发平衡控制系统采用压力控制方式，即系统通过直接调节平衡 缸各腔的压力，来获得需要的压力差产生合适的力矩对偏心力矩进行 3 f 衡，这一过程可以在液压执行单元选用电液比例压力阀实现。 与比例流量阀一样，应用现代电液比例技术制造的高品质电液比 例压力蒯，能够做到系统中受阀控制的那一部分工作腔内的液体压 力，j 其输入信号保持稳定的线性比例关系，岗此，在对系统进行理 论分析时，可以理想地将其视为系统中的一个比例环节，即： p 。k 。，i( 2 l8 ) 式巾：p 一受控工作腔近力； k ，一比例压力阀放大系数： i 一比例压力阀输入控制信号： 此时，平衡缸产乍的平衡力钳im 为： q ，南大学硕士学位论文 式中：a 一平衡缸活塞面积： l 一动粱对角线长度： p 一平衡缸高压腔压力： p ，一平衡缸低压腔压力； 系统中使用的电液比例压力阀具有相同的放大系数k ，将式2 18 代入式2 1 9 得： m ，= 舭k 。( f l 一2 ) 式中：i 一平衡缸高压腔电液比例压力阔输入控制信号： i ，一平衡缸低压腔电液比例压力阔输入控制信号； 令： k 、= a l k 。 ( 压力控制补偿系数) ； 则式2 2 0 变为： m ，= k ( ，1 一i 2 ) 将式2 2 1 代入式2 2 并整理得： 。，+ 疗警+ k o = m k “- ) 。 将式2 2 2 进行拉氏变换并整理得系统传递函数如f ： 邮) = 丙靠扣- k ) n ( 耻j 2 ( 跏+ m s ) 同理，山式2 2 3 可得比例j i 力控制方式f ，系统的传递函数方框 矧： + 斟2 - g 眍力控制方式f 同步平锅掩制系统传递函数方框图 ) l r 1 ) 刎 圳， 锄 彩 陋 但 弘 但 南大学硕十学位论丈 2 - 3 同步平衡控制系统不同控制方式的分析、比较 在l 二一节争，通过对3 0 0 m n 模锻水压机同步平衡控制系统的动力 学分析，建立了使用流量控制和压力控制这两种不同液压控制方式 以及流最控制方式f 两种不同控制方案的同步平衡控制系统的3 个数 学模型。从形式l ：来看，这3 个数学模