毕业设计74内蒙古机电职业技术学院数控液压比例进给平台应用研究设计

毕业设计 数控液压比例进给平台应用研究 范国增 内蒙古机电职业技术学院 2007 年 5 月I 内蒙古机电职业技术学院 题 目 数控液压比例进给平台应用研究 指 导 教 师 ： 张秀玲 谢艳艳 设 计者 姓名 : 范国增 专 业 : 数控技术及应用 班 级 : 数控 04 06 II 目 录 摘 要 第 1 章 液压比例部分的设计与分析 7 1.1液压系统方案设计及确定 7 1.1.1液压系统方案的设计 7 1.1.2液压系统方案的确定 12 1.2液压元件的计算及选择 15 1.2.1液压泵的选择 15 1.2.2普通伺服油缸的选择 16 1.2.3比例方向阀的选择 16 1.2.4电磁换向阀的选择 17 1.2.5液控单向阀的选择 18 1.2.6油箱尺寸的确定 18 1.2.7滤油器的选择 19 1.2.8液压阀的配置形式选择 19 1.3液压比例系统的数学分析与建模 19 1.3.1四通阀控液压动力部件理论分析及建 模 19 1.3.2比例方向阀控液压缸数学建模 24 第 2 章 数据采集部分的设计与分析 30 2.1数据采集方式选择 30 2.1.1集中式数据采集方式 30 2.1.2分布式数据采集方式 30 2.1.3集中式与分布式联合数据采集方式 31 2.2数据采样频率的确定 31 2.2.1数据采样基本理论 31 III 2.2.2时域采样信号的 Fourier变换 32 2.2.3采样定理 34 2.2.4数据采集卡采集频率的确定 35 2.3数据采集卡的选择 36 第 3 章 控制部分设计与分析 38 3.1控制部分方案设计与选择 38 3.1.1控制部分方案设计 38 3.1.2控制部 分方案的选择 40 3.2比例方向阀闭环位置控制的特性分析 42 3.2.1带死区比例方向阀的死区特性 42 3.2.1死区线性系统的描述函数分析 44 3.3系统控制精度分析 45 3.3.1数据采集卡 A/D转换的精度 45 3.3.2传感器的精度 47 3.3.3工作平台的加工及装配精度 47 3.3.4工作平台的位置控制方式 48 3.4控制算法分析 48 3.4.1现代控制策略简介 48 3.4.2PID 控制方式 49 3.4.2.1 连续系统 PID控制算法 49 3.4.2.2 离散系统 PID控制算法 51 3.4.2.3 增量式 PID控制算法 52 第 4 章 工作平台的数据处理及相关问题分析 55 4.1工作平台总体实现功能简述 55 4.1.1工作平台的功能 55 4.1.2工作平台的工作过程 55 4.2实现的方式 56 4.2.1系统进给方式分析 56 IV 4.2.2系统控制软件编程 57 4.2.2.1 编程开发平台及运行环境 57 4.2.2.2 程序流程图 58 4.2.2.3 控制软件主要部分介绍 59 4.2.3试验数据分析 61 4.3 系统液压部分所遇问题及相关分析 67 4.3.1侵入控制对液压系统的影响及改进措施 67 4.3.2液压爬行现象及处理 69 4.3.3液压油污染与控制 71 参考文献 75 致 谢 78 摘 要 I 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 PID 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； PID 理论；2 第 1 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。 1.1 液压系统方案设计及确定 1.1.1 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。 普通液压缸液控单向阀三位四通换向阀调速阀图 1-1 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，采用三位四通电第 4 章 控制部分的设计与分析 3 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。 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 50Hz 以上，有些高频响应伺服阀其频宽可达几 KHz ，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置，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4 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， 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。 为配合伺服阀的高精度，高灵敏性，在伺服液压系统中必须采用高性能伺服 三位四通伺服阀高性能伺服油缸图 1-2 伺服阀组成的液压系统 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。本系第 4 章 控制部分的设计与分析 5 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。 比例调速阀普通伺服油缸液控单向阀普通三位四通换向阀图 1-3 普通换向阀与比例调速阀组成的液压系统 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（ V100 之间）转换成相应的电流6 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。 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，比电液换普通伺服油缸液控单向阀三位四通比例换向阀图 1-4 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 0.250.8aMp之间，采用电液比第 4 章 控制部分的设计与分析 7 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（ 1015% 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， -3dB 频宽一般在 325Hz。 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因素不能忽略，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。 1.1.2 液压系统方案的确定 从表 2-1 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 特性 比例阀 普通开关阀 伺服阀 8 介质过滤精度 /m 20 25 3 阀内压降 /MPa 0.52 0.255 7 稳态滞环（ %） 13 1 重复精度 （ %） 0.51 0.5 频宽（ Hz/-3Db） 25 20200 中位死区 有 有 无 价格因子 1 0.5 3 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一个数量级，比电液换向阀 略高或者相当，第 4 章 控制部分的设计与分析 9 单阀口压降约在 0.250.8Mp 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（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10 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。 1.2 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 : 40 mm(GB/T2348-1993) 额定压力： 2.5MPa(GB/T2346-1988) 第 4 章 控制部分的设计与分析 11 行程： 200mm(GB2349-1980) 最大进给速度： 200mm/s 2.2.1 液压泵的选择 (1)、液压缸工作压力的确定 ppp P 1 （ 1-1） 1p 液压执行元件的最高工作压力， 1p pp 是液压泵的最大工作压力 p 泵到执行元件间总的管路损失 对于本系统，最高工作压力是工作台加速时推杆推力 1p 2aMP。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 p 0.5aMP液压泵工作压力为aP MPp 5.25.02 液压泵流量 )(ma xQKQ P，根据实际情况取泄漏系数为 1.1 则 m in/5.16151.1 LQ P (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 PPPQpP （ 1-2） p 为泵的总效率，取为 0.8 计算可得所需的电机功率是 1kW 根据以上计算数据，选择的液压动力部分为 YCHP-1.1-16 电机泵组，该泵组由一个齿轮泵，一个三相电机，一个单向阀，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12 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。 1.2.2 普通伺服油缸的选择 由平台基本参数知选定内径为 40mm,行程为 200mm 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 G40 型普通伺服油缸。其自身配置的传感器为 WYD 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。 1.2.3 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 ATOS 公司生产的比例阀。型号为： DHZO-T-07 3-L3。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： DHZO 表示该阀的设计符合ISO 06 标准； T 表示该阀配有内部传感器，可以进行闭环控制； 07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，第 4 章 控制部分的设计与分析 13 A、 B、 T 口为负遮盖；阀芯形式是 L3,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 YX 型中位节流阀芯，这种阀用于面积比接近 1： 1 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 YX 型。 该阀的主要技术参数如下： 响应时间（ ms）： 15 滞环（ %）： 2 . 0 重复精度： %1.0 换向频率： 15 20Hz 比例方向阀 DHZO-T-07 3-L3 主要静态性能曲线如图 2-5 所示 : 输 入 信 号 最 大 值 的 百 分 比 压 降 （ b a r )p=30bar时的最大流量流量图 2-5 比例方向阀的主要静态性能曲线 1.2.4 电磁换向阀的选用 该电磁换向阀用于控制液控单向阀准确的开启与关闭，从而使14 液压油缸可靠的锁定在目标位置处，因此该阀所要求的功能为准确的执行两位换向功能。选择的电磁换向阀为两位四通普通电磁换向阀，其型号为 DG4V-3-6C-N-D24。该种电磁阀配有强吸力的湿式电磁铁，油道设计合理，具有压力损失小、拆卸方便的特点，因为是湿式电磁铁，所以寿命长、噪声低且不易向外渗 油，动作稳定可靠。 1.2.5 液控单向阀的选择 液控单向阀的功能就是把缸锁定在某一位置，防止定位后，在外力作用下缸移动，导致定位不可靠。液控单向阀必须选择外控形式，因为电磁比例阀为正遮盖，在阀芯未到中位时， P 油道已经关闭，这样，如果用内控单向阀，则阀两端的压差就大，导致单向阀的锁定功能失效，所以，液控单向阀选择为外控式，这样可在普通换向阀的控制下，通过准确开启与关闭，从而保证油缸驱动工作平台可靠地定位于任意一点。液控单向阀的结构形式选择为插装式。插装式的特点是：内阻小，适宜于大流量工作；阀口采用锥面密封， 泄漏小；结构简单、工作可靠、标准化程度高；适宜液压系统的集成化，大量减少了管道联接件及由管道引起的漏油、震动、噪声等故障；对于较复杂的液压系统可以显著地减小尺寸和重量。 1.2.6 油箱尺寸的确定 油箱的主要作用是储存液压油和散热，同时兼有分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用，油箱可分为开式油箱和闭式油箱两种。闭式油箱一般由于压力油箱内充压力的惰性气体，充气压力可以达到0.05aMP。开式油箱中油箱盖上装有空气过滤器，因此油液液面与大气相通，开式油箱具有结构简单、安装维护 方便的特点，是一种普遍选用的油箱结构形式。考虑本实验室的具体情况，油箱定为开式油箱。 采用经验公式：VaQV（ 1-3） 第 4 章 控制部分的设计与分析 15 V 为油箱容积， a 为经验系数， VQ 为液压泵每分钟排出压力油的容积 表 2-2 各种液压系统经验系数取值表 系统类型 行走机械 低压系统 中压系统 锻压机械 冶金机械 A 1 2 2 4 5 7 6 12 10 LV 604316 定各边长宽高数据为 500 300 400(mm3)。 1.2.7 滤油器的选择 液压系统中，一个敏感的问题就是介质（液压油）过滤精度。如果进入油泵的油液中含有超过液压系统过滤精度要求的固体物质，对液压元件和系统造成的危害有：加速磨损，降低性能，缩短寿命，堵塞阀内阻尼孔，卡住运动件引起失效，划伤表面引起漏油甚至使系统压力大幅下降。因此，如同在上述液压系统的方案设计论述中所列出的表格中显示的一样，液压 系统对介质的过滤精度都有不同程度的要求，应该说，介质过滤精度的要求与能实现的控制精度成比例，伺服系统要求最严格，其次就是比例控制系统，要求最低的就是普通的液压系统。在本液压平台的设计中，为了达到比例控制系统所要求的介质过滤精度（ 25 ），采用了进油路安装普通过滤器，进行粗滤，选用的吸滤器型号 8063 WU ;在回油路，选用2025 LHN 的回油精滤器；这样布局的好处有： 1、可以达到该系统所要求的过滤精度。 2、采用回油精滤可以形成一定的背压，可以防止油缸在启动时产生突然的前冲。 1.2.8 液压阀的配置形式选择 液压阀的配置形式现在主要分为：板式和集成式配置两种形式。板式配置是将板式元件及其底板固定安装在板上，用油管连接成液压系统，其优点是元件更换方便，但是配管工作量大，所需安装空16 间大。 集成式配置方式主要有集成块式和叠加式，集成式配置是用标准回路集成块或自行设计的典型回路集成块拼凑成各种液压系统，集成式配置的优点是：结构紧凑、体积小、节省管件，减少了泄漏，在实际工程中得到广泛应用。本液压系统采用的液压阀的配 置形式为集成式。 1.3 液压比例系统的数学分析与建模 1.3.1 四通阀控液压动力部件理论分析及建模 单出杆活塞液压缸的两液压腔面积比接近于 1： 1，所以对称缸与图 2-6 中的单杆活塞缸在理论上可以适用。 为了简单和应用线性控制理论分析其动态特性，作两点假设： 1、阀结构理想对称； 2、能源压力绝对恒定。 系统原理图如 2-6 所示。 22P图 2-6 四通阀控液压缸原理图 根据流量连续性原理，可列出液压缸两腔流量连续方程： 第 4 章 控制部分的设计与分析 17 dtdxAdtdpVppcq pPeip 111211 )( （ 1-4） dtdxAdtdpVppcq PPeip 222212 )( （ 1-5） 式中， 21,qq 为流入进油腔、流出回油腔的流量； px 为液压缸位移； 等号右边四相分别是内泄、腔内油压变化和活塞运动所消耗的流量。显然，腔内液体压力变化（压缩或膨胀）所消耗（或放出）的流量与油液体积、油液体积弹性模量e有关。 考虑在稳态位置附近变化，并取平均负载流量变化),(21 21 qqq L 则有 )(21)(2)( 2221112121 pdtdVpdtdVxdtdAppcppcqeepPePiPL （ 1-6） 当忽略负载压差对两腔体积弹性模量差异的影响时取eee 21，并将稳态位置取在液压缸的中间位置时（在中间位置附近工作时，液压动力部件有最低固有频率，常以次为设计的基本出发点）， 221 tVVV ，则上式变为 LetPPLtpL pdtdVxdtdApcq 4 （ 1-7） 式中，tpc 为液压缸总泄漏系数 2epiPtP ccc ; iPc 为两工作腔间泄漏（内泄）系数； 18 epc 为工作腔外的泄漏（外协）系数； PA 为活塞有效面积； Lp 负载压力增量； Px 为活塞位移增量； e 为油液有效体积弹性模量； tV 为液压缸总行程容积（含阀、联接管道容积） 根据活塞上的力平衡方程，可得 )(22 tFKxdtdxBdt xdMpA LPPPPtLP （ 1-8） 式中，tM 为活塞及由负载质量折算至活塞上的总质量； PB 为活塞及负载运动中的粘性摩擦系数； K 为弹簧负载刚度； )(tFL 为与负载运动参量无一定依从规律的外力，一般称为力干扰； 若写成增量式，上式变为： PLPPPPPPPtL A tFxAKxdtdABxdtdAMp )(22 （ 1-9） 将式 (2-7)与（ 2-9）联立，引入阀线性化流量方程式 LLLVVLL ppqxxqq 或 LcVqL pkxkq qk 为阀流量 -位移增益，VLq xqk ； ck 为阀流量 -压力系数（阀柔度），LLc pqk 第 4 章 控制部分的设计与分析 19 消去中间变量 Lq 和 Lp 并用微分算子 s 代替 dtd （即拉普拉斯变换）后得到动态位移输出如下： 222222322)14()4(4)14(PcePcePPetPetPPtcePettLceetPceVPqPAKksAkBAKVsAVBAMksAMVFskVAkXAkX （ 1-10） 式中，cek 为包括泄漏在内的压力 -流量系数，ipcce ckk ； PV XX , 为阀芯、液压缸位移的拉氏变换； LF 为力干扰拉氏变换； 在本实验平台中，液压动力部件所拖动的负载（力干扰除外）主要是惯性负 载。这时，弹性负载小，可以忽略，即 0K ，这样，（ 2-10）可写成 sAkBsAVBAMksAMVFskVAkXAkXPcePPetPPtcePettLceetPceVPqP)1()4(4)14(222222 （ 1-11） 因上式分母中第三项中的2PcePAkB 可以写成 dtdxAAppkdtdxBAkBPPPLLcePPPceP2 （ 1-12） 则dtdxB PP 是粘性摩擦力； 20 PLAp 式液压油缸总输出力，粘性摩擦力总是远远小于总输出 力； Lcepk 是由于泄漏等因素引起的流量损失，dtdxA PP 是液压缸活塞运动时所需流量，两者相比也是远小于 1 的。因此， 112 PcePAkB 于是，（ 2-11）可写成 ssAVBAMksAMVFskVAkXAkXPetPPtcePettLceetPceVPqP1)4(4)14(22222 （ 1-13） 或 )12()14(222sssFskVAkXAkXhhhLceetPceVPqP （ 1-14） 式中，h 为动力部件液压固有（自然）频率； hK 为液压弹簧刚度； h 为液压阻尼比； thh MK=ttPe VMA 24 tPeh VAK 24 tetPPttePceh MVABVMAk 4第 4 章 控制部分的设计与分析 21 1.3.2 比例方向阀控液压缸数学建模 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因素不能忽略，需要同时考虑其时域和频域的动态特性。 基于比例方向流量阀构成的比例控制系统不仅需要考虑大信号时域动态特性，而且也应考察在某一工况点附近的小信号频域特性，故本节分别建立其非线性动态数学模型和线性化动态数学模型。（在本课题采用的液压系统中，使用的液压缸 为面积比接近于 1： 1 的单出杆活塞缸，在误差允许的范围内，与下图所示的对称缸可进行同样的分析）。 模型结构图如图 2-7 所示： 2 2图 2-7 比例阀控液压缸原理图 1.3.2.1 非线性数学模型 1力平衡方程 对于比例阀 fxvsxvxvxtiM FxkdtdxBdt xdmiikF 2)(220（ 1-15） 22 fxF为阀芯上液动力，如只计稳态液动力，则 )(69c os2 210 Rsdvvdfx ppppxxwccF （ 1-16） 式中， MF 为比例电磁铁推力，vtxtiM xkikF ； txti kk, 为比例电磁铁电流 -力增益、位移 -力增益； xx Bm, 为比例电磁铁 -阀芯质量、阻尼系数（含反电动势电磁阻尼）； vsx xk , 为阀对中弹簧单根刚度、阀芯位移； ii,0 为比例电磁 铁起始电流、控制电流（ 0i 用于避开电磁铁吸力特性的非线性影响）； dx 为阀芯零位重叠量； Rs pp, 为阀共油压力、回油背压力， constpconstpRs ,； 21,pp 为执行元件两腔液压力； vd cc, 为阀口流量系数、流速系数； w 为阀口 位移 -面积增益； 对于液压执行元件 )()()(2221 tFxxKdtdxBdtxdMAppLpPOpPptP （ 1-17） 2连续性方程 对于液压缸容腔 21,VV : PPXAVV 101（ 1-18） 12 VVV t（ 1-19） 12111111 )()(2)()( pcppcdtdxAppxxwcdtdppV ePiPPPsdvde 第 4 章 控制部分的设计与分析 23 （ 1-20） 22122222 )()(2)()( pcppcdtdxAppxxwcdtdppV ePiPPPRdvde （1-21） 式中， 21,VV 为液压缸左、右腔容积； 10V 为 1V 的初值； tV 为液压缸工作腔及其相连油道总容积，一般0tt VconstV ； )(),( 221 pp eei 为与压力有关的油液等效弹性模量； ePiP cc , 为液压缸的内外泄漏系数； 为油液密度， const 。 在初始工况已知的条件下，对上述方程式进行数值积分，即可由i 开始求的从 vvv xxx , 至 2121 , pppp 再到 2121 , eeppP VVxxx 各状态变量的时域动态特性，并求出输出 Px 对输入 i 的动态响应和对于干扰)(tFL 的动态误差。 1.3.2.2 关于线性化数学模型 考虑在某给定工况点 ),(20210100 VVVVxxpp vvLL 附近工作时， 1.力平衡方程 对于比例阀： tik i = 22dt xdm vx + dtxdB vx + vtxsx xkk )2( + fxF （ 1-22） LfPvfxfx pkxKF （ 1-23） 对于液压缸： 24 )(22 tFxKdt xdBtd xdMAp LPPPPtPL （ 1-24） 式中： Lp 为负载压力增量， )( 21 ppp L ； )(96c os2),(69c os20000 dvvdfpLRsvdfx xxwcckpppwcck ； 2连续性方程 111 110 pcpcdtxdAqdt pdVePLipPPe （ 1-25） 222 220 pcpcdtxdAqdt pdVePLipPPe （ 1-26） 式中，一般可按aeee MP700021 ， 2/2010 tVVV 进行分析。当2010 VV 时，活塞处于油缸中间位置，此时，液压动力部件具有最低 固 有 频 率 。 这 样 ， 将 （ 2-25 ） 减去 （ 2-26 ） 并取LcvqL pkxkqqq )(21 21便可以的下式 LetpPLtPLcvq pdtdVxdtdApCpkxk 4 （ 1-27） 式中符号同 （ 1-7） ，将式 （ 1-24）和（ 1-27） 联立，并使用微分算子 s 代替dtd，可得与 （ 1-10） 完全相同的形式。 将式 （ 1-22）、（ 1-23）、（ 1-24） 联立并进行拉氏变换可得 )()2()()()(22sXkkk s xsBsmsXKsBsMsFAkkvtxfxxxPPtLPftiP 第 4 章 控制部分的设计与分析 25 （ 1-28） 令xtxfxsxm mkkkw 2 ，)2(2 txfxsxxxmkkkmB； 式 （ 1-28） 变为： )(12)2()()()()(222sXswmwskkksXKsBsMsFAksIkVmmtxfxsxPPtLPfPti(1-29) 由式 （ 1-10） 和式 （ 1-29）可画出该直动比例方向阀控液压缸的系统方块图，如图 1-8 所示。图中出现了一条负载压力反馈回路，和电液伺服系统相 比，由于比例阀阀芯位移Vx和阀口的面积 位移增益 均比较伺服阀大，因此，液动力的压力增益fpk较大，因此，比例阀组成的控制系统中不能忽略负载动态对比例阀特性乃至系统的影响，可知，比例方向阀的特性在一定程度上依赖于负载的动态。 26 图 1-8 比例阀控液压缸特性图 第 2 章 数据采集部分的设计与分析 2.1 数据采集方式的选择 数据采集一般来讲，按照制造系统的规模大小和复杂程度，所采用的数据采集方式有如下 3 种。 2.1.1 集中式数据采集方式 对于生产规模不大，较简单的系统可采用这种方式。系统中的所有传感器全部直接与数据采集系统相连接，由一台工控机便可完成全部数据采集及处理功能。这种数据采集系统结构简单，实现容易，使用和维护方便，成本低廉。具体形式如图 3-1 所示 第 4 章 控制部分的设计与分析 27 设备信号 文字信号数据采集卡传感器系统计算机软件图 2-1 集中式数据采集示意图 2.1.2 分布式数据采集方式 其框图如图 3-2 所示 对于规模适中不太复杂 生产线，如果生产线上单体设备不多且各单体设备间距离较大，采用这种方式较合适。将系统中需采集的信号进行适当分组（如按地域远近分组），在地域上相对集中的信号分为一组，由一个数据采集站完成该组数据采集任务，多个数据采集站共同完成整个生产过程的数据采集任务。 28 传感器系统数据采集站1各 种 目 标 采 集 量传感器系统数据采集站N数据采集服务器图 2-2 分布式数据采集示意图 各数据采集站之上设有数据采集服务器，负责对各数据采集站进行管理，整个数据采集系统构成一个独立的局域网。这种系统结构复杂，成本较高，但使用和维护并不复杂，且具有网络功 能，是目前大中型制造系统的主要数据采集方式之一。 2.1.3 集中式与分布式联合数据采集方式 对于大规模复杂制造系统一般都采用这种方式。这种数据采集方式实际是前 2 种方式的组合。 在本课题中，数据采集形式简单 通过变压器式位移传感器采集数据，采集参数单一 采集液压缸（工作台）的实际行程，所以根据实际的情况选用的数据采集方式是集中式数据采集方式。 2.2 数据采样频率的确定 2.2.1 数据采样基本理论 数据采集系统中采用计算机作为处理机。众所周知，计算机内部参与运算的信