（机械制造及其自动化专业论文）数控液压比例进给平台应用研究.pdf

摘要 摘要 本数控液压比例进给系统主要讨论的是计算机控制技术在液压比例系统中 尤其是在进给方面的应用问题。 随着计算机软硬件技术的不断发展，工业自动化的程度也越来越高，工作 性能的要求也越来越严格。顺应机电液一体化日益加强的趋势，在国民经济中 占据重要地位的液压技术也在完成与机械的一体化进程后不断地和电子技术融 合，以实现操作和控制性能上的提升。计算机技术在工业控制领域发展的一个 重要分支就是数据采集理论和实践的建立和不断发展完善，由于数据采集质量 的好坏直接影响到整个系统的性能，因此数据采集在计算机控制的系统中具有 举足轻重的地位。在现代工业中，各种系统要实现优越的性能，不仅需要拥有 优良的静态特性，更需要具有良好稳定的动态特性，为了改善和提高系统的动 态特性，须根据系统需要采用一定的控制算法进行调节。 文章中首先在理论上对本课题涉及的液压比例系统进行分析并建立相应的 数学模型：由于系统属于大闭环控制系统，因此相应地采用现代控制理论对系 统的稳定性进行论证和判断。在控制算法方面，采用在工业实际应用中已经成 熟的、在实际应用中经过验证具有优越性能的p i d 算法为基本控制算法来处理 该液压比例系统所遇到的各种问题( 如阀开口为负遮盖引起的死区问题和系统 控制的稳定性问题) ；对于实际的控制，采用集数据采集与控制于一体的研华数 据采集控制卡作为核心元件，从而在理论上研究并在实际应用中能体现出该液 压比例控制系统的基本性能。 在本液压机械系统中，努力实现计算机控制技术、数据采集技术与液 压比例控制技术的融合，并使该系统成为较新型的，符合工业自动化、集成化 发展方向的数字控制液压比例系统。 关键词计算机技术；液压比例控制；数据采集：p i d 理论； a b s t r a c t a b s tr a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e san u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo f h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lf e e d i ti s d e s l g n e dt om a i n l yd i s c u s sc o m p u t e rc o n t r 0 1t e c h n i q u et h a tj sa p p 】j e di nh y d r a u n c p r o p o r t i o n a ls y s t e m ，e s p e c i a l l yi nh a n do f f e e d w i f hl h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ed e g r e eo fj n d u s t a l a u t o m a t i o nb e c o m e sh i 曲e ra n dh i 曲e lt h ef u n c t i o no fag r e a t v a r i e t y o fs y s t e m b e c o m e sm o r ea n dm o r e p e r f e c t i no r d e r t ok e e pp a c eo ft h et r e n do f i n t e g r a t i n gt h e e l e c c r i c - m e c h a n i c h y d r a u l i c ，h y d r a u l i ct e c h n i q u et h a t i s v e r yi m p o r t a n ti nn a t i o n a l e c o n o m y i s i n t e g r a t i n g w i t hn o t o n l y m a c h i n eb u ta l s oe l e c t m nt o i m p r o v e p e r f o n t l a n c eo fo p e r a t i o na n dc o n t r o lo fas y s t e m d a t aa c q u i s i t i o nm e o r ya n di t s a p p l i c a t i o n i sa n i m p o n a n tb r a n c h i nw h i c hc o m p u t e rt e c h n i q u ei s a p p l i e di n t o i n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d t h eq u a l i t yo fd a t aa c q u i s i t i o na h e c t sd i r e c n yp e r f b i m a n c eo f t h ec o n t r 0 1s y s t e m i nm o d e r ni n d u s t r y ，n o to n l yf i n es t a t i cs t a t ec h a m c t e r i s t i cb u t a l s o s t e a d yd y n a r n i cc h a f a c t e r i s t i ci sr e q u i r e dt o r e “i z ee x c e l l e n tp d 吣r m a n c eo f s y s t e m s o m ec o n t m la r i t h m e t i ci sa d o p t e d i nt e r mo f s y s t e mr e q u i r e m e n t t oi m p m v e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fs y s t e m f i r s t ，t h eh y d r a u l i cp r o p o n i o n “s y s t e mi n v o l v e di nt h i sp a p e ri sa n a l y z e di nt h e o r y a n dc o r r e s p o n d i n ga r i t h m e t i ci sb u i l t t h es y s t e mt h a tb e l o n g st ob i gc l o s e dl o o p s y s t e mn e e dp m v e o r j u d g ei ts t e a d i n e s sa c c o r d i n gt om o d e r n c o n t m ls y s t e m s e c o n d ， p i da r i t h m e n ct h a tj s p r o v e d t ob em a t u r ea n dh a v ee x c e u e n t p e - o r n l a n c eb y p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i s a d o p t e dt o d e a lw i t hv a r i o u s p r o b l e m s w h i c h h y d r a u l i c p m p o r c j o n a ls y s t e m c o u l dm e e tw i t h i np m c c i c a jc o n t r 0 1 ，d a c aa c q u i s i c i o n c o n t m l c a r dm a d e b y a d v a n t e c hc o ，l 工da c t sa sk e ye l e m e n tt od e a ld a t a t h i s h y d r a u i i c m e c h a n i cs y s t e mi n t e 矿a t e s t h e c o m p u t e rt e c h n i q u e ， h y d m u i i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e i t i san e w ，a d v a n c e da n d i n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e m k e y w o r dh y d r a u l i cp r o p o n i o n a lc o n t r o i ；d a t aa c q u i s i t i o n ；p ) c o n t r 0 1t h e o r y ； i l 第1 章绪论 1 1 液压技术简述 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。 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、人工智能技术、自适应技术、最优控制技术、 变结构控制技术、鲁棒控制技术、神经网络控制技术、p w m 控制技术、数字增 量控制技术等。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。在过去，如研制 液压车辆( 车辆主动悬挂装置、车轮防抱死制动系统、全液压转向系统、无级 液压变速系统) ，发动机燃料进给控制与转速控制、航空航天领域需要频宽 1 0 0 h z 电液伺服系统等，应用传统意义上的液压控制技术很难解决这些高、新、 尖难题，证明了传统意义上的液压控制技术已不能满足当今技术装备日益发展 的要求，可见，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。 北京j ：业大学f 学硕士学位论文 1 2 液压比例技术的优势 液压技术已广泛用于国民经济部门，采用液压传动程度成为衡量一个国家工 业水平高低的重要标志之一。电液比例控制技术是一门较年轻的技术，它的发 展和普遍应用还不到5 0 年，然而凭借它的优点形成了流体传动与控制领域的一 个重要分支，并成为现代控制工程的基本构成之一。 其优越性体现在以下几个方面： 1 液压执行元件的功率重量比和转矩惯性比( 或力质量比) 大，具有很大功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率 控制单元。 电磁执行元件的功率重量比取决于铁磁材料的饱和特性和功率损耗所引起 的热量耗散。液压执行元件的功率重量比取决于最高允许压力，实际上只受材 料安全强度极限的限制，而系统功耗所产生的热量又可以由流体介质带到系统 散热器发散。因此，液压执行元件的功率重量比要比电磁执行元件的功率重量 比大几乎一个数量级。比如说液压马达的转矩惯性矩比可达直流电动机的 l o 一5 0 倍，其响应速度是电气执行元件所不能比拟的。 2 液压控制系统的负载刚性大，即输出位移受外负载的影响小，定位准确， 所以位置误差小，控制精度高。 由于液压执行元件的泄漏小，液体介质的弹性模量又很大，故具有较大的 速度负载刚性，印速度力或转速力矩曲线斜率得到数很大，因此 有可能用于开环系统。用于闭环系统时则表现为位置刚度大，其定位精确度受 负载变化的影响小。 例如液压马达的开环速度刚度为电动机的5 倍。电动机的位置刚度很低， 更无法和液压马达相比。 3 液压控制系统可以安全、可靠并快速的实现频繁的带负载起动和制动， 进行正反向直线或回转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围。 机械传动实现无级调速比较困难，电传动和液压传动一样可以实现无级调 速，并且调速范围也可以较大，但在运动平稳和实现往复直线运动方面不如液 压传动方便。 另外，液压控制系统还有一些其他优点，例如：传动介质兼有润滑作用， 有利于延长元件的工作寿命：通过管道进行能量分配和传递比机械方式来的方 便：利用蓄能器很容易实现液压能的贮存和系统消震等。 1 3 液压比例技术的现状及其发展趋势 电子技术和液压传动及控制相结合的产物电液控制系统兼备了电气和 液压双重优势，形成了具有竞争力的自身技术特点。 现代液控技术始于二次世界大战后。今天，机电一体化的进程对液控技术提 出了更多的需求，而计算机技术和控制理论的发展则为液压技术注入了新的动 力； 6 0 年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求显得更加迫切与广泛。 但是，由于传统的电液伺服阀对流体介质清洁度要求十分苛刻，制造成本和维 护费用比较高昂，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所接受、而传统的电 液开关控制又不能满足高质量控制系统要求。电液比例控制技术，正是适应开 发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控 制技术的要求，从6 0 年代末迅速发展起来的。 1 9 7 5 1 9 8 0 年，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电 磁铁和比例放大器技术上也曰趋成熟，工作频宽5 1 5 h z ，稳态滞环减小到3 ，可用于开环、闭环控制。 8 0 年代以来，由于采用了更加完善的压力、流量、位移内反馈、动压反馈 和电校正等手段和优化设计、器件的稳定特性除因制造成本所限，仍保留中位 死区外某些性能如线性度。滞环、重复精度等稳态特性上已和伺服阀相当， 阀的稳态精度、动态响应和稳定性有了进一步提高，而工作频宽( 3 2 5 h z ) 又具 有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平，在对介质过滤精度要求( 过滤 要求：比例阀约2 5 脚、伺服阀l 5 彬) 、阀内压力损失和价格方面，低于伺 服阀、颇具竞争力。 北京上业人学r 学硕七学位论文 比例控制系统是电液控制技术的一项新发展是微电子技术与液压技术间 的接口。比如德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入 了比例阀、可编程序控制器和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善成 本显著降低，迅速占领了欧美各种拖拉机的应用市场。 我国的一些公司研制开发的各种伺服及比例系统，在液压元件生产精度方 面尤其是动态性能指标方面有了很大的提高，但是由于我国液压工业的真正发 展是在六十年代开始起步，而液压控制技术的发展则更晚一些，因此虽然液压 机机型种类齐全，但是技术含量比较低，缺乏技术含量高的机型，这与机电液 一体化，中小批量柔性生产的发展趋势不相适应。 国内外比例技术发展趋势： ( 1 ) 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展趋势。提高电液比例阀及 远控多路阀的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零 件与标准阀通用。 ( 2 ) 比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是 结构简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成；此外出现比例容 积控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。 ( 3 ) 自动化、智能化方向发展。由于传感器和电子器件的小型化，出现了传 感器、测量放大器、控制放大器和阀复合体化的元件，极大地提高了比例阀( 电 反馈) 的工作频宽。主要是以下几方面： 高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1 9 8 6 年话德 b o s c h 公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和 相应的放大器，并含位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区，滞 环仅o 3 ，零区压力增益达3 额定控制电压，负载腔达8 0 供油压力，工作 频宽和性能已达高水平伺服阀，而成本仅为后者的1 3 。 带集成式放大器的位移传感器( 2 0 0 h z ) 的开发，为电反馈比例阀小型化， 集成化创造良好的条件。加拿大的m c r o h y d r a u l i c s 公司生产的高性能电 液比例流量阀c m o p 5 可提供伺服阀特性而是比例阀的价格，工作频宽达4 0 h z 。 4 伺服比例阀( 闭环比例阀) 内装放大器，具有伺服阀的各种特性：零遮盖、 高精度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠 性。如西德b o s c h 公司生产的n g l 0 伺服比例阀。 p i d 调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之有较好的动态响应指标， 可利用计算机对p i d 参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路 p i d 参数的优良匹配。 1 4 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。 该控制系统平台的建设属于“2 l l 工程”平台建设项目。 北京 ：业大学1 学硕七学位论文 1 5 课题研究的主要内容 主要内容：认真分析液压技术的现状和发展方向，设计合理液压比例控制系 统和动力及执行机构，根据设计，建构相应的液压比例控制系统以及与液压控 制系统匹配的机械工作平台。在该液压机械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 算法为基本控制算法来处理该液压比例系统 所遇到的各种问题( 如阀开口为负遮盖引起的死区问题和系统控制的稳定性问 题) ，从而在理论上研究并在实际应用中能体现出该液压比例控制系统的基本性 能。 在系统中，由液压系统提供驱动动力，驱动机械工作平台在导轨上按照一定 的方式进给。通过安装在工作台上的变压器式传感器检测工作台的进给位移量， 用p c l 一8 1 2 p g 数据采集控制卡现场采集位移传感器的输出量，经a d 转换后送 八计算机中，然后通过编程，采用p i d 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，调节比例阀阀芯的位移量，控制工 作台的进给速度，最后工作台随计算机指令在液压缸的驱动下实现液压比例控 制系统的实时控制位移进给。程序编制采用v i s u a lb a s i c 6 o 语言，可实现单次 进给控制和成组数据采集分析。 第2 章液压比例部分的设计与分析 本液压系统的设计目的是为研究数控液压比例控制平台提供驱动力。因 为液压系统是本控制平台的动力部分，液压部分性能的好坏决定了整个系统的 基本性能。在确定最终方案以前，共提出了四种方案与导师进行讨论。在确定 各种方案时，阀对于液压系统而言是关键，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体。 2 1液压系统方案设计及确定 2 1 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 圈2 1 三位四通阀与调速阀组成的液压系统 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。 北京 ：业大学 _ ：学硕士学位论文 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，因为往返运动时，可以在相同流量下执行不同 的速度。 该系统的缺点：由于该方案中采用的调速阀不具备使用电流( 电压) 进行 调控的功能，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 求的基本条件用电流或者电压调控受控元件的各种参数。所以表面上，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，即 在需要速度改变时，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。 与该阀相搭配的缸只能用普通油缸，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、电液伺服阀液压系统。 液压回路如图2 2 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 达几删z ，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 作驱动装嚣，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。前者结构简单、成本低廉、工作可靠，但 抗干扰能力较差；后者需采用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，成本高。 高性能伺 图2 2 伺服阎组成的液压系统 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。 方案三、比例流量控制阀和普通换向阀组合成的液压系统 液压回路如图2 3 所示。在此方案中，应用比例调速阀进行速度( 流量) 控 制，这种阀可以由电流或电压控制。用常规方向电磁阀控制换向，以期同时实 现流量和方向控制，实现精密的进给。本系统中通过计算机指令的配合，可以 实现较高精度的随动定位。 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，日益受到人们的重 视，使该技术得到飞速发展。 比例阀最显着的技术特性有： 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 北京i ：业大学一r 学硕士学位论文 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，可避免尖峰压力，延长机械和液压组件的寿命。 图2 3 普通换向| l j | 与比例调速f i j l | 细成的液压系统 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( o i o y 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。 方案四、用比例方向流量控制阀与外控液单阀组合成液压系统。 o 液压回路如图2 4 所示。直接控制式比例方向阀能够同时实现方向控制和 流量比例控制的复合功能，这类阀具有三个或三个以上的通口，主阀大多采用 三位四通阀，输入信号可以是电信号，也可以是机械的或气动的，本平台采用 的为电信号。 比例方向流量阀选用额定工作压差比电液伺服阀低一个数量级，比电液换 例换向阀 图2 4 比例方向阀和液控单向阀组成的液压系统 向阀略高或者相当，单阀口压降约在o 2 5 0 8 坳。之间，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为低，当然，阀的几何尺寸 较电液伺服阀大，但接近于电液方向阀。 中位死区较大( 1 0 一1 5 额定控制电流) ，这是为了降低阀的制造成本而做 出的一种选择。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，象普通换向阀那样，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，3 d b 频宽一般在3 2 5 h z 。 一 北京：l 业大学j 一学硕十学位论文 此外，电液比例方向流量阀可用于开环，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 凶索不能忽略，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，因此，定位不准确。同时，在小流量的情况下，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，小流量情况下，灵敏度也较高。 2 1 2 液压系统方案的确定 从表2 一l 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与伺服阀 相当， 表2 1 比例阀、普通开关阀、伺服阀主要性能表 类别 比例阀普通开关阀伺服阀 特性 介质过滤精度，um2 02 53 阀内压降m p a 0 5 2o 2 5 57 稳态滞环( ) l 3l 重复精度( )0 5 1 o 5 频宽( h z 3 d b ) 2 52 0 2 0 0 中位死区有有无 价格因子 lo 53 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。 综合上述信息，方案一首先被否定，虽然这个方案最经济，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) 需要人工对其流量进行调节， 故，与本方案的目的相违背。 方案二在上述四种方案中材料消耗最小，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。 方案三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个数 量级，比电液换向阀略高或者相当，单阀口压降约在o 2 5 0 8 坳之间，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。 在方案三和方案四之间，虽然方案三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比例性的控制流量( 进给速度) ，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 一一 北京j 二业大学l 。学硕士学位论文 ( 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。 同时，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： 1 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，有可能将阀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。 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 2 液压元件的计算及选择 根据该平台的实际需要，确定液压系统各基本参数如下： 油缸内径：中4 0 m m ( g b 厂r 2 3 4 8 1 9 9 3 ) 额定压力：2 5 m p a ( g b 厂r 2 3 4 6 1 9 8 8 1 行程：2 0 0 m m ( g b 2 3 4 9 。1 9 8 0 ) 最大进给速度：2 0 0 m m s 2 2 1 液压泵的选择 ( 1 ) 、液压缸工作压力的确定 n p l + 卸 ( 2 1 ) p 液压执行元件的最高工作压力， p ，p 。是液压泵的最大工作压力 卸泵到执行元件问总的管路损失 对于本系统，最高工作压力是工作台加速时推杆推力p 。= 2 m 只。由系统图 中可见，丛泵到液压缸之间串连着一个单向阀，比例方向阀，外控液压锁，根 据比例阀方向阀资料提供的参数，取卸= o 5 坦 液压泵工作压力为p ，= 2 + o 5 = 25 肘只 液压泵流量q ，2k ( q 。、) ，根据实际情况取泄漏系数为1 1 则q ，= 1 1 1 5 = 1 6 5 l ，m i n ( 2 ) 、电机功率的确定 工作循环中液压泵的压力和流量比较稳定，故采用公式 p ：旦丝( 2 2 ) 叩p 7 7 。为泵的总效率，取为o 名 计算可得所需的电机功率是l k w 根据以上计算数据，选择的液压动力部分为y c h p 1 1 1 6 电机泵组，该泵 北京： 业大学工学硕士学位论文 组由一个齿轮泵，一个三相电机，个单向阀，一个溢流阀和一个压力表组成， 具有结构简单，布局紧凑，减少了液压系统的连接元件数量，同时，也就减少 了系统的压力损失和泄漏，符合液压系统的集成化发展方向。根据泵组铭牌数 据，其流量和电机功率符合要求。 2 2 2 普通伺服油缸的选择 由平台基本参数知选定内径为4 0 mm 行程为2 0 0 m m 的油缸。为了与比例方 向阀实现性能搭配，发挥出比例方向阀的性能优势，液压缸应选择伺服油缸， 这种伺服油缸具有，启动压力低、低速平稳、密封件寿命长、无渗漏等特点。 为了研究方便，同时也为了使活塞往复运动时的输出速度及力的差值较大，故选 择液压缸的类型为：双作用单活塞杆差动式液压缸。根据实验室现有条件，安 装方式选择底座安装方式比较方便于布局，故在安装方式上，选择液压缸的安 装方式为切向底座安装方式。 综合上述要求，选择液压缸为榆次液压件厂生产的g 4 0 型普通伺服油缸。 其自身配置的传感器为w y d 型直流位移传感器，它将传感器和电子电路集成 一体，封装在高导磁精密合金壳体内，由直流电源供电，输出标准直流电流或 标准直流电压。用于测量直线位移，而且该传感器使用简单，可直接与微机数 据采集系统联接。使用电流输出方式时，可远距离传输信号，获得优良的遥测 精度。 2 2 3 比例方向阀的选择。 比例阀必须满足阀芯加工工艺好，调节灵活，使用中控制性能( 静态性能、 动态性能) 稳定的要求。同时，还必须满足各项基本的性能参数( 油路最大工 作压力和最大流量) 。综合调查结果，选用的比例阀是意大利a r 0 s 公司生产的 比例阀。型号为：d h z o t - 0 73 l 3 。该比例方向阀可以在其驱动器的控制下实 现无压力补偿的流量调节。 其中，该类型号的具体解释如下：d h z 0 表示该阀的设计符合i s o 0 6 标准； t 表示该阀配有内部传感器，可以进行闭环控制；0 7 表示是三位四通阀，弹簧 对中：3 表示该阀的阀芯的p 口是正遮盖，a 、b 、t 口为负遮盖：阀芯形式是 l 3 ，表示该阀的调节是符合线性的。 三位四通比例方向阀也象电液换向阀一样，具有不同的中位机能，以适应 控制系统的特别要求。由于在系统设计中确定选用的液压缸为单出杆活塞缸， 为了与缸配合，选用的比例方向阀的中位机能为对称y x 型中位节流阀芯，这 种阀用于面积比接近l ：i 的单出杆活塞缸，可以消除中位时由于阀芯泄露而引 起的活塞外伸现象，也可以防止有杆腔的液力放大作用。所以确定电液比例方 向阀的中位机能位y x 型。 该阀的主要技术参数如下： 响应时间( m s ) ： - 2 国。，周期谱 图相互分离；而图中( c ) 表示，。_ 2 。，周期谱图相互重叠，即谱图之间 高频与低频部分发上重叠，这将使信号复原时产生频混现象，引起失真。 采样频率 上述两种情况表明，如果础。2 甜。则不发生频混现象，因此对采样脉冲序 列的间隔r 须加以限制，即采样频率够( 2 万，l ) 或工( 1 ，t ) 必须大于等于信号x ( t ) 中的最高采样频率甜。的两倍，即q 2 或工2 厶，此称为采样定理。 因为在时域采样间隔t 。决定于f s ，故又称为是与采样定理。 该定理中默认的假定条件为：连续信号x ( t ) 的频谱x ( f ) 为有限频谱， 即当l 厂i 矗( 矗为截至频率) 时，x ( f ) = o 。 3 2 4 数据采集卡采集频率的确定 在控制理论中，取控制输出量与控制输入量的幅值比下降到0 7 0 7 ( 即为 3 d b ) 时的频率为幅频宽，控制输出量对于控制输入量的相位滞后达到9 0 0 时的 频率为相频宽。 比例方向阀的博得( b o d e ) 图如3 5 所示： 由图可看出，在频率为5 0 h z 附近，比例方向阀频率响应的幅值比下降为 o 7 0 7 以及相位滞后达到9 0 。，因此可取比例方向阀的响应频率为5 0 h z 。在数控 液压比例进给控制平台中，数据采集与控制过程同步进行，因此，比例方向阀 的响应频率影响着数据采集卡的采样频率，因为控制比例方向阀的电流( 电压) 频率必须在5 0 h z 以下，否则，系统的控制特性变坏。根据上文所论述的数据采 样定理，结合比例方向阀5 0 h z 的响应频率，考虑数字滤波以及传输延迟等因素， 确定数据采集卡进行数据采集的采样频率为1 2 0 h z 。 北京1 业大学上学硕士学位论文 、 i j l f l o 频率 h z 图3 5 比例方向阀动态特性曲线 蛆 鼗 趔 罂 9 0 3 3 数据采集卡的选择 随着自动化技术的不断发展，数据采集质量的好坏对自控系统的可靠性与稳 定性起着重要的作用因此选择一款性能稳定、功能强大的采集卡是十分重要的。 p c l - 8l 2 p g 是台湾研华”公司推出的一款基于p c 的高性能、多功能数据采 集卡。在工业自动化系统、自动化设备监控系统等领域具有广阔的应用前景a p c l 8 1 2 p g 是基于i s a 结构的，需插在具有i s a 插槽的工业计算机( 或办 公用计算机，但要求的环境比较严格) i s a 槽中。它具有1 6 个单端模拟输入通 道，采用了1 2 位分辨率a ，d 转换器( a d 5 7 4 z ) ，用来转换模拟输入，其最大采 样频率为3 0 k ，具有三种a ，d 转换触发控制模式：l 、软件触发模式：2 、可编 程跟踪触发模式；3 、外部触发模式；运用上述三种d 触发模式，可以很方便 的进行规定采样频率范围内的数据采集；输入极性为双极性，范围为： 1 0 、，5 、，2 5 v ，1 2 5 、，o 6 2 5 y ，+ o 3 1 2 5 y ： p c l 一8 1 2 p g 支持1 6 路t t u d t l 数字量输入和具有1 6 个数字量输出通道；同时p c l 一8 1 2 p g 具有2 路模拟量输 出通道，输出电压的范围o 5 v 或0 1 0 v ；输出电压的范围值取决于参考电压， 参考电压可由采集板内部提供，也可由外界提供，提供了灵活的参考电压选择 方案，但是由于板内电压具有很高的稳定性，而且采用起来比较方便，所以优 选板内电压作参考电压；p c l 一8 1 2 p g 是一种通用型高性能数据采集卡，可以 满足不同用户的不同要求。卡上有一个d i p 开关( s wl ) 和9 个跳线器( j p l j p 9 1 ， 可由用户自行设置，以满足不同的需要。 本系统中，要求的数据采集卡的基本性能如下： l 、为给电液比例方向阀驱动器提供适当的控制电压，要求2 个d ，a 转换控 制通道，并能根据计算机中提供o 5 v 或者o 1 0 v 的电压； 2 、为起控制液控单向阀锁定功能的电磁换向阀提供开关电流，需要4 个数 字输出通道。 3 、实时采集传感器的送来的关于工作台位移模拟电压量，需要一个能支持 0 5 v 输入电压的a d 转换通道。 根据实际的需要判断，所选用的数据采集卡能完全满足系统需要。 3 4 本章小结 在本章，分析了数据采集的相关内容。首先根据课题中数据采集实际情况， 确定合理的数据采集方式集中式的数据采集。随后从数据采集基本理论出 发，分析了理论上数据采样频率的极限值，为对比例方向阀控制进行合理控制 而进行的数据采集提供了理论支持。为了使比例方向阀的性能得到充分的发挥， 使数据采集控制卡能在数据采集理论规定采样频率范围内进行数据采样，因此 结合了系统采用的比例方向阀动态特性，来确定数据采样的频率为1 2 0 h z 。 数据采集与处理方面，采用的是工业中普遍采用的数据采集控制卡来完成 采集、处理及控制等要求。数据采集控制卡是集数据采集，实时控制为一体的 集成电路。具有结构紧凑，性能优越等特点。 一 北京 业大学j ：学硕七学位论文 第4 章 控制部分的设计与分析 4 1 控制部分方案设计与选择 确定了作为动力核心的液压系统，则需要相应的控制系统与之配合，才能 体现出该比例液压系统的性能优势。为了使该液压精密进给平台的精度更高， 控制系统采用闭环控制。 4 1 1 控制部分方案设计 控制方案分为两套供选择：l 、使用工业控制计算机( i p c ) 和数据采集卡 作为系统数据处理核心的控制方案：2 、以p l c ( 可编程控制器) 及其相搭配的 a d d a 转换模块作为