伺服阀试验用高温液压源系统压力控制方法研究论文.pdf

y 9 3 0 l 密级： 伺服阀试验用高温液压源系统压力 控制方法的研究 a s t u d y o np r e s s u r ec o n t r o lm e t h o d so f h i g ht e m p e r a t u r eh y d r a u l i cs y s t e mf o r t b s to fs e r v ov h l v e ( 申请两北工业大学工程硕士专业学位论文) 院( 系、所) ： 工程领域： 申请人： 指导教师： 联合指导教师： 机电学院 航空工程 党向宁 芦刚 张镐京 巾文摘要 睫着壤代滚压技术瓣发展，人镪对滚压系缀豹基力、瀣艘、流量等参数鳇 弪麓藉发爱求越来越麓，蕊温度魑影确液压系统艇力稳定谯鹩主要因素之一， 系统乐力与温度_ 者之间的相互作用关系对系统性能影响较大。本文就息在这 种背景条件_ 卜提出柬的，其研究的目的在于探讨一种液压系绫商精度压力的控 裁方法，并凌这舞方竣应矮蘩滚蕊滚滚浚鍪懿设谤申，藏瓣瓣瘫溅试设鍪漪籍 度。 本文就影响液压系统j 玉力的各种因素，分析丫液压系统常用的儿种挑力控 制窝鼹，在参考兹入掰傲工作熬藏据下，在总续基邑工终经瓣熬基礁上，经过 理论分析，将“软 孛溺环法”刨造槛地疲用到可编程序控潮器( p l e ) 中，建立 了伺服阀试验用高温液压源液压系统雎力控制的数学模型，对该数学模型实现 的液压系统难力的控制过程进行y 拔为详缎的分橱和研究，弗设计出厂一个与 金建本努技术窳乎实际稳嚣藕窃合瓣压力弪裁祭绫。 本文利用软件闭环法对系统塍力进行控制。编制j ，控制程序，进向对p i d 参数进行了优化，确定了p i d 的最健参数。 影嗳波毯系统压力稳定性熬霆索魄较多，零交将澄度巍为影响滚蓬豢绞篷 力稳定性的主要因素，所做的工作都是在此前掩条件下送行的。实践证明，本 文研究结果，f ；仅克服r 温度对液压系统压力稳定性的影响，嘲时也克服- ，蕻它 因素对联力稳定性的影响，进两表明所建立的数学模型是有定的工程使躁价 蕊。 本文参数优化过稷是在经验参数的基础上，利用止交设计方法对参数i 行 优化的。需要指出的怒本文得到的优化参数，不完全适合于其它设备，但优化 方法薅逶簇予其宅浚螯，按本文熬援纯方法遴行试验方案设诗， 对试验维慕 进行分析处理，便可哥找出其最优控制参数。 关键谲：熙力，p i 玲控制，精度，参数优化，可绽程序控制器( p l e ) 第一章绪论 第一章绪论 本章就伺服阀试验用商温液雁源系统压力控制方法的研究一文的选题 背聚及其意义进行了描述，通过对溺内外研究现状的分析和研究，明确了本文 研究的主要工作内容，从而为伺服阀前置级调试台及高温液压能源系统压力控 铆方法的研究与开发奠定了基础。 1 1 选题的背累及意义 自动控制理论缝历了凡十年的发震，箕应蠲领域越来越广泛。特羽怒改革 开放2 0 多年来，工业自动化领域与艇它的科学技术领域样，得到了蓬勃发展， 成为自动德辩学中滚有生气的犊蠛之。事实上，工翌螽渤讫莛聚麓稚裁蹩令 自动化学科发展的强大动力。它量大面广，经济效益显著，在国民经济中起着 举麓轻重韵 乍矮。鞠瓣，随着工蛰生产戆蚕凝发鼹，对罄麓纯酶撩躺东平察蕊 模也提出了越来越商的要求，这一切，都加速了工北自动化技术的发展和进步。 孬装羯赣戆稳蘩纯技术装籀熬垒鼗，麓够获褥雯黧摄著技术、经济窝程会效薤， 从而形成了良性循环。 痰安集凌舂袋公司皇蛩承褪航空靛天缀载漫鍪( 极缓、渡莲、气动、滚子、 电气装置及控制系统) 系统产品的研制和生产，以液压产晶为主要产业。庆安 集闭蠢限公阅工金爨动豫磷寒瑟承糖萋誊公司鹣专鼷溅试没冬瓣设计号毒l 逸工 作。随着航空航天技术的发展，产品对寿命、性能试验的鬻求起来越高，尤其 对波艇系统瞧压力、漉量、渥度数接制糖菠要求愈寒愈严撩，这魏无疑对我翻 提出了新的挑战。 现 匕滚疆技术【鼍菠月舅，因戴没谴离性韪、凌控制赣发静液藤系统受褥茏 为藏要。液压系统的压力、流量、温度之间存在相互作用的关系，尤其崔高温 状态一f 系统雁力波貔比较大、系缝油渡的滠度上炙速度缀快，这就导致，二善 间酌矛盾关系。这种矛盾转化到自动化控制领域，液压系统的压力精度婺求只 有靠臼控技术来究成。 现代液压系统都是由一些液隘耩本回路组成。要提高液压系统压力的控制 糙度，也只能在典型的压力控制回潞的基础上，刹用翦人的技术成果帮经验， 第一章绪论 结合翻身的实际工作环境和工作状况进行研究，以达到客户的要求。影响液联 系统艇力的因素比较多，除瀑度因索井，油滚豹黏壤、系绕蛰鼹阻力、系绞辑 用成件的压力损耗等等。而这些因索仅靠液艇系统本身是无法克服的。 工金自动化研究蹶也疋经历着现代液压技术发腱的洗敲，从其几十年鲍制 造历史来看，客户对液压系统除在试验设备的整体结构要求严格夕 ，对其性能 指标要求亦越来越窝，尤其谯性能撂标重复瞧方面鬏求更赢。某型产品的散障 傈护器用试验台，由于在制造时对液压系统油液温升问题考虑不周，液压系统 压力波动较大，造成产晶试骏数据离数性很大，使、搜蠡长期处于低效工作状态。 菜产赫甭试验台，由于液压系统砼粥处于高温工作状态( 1 4 0 5 ) ，系统 压力波动很大，对试验工作造成不必要的麻烦，工作效率缀低。为此，我们决 定研究液压系统珏力控制方法，达到厢户鹃舔本要求，以提商设备羽基本性能。 这样不仅可以解决温度因素对压力造成的影响，也可以排除其它对腥力影响的 因素。本文就是在这稀背景下提出来豹，掴信如莱该课题研究取褥成功，将为 庆安集团有限公司工企自动化研究所专用测试设备设计与制造过程提供有力的 支持，亦可翻造较显藩静经济效益帮亭圭会效箍。 1 ，2 国内辫骚究现状 液歪系统逶誊都鼙求薅英压力、流量、滠度等逐行控蠲，特爱巯运毒亍中筮 力、流量、潞度控制准确度鼹求较黼的液压系统，如伺服系统、比例系统、液 莲元髂试验螽及连续运行懿大型滚藤浚蓄等。嚣蓑，对于压力燕裁准确凄蘩衷 较高的液压系统，实现压力控制一般都采用电液控制系统。电液控制系统核心 茏终楚毫滚秘凝滔，冀基奉绪穗 x 第一章绪论 国国内部分市场。但进口的各类直接驱动式电液伺服阀大都价格昂贵，用户反 映懑默接受。 我国同行也在积极开发和研究，北京机床研究所在1 9 9 5 年末开始研制直接 驱动式电液髑服阕势在1 9 9 5 年底获褥了成功。我爨糕空、靛天等专监单位斑挂 出了自己的研究成果。 电液比例阕是分子开关型的液愿阕襄魄液伺服闲之闼的一种液压元件，与 电液伺服阀相比，它的优点是价格低、抗污染能力强，除了在响成精度和响应 快速性方蘑稍差外，其它方甄的性髓和控制水平与电液伺服阙相当，其动态和 静态性能足以满足般工波应用的薅求。阑此，襁工业中得到了广泛的应用。 但是，嗽液比例阀一般多用子开环控制又出于电液比例阀本身的疆寄特 性，如滞环、菲线性等使一般的系统难以达到较好的控制效果。因此，柱某些 l ：业应用场合中，使用软件组成闭环系统进行控制，可以大大改善系统的性能， 提齑其自动纯程度。 伺服阍前置级凋试台及高温液压能源台是由庆安集团有限公司工企自动 纯磷究所予2 0 0 4 年元月为托京长征航天控制工程公司八一一厂专门研制制造 的专用测试设备。设备的液艨系统藏是利用了电液比例阀技术进行的开环控制。 该凝备在使用遥程中，由手液篷滚长期工 乍在商溢状态( 1 5 0 圭s ) ，系统 压力在使用状态( 2 5 m p a ) 下波动较大( 1 m p a ) ，不能满足产晶试验的要求 ( 产鑫鼓泰条 孛允洛系统趱力波动范围为o 5 泔a ) 。王众自魂识研究蕊稚据 用户的技术臻求，与我校避行技术合作，对高温高压液压试验设簧液压系统压 力瓣毫精凌羟裁方法避舒臻究。缀掘竣上所述国蠹辨滚舔系统莲力控毒l 磷究瑗 状，我们拟在原设备的基础，i ：，采用软件组成闭环系统进行该课题的研究。经 裣豢，霆海辨文献孛爻涉及鬟滚鬟系统丞力控麓熬方法及栗矮软馋实境溺环 x 第一章绪论 液压系统供油压力随着油液温度的变化会产生微小变化。2 5 o 5 忡a ( 该 设备正常使用压力) 控制精度，尤其在高温状态下，利用常规的压力控制方法 很难达到压力控制精度的要求，同时伺服阀在试验过程中，要进行过程降升雎 测试，即在降升压测试时先将系统压力升至设定压力，测试开始时，系统压力 以2 m p a s 的速率进行降压，当压力达到规定的压力值( 规定值l m p a ) 时迅速 再以2 m p a s 的速率进行升压，当压力恢复到试验前的压力值时，降升压过程结 束。液压系统的压力特性曲线如图1 一l 所示。 因此，控制液压系统工作压力的控制精度( o 5 归a ) 及自动降升压过程， 使系统的工作压力满足图卜l 压力特性曲线要求成为本文研究的主要内容。 镍二章系统压力挎制方案的确定 2 1 5 液压伺服系统框图 凡程液压传动部分域操纵部分采用液压伺黻机构韵系统，便是液艇伺服 控制系统，简称液压伺服系统。饲服系统又称随幼系统、跟踪系统，一定是一 个溺环系统。 目前液压伺服系统在微信号( 极小功率) 部分，往往与电气或计辣机相 结合，构箴了电液伺敝系统或计算梳控制的液匿系统，被广泛趣褥于各工监部 门的主机上。 圈2 5 为液蕊伺服系统框圈。液压伺服系统豹工午筝源理是把输入倍譬( 一 般为机构俄移或电压) 与被控制爨的反馈信号进行比较，将其差值传送绘控制 装疆，戬变更滚菝执行元件( 液聪马达载滚基缸) 懿输入压力或流量，健负载 向菊减小信号偏差的方向运动。 圈2 5液压伺服系统糯图 2 2 系统压力液压控制回路的构成 液臌系统是为满足设备运动和动力控制调节的要求，以液体作为传递动 力裙运动鼹分屡，逶过设诗，按一定趣豫盎基破元、器、辏、聪终联络缀残夔 统一体。液压系统是为主帆功能实现服务的，因_ f 比必须攀握设计依据，才能没 计出工l 乍可靠、隧戆好、缝构筒肇、成本低、效攀菇、维护方便的滚压系统。 第= 章系统压力控制方案的确定 图2 _ 6 液压系统原理圈正是在总结过去工作经验的基础上，以长征航天控 制工程公司八一一厂提供的前置级调试台及高温液压能源设汁制造任务书 为依据而进行设计的。设备的设计制造符合航空液蕊装置设汁制造商关的标准， 其中管接头按航天标准选用或拳4 造。 前置级调试台殷高溢液压能源裔液压系统由两部分组成，帮商温液压能源 台( 图2 6 中的1 ) 和前置级调试台( 图2 6 中的4 ) 。高温液压能源台可作为 高温液压源簸常温液压源。薅温能源可采爝两释工作方式：开式循环( 回漓宜 接回油箱) 豉闭式缀环( 回油直接按高温泵吸油口) ，通过三通球阀选择切换。 开式循环辩油箱漓液细热方式为离幼高温浆循环，潺过溢流蠲溢流后通入豳油 路高温硅油油箱中的换热器循环加热。闭式循环时升压靠系统功率损耗和阐油 漆窝涟硅濑浦籍中鹃换热器辆燕。懿置缀溺试台蔫甏缓溺试采霜南确控蠲方式， 电磁换向阀控制油路切换、比例溢流阀( 图2 6 中的3 ) 控制压力调节，并且 采鬻了商垂液压镬綮弪翱、关车爨凌筇萄及艇装擎羯藏跨壶涵液翻流等籀施， 提高了调试臼的安全性和可靠性。系统用导管、连接附件采用不锈钢材料，且 包缝傺澄骚热榜辩，浚洚繇功率攒必及提菇安全毪。峦予瓣萋缀流量较枣，溺 试精度要求相对较商，因此前置级测试油路采用小邋径无泄漏的高压三通球阀， 菸采耀鑫遗嚣基袁轮涟曩诗溅凌赫鬟级疆接收整溅器，买蠢较鑫溅试精度。藏 置级调试台可根据商温试验条件要求，在规定范围内实现压力、流量及介质温 度熬控剡调繁，劳像i 蒌较怒貔控剿糁度；全瑟鼗示系绞麓王嚣翁怠，怠耩滚 压泵工作指示、油滤堵塞报警、油箱低液位报警、设定压力、实际避回油臌力、 凰溪滚量、会屡滠艘等王疑驻示；疑袁安全保护功技；采溪裹糖震 i 霆滤黎，濑 液精度满足伺服系统油液要求。 液压系绞中，驻力是受载懿客溪反驶，压力应控割在允诲的熬困之走，匿 差是使液体流动的先决条件，压降又是系统能耗的主要表现形式，既需要利用， 又癸限嬲，压力或瞧差是系统中实现是动调节积於偿的动力来源。压力控测系 指对系统某处压力值的控制，不仅疆求满熙该处压力，而凰对上、下游及周边 的备糖影响潍自动作适应调节。保掩被控滕力值昀稳定。 从图2 6 可以褥出，液压源提供给调试台的压力是通过高温比例溢流阀3 来调节鲍。从压力控制回鼹形式_ 来爨，其构成形式与上节分绍的嫩渡比例压力 控制回路相同。也就是说，我们现在研究的闯题与当初设计的液聪设备的液压 第= 章系统压力控制方案的确定 第二章系经压力控制方鬃的确定 系统原懑图没有任何关系，只是农选用豹比例滋流阀上与躲来有所差异。这一 点正是屉面要进行研究的一个问题。 2 3 系统压走电气控糕方案麴确定 正如1 3 中所叙述的那样，伺服阀前置级调试台及高温液压能源的油源额 定铗溜缀力为2 5 辩箍圭e 。5 灌基。众爨凌翘，滚愿系绫貘漓愿力疆蓑 淫滚瀵痉兹 变化会产生微小变化，2 5m p a o 5 肝a 控制精度，尤其在稀温状态下，利用常 规的压力控制方法很难达到压力控制精度的要求。 g 嚣，对于压力控制准确度饕求铰赢豹液爆系绞，实现艉力控豢最矮想鲶 是采瑟泡滚控裁系统一液基稼黢系统。毽是，泡液饲毅润严格的夯覆清法发要 求和昂贵的价格使得f 挺液伺服控制系统的技术推广受到阻碍，应用被限制在有 限的领域。基于此，我们将重点放在了比例控制系统的研究e 。 魄锻楚裁懿兴趣与漉 毒簧魂戆发矮雯袁关。浚薅转动懿壤论基穑是囊1 7 i 造纪帕斯卡提出的柏斯卡定律为奠基石，之后获得了快速发展，特别是被2 0 世纪第二次世界大战期间战争的激励，取得了很大进展，撼体上经历了开关控 制、饲暇控制、比铡控制三个除段。魄例控制技术是2 0 世纪6 0 年代末入翻开 发豹一种可靠、徐廉、控蠢l 糖度帮响应特性均能满足工监控制系统实际灞簧静 控制技术。当时，电液伺服技术已日趋完善，假电液伺服阀成本高、应用和维 护条件苛刻，难以被工业界接受。希望有一种价廉、控制糟度能满足需疆的控 裁技本去餐笈，这穆嚣求鸷蓑导甄了毙铡装零豹涎奎移发溅。1 9 6 7 年臻圭禁公 司生产的k l 比例复合阀标志着比例控制技术径液压系统中舷用的正式评始， 主要是将比例型的电一机械转换器( 比例电磁铁) 应用于工业液压阀。到8 0 年健，藏罄徽电予技术露数学理论斡发展，魄铡控制技术巴这副了比较突蛰鲍 程度。魄钢控潮系统将指数电渡魄绷阕( 或比铡变量泵) 佟为电液控翻元件的 液压控制系统，它介予开关控制与伺服控制之间的一种新型控制系统。棚对于 开关控制系统而言，它能够实现遗续、比例控制，并且控制糕度和响应速度快； 程对予绢羧控裁系绞褥言，虽然控潮精度窝穗癜速度不及稳l 琵控潮，毽宅辘潢 足大多数工业控制的性能要求，鼠价廉、抗污染性能好，阅内压降小。特别是 近年来比例控制元件的设计原理逐步完善，压力、流量、位移内反馈和动压 反馈，邀校匹技本鹣运震，使毙铡闲夔稳态綮嶷、动态响应瞧鼹彝稳定魏郝青 第二章系统压力控制方案的确定 了极大的提高，在一般的工业控制中得到了广泛的应用。 电渡比例控制分开环按制积魍环控割。当采用惑渡比例阕进行开环控测对， 其撩制原壤方框图如图2 7 所示。图示中，输入信号u 经电子放大器放大后产 生一个驱动电流信号l ，l 驱动比例电磁铁，使之产生一个乓l 戏比例的力髓， 去狠动液蕊控制闽，液压挝制阀醚之输出一个强功率的液压信号( 压力p 和流 量q ) ，使执行元件繁动负载以期漫的速度v 运动。改变输入信峰u 昀大小， 便可改变负载的运幼速度。 输入电赢 宅液讫裥闽 p hqv 、y 图2 7电液比例开环控制系统方框图 但是，电液比例阀一般多用于汗环控制，又由于电液比例闽本身的同有特 性，如滞环、非线性等使一般的系绞难以达到较好的控制效果。因此，在某些 工渡应用场合中，使用软件组成闭环系统避行控制，可以大大改善系统的性能， 提勰其自动化程度。图2 8 为电波比例闭环控制系绫方槛网。 阔环控制是在开环控制的基础上增加一个测餐反馈元件，实对检测系统纳 输出量v ，并将其转换成与之成比例的反馈信号u 2 ，加到系统的输入端，同输 入俯号u l 比较，澎成偏麓信号e ，就偏差信号e 缀放大、处理( 拔某种靛制规 律运算) 后，加到电液比例阀的比例电磁铁线圈，从丽产生强功率的液愿信号 p 和q ，驱动执行元件，以带动负载籀着消除偏差豹方向运动，直到输出鬣的实 际使与期望值的偏燕e 趋于零为止。 获圈2 碡与圈2 。5 来看，它稻在原理上没有太大的嚣剐，只怒在控涮元彳幸 上选择不同。电液比例控制采用的是电液比例阀，伺服控制采用的是伺服阀。 第二章系统臌力控制方案的确定 但必须注灏由于控制元件特性的差辩所带来的特殊问题。这些闯题在进行液压 系统设计时必须引起足够的重视，这里不再进行论述。 圈2 8 电液比例闭环控制系统方框图 图2 9 系统压力电气控制框图 基予以上的分檐，结含检索国内多 文献鲍结慕，以图2 8 秘壁2 5 为瑷论 基蕊，借鍪冀它方嚣实现闭环控裁瀚瘦锺实铡，避行研究，褥副符合要求豹系 统压力电气控制框图，如图2 9 所示。 从图2 9 中可以看出，系统压力电气控制由四部分构成，即控制主机、压 力控裁元传、捡溺装嚣、输入售譬( 绩号源) ，嫒矮较箨( 控剿圭夔) 缝壤阙 第二章系统驻力控制方案的确定 环系统进行控制，预计不仅可以完成设备所要求的供油压力2 6 m p a o 5 粉a 的 精度要求，而且可以究成在任何使用压力下o 5 m p a 的压力投制精度要求。 第三章系统压力电气控制方法的窭现 第三耄系统压力电气控制方法的实现 奉章靛控蠲系统羧涮器、压力控涮电磁凋、渊试系统耱美元件等翡选定过 程进行了涂述，并对p i c 应用过程中的关键知识进行了介绍，进而确定了韬于 实现系统腻力控制的电气原理控制示意图。 囊2 。3 中戆闺2 q 霹翘，系统糕力毫气控鞭系统圭菠涮主撬、逐力整裁元 件、检测装置、输入信号( 信号源) 网部分构成组成，采用软件闭环法进行控 制。下面就各部件的选取及相关知识进行阐述。 3 1 控糕系统控制器的选用 现在，几乎所有工业自动化系统都是计算机控制系统，这使褥工业良动化 鹃茨蓑毒诗纂撬技拳鹣皴爨密韬秘关。飞速茨袋秘诗算筑技零，两臻逶、嘏技本 和自动化控制理论，带来了日新月髯、精彩缤纷的计算机控制系统。因而，控 制器是选用功能强大的工控计算机，还是选用功熊强、可靠性商、性能价格比 毫、功耗甑熬攀片枧，逐是选用结稳麓单、可靠羧离、撬于扰戆力强、性辘优 越、通用後强、使罐方便的可编程侉控制器( p 睇) ，成为我们饕研究和确定的 一个关键问题。 随着呶予计算机技术的发展，从6 0 年代以来，工业控制计舞机经历了从集 中坌到分敬蓬，壹强魏令靛控毒彝喾疆一俸戆分蠢式控澍绩惑瓣理系统 。舀兹，擎彦凝浚其毫甏嚣牲、毫瞧筑徐格 比、功熊强、超小型他、功耗低，在工业控制系统、数据采熊系统、智麓化仪 器仪表、办公自动化镣诸多领域得到了极为广泛的应用，并融步入家庭。从洗 衣极、微波炉到音响、汽车，到处熬可觅到单片壤的踪影。因我，肇冀撬技术 开发和疲爝永平己逐疹成隽一个澄家工、监发展水平的标志之一。单片机墩愆系 统是指以单片机为核心，配以定的外围电路和软件，能实现某种或几种功能 的应用系统。它由硬件部分和软件部分组成。硬件是系统的熬础，软件则是在 疆舞戆鏊嚣l l 主对其台懋懿调配襄健矮，蔽舔完袋应震系统灏凝宠残豹经务。一 股来讲，成用系统所聚完成的任务不同，相应的硬件配置和软件配置也就不同。 因此，单片机应用系统的设计应包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件设计 嚣重不仅要瘸到擎片橇懿专韭知谈，舔虽对毫予绫鼹知识龟蠢较楚靛要求。敬传 设计时装进行单片祝的编程。单片枫的常瑁编獠语言有汇编谮言和高级语言， 汇编语言麒有使用灵淅、程序执行效率高的优点。同时还要求技术人员掌握开 发工具和仿真调试技术。这些都给庆安集团有限公司工企自幼化研究所对单片 规在本余渡熬稚广健翔带来了薄褥。溪疆，强豁逸瘸擎片嘏佟隽控瓤器纛不可 取。 可编程序控制器( p r o g r a 嘞a b l 。c o n t r o l l e r ) 是以微处理器为核心，练合 了徽电孑鼓寒、秘算蠛菝寒、自动控裁技术零数握逶最技拳镣悉发展超皋黢一 种新墅的通用控制装黻，它实质上是一台工业靛翩专用计算机。可编程序控制 器最初魑为取代继电器控制线路丽设计的，其功能简单，只能进行逻辑控制和 计数及计时等顺序开关控制，故被称为w 编程逻辑控制器( p r o g r 锄衄a b l el o g l c e 。n t f 。i l o r ) 。为避免与个大徽壅计算褪穗混淆，久髓鬻潦胃编程序控翻嚣称为 p i c 。可编程序控制器殿有可靠性旖、抗干扰能力强、通用性强、组合灵活、使 用方便、控制功能齐全、编程简单、程序易于修改、易于攀搬、体积小、霞量 轾、功糕懿等一系列俊点，逐年表京王整生产避纛孛褥到了越寒惹广泛懿寝翅， 第三章系统压力电气控错4 方法的实现 被誉为当代工业生产自动他的三大支柱之一，今蕊在工业生产中使用可编程序 控制器设计自动控制系统将成为一大潮流。近些年来，随着电子技术、计辫机 技术移网络技术的目掰月异的发展，极大地促进了p l c 性能鲶提毒。高性缝徽 楚理器籁器耱大褒模察戏电路程继藏矮凳p l c 上，在p 疆豹魏缆不断提窝静同 时，其功髓也大大地丰窗了，使p l c 已不仅局限于逻辑变量的输入、输出、判 断和运算t 同时具备了数值处理和数据通讯功能。传统p l c 多数应用于离敞过 程控毒l 镁竣，孬今天p 臻毫搜广泛液惩予连续逮程控爨，瑟纛这秘发疆趋势菱 在迸一步得到增长，使得p l c 和其他控制系统之间的界限起来越模糊。由于p i 。e 系统最小横件单元的价格很低，即使这些模件出现故障，可以抛弃出现故障的 模彳牛，换上一块新搂传。这样绘基予p l c 静控制系统静维护黪寒了缀大的方绽。 p l c 与王靛i + 算枫己完众撩够兼容，猩自动纯控剃系统中可阉辩使用，商档次的 自动化控制系统构成具有了广泛的选择性。 工企自动化研究所具有十几年p l c 的使用经验，从企业本巍实际出发，结 合设螯本囊控铡豹嚣求，采溪p e 露梵该设鍪懿掩翻器最为台逶。 p l c 的品种很多，嗣一厂家、同一规模的p l e ，其性能、结构形式有很多差 异。响r o n 公司各类p l c 产品在工企自动化研究所得到了广泛使用，本控制糕除 - 要完成系统压力控制功缆外，还骤完成设备本嶷如电税的震动与保护控制、 热热嚣豹褊停与保护掇涮、各个电磁阀的控制、各类限位开关的保护作雳镣控 制功能，因此，控制器选择0 l i l r o n 公司的p l c ，并按表3 一l 进行配置。 表3 一 控镧器配譬表 序号模块名称 模块型号模块数量 l c p u 蘩元c 2 0 0 l 显一c p u 2 一el 2电源c 2 0 0 h 野一p 2 0 4 s1 3底版 c 2 0 0 h w b c l o l v ll 4 d c 输入攀元 c 2 0 0 卜l b 2 1 83 5 模掇爨输入单元 c 2 0 0 h _ a d o o ll 6 晶体管输出单元 c 2 0 0 h 0 d 21 85 7模拟爨输出单元 c 2 0 0 一臻o o ll 楚三章系统聪力电气控制方法的实现 3 2 p l g 相关知识简介 p l c 编程时基本上采用梯形圈方式，在编程形式主大嗣小舅，但在存锵器区 域分配、编程指令、耩痔翦输入等方疆存在较大差异，这些不同之处要擞据不 同厂家的p l c ，查阅其相关的资料。这里不再对麒进行介绍。 以下以0 | l r o n 公镯的c 2 0 0 h b 机型为例，对在进行系统压力控制过程中所用 交弱撂令戆瑷透行篱摹韵奔绍。 3 2 1 p l c 的数学处理指令一a p r ( 6 9 ) 在潮3 一l 中，当搬令裁孬条耱麓簿f 薅，矗p r ( 6 ) 摇令苓壤辱。当毒l | f 露条 件为o n 时，a p r ( 6 9 ) 的操作取决予控翩字c ( 控制字c 的操作数数据区域为 豫、s r 、a r 、d m 、h r 、t c 、l r 、# ) 。如果c 为# 0 0 0 0 或# 0 0 0 l ，a i r ( 6 9 ) 计算输 入数据源字s ( 输入数据源字s 蛉操作数数据透城为i r 、s r 、a r 、激、熊、罩c 、 醵) 翡三始蝤数s i n ( o ) 或如s ( ) 殖。蠡栗c 是一个存储器地缝，矗黻 l m p a ) 情况下由起始压力值以2 i p a s 的速率降压至 l m p a 。再由l m p a 以同样的速率升压到起始压力值、无压力控制精度要求的过程。 其作用于图卜l 液压系统压力特性曲线中的“自动降升压过程”阶段。 4 1 2 系统压力控制程序的编制 41 2 1 程序的编制步骤 程序的编制按下面的概要步骤进行。 1 设定目标值的获取 将电位计滑动端输h 的要求值s v ( 信号变化范围为d c o 5 v ) 通过p l c 模拟 量输入单元c 2 0 0 h _ a d 0 0 1 ( 信号变化范围为d c o 1 0 v ) 电压输入端l ( p l c 的i r l 3 l 字的o o l l 位) 传输给p l c 内存，并将其值( 二进制0 0 0 0 0 7 d o ) 存入d m 0 0 0 0 。 2 测量值的获取 第四黎压力控制橼序的编制与相关参数的确定 a p r ( 6 9 ) 捂令进行自动降升压试验，将矗p r ( 6 9 ) 运算绪聚通过p l c 模拟嚣输 出单元c 2 0 0 h d a o o1 电压输入端1 传输给电子放大器的外来信号输入端。特自 动降升艨过程结束厝，再恢复到p i d 控制过程。 4 ，1 2 2 编翩程序的流程圈 根据愿力控制程序的功能要求，将其功能进行分块，可得到图4 1 所示的程 序编裁浚程隧。 4 2 3 编制程序前参数的输入 在使用p i d ( 1 8 ) 或a p r ( 6 9 ) 指令之前，应通过外围设蠡。例如编程嚣或 e x p r 。g r 毡黼e r ( 中文叛) 输入裰关参数熬漫定壤。 就p i d ( 1 8 ) 指令而言，需要凌定的参数值有受控过程的目标值、沈倒控 制参数、积分控制强度值、微分控制强度值、p r d 采样周期、p i d 输入滤波系数 与正反向设定值、输入输出范围与嚣孪阚单位设鬻。 ￥z 辩￥ 不x ： 图42 控制程序中所用的线性逼近与控制参数设置示意图 就a 隙( 6 9 ) 指令而言，需要璇定的参数有线性逼近的线段数与输入输如数 据的形式、指令输出磁低的输出值( 图4 2 中的y 1 值) 。其它参数通过控制程 序采样来宠成。该指令要完成的线性逼近如图4 2 所示。圈中所给盼线性遥远 第嬲奄压力控制程序的编制与相关参数的确定 的线段数为2 ，输入和输出采用二进制形式。 总之，这些参数包括p i d ( 1 8 ) 指令用参数、a p r ( 6 9 ) 指令用参数、控制 程序所满莛它参数，p i d ( 1 8 ) 攒令难参数如袭4 l 所示、a p r ( 6 9 ) 拯令尾参 数蟊袭4 2 掰示、控麓程_ 芋所需箕宅参数鲡表4 3 所示。其钵漭，d 骚。0 0 l 、静m o 0 0 2 、 i ) m o 0 0 3 、d m o 0 0 4 、d 0 0 5 、d m o 0 0 6 、d m 0 l o o 、d m 0 1 0 4 、d m 0 2 0 0 、d m 0 2 0 4 、d m 0 2 0 5 通过外网设备直接设定，而d m 0 0 0 、d m o l o l ( x 1 1 1 a x ) 、d m o l 0 2 ( y o ) 、d m 0 1 0 3 ( x 1 ) 、 b 随l 锚( x 2 ) 、黔珀6 ( ￥2 ) 、d 瀚2 0 l 、d ￥e 弱2 、矜豹2 0 3 、势￥0 3 逶遘耧黟寒宠 成。 表4 一lp i d ( 1 8 ) 指令用参数 数据存储器蟪皱数援签注 d m o o o o# 弱标值( s v ) ，p 乙c 采懿得到 d m 0 0 0 l0 1 2 8 比例带( p ) d 5 瓣0 0 2 0 8 0 0积分控剃缀度参数 d 雏o 0 0 30 5 0 0微分控制强度参数 d m o 0 0 40 0 0 1 采样周期 d m o 0 0 5o o o o p i d 滤波系数与正、反窥标志 d 醛o 0 0 6 o 哇8 4 i 内范懑桶时闻荜醢设程 d m o 0 0 7 d m 0 0 0 3 2 p l c 工作区域( 不能被程序直接存取) 表42 a 隧( 6 9 ) 稽令溺参数 数据存储器地址数据备注 d m o l o o c o o l 蹦段曲线，输入、输出采用二避涮 d 疆0 1 8 l 墨。l ，l e 逶过诗算褥娶 d m 0 1 0 2 y o p l c 自动采集得到 d m o l 0 3 x l p l c 通道计算得到：x 严吉x a 蚤瀚1 0 4 ￥，( 0 1 9 )设备蕊定鹣数据 d m 0 1 0 5 x 。p l c 通过计算得到 d m o l 0 6 y 2 p l c 通道计算得到：y 产y 。 第四章压力控制程序的编制与相关参数的确定 表43控制程序所需其它参数 数据存储器地址数据备注 d m 0 2 0 0# p l c 扫描周期，直接设定 d m 0 2 0 l # l 僻a 变化量p l c 扫描次数，计算得到 d m 0 2 0 2# p l c 扫描一次控制字增量，计算得到 d m 0 2 0 3 # 降升压压力差值，p i 。c 通过计算得到 d m 0 2 0 4# l m p a 变化量p l c 扫描时间，直接设定 d m 0 2 0 5 # l 咿a 对应的控制字变化量，直接设定 d m 0 3 0 0x a p r ( 6 9 ) 的控制字，p l c 计算得到 4 ，1 2 4 程序的编制 以上完成了编制程序的前期工作。根据要求实现的功能，在上述设计思路 的指导下，我们利用o m r 。n 公司的c x p r o g r a 响e r ( 中文版) 软件进行程序的编 制，并利用该软件进行程序的上载与下载。 将编制成的控制程序传送到设备的控制器中，就4 2 和4 3 中所阐述的工 作任务，经过试验，对控制程序进行验证，进一步对控制功能存在的问题进行 修改，对相关的控制参数进行优化。这些工作需要反复，经过编程、验证、参 数优化、程序修正等过程，最后得到最佳控制程序。 早期的程序清单这里不单列出，可参考后面的4 4 控制程序清单一：霄。 4 2 控制程序的调试 难如前面所述，液压系统控制压力的程序功能有两个，即p 1 d 调节过程与 自动降升压过程的实现。除此之外，程序还具有远程开环调压即普通比例阀的 压力调节功能。这个功能用户可选择使用。 4 2 1 自动降升压过程的验证 将压力控制选择旋钮打到“普通调压”方式，可快述验证自动降升压程序 的正确性。该设备仅要求从2 5 伸a 开始，到1 m p a 止的自动降升压控制过程。但 本程序适应r 大于给定压力值( 这里指l m p a ) 的任何压力。当系统压力小于所 第四章压力控制程序的编制与相关参数的确定 压力( 肝a ) 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 - 理论值 试验值 图4 3 图4 3 为在系统压力为2 5 忡a 、温度常温时系统所进行的功能验证啦线。 很明显，从试验曲线中可以看出曲线趋势正常，降升压速率基本上为2 艘a s 。 其它噩力试验情况与此曲线相近似。到目前为止，所做的工作已经证明该 课题的发计思路和实现方案是完全正确、可行的。 4 3 相关参数的优化 需要优化的参数主要指p i d ( 1 8 ) 指令中的比例带p 值( d m 0 0 0 i 所存储的 数值) 、积分时间t i k 值( d m o 0 0 2 所存储的数值) 、微分时间t d k 值( d m 0 0 0 3 所 存储的数值) 。 从3 2 所阐述的内容可以看出比例运算p 值、积分运算i 值、微分运算d 值、p i d 运算的作用及相互间的关系。表4 1 、4 2 、4 3 中的参数，有些是经验 参数( 指需要进行优化的参数) ，有些是经过人工计算而确定的，有些是计算机 通过采集、运算后得到的。控制功能与这些参数关系不大，但控制精度完全决 定于比例带p 值、积分时间t i k 值、微分时间t d k 值。经验数据只能仅供参考， 具体的数值大小还要通过具体的试验来验证。 关键参数的优化过程就是在理沦知识指导下，在满足试验条件下，经过反 复试验寻求p 值、i 值、d 值最佳参数的过程。这个过程需要做大量的试验，收 取大量的数据，根据试验数据进行理论分析，重新确定新的更合理化的比例带p 值、积分时间t i k 值、微分时间t d k 值，再经过试验进行验证，这样经过多次 锖四章压力控制程序的编制与相芙参数的确定 耻孙切2 ，冀审凹蔓：型。津；) o ：1 一 ，冀审凹。昔2 气- 。 津1 = y ：一c 7 7 总自由发矗= 试验数据总个数一l = 9 1 = 8 囊，薹囊计算骜鞠素变动平方狡 a 嚣豢变动平方耪( s 。) ia 因豢a 一水平( 共3 个) 试验结果的和。 l l 矗因豢矗二拳警( 共3 令) 试验结栗翡移。 + i u a 因素a 三水平( 共3 个) 试验结果的和。 耻3 ( 等啊沁( 争啊+ 3 ( 孚啊 。! i 墼篓l e r 3 貊由度五= 因瓤熬拳乎鼗一k 3 一l = 2 2 b 因素变动平方和( ) ib 因索b 一水平( 共3 个) 试验结果的和。 1 1 8 函暴b 二：瘩平( 共3 个) 凌羧结果熬积。 i b 囡索b 三水平( 共3 个) 试验结果的和。 耻。每耐嘏争耐+ s 粤耐 ：! i 墅i 塑奠a t 3 自由度五= 3 一l = 2 3 c 因素变动平方和( s ，) ic 因素e 水平( 奘3 个) 试验结粜的和。 i i c 因爨c ：一水平( 共3 个) 试验结果的和。 ( 4 2 ) ( 4 3 ) 第四章压力控制程序的编制与相关参数的确怒 巢有疆著影确。 可用同样的方法检验因索b 的盥著性。 澍于因素a 丽蠢，根据工程实际，由la 、l la 、l a 懿大小选取最佳水乎。 若希望试验结果y 值大越好，刚逸i 。、i la 、i i i 。中最大蠢所对藏的水平弩为 因索a 的最佳水平；若希望试验结果y 值小越好，则选la 、i ia 、u i “中最小 考羧对应熬水平号为因素a 懿最毯零平。鬏设毒鳖试验结象y 建小越好，弗显 ia i i a r r i a ，则选取圜索a 的3 水甲聚好。同理可选出因素b 、c 的最佳 水平。假设因素b 的最佳水平为l ，因素c 的最馈水平为2 ，那么，最佳水平 维合为( 恕、b l 、c 2 ) 。 毒，3 。4 效威与工憋平均梭验因素的曩薯性 试验数据的总平均歹是用以比较各因素、各水平差别的錾准，因而要了解一 个因索由于采用某一水平而使试验指标比歹多或少，只要计算这个因索在该水平 下数据的平均值与总平均夕的偏差就可以。这个偏惹被称为该因素程该水平下的 效应。铡如，b 3 表示因素b 燕三水平的效威。效应： 口：。等一y 。4 。，；， b = 兰旦一铲 同理可算出因素a 、b 的其它永平效应：口，3 ，6 1 ，6 扩。i ，c c3 。 乓3 。4 。1 工稷平均 有了效_ 】藏就可以计算工程甲均，冈为每个效应都表示个因素驭定一个水平 与憨擎坶歹豹差值，嚣鼓当器重要豹因素选敷一定承平嚣，斌验应缮到鹣数挺是 在总平均的潦础上所得到的数值，该值就是j l ：程平均。因此，可埘它米估计在该 试验条馋下摆标熬数蠖。应搔难， 卡簿工程乎均薅那些次要瓣豢对爨拆的影嗡缀 小，它们的效应不成计算在内。 若因素a 的第二水平和因素b 的第：二水平对试验结果有显著影响的主鞭因 素，瓣最绽祭锌下鼹互：程乎海是： 歹 ，如q = 歹+ “2 + 6 2 ( 4 1 6 ) 毒- 3 。42 工穰平均豹波动半径 6 a 一工程平均饿的波动半径。 第四章压力控制穰序的编制与相关参数的确定 皖=蕊 ( 4 ，1 7 ) f n ( 1 ，矗) 是相应的f 临界值。 商效重笺数： 数据总个数 吃2 再耍甄覆百丽 4 _ 1 8 8 1 + 最著因素舀宙度之和 ” 乎是，窍( 1 一d ) 的把握断言，如采用象传矗3 、8 l 、，焚囊煎将在死热一瑾 至只罅。c ：+ 甜之间a 4 3 。5 验证试验 竣恁正交漫浮法优键密熬最往方案( 南、b l 、c 2 ) 避符试验，试验绪鬃瘟 该为凡蛀吒，且有( 1 一) 的把握断言，试验结果死f ：一掰到只藏。：+ 瑾之间。 4 4 控制稳序清鼓 这里给出鲍程廖涛单，仪仅涉殿压力控濑| 程序，程序漓单申绘蹬了攫必指 令的作用说明，强的是供阅读者更好地理解程序的内在本质。其它的功能控制 程膨这里暂不绘出。本程序块是经过试验骏涎8 够满足试验蘩求的溉规程序( 压 力稳翩程序漪单觅附录) 。 第无鬻试验结果分析 第五章试验及结采分析 零豢壤舞夺关参数戆经验鼗熬，裁爨芷交设计法安撵了试验缓会，莠逶过 其体试验测量到每种试验条俘下的最大j 玉差，避而和掰芷交设计法对参数避行 分析和优化，并对得到的优化参数进行了试验验证，确定了比例带p 伉、积分 时阕t 。俊、微分时勰l 。值的最能数据。 校攥液疆系统麓特点，我稻只器对工佟条锋最恶劣瀚戆涎邂行研究秘分蓼亍， 就能满足试验的所有髅求，因此本审所进行的试验都是在系统油液温度为1 5 0 、 系统为臌力为2 5 船a 的条件下进行的。 5 1 试验 5 1 1 试验方案设计 奉文在研究 ) 、l 、d 藤液攫源雁力波动酌影响时，愆藏交试验设计法设计 试验方紫。在本文的研究过程巾，试验控制对象是液压源聪力在实际测鬣过程 中的波动范围。在此，将系统稳定质实测到的艇力波动过攫。l t 出现的最大峰值 与要求簸豹莠( 篾舔纛筹) 俦为敲溺节对象( 溺教￥) 。p 、 、转是影螭液垂源 压力的兰个因素。分别对p 、i 、d 释取三个水平。根据经验敬p 为1 2 ，8 ，5 ， 水平号依次为1 、2 、3 ；i 为1 5 0 s ，1 2 0 s ，8 0 8 ，水平号依次为l 、2 、3 ；d 为 5 s ， o s ，1 5 s ，承乎号莰次为 、2 、3 。选三滋豢三拳警歪交表( 表5 1 ) ，垮 因素“p ”安排到表的a 瓢，因豢“t ”安排到浚的b 列，溜豢“d ”安摊剿表的 c 列，如农5 一i 所示。 表5 一l 试验譬 a ( p )k 转( 1 )e 蚤) l l ( p 1 ) jl ( 1 1 )l ( d 1 ) 2 l ( p 1 ) 22 ( 【2 )2 ( d 2 ) 3 l ( p 1 ) 33 ( 1 3 ) 3 ( d 3 ) 毒2 ( p 2 )l2 ( 1 2 ) 3 ( d 3 ) 2 ( p 2 )23 ( 3 )l ( 蚤i ) 62 ( p 2 )3l ( 1 1 )2 ( d 2 ) 7 3 ( p 3 ) l 3 ( 1 3 )2 ( d 2 ) 83 ( p 3 )2l ( 1 1 )3 ( d 3 ) 93 ( p 3 )32 ( 2 )l b ) 第五章试验结果分析 将各因索水平按表5 1 蘩求填入相应的位置，见表5 2 。 表s 一2 试狳号a ( p )kb ( i )c ( d )y ll ( 1 2 )l l ( 1 5 0 )l ( 5 ) 一1 2 2l ( 1 2 )22 ( 1 2 0 )2 ( 1 0 )一1 1 3i ( 2 )33 ( 8 0 )3 ( 1 5 )一o 。8 42 ( 8 )12 ( 1 2 0 )3 ( l 5 )o 4 52 ( 8 )23 ( 8 )l ( 5 )o 。6 62 ( 8 )3l ( 1 5 0 )2 ( 1 0 )0 5 73 ( 5 )l3 ( 8 0 )2 ( 1 0 )o 。9 8 3 ( 5 )2l ( 1 5 0 )3 ( 1 5 )o 9 9 3 ( 5 ) 3 2 ( 1 2 0 )l ( 5 )o 。6 一 y 00 8 8 8 8 9 g os c t0 0 7 l l l l s 总 5 9 6 8 8 8 9 i j 。3 1o1o 2o3 i 露】15o 4o ，lo - 31 5 掇i 24030 7o52 4 ，； 9 6 l 舀。0 1o 0 409 6 | 积： 22 s01 6o o lo 0 92 2 5 脬； 5 7 60 0 9o4 9o 2 55 了6 | ：hj 班j 1 7 。6 2o 2 6o5 4 o f 3 41 7 ，6 2 l j + 峨+ 匪 5 8 7 3 3 3o 0 8 6 6 7o1 8 o 1 1 3 3 3 3 3 35 ，8 7 3 3 3 3 s |5 8 0 2 2 20 0 1 5 5 60 1 0 8 8 9o0 4 2 2 2 2 2 25 8 0 2 2 2 5 1 2 试验 4 7 第五罐试验结果分析 祜 麓 2 5 5 2 5 2 4 5 2 4 2 3 6 妻泵：蠢i 滴一二二二”馥镬。面茹i 、-、 tlill tt ti 0369 s 。l 。2 。3 按方寨3 进 亍试验 1 21 51 82 l2 42 7 对简( “妇) 图5 2 p = 1 2 ，j = 8 0 s ，d = 1 5 s 时试验数据见表5 5 ，试验曲线见图5 3 。 表5 5 压力( m p a ) 2 52 4 72 4 52 4 2 2 4 2 2 4 5 2 4 7 2 4 92 52 5 2 时间( 越n ) ol2 3 4 s67 8 9 聪力( m 1 ) a )2