随动控制系统应用探讨(比例控制).doc

东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要本文先以随动系统知识铺垫，学习随动控制系统的结构和定义，技术要求和发展现状，随动控制系统的应用领域在本文中也有提及。介绍了比例随动控制系统的定义及分类，同时也主要探讨了其在现实中的应用，并对其一些典型应用进行了简单探讨。并在此基础上完成了其液压系统的数学建模和基于simulink工具箱的系统仿真。第一章主要介绍了本文的研究目的，随动系统发展现状及背景，研究意义。第二章介绍了随动系统和比例随动系统的组成及定义。第三章介绍了比例随动系统的应用，并举例说明其简单的原理和功能，还概括性的列举了一些其他领域的应用。最后一章以液压比例随动系统为例，进行了数学建模和仿真。关键词：随动系统；比例控制；气动；液压abstractThis paper first to servo system knowledge matting, learn to go with dynamic control system structure and definition, technical requirements and the developing situation, servo control system application fields are also mentioned in this article. Introduces the servo control system of the proportion of definition and classification, but also the main discusses the reality, the application of some of its typical applications are also discussed. And on this basis completed its hydraulic system of mathematical modeling and simulation of the system based on simulink tool box. The first chapter of this paper mainly introduces the purpose, servo system development present situation and background, significance. The second chapter presents a dynamic system and proportion with servo system composition and definition. The third chapter presents the application of the system with dynamic ratio, and illustrates the simple principle and function, and the general enumerates some of the other areas of application. The last chapter of hydraulic proportional to follow-up system as an example, the mathematical modeling and simulation. Key words：Servo system; Proportional control; Pneumatic; hydraulic 目 录第1章 概述11.1 概述11.2 随动系统的背景11.3 研究意义2第2章 随动控制系统32.1 随动系统32.2 比例控制随动系统6第3章 比例随动系统应用探讨113.1 比例随动系统的应用探讨113.2 比例随动系统的典型应用153.3 比例随动系统其它应用领域163.4 比例随动控制的优缺点17第4章 比例随动控制系统仿真184.1 matlab仿真184.2液压系统数学模型建立214.3基于Simulink的PID仿真24结论27参考文献28致谢29第1章 概述1.1 研究目的随动系统（也叫伺服系统）是自动控制系统中的一类，是用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地重复输入信号的变化规律。随着科学技术的飞速发展，特别是微电子技术、计算机技术和电力电子技术以及其他技术的发展，伺服技术更是发展迅速，它的应用几乎遍及社会生产各领域。在这次设计中主要对比例随动系统的应用进行学习，不仅从整体着眼了解随动系统基本原则和要求，还添加了一些自己在设计中查阅相关资料的心得和一些新的计算方法。还有在论文设计的过程中，自己的电脑绘图能力也得到一些提升。本文是将比例控制应用于随动系统，即比例控制随动系统。本文的目的就是对其的应用进行学习和讨论，并能简单列举出简单的原理和功能。在文章的第二章中先就随动系统的定义和各项性能指标进行了简单的阐述，使读者更容易理解随动系统。1.2 随动系统的背景随动系统是自动控制系统中的一类，1934年第一次提出了伺服机构（Servomechanism），1944年世界上第一个随动系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论的发展，到 20世纪中期，随动系统的理论和实践均趋于成熟。在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的发展，随动系统应用几乎遍及社会的各个领域。它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现在已发展成为一门独立的学科控制论。在18世纪人们发明了两类机器：机器工具机和机器发动机，来代替人手和体力，开始实现机械化；在上世纪40、50年代即第二次世界大战期间及以后，由于军事和生产上的需要，自动控制技术开始迅速发展，发明了第三类机器机器控制器，来代替人的部分简单的管理工作，形成了自动控制系统；到50年代末，自动控制理论已经形成比较完整的理论体系，由于电子计算机技术的飞速发展，在客观上提供了必要的技术手段。随动系统作为自动化系统的一种，其研究和应用已较为广泛。从早期的模拟直流系统，到80年代后期的数字交流系统，随动系统大量应用于工业和国防领域。虽然新的控制结构和控制器不断出现，同时像自适应控制、最优控制、模糊控制、智能控制、神经网络控制等新算法也不断涌现。从实现手段上看，用单片机、可编程逻辑器件手段实现的较多，用专门嵌入式控制计算机实现的还不多见。实时控制应用是计算机应用的一个重要而极富潜力的方面。随着计算机技术的发展，实时计算机系统在工业控制、航空航天、交通管理、作战指挥控制系统的应用正越来越广泛。嵌入式实时应用是目前国内外蓬勃发展的方向之一，正被越来越多的研究和应用。由于它与一般计算机系统的差异，其开发系统与通用软件开发有明显不同，需要高实时性能的操作系统和开发环境。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使随动系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。1.3 研究意义 通过对随动控制系统的系统学习，然后再对比例随动系统有个初步的了解，为下面的应用讨论进行铺垫。比例随动控制系统应用领域非常广泛，主要是机械制造行业，运输行业，冶金工业，军事上。这就使得我们对比例随动系统进行学习和研究变得尤为重要，尤其是对其应用进行了解和学习。自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔35年就有更新换代的产品面市。传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，PWM调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。目前，新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。随动系统将向两个方向发展：一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。随动系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。随动的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。第2章 随动控制系统2.1 随动系统2.11 定义用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。随动系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。随动系统的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。随动系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。随动系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。2.12随动控制系统的结构组成机电一体化的随动控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比较环节等五部分。1.比较环节:是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。2.控制器:通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。3.执行环节:作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作.机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等。4.被控对象;机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。5.检测环节:是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。2.13 比例随动系统的分类随着科学技术的不断发展，组成随动系统的新型元件也不断出现，随动系统的结构形式日益多样，类型日益繁多。从随动系统组成的性质看，有全部由电气元件组成的电气随动系统；有全部由液压元件组成的液压随动系统；还有由电气、液压、气动元件构成的电气/液压随动系统、电气/气动随动系统等。随动系统的分类方法主要有以下几种：（一）按组成元件分类按随动系统组成元件的不同，可以将随动系统分为：电气随动系统、电液随动随动和电气/气动随动系统。电气随动系统的组成元件除机械部件外，均是电磁或电子元件。根据执行元件所采用伺服电机的不同，又将电气随动系统分为直流随动系统和交流随动系统两类。直流随动系统的执行元件是直流伺服电机；交流随动系统的执行元件是交流伺服电机。电液随动系统的误差测量装置、补偿、放大部件均为电气元件，而功率放大与执行元件则采用液压元件。电气/气动随动系统的误差测量装置、补差与前级放大部分为电气元件，而执行元件是气动元件。（二）按系统信号特点分类按照随动系统的信号特点不同，又可以将随动系统分为：连续随动系统、数字随动系统和脉冲/相位随动系统。连续随动系统传递的电信号是连续的;数字随动系统中传递的信号是离散的脉冲数字信号，数字信号要变成模拟信号去驱动执行元件，所以这种系统必须有模/数、数/模转换器；脉冲/相位随动系统又称锁相随动系统，这种系统的特点是输入信号为指令脉冲，输出也被转换成脉冲，按输入与输出脉冲的相位差来控制系统的运动。（三）按系统部件输入输出特性分类根据随动系统部件的输入输出特性可以将随动系统分成线性随动系统和非线性随动系统。线性随动系统各部件的输入输出特性在正常工作范围内均是线性关系，而非线性随动系统含有非线性输入输出特性的部件。严格的讲，任何一个实际的随动系统都是非线性的，不存在理想的线性系统。因为组成系统的某些元器件总是存在不灵敏或饱和。但只要不灵敏区处在系统允许误差范围之内，并且系统正常工作时没有进入饱和限，则称该系统是线性随动系统。只有系统正常工作，部件的输入-输出特性为非线性时，才称该系统为非线性随动系统。（四）按执行元件功率大小分类执行元件输出功率在50W以下的随动系统称为小功率随动系统；执行元件输出功率在50W到500W之间称为中功率随动系统；执行元件输出功率在500W以上的称为大功率随动系统。2.14比例随动控制系统的技术要求1.系统精度随动系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。2.稳定性随动系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力。随动系统正常运行的最基本条件是系统必须是稳定的，否则其他性能指标都是毫无意义的。随动系统的稳定性包括两方面的含义：一是通常意义的稳定性；另一方面是系统的稳定程度，或者说系统震荡的程度，指系统的相对稳定性。例如，一个系统虽然是稳定的，但在收到扰动作用后，震荡倾向很强烈，而震荡的衰减却很慢，这种系统的稳定度就很差。必须注意的是，稳定性只表示系统本身的一种特性，它决定系统结构与元件参数，与外部输入指令或扰动信号无关。3.响应特性响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。4.工作频率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围.当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求正常工作;而其它频率信号输入时,系统不能正常工作。2.15 应用随动系统的目的采用随动系统主要是为了达到下面几个目的：(1)以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。(2)在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。(3)使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。2.2 比例控制随动系统2.2.1 定义比例随动系统是一种比例反馈控制系统,因此,一定具有比例指令和比例反馈的检测装置，通过比例指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量，利用比例反馈装置随时检测得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样被控制机械的实际比例就能跟随指令变化，构成一个比例随动系统。比例控制阀加上电子控制技术组成的比例控制系统，可满足各种各样的控制要求。比例控制系统基本构成如图2-1所示。图中的执行元件可以是气缸或气马达、容器和喷嘴等将空气的压力能转化为机械能的元件。比例控制阀作为系统的电一气压转换的接口元件，实现对执行元件供给气压能量的控制。控制器作为人机的接口，起着向比例控制阀发出控制量指令的作用。它可以是单片机、微机及专用控制器等。比例控制阀的精度较高，一般为0.52.5FS。即使不用各种传感器构成负反馈系统，也能得到十分理想的控制效果，但不能抑制被控对象参数变化和外部干扰带来的影响。对于控制精度要求更高的应用场合，必需使用各种传感器构成负反馈，来进一步提高系统的控制精度，如图2-1中虚线部分所示。 压缩空气控制器比例控制阀执行元件传感器 控制量 压力 输入值 或流量 输出值图2-1 比例控制系统的基本构成2.2.2比例随动系统工作的基本原理比例随动系统工作原理：比例随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮系以及绳轮等基本环节组成，它通常采用负反馈控制原理进行工作，其原理图如图2-2所示。在图2-2中，测量元件为由电位器Rr 和Rc组成的桥式测量电路。负载就固定在电位器Rc的滑臂上，因此电位器Rc的输出电压Uc和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电桥的两端得到偏差电压U=Ur-Uc，经放大器放大后驱动伺服电机，并通过齿轮系带动负载移动，使偏差减小。当偏差U=0时，电动机停止转动，负载停止移动。此时=L,表明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。图2-2 比例随动系统的原理图2.2.3 比例随动系统的组成随着机电产品及电子元件的不断发展与完善，比例随动系统中各个环节均可采用多种不同的元器件来实现。组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。测量元件：是用来检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换为电量，如电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度转换成电压；测速发电机用于检测电动机的速度转换为电压。而光电编码器作为比例与角度的检测元件应用在计算机比例控制系统及计算机速度控制系统中。放大元件：其职能是将偏差信号进行放大，用来推动执行电机去控制被控对象。可用晶体管、晶闸管、集成电路等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大。执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有电动机等。减速器：其职能是实现执行元件与负载之间的匹配 由于执行元件常为高转速、小转矩的电动机，而负载通常均为低转速、大转矩，所以在执行元件到负载之间需要引入减速器以达到两者之间的匹配，减速器通常为一齿轮组。各部件结构与组成一、测量元件测量元件的种类：电位器、自整角机、旋转变压器、光栅、多极、感应同步器、光电码盘等。最常用的伺服电位器是接触式电阻变换器，或称为电阻式位移变换器，它是在输入位移的作用下，改变接入电路中的固定电阻，即改变其电阻值的大小。实际测量中通常将两个电位器并联构成桥式电路，用以测量系统位移误差的大小， 伺服电位器作位置检测元件线路简单，惯性小，消耗功率小，所需电源简单，且价格便宜，使用方便。缺点是位移范围有限，测量精度不高，容易磨损而造成接触不良，且寿命短。所以，一般电位器只适用于测量精度要求不高、位移范围的系统中。二、交流放大器交流放大器是由基本运算放大器和反馈网络等组成，因由电容的隔离作用，可降低漂移及噪声。三、调解环节在随动系统中，误差敏感元件的输出信号是交流信号，而我们以前分析研究的校正网络指在直流情况下进行的，所以在系统中必须引入一个交流信号变为直流信号的环节解调环节。线路图如图7所示。晶体管对接是为了减少残余电压：饱和时抵消饱和压降，截止时抵消反向电流。晶体管作为开关截止时断开、饱和时导通。型滤波电路用于减少输出的脉动成分。 工作原理： Vbe反偏，截止，Usr不能通过。Ut上负下正，Vbe正偏，又因为Usr0，Usc的正半波宽度负半波宽度，参见图2-6(b)。此信号经功率放大后电机正转。Us0，Usc的正半波宽度10 fc，同事还应当高于系统中所有回路的谐振频率，以防引起共振，供其上限受晶体管开关损耗和开关时间的限制，一般选2000Hz左右。 图2-6 脉宽调制的波形五、直流放大器和功率放大器直流放大器是为了满足静态及动态的性能指标，需要改变系统增益系数K而设定的。直流放大器由基本运放电路和反馈网络组成，且增益系数可调，在线性工作区可将其看作一比例环节。功率放大器在线性工作区同样是一比例环节。六、执行电机执行电机有很多种，应根据系统类型、功率、外形等要求进行合理选择。七、校正环节（1）串联超前校正 超前校正， 对有源校正，其传递函数为： 对无源网络，其传递函数为： ，其中， (2)串联滞后校正 滞后校正，有源滞后网络的传递函数为： ，其中， 无源滞后网络的传递函数为： ，其中，(3)并联校正a、速度校正进行并联的速度校正，可以提高电机的响应速度，且不会影响闭环系统的极点。输入：转角，输出：电压。传递函数： ，为发电机系数。为了使测速电机的输出电压可调，常常通常一个电位器进行分压再输出：b、速度微分校正传递函数： 式中参数、由环节本身的结构参数所决定 第3章 比例随动系统应用探讨3.1 比例随动系统的应用探讨3.1.1 气动比例随动系统气动比例伺服控制系统的性能虽然依赖于执行元件、比例伺服阀等系统构成要素的性能但为了更好地发挥系统构成要素的作用，控制器的控制量的计算又是至关重要的。控制器通常以输入值与输出值的偏差为基础，通过选择适当的控制算法可以设计出不受被控对象参数变化和干扰影响，具有较强鲁棒性的控制系统。下面列举了一些具体应用：1.张力控制带材或板材(纸张、胶片、电线、金属薄板等)的卷绕机，在卷绕过程中，为了保证产品的质量，要求卷筒张力保持一定。由于气动制动器具有价廉、维修简单、制动力矩范围变更方便等特点，所以在各种卷绕机中得到了广泛的应用。采用比例压力阀组成的张力控制系统中，高速运动的带材的张力由张力传感器检测，并反馈到控制器。控制器以张力反馈值与输人值的偏差为基础，采用一定的控制算法，输出控制量到比例压力阀。从而调整气动制动器的制动压力，以保证带材的张力恒定。在张力控制中，控制精度比响应速度要求高，建议选用控制精度较高的喷嘴档板型比例压力阀。2.加压控制图3-1为比例压力阀在磨床加压控制中的应用例子。在该应用场合下，控制精度比响应速度要求高，所以应选用控制精度较高的喷咀档板型或开关电磁阀型比例压力阀。应该注意的是，加压控制的精度不仅取决于比倒压力阀的精度气缸的摩擦阻力特性影响也很大。标准气缸的摩擦阻力要随着工作压力、运动速度等因素变化，难于实现平稳加压控制。所以在此应用场合下，建议选用低速、恒摩擦阻力气缸。系统中减压阈的作用是向气缸有杆腔加一恒压，以平衡活塞杆和夹具机构的自重。3位置和力的控制（1）控制方法采用电气随动控制系统能方便地实现多点无级柔性定位(由于气体的可压缩性，能实现柔性定位)和无级调速；比例随动控制技术的发展以及新型气动元件的出现，能大幅降低工序节拍，提高生产效率。随动气动系统实现了气动系统输出物理量(压力或流量)的连续控制，主要用于气动驱动机构的启动和制动、速度控制、力控制(如机械手的抓取力控制)和精确定位。通常气动伺服定位系统主要由气动比例伺服控制阀、执行元件(气缸或马达)、传感器(位移传感器或力传感器)及控制器等组成。图3-1 磨床加压机构气动系统的构成气动伺服定位系统的定位精度、动态特性主要取决于控制器算法和控制参数，控制器在系统中占有重要地位。控制器包括反馈控制电路和控制方法，应根据系统性能要求选择相应的控制策略。PID控制是古典控制理论的中心，在气动控制技术中得到广泛应用。其设计难点在于获得适当的比例、积分、增益系数，这些参数的获得需要大量实验，工作量大；PID控制不适于控制对象参数经常变化、外部干扰、大滞后系统等场合，需要利用现代控制技术，如采用神经网络与PID控制技术相结合，在线调整系统增益系数，抑制参数变化对系统性能带来的影响；也可以采用自适应控制方法、最优控制方法、鲁棒控制等设计控制器。（2）汽车方向盘疲劳试验机气动比例伺服控制系统非常适合应用于像汽车部件、橡胶制品、轴承及键盘等产品的中、小型疲劳试验机中。该试验机主要由被试体(方向盘)、伺服控制阀、伺服控制器、位移和负荷传感器及计算机等构成。要求向方向盘的轴向、径向和螺旋方向，单独或复台(两轴同时)地施加正弦波变化的负荷，然后检测其寿命。该试验机的特点是：a精度和简单性兼顾。b在两轴同时加载时，不易形成相互干涉。（3）挤牛奶机器人在日本ORION公司开发的自动挤牛奶机器人中，挤奶头装置的X、Y、Z、三轴方向的移动，是靠FESID伺服控制系统驱动的。XYZ轴选用的气缸(带位移传感器)尺寸分别为40l000、50X300和2500，对应的MPYE系列伺服阀分别为GI4、G18和G18。伺服控制器为SPC100型。以奶牛的屁股和横腹作为定位基准，XYZ轴在气动伺服控制系统的驱动下，挤奶头装置向奶牛乳头部定位。把位移传感器的绝对0点定为0V，满量程定为10V。利用SPC100的模拟量输人控制功能，只要控制输人电压值，即可实现轴的位置的控制。利用该功能不仅能控制轴的位置，电可实现轴的速度控制。即在系统的响应频率范围内，可按照输入电压波形(台形波、正弦波等)的变化，来驱动轴运动。在该应用例子中，定位对象是活生生的奶牛。奶牛在任何时刻有踢腿、晃动的可能。由于气动控制系统所特有的柔软性，能顺应奶牛的这种随机动作，而不会使奶牛受到任何损伤。在这种场合下，气动控制系的长处得到了最大地发挥。3.1.2 液压比例随动系统液压比例随动系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。电液随动系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。液压随动系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。具体应用：1. 炼钢中间包塞棒液压随动比例控制系统的应用塞棒的自动控制 该系统采用了伺服比例阀控制伺服液压缸的动作，伺服液压缸由奥地利Dorninger公司提供，通过滚轮导向的升降杆对塞棒进行控制，从而达到控制液流速度即控制结晶器内液面高度的目的。为防止钢水在塞棒上粘结，引起中包水口的堵塞，塞棒在位置调节的同时一直处于小幅低频振动状态，振动频率4Hz，振幅2mm。塞棒控制阀组放置在中包车上，通过固定在拖链上的胶管与来自液压站的管路联结。蓄能器作应急动力源，为停电状态下塞棒的自动事故关闭提供压力油源；同时吸收管路压力脉动，降低减压阀前压力波动，提高伺服比例阀入口压力稳定性。伺服比例阀控制液压缸的振动和移动，安装在油缸下部的位置传感器检测出油缸的位置，位置信号反馈到PLC，经过与输入指令信号比较计算，PLC通过放大器向伺服比例阀发出信号；同时伺服比例阀的阀芯位置检测信号也反馈给放大器，控制伺服比例阀的开启方向和大小，从而控制伺服液压缸动作的方向、速度和位移。其闭环位置控制方框图如图3-3所示。放大器伺服比例阀油缸反馈检测液压源塞棒 输入指令 指令 位置图3-3塞棒位置控制方框图伺服比例阀采用BOSCH产品，结构见图3-4。这是零遮盖的伺服比例阀，配备有一个比例电磁铁和一个位置传感器。电磁铁失电时，阀处于附加的第4位，可实现断电时的安全保护。图3-4 伺服比例阀结构1 阀体 2 阀芯 3 电磁铁 4 位置传感器2.液压伺服无级变速器液压无级变速器(简称变速器)最根本工作原理就是液压传动技术的容积式调速。为满足不同的使用场合的要求，变速器有着多种结构型式和容积调速方案以供选择使用。本文所提到的变速器采用了一体化的结构型式和变量泵定量马达的容积调速方式，是一种应用在除草机械上的变速器。它是由双向变量泵、双向定量马达、辅助油泵、低压溢流阀和高压安全阀等元件组成的闭式容积调速系统。变速器液压工作原理图和结构简图见图3-5。图3-5 液压无级变速器工作原理图1、变量泵 2、辅助泵 3、4、单向阀 5、定量马达 6、7、安全阀由图3-5可以看出，变速器的全部元件都安装在全封闭的机壳内。驱动力由变速器输入轴(l)输入，经滑块联轴器带动变量泵的转子(5)旋转。转子(5)中的球塞在变量泵定子内表面反力和转子离心力的共同作用下，沿本身轴线在转子的球塞孔中往复运动，完成吸油和压油过程。由变量泵压出的油液经配油轴的油道送入马达的球塞腔内，推动球塞运动。在液压力和马达定子内表面反力的共同作用下，驱动马达转子旋转，经滑块联轴器通过输出轴将动力输出。由马达排出的油液再经配油轴的油道返回到变量泵，使油液在系统中完成一次循环。配油轴同时完成为泵和马达配油的工作。辅助油泵通过单向阀随时向主回路充液，以保证液压系统的正常工作。高压安全阀用来限制主回路高压侧的最大工作压力，防止系统超载。通过变速手柄(4)可以改变变量泵的转子与定子的偏心距和偏心方向，使变量泵的排量和压油方向发生变化，从而实现对变速器的无级调速和输出轴旋转方向的控制。泵与马达之间的油路通过装在配油轴盘体内的两只单向阀与壳体沟通。两只单向阀分别起吸油及止回功能。当推动手动卸荷顶杆(6)到底时，打开两只单向阀使高压油腔接通，此时无论正反转(倒顺车)，都可使系统卸荷，使变速器处于安全制动状态。液压无级变速器有以下结构特点:1) 变速器的全部元件都安装在机体内，元件之间采用内连接形式联接。因而不会产生外泄漏现象，可靠性好，容积效率高。由于元件均在液压油中工作，磨损小，日常维修、保养工作量小，使用寿命长。2) 变速器的输入轴和输出轴由球轴承支承在机体中，并通过滑块联轴器分别与变量泵的转子和马达的转子相连接。由于配油轴与变量泵的转子、马达转子之间采用静压支承，使其能承受较大的径向力，工作性能稳定。3) 液压无级变速器外形规整，结构全封闭，使其对工作环境无污染，并具有防尘、防水等性能，可在工作环境比较恶劣的条件下作业。3.2 比例随动系统的典型应用机床主轴随动系统数控机床的给进随动系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台(即工件)相对于刀具运动的控制系统。因而，它是实现数控机床加工目的的关键环节，也是数控机床故障的高发区域。数控机床常见故障有三分之一以上发生在机床的进给伺服系统。数控机床进给伺服系统按照其有无检测装置以及检测装置的位置可分为开环、闭环、半闭环三类伺服系统，下面以闭环伺服系统为例。首先，我们先了解一下数控机床闭环进给伺服系统的构成及工作原理。 一、构成 数控机床的伺服系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。可参看下图： 二、原理 它以指令脉冲为输入给定值与反馈脉冲进行比较，利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被调量跟踪给定值。 给进随动系统的任务是完成各坐标轴的位置和速度控制，在整个系统中它又分为：位置环、速度环、电流环。 作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。3.3 比例随动系统其它应用领域机械制造行业：各种机床运动（主轴的旋转和刀具的进给运动）部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统配合，完成复杂的空间运动的控制。在运输行业：电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等。在冶金工业：电弧炼钢炉的电极位置控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都依靠伺服系统来实现，而无法由人工操作来代替的。军事上：伺服系统用的更为普遍，雷达天线的自动瞄准跟踪控制、高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制、飞行器的姿态驱动控制、载人飞船、精密的导航系统中，陀螺平台稳定系统、激光导引头的目标跟踪。机器人：手臂关节、六自由度的喷涂机械手的运动控制等。印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件。计算机外围设备：也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。3.4 比例随动控制的优缺点下面就以比例随动控制在电机上的应用来探讨它的优缺点：一、可靠性高，不易发生飞车事故。用模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制电压升至正的最大值。这种情况是很危险的。如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。二、信号抗干扰性能好。数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。当然目前由于伺服驱动器和运动控制器的限制，用脉冲方式控制伺服电机也有一些性能方面的弱点。一是伺服驱动器的脉冲工作方式脱离不了位置工作方式，二是运动控制器和驱动器如何用足够高的脉冲信号传递信息。这两个根本的弱点使比例随动系统在电机应用中有很大限制。(1)控制的灵活性大大下降。这是因为伺服驱动器工作在位置方式下，位置环在伺服驱动器内部。这样系统的PID参数修改起来很不方便。当用户要求比较高的控制性能时实现起来会很困难。从控制的角度来看，这只是一种很低级的控制策略。如果控制程序不利用编码器反馈信号，事实上成了一种开环控制。如果利用反馈控制，整个系统存在两个位置环，控制器很难设计。在实际中，常常不用反馈控制，但不定时的读取反馈进行参考。这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产生干扰，系统是不能克服的。(2)控制的快速性速度不高。本章小结本章节就比例随动系统的应用进行了讨论，并举例说明了一些典型应用，除了必要的文字说明，本章中还加了一些图片及原理的说明，使读者更容易理解和阅读，在末尾还对比例随动系统在电机中的应用，来论述其优缺点。第4章 比例随动控制系统仿真4.1 matlab系统仿真4.11 matlab简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。4.12 matlab的应用MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： （1）数值分析 （2）数值和符号计算 （3）工程与科学绘图 （4）控制系统的设计与仿真 （5）数字图像处理 技术 （6）数字信号处理 技术 （7）通讯系统设计与仿真 （8） 财务与金融工程 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。4.13 matlab的优势（1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 （2）简单易用的程序语言Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C+语言基础上的，因此语法特征与C+语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 （4）出色的图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 （5）应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了