（机械电子工程专业论文）基于电液比例阀控缸位置系统的控制策略及性能研究.pdf

东华大学硕士学位论文摘要 基于电液比例阀控缸位置系统的控制策略及性能研究 摘要 近年来 在工程机械 冶金机械的发展过程中 对高精度的液压 阀控缸位置控制技术的需求越来越迫切 液压位置控制技术的基本要 求是系统能快速平稳而准确的到达给定位移 即要求定位精度高 时 间短 超调小 可靠性高 抗干扰能力强 而随着比例技术的发展 凭借着低成本 抗污染能力强的优势 电液比例换向阀在许多工业应 用领域中慢慢的取代了伺服阀 电液比例换向阀能通过计算机同时实 现流量和方向的控制 所以电液比例换向阀在各个领域尤其是工业领 域得到了大规模的应用 根据课题 在研究控制系统的相应控制策略及性能的基础上搭建 了可用于电液比例阀控缸位置控制系统研究的实验平台 系统的执行 元件可以采用缸筒固定的单出杆液压缸 然后根据系统实验平台的特 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 在研究过程中 所做的研究 作包括理论研究和实验论证两个 方面 首先 分析此系统的结构以及工作原理 根据研究需要设计电液 比例位置控制系统和控制系统软件方案 搭建系统硬件平台 随后对 系统模型进行分析 建立系统各环节的数学模型 该数学模型表明该 系统是一个高阶非线形系统 对模型进行适当的简化 可以得出系统 l 东华大学硕士学位论文 摘要 的传递函数 其次 根据控制理论 在分析系统非线性 时变性的特点后 应 用模糊理论提出模糊p i d 控制策略 设计模糊白适应整定p 工d 控制器 并将其与常规p 工d 控制等一起进行s i m u l i n k m a t l a b 仿真 鉴于图形 化编程语言的快捷性和方便性 本文采用l a b v i e w 和m a t l a b 混合编 程的思想编写控制软件 然后分别对系统的阶跃信号 方波信号和正 弦信号响应进行s i m u l i n k m a t l a b 仿真 通过对比模糊p 工d 控制与 p i d 控制的控制曲线 得出了模糊p i d 控制的优点 然后 建立液压系统实验平台及软件控制界面 包括电液控制部 分 微机控制部分的硬件和软件设计 用l a b v 工e w 编写程序 建立人 机控制界面 对主要实验设备进行测试 在实验平台系统上实现电液 比例阀控缸位置系统的位置控制 分析实验得到的结果数据 同仿真 结果进行比较和验证 并得出结论 最后 概括了本文的主要工作内容 对研究成果进行了总结并提 出进一步研究工作的设想和展望 关键词 电液比例位置控制 p i d 控制 模糊控制 l a b v 工e w m a t l a b 仿真 东华大学硕士学位论文abst 虻t 一 r e s e a r c ho fc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nt h ee l e c t l o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t d u r i n gt h er 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 f e n 西n e e r i n gm a c l l i n e r ya n dm e t a l l u r g i c a l m a c h i n e r y t h eh y d r a u l i cp o s i t i o nc o n t r 0 1s y s t e mo f1 1 i g hp r e c i s i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r e u r 2 e n t t h eb a s i cr e q u i r e m e n to f t h eh y d r a u l i cp o s i t i o nc o m r o l s y s t e mi st h a tt h es y s t e mc a nr e a c hag i v e n d i s p l a c e m e n tq u i c l 1 ya n da c c u r a t e l y w h i c ha s l sh i g hp r e c i s i o n s h o nt i m e s m a l lo v e r s h o o t l i g h r e l i a b i l i t a n ds t r o n ga m i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y 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 v d r a u l i c p o p o r t i o n a lc 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 n i o n a lv a l v e 铲a d u a l l yr e p l a c e dt h e 8 e ov a l v eb e c a u s eo fi t sl o wc o s ta n dg o o da n t i c o n t 锄i n a t i o nc a p a c i t t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o n l o n a lv a l v ec a nc o n t r o lt h en o wa n dd i r e c t i o nb yc o m p u t e r s ot h ee l e c t r o h v d r a u l i c p r o p o r t i o n a lv a l v ec a nb ew i d e l yu s e di nm n ya r e a se s p e c i a l l yi ni n d u s t r i a la r e a a c c o r d i n gt ot h es u b j e c t w e d e s i g nt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r mf o rt h es t u d vo f e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o n i o n a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mi no r d e rt or e s e a r c ht h ec o n t r o ls t r a t e g ya n d p e o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mc a na d o p tt h es i g n a lr o d h y d r a u l i cc y l i n d e r a n dt h e na c c o r dt ot h ef e a t u r e so fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw ed e s i g nt h e1 1 i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o l l e rt om a k er e s e a r c ho nt h ea r b i t r a 叫p o i n t p o s i t i o n i n ga j l dc o m i n u o u s t r a j e c t o r yt r a c l i n g d u r i n gt h es t u d 弘r e s e a r c hw o r k i n gi n c l u d e st w or e s p e c t s t h et h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o n f i r s t l y a n a i y s i st h es t r u c t l l r ea j l dw o r k j n gp r i n c i p l eo ft h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m a n d d e s i g nt h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o n i o n a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mc o n t r o ls o r w a r es v s t e m b u i l d t h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m t h e na n a l y s i st h es y s t e m m o d e l e s t a b l i s ht h em a t h e m t i c a lm o d e l o fe a c hc o m p o n e n to ft h es y s t e m t h i sm a t h e m a t i c a l m o d e li n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mi sah i g h 东华大学硕士学位论文 a b s l r a c t o r d e rn o m i n e a rs y s t e m s i m p l i f i e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l w ec a ng e tt h e 仃a n s f e rf u n c t i o no f s v s t e m s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l t h e o a 舭ra n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r i 够 a n dt i m e v a r i e d w ed e s i g nt h e 勉z ys e l f t 蚰i n gp i dc o n t r 0 1 1 e r b a s e do nt h ef 屺巧p i dc o n t r o l s t r a t e g y a n dm a k es i m u l i n k m a t l a bs i m u l a t i o nw i m t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n 仃o l i nv i e w0 ft h e c o n v e n i e n t 铲a p h i cp r o 盯a m m i n gl a n 目l a g e w ew r i t e t h ec o m r o ls o f h a r eo fs y s t e mb ya d o p t i n g m i x i n gl a b v i e wa n dm a t l a bp r o 孕a m m i n g t h e n m k es i m u l a t i o no n t h es t e ps i g n a l s q u a r ew a v e s i g n a la n ds i n es i g n a lr e s p o n s e b yc o m p a r i n gt h ec o n t r 0 1c u r v eo fp i dc o n 仃o la n df u z z p i d c o n t r o l w ei n o wt h a tt h ef 泣巧p i dc o n t r 0 1h a sb e 钍e ra d v a m a g e s t h i r d l y e s t a b l i s ht h es y s t e me x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n ds o f h a r e c o n t r o l i n t e r f a c e i n c l u d i n g e l e c t r o h y d r a u l icc o n t r o ls e c t i o n t h em i c r o c o m p u t e r c o m r o lp a r to fh a r d w a r ea n ds o m a r ed e s i g n w ew r i t et h el a b v i e wp r o 铲a m m i n ga n d b u i l dt h em a n m a c h i n ec o n 仃o li n t e r f a c e a r e rt e s t i n g t h em a i nl a b o r a t o r ye q u i p m e n t w em a k ee x p e r i m e n t so nt 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 p o s i t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dg e tt h ee q u i p m e n td a t e s a n a l y s i st h i s d a t e sa n dc o m p a r e dw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t w eo b t a i nt h cc o n c l u s i o n s f i n a l l y t h ew o r ko ft h i ss t u d yi s s u m m a r i z e d f o rt h es h o n a g e sa n dd i s a d v a n t a g e ss t i l l e x i s t i n gi nt h es t u d y s o m es u g g e s t i o n sa n de x p e c t a t i o n s a r ep u tf o r w a r df o rf h r t h e rr e s e a r c h q i 垦堕y 婴gh 坠i m e c h a n i c a le n 西n e e r i n 曲 s u p e r v i s e db y 鲢堕旦i 塾g 曼i 丛g 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 n i o n a lp o s i t i o nc o n t i o l p i dc o n t r 0 1 f u z 巧c o n 仃o l l a b v l e w m a t l a bs i m u l a t i o n v 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 液压传动及控制技术是一门新兴的技术 1 6 世纪法国的帕斯卡提出了著名 的液体静压传递定律 奠定了液压技术的理论基础 1 7 9 5 年英国人布拉默发明 了第一台水压机 这标志着液压技术工程应用的开始 随着液压基础理论的完善 其在机床 工程机械 农业机械 船舶 冶金 轧钢 汽车等行业得到了广泛的 应用 而电液比例技术是一门比较年轻的技术 它的发展和普遍应用还不到5 0 年 然而 凭借独特的优点其却成为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技术构成之一 它与传统的电液伺服技术相比具有可靠 节能和廉价等明显特点 并已经赢得了相当广泛的应用领域 形成了颇具特色的 技术分支 正在引起工程控制界的广泛重视 1 l 在工业发达国家 由电液伺服阀 电液比例阀 以及配用的专用电子控制器 和相应的液压元件 组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展 已经综合 形成了液压工程技术 它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工 业发展水平的重要标志 是液压工业又 个新的技术热点和增长点 在我国同样 有一大批主机产品的发展 需要应用该项技术 因此 其已经被列为促进我国液 压工业发展的关键技术之一 2 j 1 2 电液比例控制技术的概况 1 2 1 电液比例技术国内外发展现状 在液压传动及控制技术的发展过程中 电液伺服控制技术和电液比例控制技 术是相继出现的两大重要进展 电液伺服技术首先用于航空 继而应用于一些重 要工业设备的自动控制 迄今为止已经趋于成熟 但由于传统的电液伺服阀对流 体介质的清洁度要求十分苛刻 制造成本和维护费用高昂 系统能耗也较大 难 以为各工业用户所接受 而传统的电液开关控制 通断控制 又不能满足高质量 控制系统的要求 因此 自六十年代末期开始 电液比例控制技术得到了迅速发 展 各国竞相开发了以传统型液压阀为基础的各类电液比例控制阀 价廉可靠的 电一机械转换器及专用的控制放大器 利用这些元件 首先是构成一些开环控制 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 的电液比例控制系统 以后则采用相应的检测传感器件构成闭环反馈控制系统 于是 现代工业装备获得了一种可靠廉价 能耗较低 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 这就是六十年代末已来工业伺服技 术和电液比例技术得以迅速发展的背景1 3 电液比例控制技术发展至今 大致上可以划分为下面的四个阶段 4 1 从1 9 6 7 年瑞士的b e 血g e r 公司生产k l 比例复合阀开始 到7o 年代初 日本油研公司申请流量和压力两项比例阀专利 标志比例技术的诞生 在这一时 期 比例技术以开环控制应用为主 开始作为液压控制领域中的独立分支 但是 比例阀的设计准则和结构原理几乎没有太大的变化 而且不含对受控参数的闭环 反馈 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 比例元件工作频宽己经达到1 1 5 h z 稳态滞环也减少到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 12 0 世纪8 0 年代 比例技术的发展进入到第三个阶段 比例元件的结构 原理和设计方法进一步完善 采用了流量 压力 位移反馈 动压反馈和电校正 手段提高了阀的快速性 准确性和稳定性 除了由制造成本所造成的比例阀在中 位仍保留死区外 它的快速性和稳定性都已经达到工业伺服阀的基本要求 另外 由于电子技术的成熟 传感器和电子器件的小型化 出现了带集成放大器的电液 一体化比例元件 电液比例技术逐步向集成化方向发展 f 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 重要的进展就是为了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 技术上也进一步融合 为达到未来的一个技术体系的目标打下了更牢固的 基础 1 2 2 电液比例控制系统组成及工作原理 电液比例控制系统在工程实际应用中功能繁多 其结构也存在着较为明显的 差异 但是 从某种意义而言 都可以将比例控制系统看作由一些功能相同的基 本单元组成而成 其结构如图1 1 所示 2 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜1 典型电液比例位置控制系统组成方块图 电液比例位置控制系统的组成部分一般包括控制机构 控制对象以及位置控 制器 控制机构的组成部分主要包括 电液比例换向阀 液压缸 负载机构和液 压源等 而系统控制器的主要组成部分包括 计算机或工控机 位移传感器 信 息处理 检测反馈和抗干扰设备等 3 l 基本工作原理 系统工作时 位移传感器检测到控制对象的实时位置信号并 转化成电信号 经反馈后输入计算机并与指令元件的给定信号进行比较 经过控 制算法的计算得出控制电信号并经放大器放大后对电液比例换向阀节流口的开 度进行控制调节 从而使控制对象运动到期望的位置 1 3 课题的研究目的和意义 世界工业发达国家对电液比例控制技术已经进行了相当长一段时间的研究 而我国由于电液比例控制技术起步较晚 与发达国家相比有着不小的差距 因此 我们必须跟踪国外的先进技术 以期缩小差距 本课题的主要工作是研究单个液压缸活塞杆的精确定位和连续轨迹跟踪控 制 并基于搭建的实验平台对位置控制策略和算法进行研究 设计可以任意点定 位的电液比例位置控制系统平台 从而可以为本校机械学院学生提供一种液控实 验平台 从而对我校电液比例位置控制的实验和教学可以起到积极的推动作用 此外 本课题所作的研究将为电液比例位置控制系统在工业自动化控制 工业机 器人和工程机械等方面的设计和分析研究提供一定的理论依据和参考价值 同时 具有良好的工业应用前景 1 4 论文主要研究内容 本课题的研究工作是围绕本校液压实验室液压实验台的位置控制系统开发 进行的 以实现电液比例阀控缸活塞杆进给位置精确定位为目的 研究比较不同 控制策略对系统控制特性的差别 在研究过程中 所做工作包括理论研究和实验 验证两方面 具体研究内容如下 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 查阅资料 了解国内外电液比例位置控制系统方面的研究状况 根据需 要合理选择液压元件 电液比例换向阀 传感器 数据采集卡等硬件设备 同时 对各个元件性能进行分析 确定课题研究对象为电液比例阀控缸位置控制系统 2 在对电液比例换向阀及其他系统元件性能进行分析后 经过一些合理而 必要的假设和简化 通过对系统各环节建立数学方程及其运动学 动力学方程进 而建立起系统的数学模型 并最终建立系统的传递函数方框图 3 控制策略的研究 根据前一章得到的数学模型 根据经典控制理论和智 能控制理论 设计该比例位置控制系统的控制策略 利用m a t l a b 的仿真功能 对控制策略进行仿真研究 然后结合组态软件l a b v i e w 设计出系统的控制器 最后利用l a b v i e w 建立系统的人机交互界面和采集测控软件 5 届 4 对p i d 控制器 模糊控制器 以及模糊自适应p l d 控制器进行实验研究 通过具体分析各参数对系统稳态特性和动态响应的影响 调节优化各个控制参数 同仿真结果进行比较和验证 并分析比较各个实验得到的结果数据pj 5 总结全文的主要结论 指出实验中发现的问题和不足 并说明进一步的 研究工作展望 4 东华大学硕士学位论文第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 2 1前言 本课题所进行的研究工作是基于电液比例换向阀的液压缸活塞杆位置控制 系统的计算机控制 即通过计算机产生的电控制信号驱动电液比例换向阀阀口的 开度来控制液压缸活塞杆的实时准确定位 图2 1 为电液比例位置控制系统总体 框图 给定值输出位移 图2 1电液比例位置控制系统总体框图 2 2 电液比例位置控制系统的工作原理 如图2 2 所示 此电液比例位置控制系统的基本原理是通过电液比例换向 阀的调节做用 使输入电信号u i 与液压缸位移反馈信号u f 的差值 u 趋近于零 以实现液压缸活塞杆运动对输入信号的实时追踪定位 此电液比例阀控缸位置控制实验系统是实验的核心部分 系统工作时 位 移传感器检测出液压缸活塞杆的当前位置并将输出的位移反馈信号经a d 模数 转换器转换为数字信号送入计算机 在计算机内与预先给定信号进行比较 并 按设定的控制算法计算后得出偏差控制量 经d a 数模转换并放大器放大后驱 动电液比例换向阀的阀芯位置 从而控制液压缸内流量输送 驱动液压缸活塞 杆 使液压缸活塞杆运动到指定位置 整个系统构成闭环控制 从而实现精确 定位 8 j 图2 3 为电液比例阀控缸位置控制系统平台实物图 s 东华大学硕士学位论文 第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 一 一 l 一位移传感器2 负载3 一电液比例换向阀4 一压力表5 1 0 一压力传感器6 一溢流阀 7 叶片泵8 放大器9 液压缸 图2 2 电液比例位置控制系统组成图 图2 3 电液比例位置控制系统平台实物图 2 3电液比例阀控缸位置控制系统组成 6 东华大学硕士学位论文 第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 此电液比例位置阀控缸控制系统主要由液压泵及流体处理元件 液压缸 电 液比例换向阀 放大器 传感器 数据采集卡和计算机等组成 2 3 1 液压泵与液压缸 实验系统采用y b i 6 3 定量叶片泵 它由1 5 k w 的电机驱动 额定压力为 6 3 a 额定转速为1 4 0 0 r 血 y b l 系列单联定量叶片泵结构紧凑 流量均匀 压力脉动小 噪音低 效率高 性能可靠 液压缸采用低摩擦单活塞杆油缸 液 压缸内径d 为4 0 1 1 1 1 1 1 活塞杆直径d 为2 0 舢n 9 1 2 3 2 电液比例换向阀 电液比例换向阀是电液比例阀控缸位置控制系统中的关键部件 它可以按给 定的输入信号连续地 按比例地控制油液的压力 流量和方向等 同时其输出压 力 流量等不受负载变化的影响 能防 l 七压力和速度变化与换向时的冲击现象 实现对执行机构的位置 速度和压力的控制 本系统采用意大利a t o s 公司生产 的型号为d h z o a 0 7 1 s 3 不带内部反馈闭环的6 通径 三位四通直动式比例方 向阀 并配套附带欧板式电子放大器 其结构原理图如图2 4 所示 9 lapbi 1 6 比例电磁铁 2 5 一对中弹簧 3 阀体 4 一阀芯 图2 4 普通型直动式电液比例换向阀典型结构 此电液比例换向阀主要由阀体 阀芯 比例电磁铁 弹簧 电枢 接线管脚 等组成 电磁铁与阀芯固定 当电流经接线管脚流入螺线管产生电磁力并作用于 衔铁时 会产生推力或拉力 从而带动阀芯运动 电磁铁产生的推力与流入比例 电磁铁的电流成正比 即电流与阀芯位移之间成比例关系 也就是说不同的电流 对应着油液不同的流量和流动方向 当比例电磁铁1 通电时 阀芯右移 油口p 东华大学硕士学位论文第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 与b 通 a 与t 通 而阀口的开度和电磁铁1 的输入电流成比例 当电磁铁6 通电时 阀芯向左移 油口p 与a 通 b 与t 通 阀口的开度和电磁铁6 的输 入电流成比例 表2 1d h z 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 p 3 0 b a r 时 3 0p a b 3 5 0 d h z 0 一a 0 7l s 3 么夕 输入信号电压与输出流量关系曲线 图2 6 电液比例换向阀在额定压差3 0 b a r 时 传感器是控制系统不可缺少的一部分 它是一种检测装置 能探测到被测量 的信息 并且将检测感受到的信息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式 的信息输出 以满足信息的传输 控制 处理 存储 显示和记录等要求 它的 精度和稳定性对整个系统有很大的影响 在使用传感器时 应首先对其进行校定 8 东华大学硕士学位论文第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 操作 本课题位移传感器采用的是国产w d l 2 0 0 直滑式导电塑料电位器 通过输 出电压的大小来反映位移偏移量的大小 其技术参数为 测量范围为卜2 0 0 m m 分辨率0 0 1 m m 线性度0 2 供电电压d c 一1 0 v 其外形如图2 7 所示 输入输 出特性曲线如图2 8 所示 可以看出传感器具有良好线性度 1 0 1 趟3 铆 j 了 撰 图2 7 一2 直滑式导电塑料电位器 i 萎莓 i 7 一 一一一一一一一一 j j d 2 3 4 数据采集卡 2 04 06 0 输灭位移 m m 8 0 图2 8 位移传感器位移一电压线性关系曲线 1 0 0 本课题采用的是中泰研创科技公司生产的p c i 一8 3 3 3 多功能模入模出接口卡 如图2 9 所示 该卡适用于提供了p c i 总线插槽的p c 系列计算机 具有即插即 用功能 安装使用方便 其模入模出及i o 信号均由卡上的3 7 芯d 型插头与外 部信号源及设备连接 对于模入部分 用户可根据实际需要选择单端或双端输入 方式 对于模出部分 用户可根据控制对象的需要选择电压或电流输出方式 本 卡上a d d a 转换均为1 2 位数据操作 同时 使用国产接口卡在完成预定运 9 东华大学硕士学位论文 第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 一 动控制的前提下使成本得到有效地控制 图2 9p c i 一8 3 3 3 数据采集卡 数据采集卡的部分技术参数如下 1 1 1 模入部分 输入通道数 单端1 6 路 本系统选用 双端8 路 输入信号范围 o v 一1 0 v 本系统选用 5 v 一5 v d 转换分辨率 1 2 位 d 转换速度 1 0 s d 启动方式 程序自动 本系统选用 定时触发启动 外触发启动 d 转换结束识别 程序查询 中断方式 d 转换非线形误差 士1 l s b d 转换输出码制 单极性原码 本系统选用 双极性偏移码 模出部分 输出通道数 2 路 本系统选用 输出范围 电压方式 旺5 v o 一1 0 v 本系统选用 一5 v 一5 v d a 转换分辨率 1 2 位 d a 转换综合建立时间 2 s d a 输出方式负载电流 5 i n a 此数据采集卡可以支持l a b v i e w 等多种软件 同时自带丰富的驱动程序接 口文件 极大的降低了编写程序的难度 2 4电液比例位置控制系统软件设计 1 0 东华大学硕士学位论文第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 本实验中主要使用l a b v i e w 作为上位机的编程软件 l a b v i e w 是n i 公司 提供的图形编程语言开发工具 它是专门进行数据采集测量 分析的软件 本实 验利用l a b v i e w 强大的硬件支持功能完成数据和控制信号的输入输出 同时依 靠图形化语言编制友好的人机界面 另外通过l a b v i e w 和m a t l a b 之间方便的接 口调用m a t l a b 工具箱实现各种复杂的控制算法 完成控制系统的开发和实物的 在线仿真 大大提高了实验效率 6 1 2 1 在实验中 l a b v i e w 虽然提供了大量的数据采集子程序 但这些子程序只 能支持n l 公司的数据采集卡 本实验中采用的是一块国产的数据采集卡 在 l a b v i e w 环境下缺少驱动 但板卡开发商提供了比较完整的动态链接库函数 以实现对板卡的基本操作 包括板卡设备的打开 各种方式的数据采入和送出以 及发生错误时的板卡操作等 在此基础上 我们通过c l n 调用库函数节点 将数据采集卡的驱动载入 实现对数据采集卡的通信与控制 数据采集和发送的 功能 1 3 14 l 2 5本章小结 本章主要介绍了电液比例位置控制系统的工作原理和组成 并详细介绍了电 液比例换向阀 位移传感器 数据采集卡的原理和性能参数 在软件设计上 采 用l a b v i e w 和m a t l a b 混合编程的思想 实现了系统的实时控制功能 同时介绍 了该系统的工作流程和基本的工作原理 东华大学硕士学位论文 第二章电液比例位置控制系统的结构及组成 一 1 2 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研究 第三章电液比例阀控缸位置控制系统数学建模研究 3 1 前言 在控制系统中 建立准确的系统数学模型的目的在于对系统的性能进行定量 分析 以了解系统的技术指标是否满足要求 建立系统数学模型是电液比例阀控 缸位置控制系统设计的重点同时也是难点 控制系统的数学模型是将现实系统 问题归结为相应的数学问题 并在此基础上利用数学的概念 方法和理论 进行深入的分析和研究 从而从定性或定量的角度来刻画实际问题 并为 解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导的数学表达式 液控系统因为其自身诸多的独特的优点 广泛的应于工业自动化领域 但是 由于其工作介质的泄漏和可压缩性 以及易受温度影响等特点 其特征参数在运 动过程中是变化的 所以其数学模型本质上属于的非线性系统模型 需要进行适 量的系统局部简化 另一方面 由于液体流动的特性相当复杂以及油液本身的特 性 不可能考虑到所有的相关因素 因此必须对系统运行情况做出一些假设 合 理的假设和线性化处理对更好地分析和研究液压系统的特性是非常有用的 现作 假设如下 15 1 系统由理想的恒压油源供油 供油压力p 恒定 回油压力p r o 2 油的温度和密度均为常数 3 三位四通比例阀采用矩形阀口 阀口处流动为紊流 4 比例阀的位移一流量死区对称 5 不考虑管道损失及管道的动态特性 6 忽略库仑摩擦力和负载粘性阻尼系数 根据以上假设推导系统的动态特性方程 3 2 电液比例阀控缸位置控制系统数学模型的建立 图3 1 为电液比例阀控缸位置控制系统组成框图 它包括比例放大器环节 电液比例方向阀数学环节 阀控非对称液缸一负载环节 传感器反馈环节等 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研究 i 黼l i i 稍雠埘 黼i 毗琦 惘 皇 l 匾崭豇到恻 电 龊 屯困吨 煮 月 蝴u d 蕞兰 饼黼晕i 图3 一l电液比例阀控缸位置控制系统组成框图 3 2 1 比例放大器数学建模分析 比例放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性电流 并对比例方向阀或电 液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置 是比例控制元件或系统的重要 组成部分 由于比例放大器的转折频率比系统频宽高的多 故可近视为比例环节 其数学模型为 v 一 s n n u s 式中 s 为比例放大器输出电流 单位为a u s 为数字控制器输出经d a 转换成的模拟电压信号 单位为v 为比例放大器增益 3 2 2 比例方向阀数学建模分析 比例方向阀的工作原理是利用比例电磁铁的驱动力与输入电压信号成比例 变化 控制阀的开口量 实现比例方向阀的输出流量与控制输入信号成线性关系 在比例方向阀中 比例电磁铁是将电转换为机械响应的装置 其主要作用是将比 例控制放大器输出的电信号转换为力或位移 在本课题中比例方向阀的数学模型 不是研究重点 并且在工程上一般将比例方向阀视为一个二阶环节 所以可以简 化比例电磁铁阀芯的输出位移对输入电压的传递函数为 竺一 坠 u 品 毪s 1ww 口 式中 比例方向阀的流量增益 单位为m 3 s a w 1 比例方向阀的相频宽 单位为r a d s 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研究 l 比例方向阀阻尼比 取值范围o 5 0 7 3 2 3 位移传感器数学建模分析 反馈环节采用位移传感器 其频宽也比系统的频宽高的多 所以可以近似成 比例环节 其传递函数为 昵 y 式中 玑 反馈电压 单位为v y 位移传感器增益 单位为v m 液压缸活塞杆位移 单位为m 3 2 4 阀控非对称液压缸一负载环节数学建模分析 电液比例位置控制系统的主要元件是液压缸和比例阀 系统的动态特性取决 于阀和液压缸的特性并和负载有关 为了分析简单和便于应用 采用线性化分析 方法 即研究系统在某一稳态工作点附近作微小运动时的特性 图3 2 为采用三 位四通比例方向阀控制单活塞杆液压缸示意副3 舯1 f p 山p o 图3 2 阀控缸一负载示意图 1 比例阀的负载压力一流量方程 如图3 2 所示 当活塞右移为正向移动时 即当如o 时 比例方向阀两腔流 量方程为 1 7 1 4 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研究 f 驴白肌 掣 眦后 上式中 q 1 为液压缸无杆腔流量 m 3 s q 2 为液压缸有杆腔流量 m 3 s z 为阀芯的移动位移 m p 为液体密度 k g m 3 p 1 为液压缸无杆腔压力 p a p 2 为液压缸有杆腔压力 p a p s 为供油压力 p a 形为窗口面积函数 m 2 o 为阀的流量系数 本文中取0 7 由上式 3 1 可得左右两腔流量比 n 鱼 垒 q 1a 1 定义r 为负载压力 即p l p 1 一b 则由上两式 3 1 3 2 可得 f p 1 等 p 2 穹 3 1 3 2 3 3 将上式p 1 p 2 代入式3 1 中口 得 j 吼 肌 篓 悟4 q z o 粼 考虑到油液的压缩性 以及油液的泄漏 我们定义负载流量为进入液压缸的 流量q 与流出液压缸流量q 的平均值 即 q l 半 3 5 将式 3 4 中的q q 2 代入到公式3 5 可得 吼 盯 肌 丢 b p l 式中川 疆蔷景 3 6 当液压缸活塞杆向左移动 即即当5 r 0 时 比例方向阀流量方程为 卜啪生 陋7 q z o 肌 掣 当液压缸活塞杆向左运动时 分析与活塞杆向右运动时类似 可得比例方向 阀的流量方程为 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研究 q l 口c d 眠 吉 b p l 式中 口 疆若备 3 8 将液压阀活塞杆向左或向右运动统一成如下形式 q l 口c d w x 言 b 一高p l 3 9 其中 口 高备 上式即为具有非对称液压缸的方向比例阀的负载流量方程 线性化后得到 q l 心z 一砟p l 3 1 0 其中 为阀在稳态工作点附近的流量增益 单位为m 2 s 坼为阀在稳态工作 点附近的压力流量系数 单位为m 5 n s 2 液压缸的负载流量方程 当液压缸向右运动 即扮 时 液压缸无杆腔 有杆腔的流量方程为 1 8 兰 三薹三 竺二乏 二童 竺二萎喜 三 茎 c 3 1 1 q 2 c p p 1 一p 2 一c e p p 2 一景鲁 4 2 詈 式中 g 口为内漏系数 单位为m 5 n s 巳口为外漏系数 单位为m 5 n s n 为无杆腔容积 屹为有杆腔容积 单位为m 3 p 为液压缸无杆腔压力 p 2 为有杆腔压力 单位为p a 尾为油液体积弹性模量 单位n m 2 由于当活塞杆处于液压缸中位时对液压缸活塞工作位置系统的假设与推论 都是偏向安全的 所以我们可以假定h 眨 要 其中y 为液压缸的总体积 将 和屹代入式 3 6 可得 芝三乏 二芝 二童三三二萋喜 三 萋 c 3 1 2 q 2 c c p p 1 一p 2 一c e p p 2 一云詈 a 2 詈 当液压缸向左运动时 即当妒 时 同理可得液压缸无杆腔 有杆腔的流量 芝三耋 芝二 童 芝 萎喜 三 萎 t 3 1 3 lq z c f p p 2 一p 1 g p p 2 罢鲁 a 2 詈 现以液压缸向右移动时得情况对系统进行分析 液压缸左移时分析可类似推 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研究 得 将负载流量q l 垒 中的q 与q 2 由式 3 6 代入 可得 q l 书 p 1 一p 2 老 等一鲁 半警 3 1 4 将负载压力p 一p 2 代入式 3 9 可得 q l g 吃 老警 4 m 8 罢 3 1 5 其中 4 m 垒娑为平均活塞面积 单位为m 3 g c 印 导为液压缸的泄漏系数 单位为m 5 n s 3 非对称液压缸的力学方程 根据牛顿第二定律 并且忽略了油液的摩擦力和质量 的力学方程如下所示 1 9 当液压缸向右运动 即妒0 时 可得 a 1 一a 2 p 2 m 等 耶罟 晦 十厂 式中 m 为负载质量 单位为k g b p 为粘性阻尼系数 单位为n s m k 为负载弹簧刚度 单位为n m 由图3 2 可得液压缸 3 1 6 为作用在洁塞上的外负载 单位为n 将负载压力p l p 1 一p 2 代入式3 1 1 可得 p l 塑掣塑塑 3 1 7 式中 五 厂一生警为等效作用在活塞上的任意外负载 单位为n a e 瓮等 为等效活塞有效面积 单位为m 2 当液压缸向左运动时 即夕 用实际常用的三角形隶属度函数表示则如图4 1 0 所示 一巨 图4 1 0 等分三角形隶属度函数 图4 1 0 给出了隶属度函数为等分三角形时的情况 对于任意的输入变量 可以通过上面定义的隶属度函数计算出其属于这七个模糊集合的隶属度 2 知识库 知识库中存储着有关模糊控制器的一切知识 它们决定着模糊控制器的性能 是模糊控制器的核心 知识库由数据库和规则库两部分组成1 2 6 1 1 数据库 d a t ab a s e 它与计算机软件中的数据库不同 它存储着有关模糊化 模糊推理 解模糊的一切知识 如模糊化中的论域变换方法 输入变量各模 糊集合的隶属函数定义 模糊推理算法 解模糊算法 输出变量各模糊集合 的隶属函 数定义等 2 规则库 r u l eb a s e 规则库存放模糊控制规则 它基于专家知识或手动操作员 长期积累的经验 是按人的直觉推理的对被控对象进行控制的一个知识模型 这个模型建立的是否准确 将决定模糊控制器性能的好坏 在模糊控制中 通过一组语言描述的规则来表示专家的知识 专家知识通常具有如下的形式 i f 满足一组条件 t h e n 可以推出一组结论 例如 某模糊逻辑控制系统输入变量为e 误差 和e c 误差变化 它们对应 的语言变量为e 和e c 则可以给出一组模糊逻辑规则 r 1 i fei sn ba j l de ci sn st h e nui sp m r 2 i fei sn sa n de ci sn mt h e nui sp b 通常把i f 部分称为 前提部 而t h e n 部分称为 结论部 其基本结构可 归纳为i f a a n dbt h e nc 其中a 为论域u 上的一个模糊子集 b 是论域v 上一 个模糊子集 根据人工控制经验 可以离线组织其控制决策表r r 是笛卡尔乘 弓n 东华大学硕士学位论文 第四章电液比例阀控缸位置控制系统控制策略研究 积集u v 上的一个模糊子集 则某一时刻起控制量由下式给出 c a b or 4 8 上式中 表示模糊直积运算 o 表示模糊合成运算 规则库是用来存放全部模糊规则的 在推理时为 推理