电液比例成型机毕业设计.doc

电液比例成型机毕业设计1.前言目前，国内所使用的中、小型压力机以四柱式压力机为主，由于液压传动本身的优点，特别是便于传递较大的力和力矩这一特点，所以在许多压力机中采用液压系统对机器进行控制，如液压机、锻压机、成型机等。1.1电液比例成型机的简介传统的压机系统采用是普通的液压阀，以致液压系统非常庞大，而且维护困难，采用行程块定位，重复定位精度不高。近年来，随着微电子技术的飞速发展，微型计算机在锻压生产中得到了广泛的使用。微机的应用大大提高了锻件的产品的质量，提高了节省了原材料，降低成本，明显地提高了工作效率，并改善了工人的劳动条件，具有明显地提高生产效率，显著地有经济效益和社会文化效益。目前，液压机的计算机控制有两大类，一类是由微型计算机构成，的控制系统。另一类是由可编程控制器（简称PLC）构成的控制系统。由于机电一体化技术的迅速发展和计算机技术的日益普及，电液控制系统已在工程上普遍得到应用，而且新开发的设备绝大部分由计算机进行控制，这样既经济又可以采用各种控制策略控制，使系统的性能更完善。电液控制器件也逐步成为机电一体化的产品如伺服缸、比例缸、数控缸等，这些元件将电液控制阀、液压缸、检测元件等组成一体，便于使用。有的电液控制阀也将控制放大器和电-机械转换器、液压阀等组成一体。这样，电液控制系统的使用将更为方便和可靠，应用将更普及。采用计算机电液控制的压机，实现在工艺过程自动化及提高各运动部分的控制精度，在生产过程中显示出以下优点：（1）节省原料，飞边减少。（2）冷却时间缩短，调整时间较短。（3）降低了废品率，生产效率得到提高。（4）更均一的产品，以前不可生产的制品。1.2本选题研究的意义根据流控专业培养目标及专业教学计划大要求，按高校教改的需要，应加强实践教学环节努力提高学生的动手能力。机械专业为拓宽专业方向也应开设微机电液控制方面的实验教学。以满足专业课教学需要，努力提高实验课教学水平。由于计算机技术和自控理论的应用，本实验台不但可测试典型的电液位置控制系统的静动态性能参数，而且可以实现典型的压力成型机的工况。实验台可实现自动工作循环，并具有一定的生产，加工能力。投入较少资金设计，制造高水平，高精度实验，生产设备。购置一台最基本的液压伺服系统测试实验台需15万左右，而自行设计制造的是液压伺服控制系统的实验台，仅需10万左右。从经济性、实用性和理论研究上都有研制开发的必要性和可行性。1.3设计的主要方法和内容设计的主要内容如下：1.电液比例伺服成型机的工作原理及其结构。2.电液比例伺服成型机的工艺流程、液压系统、机械结构。3.计算机控制系统，PID调节软件的设计。 设计的主要方法是采用面向对象的程序语言实现成型机的自动成型过程，使用反馈控制系统，并且选择合理的控制算法，从而达到成型机平稳工作的目的。2.总体设计 2.1综述 液压机是用来对金属、木材、塑料等材料进行加压力加工的机械，也是最早应用液压传动的机械之一。液压传动目前已成为压力加工机械的主要传 动形式。液压机液压传动系统是以压力控制为主的系统，由于液压传动用于机器的主传动，系统压力高、流量大、功率大，因此特别要注意提高系统的效率，而且要防止泄压时产生冲击。液压机根据其工作循环要求有快进、减速接近工件及加压、保压延时、泄压、快速回程及保持活塞停留在行程的任意位置等基本动作。 2.2明确设计要求制定基本方案2.2.1设计要求 1通过软件可设计成型曲线。2自动完成成型过程。3控制算法合理。4成型机工作平稳。2.2.2设计参数1 系统额定压力16MPa。2 系统额定流量40L/min。3 油缸最大输出推力12吨。2.2.3制定控制系统的基本方案 压力机的典型工况有，位置控制、速度控制、压力控制等，根据压力机的典型工况和工艺过程，现把系统分成两个控制过程，一个是位置控制系统，另一个是压力机工况，同时采用位置传感器和压力传感器进行反馈。另外，分别对这两个系统设计不同的PID控制算法。利用反馈环节来提高系统的加工精度，抗干扰、噪声的能力，使压力机过程工作平稳。3.详细设计 3.1机械结构的设计3.1.1结构的选择从压力机系统的高强度、刚度的要求出发，选择典型的四柱式为基本结构。这种液压机在它的四个立柱之间安置着液压缸，液压缸驱动上滑块运动。实现“启动快速下行慢速加压保压延时快速返回原位停止”的动作循环；具体机械结构如图纸2所示。3.1.2强度、刚度的计算1 强度计算 油缸的的最大输出压力为12吨，所以总的拉力：FZ=1210009.8=117600N所以，每个杆上所受的力为：F=FZ/4=117600/4=29400Nd 杆的直径，F 杆的受的拉力，许用应力。 材料为45钢，=360Mpa，取安全系数n=4，则=/4=90Mpa 取d=40mm20.34mm，所以选择用d=40mm是合适的，满足强度要求。2 有限元计算因为机械结构为四柱式，可以把机械系统简化成一个箱体的形式，由材料力学的知识，在有限元中，具体是把箱体分为上板、下板和轴，简化结果如下图、进行有限元分析。在连接立柱的孔上加上X、Y、Z三个方向上的约束，在中间的大孔上加上向下的压力，FZ=117600N，板厚为75mm，经过ANSYS分析之后得到在大孔的边缘所受的应力最大，各种分析结果云图见附页，具体结果如下：划分单元数8979个，结点数 2209个结点。最大应力点在179、160、20号结点上其值为：MAXIMUM ABSOLUTE VALUESNODE 179 160 20VALUE -0.58094E-05 -0.50946E-05 -0.26723E-04下板的简化模型图如下：在连接立柱的孔上加上X、Y、Z三个方向上的约束，在中间连接液压缸的螺栓孔上加向上的压力，FZ=117600N，板厚为75mm，经过ANSYS分析之后得到在连接液压缸的边缘所受的应力最大，各种分析结果云图见附页。具体结果如下：划分单元数32001个，结点数 6614个结点。最大应力点在188、181、101号结点上其值为：MAXIMUM ABSOLUTE VALUES NODE 188 181 101 VALUE -0.10913E-04 -0.13691E-04 0.56048E-04上板的简化模型图如下：在立柱的螺栓连接端加上X、Y、Z三个方向上的约束，在另一端加上拉力，FZ=29400N，经过ANSYS分析之后得到在轴的中间所受的应力最大，各种分析结果云图见附页，具体结果如下：划分单元数30850个，结点数 6295个结点。最大应力点在7、2031、53号结点上其值为：MAXIMUM ABSOLUTE VALUES NODE 7 2031 53VALUE -0.10507E-09 -0.97792E-10 -0.55560E-08轴的简化模型图如下：由以上两种方法可得，所设计的机械结构满足强度、刚度要求。3.2液压系统的设计3.2.1液压油源的选择系统工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是液压系统的发展方向。从控制系统的功能来看，执行机构不仅需要具有拖动负载的力（或力矩），而且要保证一定的速度。此二参数都要由能源来决定，例如负载力除以液压缸活塞有效面积即是负载压力，而速度乘以活塞有效面积又是负载流量。负载压力与负载流量都由伺服阀来提供的，因此存在一个负载力和负载速度与伺服阀的流量和压力的匹配问题。从各方面的综合考虑，初选液压油源的压力为31.5Mpa。3.2.2伺服油缸的设计计算及选择根据负载情况及系统的要求选择合适的元件，一般首先确定液压动力元件，并由此选择液压源及相应的电控器件。以所要求油缸的最大推力为设计依据，计算伺服油缸的作用面积。F=117600NF=PAA=d2/4 根据液压缸的缸筒内径尺寸系列，选取液压缸的缸筒内径为63mm。 根据厂家提供的产品，选择伺服油缸的型号为：型号：CK P20-63/450200-G 2 0 8 K CK系列带内置传感器的伺服油缸。缸的内径是63mm，活塞杆径为45mm，有效长度为200mm。前端缓冲，抗摩性，速度可达1m/s。传感器：电阻式，线性度0.025，最高速度1m/s。可重复精度1000M在500VDC时 最大功率=0.3W/cm在25C时 提供功率=010VDC 平均寿命30106周期（行程100mm）3.2.3比例伺服阀的选择以前的液压压力机都采用普通的液压阀组成回路，一个突出的缺点是使用阀的数目很多，而且布管困难，检修维护复杂等。随着电液比例技术的出现，由于液压比例技术具有价廉，对油质要求不高，便于维护和在一定程度上满足适时控制动态响应要求等特点，因而形成了用比例阀代替伺服阀的趋势，再结合编程实现，利用调节器进行控制。因此，选择电液比例伺服为系统的控制阀，其具有伺服阀的特点，又具有比例阀的性能。能同时实现方向控制和流量控制，而且能够成比例的控制流量。电液伺服比例阀的性能参数如下：型号：PL-NG-10 带集成放大器的具有位置控制的电液伺服比例阀。单电磁铁，输入电压10V最大流量,Q=100L/min。最大压力，P=35Mpa滞环0.2，频响65Hz最大压降1MPa。零开口，零位泄漏QC=0.1L/min3.2.4液压回路的设计液压机是用来对金属、木材、塑料等材料进行加压力加工的机械，也是最早应用液压传动的机械之一。液压传动目前已成为压力加工机械的主要传动形式。液压机液压传动系统是以压力控制为主的系统，由于液压传动用于机器的主传动，系统压力高、流量大、功率大。压力机根据其工作循环要求有快进、减速接近工件及加压、保压延时、泄压、快速回程及保持活塞停留在行程的任意位置等基本动作。在快慢行程转换时，为避免冲击振动，必须要有减速回路。加压、保压延时要有保压回路。快速回程时为防止液压冲击，产生水垂现象振动和噪声等必须要有泄压回路。保持活塞停留在行程的任意位置必须要有平衡回路。保压和泄压是压机必须考虑的两个问题：保压直接影响工件制品的质量。泄压是泄掉保压时主机的弹性形变，油液的压缩和管道膨胀是形成的高压。它影响系统冲击、振动和噪声、密封、管路、阀门的寿命。保压回路的设计：保压的性能是指保压时间和压力的稳定性。以下是几种实现保压方案：1. 用液控单向阀保压：在主缸进油路串接液控单向阀，利用锥阀座具有自密封性实现。一般指标：在20MPa下可保压10min P2MPa。使用场合：适于保压要求不高，保压时间较短，保压中无大振动。2. 辅助泵保压：保压回路上增设小流量高压泵3. 自动补油保压：用液控单向、电接触式压力表和泵时开时停方式。指标：保压时间长，压力波动不超过12MPa。4. 蓄能器保压：采用小型隔离式重锤蓄能器，节约功率，压力基本不降，蓄能器加在主缸与液控单向阀之间进油路上。蓄能器出口设单向节流阀，防止换向阀切换时，蓄能器突然卸压造成冲击。指标：保压24小时，P顺序阀-节流阀-油箱。由于节流阀背压。作用主缸下腔压力（可调至2MPa）不足以使活塞回程。但可顶开液控单向阀的卸压阀芯使上腔泄压。泄压中泵低速运转，当上腔压力降至顺序阀调定压力时（一般24MPa）。顺序阀切断泵低压循环。油压升高顶开液控单向阀主阀芯，使缸上腔油路畅通，活塞回程。比较以上两种方法，我们选择第二种方案。因为考虑到其它的回路及系统的复杂性，在此基础上我们只要比例阀在中位时即可，配以阀的时开时闭就能形成保压回路。阀在中位时，且1DT得电就可以形成平衡回路。使活塞可靠的停在任意位置。这样既简化了液压系统，又降低了成本，使系统易于维护和检修。 3.3系统数学模型的建立计算机控制系统的设计即是一个理论问题，又是一个工程实践问题，它既包含自动控制理论与系统。计算机技术与计算方法，也包括自动检测技术与系统。就计算机控制系统而言，包括“硬件”和“软件”有关的两个部分。硬件部分主要是计算机本身及接口电路。软件部分包括系统数学模型的建立、控制算法的选择、应用程序的编制。此外，还需要掌握生产过程的工艺特点。以及被控过程的静、动态特性。因此计算机设计是一个很复杂的多学相结合的课题。数学模型是描述控制系统运动规律的数学表达式，有了数学模型。计算机才能按照预定的规律去调节和控制系统的运动。在设计系统时，要根据被控对象的物理性质和控制系统的具体要求来建立数学模型。建模的一般方法是，先用微分方程或状态方程表示，这是关键的一步。但建立一个复杂的数学模型要把主要精力放在生产现场上，熟悉工艺流程，摸清生产规律，结合应用数学的一些计算方法，才能建立起精确地反映生产过程的数学模型来。反之这，若我们把注意力集中在计算机本身，对现场调查方面做的不够，这样即使把计算机控制系统设计出来，也往往由于数学模型脱离生产过程的实际情况而不能成功。系统的工作原理和结构：压力机是一种用静压来加工金属，塑料、橡胶、粉末制品的机械，在许多工业部门得到了广泛的应用。电液比例伺服成型机也是压力机的一种。我们采用的四柱式压力机，适用于中、小型的压力加工。这种压力机在它的四个立柱之间安置液压缸，液压缸驱动带着模具的压头，实现“快速下行慢速加压保压延时快速返回原位停止”的循环动作。在这种压力机上，可以进行冲剪，弯曲，翻边，拉伸装配，冷挤成型等多种成型加工工艺。压力机由立柱、压力机机架、伺服油缸、比例伺服阀、控制阀、液压油源、模具、控制计算机等组成。系统原理图如下：压力机系统方框图如下：计算机 干扰 干扰设定电压U 控制对象压力传感器位移传感器A / D 液压缸比例阀放大器D/AA / D 压力机的工艺过程图如下：位移 原位停止 原位停止200 快速下行 慢速加压 快速返回 延时保压 0 t1 t2 t3 t4 t5 时间（t）压力机根据其工作循环要求有快进、减速接近工件及加压、保压延时、泄压、快速回程及保持活塞停留在行程的任意位置等基本动作。当有辅助缸时，如要求顶料，则有顶料缸活塞上升、停止和退回等动作；薄板拉伸则要求有液压垫上升、停止和压力回程等动作；有时还需用压边缸将料压紧。系统的组成及工作原理系统由计算机、电液比例伺服阀（带集成放大器）、伺服液压缸（带位移传感器）、和压力传感器等组成，如下图。当计算机给出电压信号Ui控制系统就产生相应的压力使工件受力。变形。经过位移传感器和压力传感器反馈回来信号uf，经过比较器与ui比较后产生偏差信号电压ue，此信号电压ue再经比例伺服阀传到油缸活塞上，使负载力向着减小偏差方向变化，直到负载力等于指令信号所规定的值为止。在稳态的情况下，负载力与偏差信号成比例的，因为要保持一定的负载力就要求比例伺服阀有一定开度，因此它是一个无静差系统，这个系统的开环传递函数中含有积分环节。D /A比例伺服阀计算机ui ue uf 压力传感器A/D伺服液压缸 系统组成图系统的技术指标一个具体的液压控制系统和液压传动系统一样，总要满足一些基本的技术指标，如系统的所有的零部件都应有足够的强度和刚度，执行元件必须要输出足够的力和运动速度，系统要有正常工作的环境条件等等。除了这些常规的技术指标外，还有控制系统特有的技术要求，如系统的稳定性，快速性和系统的控制精度（即误差的大小），即稳、准、快。1.稳定性由于系统存在惯性，当系统的各参数配合不当时，将会引起系统的振荡而失去工作的能力。因此，任何一个控制系统，要想令人满意的工作，首先应该是稳定的，也就是说应该具有这样的性质：输出量偏离给定的输入量的初始值应该随着时间增长逐渐趋近于零。因此稳定性的要求应该考虑到满足一定的稳定裕度，以便照顾到系统工作时参数可能发生的变化。2.准确性准确性是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差。称之为静态误差或稳态精度。我们总是希望由一个稳态过渡到另一个稳态，输出量尽量接近或复现给定的输入量，或者说要求稳态精度要高。由于外干扰和给出定的信号在一定时间内总是还可能看成是相对地不变的。 3.快速性快速性是在系统是稳定的前提下提出来的。所谓快速性就是指当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏过程的快慢程度。可见快速性是衡量系统性能的一个很重要的指标。 3.3.1位置控制1.设指令信号电压与反馈信号电压相比较得出偏差信号电压为 ： ue= ui- uf = ui-kfxp式中： ui 指令信号电压； uf -反馈信号电压； kf -位移传感器增益； xp -活塞位移。如果忽略比例伺服阀放大器的动态，则其传递函数为： i= kaue 式中：i-比例伺服阀放大器输出的差动电流。2.比例伺服阀的传递函数为： 式中 ： Xv-比例伺服阀阀芯位移； Ksv-比例伺服阀的增益； Gsv-Ksv=1时伺服阀的传递函数。现在比例伺服阀是NG-10带集成放大器的，额定流量为100L/min，最大压力35Mpa,滞环0.2，频响为65Hz（5输入信号）。零位漏损Qc=0.1L/min,额定电压为10V。sv=656.28=408.2rad/s.sv=0.5故比例伺服阀与放大器的传递函数由厂家提供的资料可知。 式中：sv-比例伺服阀固有频率； sv-比例伺服阀的阻尼系数； Kq-比例伺服阀的流量系数。流量增益：Kq=84x10-3/8x60=0.63m3/v.s压力增益：Kp=0.8x31.5x106/2=1.26x107N/m2.v流量-压力系数：Kc=0.63/1.26x107=5x108m5/s.N代入具体的数据后阀的传递函数为： 3.液压缸-负载的传递函数：已知伺服油缸的缸径为D=63mm,杆径d=45mm,行程H=200mm. A1 A2 hk hR hk+hR=200mm所以，hk=82mm阀到油缸的总容积:Vt=hk*A1+hR*A2+Vg=0.082x3.116x10-3+0.118x1.526x10-3+0.14x3.14x0.01x0.01/4=4.47x10-4m3液压刚度为： 因为系统用的是40号液压油，由手册查得，e=7x108N/m2粘性阻尼系数，p=1.6x107Ns/m流量方程： QL=KqXv-KcPL流量连续性方程：QL=ApsXp-CtpPL+Vt/e sPL力平衡方程： FL=Ms2Xp+BLsXp+KsXp设 , KqAp FLXv Xp液压缸的系统方块图 位移传感器电阻式位移传感器,有效长度为H=200mm ,输出电压为010V所以,位移传感器的传递函数为: G1(S)=K1=50V/m压力传感器压力变送器,测量范围 030Mpa, 输出电压为, 05V Ks 所以,压力传感器的灵敏度为: P1 Xv G2(S)=K2=1/6 V/MPa 当位置控制时，设FL=0。 P2液压缸的传递函数为: Kh Xpm 液压缸的固有频率为: FL 液压缸-负载的简化模型液压缸的阻系数为: -50GSvKa位置控制系统方块图系统分析系统的开环传递函数为:根据系统要求和稳态精度，频宽与系统类型之间的关系，可以近似确定系统的开环增益KV，下面试按系统稳态精度要求来初步确定系统的开环增益KV ，首先根据系统总的精度要求进行误差分配。设计系统的定位精度为R1=2m，按系统的参数和所选用的元件的精度，将误差分配如下：1.由伺服阀、电气元件的零飘、死区、滞回引起的误差以及由液压缸、轴承座等摩擦力等引起的误差eG为R152.由位移传感器在0.1mm内引起的误差ew为R160。3.由输入信号引起的误差e1为R120。4.由负载力引起的误差eL为R115。为绘制波德图方便，先计算由输入信号引起的误差来初步确定系统的开环增益KV，由于系统是I型系统，所以。e1=0.110-3/KV=R120=0.410-6m因为KV1,将上式改写一下即可得KV=0.110-3/e1=250即在波德图中，=1处，幅值增益应为20lg250=48dB系统才达到精度要求。系统的开环增益为: KV=0.6364885.2x50Ka=2043883.8Ka根据系统开环传递函数可以绘出系统的波德图.如下图:68 L(dB) 20lg2511.89 -1 20lg250 240 408.2 1102.9 1 11.18dB W(rad/s) -3 -5-90 W(rad/s) 35.69。 -180 -450由图可得20lg KV=68dB,所以KV=2511.89 Ka= KV/2043883.8=2511.89/2043883.8=0.123A/V系统的开环幅值裕量为: 求Wg值: 求得: Wg=348rad/s所以, Kg=1.386 Kg=20logKg=11.17dB系统的开环相位裕量为: 求Wc值,需满足下面的等式:求得: Wc=240rad/s求 公式如下:所以求得: 频带宽为: 所以快速性基本满足要求.计算稳态的跟随误差。从开环传递函数看,此系统为型系统。阶跃输入引起的稳态误差为零。速度输入引起的稳态误差为:mm因此，上述计算结果表明，系统的稳态位置误差大于R1=2m，应该对系统进行校正。为此，在系统中增设比例积分环节即可。其传递函数为，Kp为比例放大增益。取系统的开环增益为KV=3000,Kp=1.2则系统的开环传递函数为：幅值裕量 Kg=12dB相位裕量 系统的频宽 可见系统采用比例积分校正后，满足了设计要求，系统的静动态性能更为合理。 3.3.2压力机工况 由上可知，位移传感器、压力传感器的传递函数为：位移传感器的传递函数为: G1(S)=K1=50V/m压力传感器的传递函数为: G2(S)=K2=1/6 V/MPa阀的传递函数为： 液压缸-负载的传递函数 由机械设计手册 第四卷可得， 系统的简化方块图如下。GV(S)KaGV(S) Ui e Q Xp PL - -50 V/m1/6 V/MPa 压力机工况系统方块图负载的粘性和液压缸的泄漏均很小，即BL=0，Ctp=0则 Kce=Kc=5108m5/SN系统刚度：Ks=2.512106 N/m 液压刚度： 液压缸固有频率：伺服油缸一般取h=0.10.2 ，这里取h=0.2液压缸的流量系数： 取伺服阀芯直径d=6mm则面积梯度W=d=18.910-3m，伺服阀阀芯与套间隙可取rc=510-6 m 。40#液压油绝对粘度 所以，因为考虑到压力机工况下的工艺流程，在快速下行时，只要考虑压力即可，位移值我们可以不关心，在压力达到设定值时，这时位移才有实际意义，这个位移是控制工件壁厚和精度的，非常重要，这时的压力值作用不是很大，在保压时，位移又不是主要的，因为我们的压力很大，即使有1MPa的波动工件的壁厚也不会有变化，所以在这个过程中，我们只要保证压力保持在一定的范围以内就可以完成压力成型的要求。所以在设计控制算法的时候，能够把它们分开来设计。有利于简化控制算法。快速下行时，压力起主要作用，这时把位移位传感器的值屏蔽。即开环传递函数为： 根据以上可绘制波德图，其开环频率特性有四个转折频率1=20.34 rad/S 2=224.12 rad/S，3=408.2 rad/S，4=1102.9 rad/S。其中关键是1、3。 由图可得系统的开环增益K=45.8dB L(dB) 45.8 201.55 224.12 408.2 1102.9 0 20.34 7.78 W(rad/S)0 W(rad/S) 46.5-180-270系统的开环幅值裕量为： 1.47 Wg=348 rad/S Kg=20log(kg)=7.78dB 系统的开环相位裕量为：=180+求得，Wc=201.55 rad/S =46.5 频带宽为: Kv=Ka0.63/61.26107/1.96106=9.88 所以 ，Ka=14.7 由上可知，系统满足要求。 慢速加压时，位移传感器起主要作用，压力传感器起辅助作用，在反馈时不考虑时来。这个工况也是最主要的工况，是恒量压力成型机的性能和技术指标的阶段。 在此阶段的开环传递函数为： 根据上式可绘制波德图，其开环频率特性有三个转折频率1=20.34 rad/S 2=408.2 rad/S，3=1102.9 rad/S。其中关键是1、2。当=20.34 rad/S时， L（dB）66.7 408.2 1102.90 20.34 106 W(rad/S) (0 ) 0 W(rad/S) 79.8-180-450当Kv=1时，Wg=402.8 rad/S，Kg=78.7dB。一般裕量取12dB。此时，20lgKv=66.7dB，所以 Kv=2162.72 Kv=Ka0.63503.11610-3/1.978/106 所以 Ka=3445。由图上可知Wc=106rad/S=180+=79.80频带宽为: 所以快速性基本满足要求.计算稳态的跟随误差。从开环传递函数看,此系统为型系统。阶跃输入引起的稳态误差为零。速度输入引起的稳态误差为:mm因此，上述计算结果表明，系统的稳态位置误差大于R1=2m，应该对系统进行校正。为此，在系统中增设比例积分环节即可。其传递函数为，Kp为比例放大增益。取系统的开环增益为KV=3000,则系统的开 环传递函数为： 校正传递函数为： Kp=1.39 快速返回时，同快速下行。3.4控制算法的确定 数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用。在模拟控制系统中，控制器常用的控制规律PID控制。常规PID控制系统原理框图如下。比例被控对象积分r(t) + + + u(t) c(t) 微分 - + 模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差，e(t)=r(t)-c(t)将偏差的比例（P）、积分（I）和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：或写成传递函数形式：式中： Kp比例常数； Ti 积分时间常数； TD 微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：1.比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。2.积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。3.微分环节 能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。下面介绍一下位置式PID算法和增量式PID控制算法：位置式PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，因此积分和 微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式 ，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量式代替微分，则可用如下近似变换：式中： T采样周期。显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。可得离散的PID表达式为：或 式中： k采样序号，k=0,1,2 ；u(k)第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)第（k-1）次采样时刻输入的偏差值； KI积分系数，KI= KpT/TI; KD微分系数，KD=KpTD/T。这种算法的缺点是，由于是全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障， u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是产生实践中不允许的，在某些场合，因而产生了增量式PID控制的控制算法。增量式PID控制算法：所谓增量式PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。当执行机构需要的是控制量的增量时，可由位置式导出。根据递推原理可得：上式与位置式相减 可得，式中：可以将上式进一步改写为：式中： 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T一旦确定了Kp、KI、KD，只要使用前后3次测量值的偏差，即可求出控制增量。根据偏差的比例、积分、微分进行控制（简称PID控制）。是目前过程控制中应用最广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都充分证明：这种控制规律对相当多工业对象进行控制时，都能够取得比较满意的效果。3.4.1系统性能的分析在进行系统设计时，我们常常会遇到这样的问题：设计出来的系统不能满足提出来的所有指标的要求，往往指标间发生矛盾，比如满足了对稳态准确度的要求，稳定性可能遭到破坏，控制系统要有足够的稳定性，稳态指标又可能达不到要求。系统的性能是指衡量系统的稳定性、准确性、快速性等指标。一个好的系统必须是稳定的，只有稳定的系统才有准确性和快速性可言。在很多时候改变参数是达不到预期的目的，只有从结构方面入手。用校正方法加入某种装置来改变系统的结构，以使其全面满足给定的指标要求。位置控制系统中，系统的稳态精度达不到要求，另外稳定的幅值裕量和相位裕量达不到要求，必须进行校正，我这里采用的是首先考虑稳态精度，必须增加开环增益值，另外再增加一个积分环节，以减小系统的超调。校正装置的传递函数为：压力机工况时，首先，在快速下行时，由于精度要求不是很高，从前面的分析可知，系统不需要校正就可以满足要求。在慢速下行时，是压力成型的关键阶段。由于它的稳态误差达不到要求，另外，响应速度不是很快，所以必须进行校正。校正装置的传递函数为： 3.4.2控制算法的确定由前述分析可知，在位置控制时，系统需要进行PI调节，可以使系统在阶跃，斜坡、速度信号输入时所产生的稳态误差都为零。稳态裕量也达到要求。在压力机工况时，由于系统的工况较复杂，我们采用的是PID调节。对采用位置式和增量式的比较：采用位置式时，每次都得计算前n项的和，化费计算机的时间很多。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量U(k)对应的是本次执行机构位置的增量。我采用的算式是：有了上式我们就可以通过软件执行来完成。另外，就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质区别，仍然全部由计算机承担其计算。但增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：1.由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。2.当计算机发生故障时，由于输出通道或对信号的锁存作用，故能仍然保持原值。3.算式中不需要累加。控制增量U(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但是，增量式控制也有其不足之处，积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。综合以上的分析我采用增量式控制。增量式PID控制算法的程序框图如下：开始计算控制参数A、B、C设初值e(k-1)=e(k-2)=0被控对象A/D本次采样输入c(k)计算偏差值e(k)=r(k)-c(k)计算控制量u(k)u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+ce(k-2)D/A输出u(k)为下一时刻作准备e(k-1)e(k-2),e(k)e(k-1)采样时刻到吗？ N Y3.5计算机控制系统的设计 3.5.1硬件部分电液比例伺服成型机的硬件部分是由机械部分，液压控制部分，计算机控制部分，外围电路、传感器等组成。机械部分和液压部分在前面已经讲过。在这儿我主要叙述计算机控制部分。采用计算机来控制比例阀，以调节液压系统工作所需的液体流量或压力。常规的电液比例阀要求输入模拟式的电信号；而数字式计算机只能发出二进制的数字信号，因此在计算机的输出口和比例阀的输入口之间要连接一个数模转换器（D/A）。为了进行数字信号与模拟信号之间的转换，在环前处理系统中需采用数模转换器（D/A）；在外围处理系统中还需增加一个模数转换器（A/D）。这种系统中，计算机是作为一个闭环控制器，以代替模拟式闭环系统中的求和点和校正电路。计算机具有强大的计算能力，除了能实现传统的校正电路功能以外，还能实现一般模拟式电路难以实现的功能，由此获得比较优良的控制效果。计算机的选择：计算机的字长越长，它能表示的数值范围越大，计算出结果的有效位数越多，精度越高。现在很多的生产厂家所用的计算机是工业PC（也就是一般所说的PLC），但是考虑到它的价格比较高，而且不利于多任务工作。所以选择个人计算机作为控制计算机，而且现在市场上的计算机已经能够满足系统的要求。价格性能比也比较高，所以采用PC机控制液压系统，代替以前的单片机，利用可视化编程的方法更利于控制及参数的修改。 传感器和比例调节元件主要根据精度选择传感器，当然也要考虑传感器的动态特性（传感器允许的工作频率应满足测试要求）。由于计算机可进行非线性校正，故传感器的线性度如何已退居次要，第一是精密度（重复性）。本次设计所选择的位移传感器，可重复性小于0.01独立线性度 0.025%。压力传感器基本误差0.20，回程误差0.01。在这儿存在一个很大的问题，因为我们现在所用的油源是16MPa，在工作时，由于工作压力比较低，压力传感器的线性度不是很好。比例调节元件除压力应满足系统要求外，最重要的是工作可靠和稳定性。由于系统采用闭环控制各项液压参数，故比例调节元件的线性度并不重要。 3.5.2软件部分我的设计主要是采用计算机闭环控制系统。首先是用一路反馈控制实现成型机的位置控制（位置反馈，用位移传感器实现）。这只是一个实现压力机工况的中间阶段，还有一个需要是为了以后在做实验时，能够精确的确定阀和缸的性能，在工作时是否能够实现在任意指定位置可靠的停住，且振荡较小。另外，再实现压力机工况，用二路反馈即位置反馈和压力反馈，从而实现精确控制目的。液压系统采用伺服阀控制液压缸动作，并采用模拟式的位移传感