基于单片机的液压伺服控制系统控制案例

1、广东工业大学硕士学位论文基于单片机的液压伺服控制系统研究姓名：费重程申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王钦若20090531摘要摘要随着现代汽车工业、电子技术、以及国防工业的发展，国内市场对板材加工设备尤其是高速冲压设备的需求越来越大。然而目前国内高速冲压设备所用的液压伺服控制系统几乎全部采用进口，因此其成本高，不适应我国国情，开发适合我国现状的液压伺服控制系统成为目前研究的一个重要课题。本研究课题是“基于单片机的液压伺服控制系统研究”，是依托东华机械有限公司的转塔式数控冲床，对其液压伺服控制系统进行研究，以期研制出一套可靠性高、成本低、体积小的控制器，用于控制转塔数控冲床冲

2、头的位置，使其快速、准确地对板材进行加工，可以完成冲压、成型、打标、软切削等工序。本文首先根据液压伺服控制系统的分类提出了机液伺服控制系统、气液伺服控制系统和电液伺服控制系统三种控制方案，通过对三种方案的比较和分析，结合数控转塔冲床对液压伺服控制系统的性能要求，确定以电液伺服控制系统作为本课题的方案，然后对该方案中的主要元件进行选型。然后，对系统进行了建模分析，建立了电液伺服阀控非对称缸的数学模型，在文中，对于电液伺服阀的模型，本文直接采用了相关文档给定的传递函数，而对于阀控缸的建模，本文对其进行了详细的推导，并且充分考虑了不同压差对液压系统参数的影响，从而确定了不同工况下系统的传递函数。此后

3、，为系统设计了模糊控制器，详细介绍了模糊控制器的设计，分别包括参数的整定方法和优化方法，以及采用中的编辑器进行模糊控制器的设计。并运用的工具，对系统进行仿真，将模糊控制与常规的控制仿真进行了比较，通过比较分析可以得出模糊控制方法取得良好的控制效果。最后，对基于单片机控制器的硬件电路做了详细介绍，并阐述了系统的可靠性和稳定性设计的一些方法。本文的研究，为液压伺服控制系统的设计提供了理论依据，控制器硬件电路的设计，为后续的研发工作奠定了基础，具有一定参考价值。广东业大学硕：仁学位论文关键词：液压伺服控制系统：建模；模糊控制；单片机：总线；，”，：、，；，广东丁业大学硕士学位论文，：；广东工业大学硕

4、士学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。论文作者签字：指导教师签字：费童柱彤疑如。年多月多日第一章绪论本课题的背景和意义第一章绪论弟一早三百匕课题

5、的研究背景液压伺服控制系统是在液压传动和自动控制理论基础上建立起来的一种自动控制系统。在这种系统中，输出量（如各种形式的物理位移量）能够自动、快速而准确地复现输入量的变化规律。由于执行元件是液压拖动装置所构成，所以称为液压伺服控制系统。上世纪中叶以后，液压伺服控制技术才在工业、军事上真正被推广使用。早在第二次世界大战期间，由于军事发展需要，特别是武器和飞行器控制系统的需要，使液压伺服控制技术得到很大的发展，主要用于飞机的操作系统、雷达跟踪、导弹的位置控制和坦克火炮的稳定装置；在民用工业中，用于数控机床、张力控制、材料试验机等等心，。由于液压伺服控制系统具有以下的优点：液压执行机构的动作快，换向

6、迅速；液压执行机构的体积和重量远小于相同功率的机电执行机构的体积和重量，因为随着功率的增加液压执行机构的体积和重量远比机电执行机构增加的慢，主要是前者主要靠增大液体流量和压力来增加功率，虽然动力机构的体积和重量也会因此增加一些，但却可以采用高强度和轻金属材料来减小体积和重量；液压执行机构传动平衡、抗干扰能力强，特别是低速性能好，而机电系统的转速平稳性较差，而且易受电磁波等各种外干扰的影响；液压执行机构的调速范围广，功率增益高，。课题的研究意义目前，液压伺服控制系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化和工业自动化的一个重要方面，凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都已经有了广泛应用。在国防工

7、业中，如飞机的操纵系统导弹的自动控制系统、火炮操纵系统、坦克火炮稳定装置、雷达跟踪系统和舰艇的操舵装置系统等。在一般工业中，用于机床、冶炼、轧钢、铸锻、动力、工程机械、矿山机械、建筑机械、拖拉机、船舶等系统中心，。目前我国市场对数控板材设备的年需求量为台，市场广东业大学硕十学位论文总值人民币亿元，而对这些数控板材设备加工的核心部分是液压伺服控制系统，而我国的液压伺服控制系统却一直依赖于进川，因此液压伺服控制系统的研究与发展对国防工业和民用工业对实现四个现代化超赶国际先进水平都具有相当重要的意义，为了提高我国数控加工设备技术水平，降低生产成本，使液压伺服控制系统国产化。本文通过借鉴国内外的先进技

8、术，依托东华机械有限公司的转塔式数控冲床，对液压伺服控制系统进行分析研究。国内外研究现状的分析国外发展状况液压伺服控制技术是一门新兴的科学技术。历史并不长，直到年代至年代以后才逐渐发展起来，并形成一门学科。它不仅是液压技术中的一个分支，还是控制领域的一个重要组成部分。第一次世界大战前，液压伺服控制已开始应用于海军舰艇中，作为操舵装置。到第二次世界大战期间及以后，由于军事的刺激，自动控制特别是武器和飞行器的研究得到了快速的发展。液压伺服控制因响应快、精度高、重量轻、尺寸小和抗负载刚度大等特点而受到特别的重视，特别是近几十年来，由于整个工业技术的发展，尤其是军事和航空航天技术的发展，促使液压伺服控

9、制得到迅速发展。使这门技术在理论和应用方面都日趋完善和成熟，形成一门新兴的科学技术。机械液压伺服控制出现较早，主要用于飞机上的液压助力器。年底，首先在飞机上最早出现了电液伺服系统。该系统中的滑阀由伺服电机驱动，作为电液转换器。由于伺服电机惯量大，使电液转换器成为系统中时间常数最大的环节，限制了电液伺服系统的响应速度。直到年代初，才出现了快速响应的永磁力矩马达，形成了电液伺服阀的雏形。年代末，又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀，从而进一步提高了伺服阀的快速性。年代，各种结构的电液伺服阀相继出现，特别是干式力矩马达的出现，使得电液伺服阀的性能日趋完善。由于电液伺服阀和电子技术的不断进步，使

10、电液伺服系统得到了迅速的发展。随着加工能力的提高和电液伺服阀工艺的改善，使电液伺服阀的价格不断降低，出现了抗污染和工作可靠的工业用廉价电液伺服阀，电液伺服系统开始向一般工业中推广【第一章绪论近年来，随着对工作精度、响应速度和自动化程度等要求的提高，液压控制技术从传统的机械、操纵和助力装置等应用场合开始向航空航天、海底作业和车辆与工程机械等领域扩展。在这种情况下，仅采用液压控制技术己难以满足上述应用场合提出的要求，因此，机、电、液一体化技术应运而生；年代末至年代，计算机技术的发展为电子技术和液压技术的结合奠定了基础随着技术的发展，液压伺服控制的应用领域也不断拓展，几乎囊括了制造业、建筑业、农业及

11、环保、矿山冶金业、能源、电力电子、交通、航空航天、文化体育等国民经济的各个部门，液压传动与控制己成为现代机械工程的基本要素和工程控制的关键技术之一。国内发展状况新中国建立之前，无液压工业可言。可以说，我国的液压传动与控制技术是随着新中国的建立、发展而发展起来的。迄今为止，大致经历了创业奠基、体系建立、成长发展、引进提高等几个发展阶段。世纪年代初期，我国液压技术主要仿前苏联的液压元件。进入世纪年代，液压技术的应用从机床行业逐渐推广到农业机械和工程机械等领域，我国的液压技术开始走上自行开发设计的道路。一方面引进国外液压元件技术、制造加工和实验设备，另一方面联合开发设计了中低压系列液压元件；并先后研

12、制成功了喷嘴挡板式电液伺服阀、完成了高压轴向塞泵和高压液压阀系列设计。经过近半个世纪的努力，我国液压行业已形成了一个门类比较齐全，有一定生产能力和技术水平的工业体系。据年全国第三次工业普查统计，我国液压工业中，乡及乡以上年销售收入在万元以上的国营、村办、私营、合作经营、个体、“三资”等企业共有约家，形成了国内自行开发、引进技术制造、合资生产、仿制消化的多元格局。按年国际同行业统计，我国液压行业总产值亿元，居世界第位。年液压行业工业总产值达约亿远，首次突破亿元，创历史最好水平。但是，我国的液压工业与发展需求和世界先进水平相比，尚存在不少差距，主要反映在：（）产品品种少，水平低，质量不稳定，可靠性

13、差。而机电一体化的元件和系统，国内尚未广泛应用。（）专业化程度低，规模小，经济效益低。广东工业大学硕士学位论文（）科研开发力量尚较薄弱，技术进步缓慢。（）本行业产品尚未打开国际市场论文的主要研究内容本课题主要是依托东华机械有限公司的转塔式数控冲床，对液压伺服控制系统的高速化和智能化进行了研究，在此基础上对系统的控制器进行了硬件设计，最后提出了一些简单的硬件抗干扰策略。论文的主要内容和结构安排如下：第一章首先介绍了课题的背景和意义，然后分析了液压伺服控制系统的国内外发展状况与发展趋势，最后提出本课题的研究内容。第二章提出了机液伺服控制系统、气液伺服控制系统和电液伺服控制系统三种控制方案，通过对三

14、种方案的比较和分析，确定以电液伺服控制系统作为本课题的方案，然后针对该方案对系统中的主要元件进行参数计算和选型。第三章建立了电液伺服阀控非对称缸的数学模型，在建模时，对于电液伺服阀，本文直接采用了相关文档给定的传递函数，而对于阀控缸的建模，本文对其进行了详细的推导，并且充分考虑了不同压差对液压系统参数的影响，从而确定了不同工况下系统的传递函数。第四章设计了模糊控制器，详细介绍了参数的整定方法和优化方法，并采用了中的编辑器进行模糊控制器的设计。然后运用的工具，对系统进行仿真。并将模糊控制与常规的控制仿真进行了比较，通过比较分析可以得出模糊控制方法取得良好的控制效果。第五章本文对系统中控制器的硬件

15、电路做了详细介绍，首先确定了硬件的整体框架，然后对框架中的电路模块做了详细介绍，分别包括：单片机最小系统、电源电路、电液伺服阀驱动电路、位移检测电路、通讯接口电路和接口电路，最后对系统的可靠性和稳定性设计进行了简单介绍。本章小结本章主要介绍了课题研究的背景和意义；然后分下了国内、外液压伺服控制系统的现状和发展趋势，最后介绍了论文的主要研究内容和结构安排。第二章整体方案及相关参数的确定第二章整体方案及相关参数的确定方案的提出与确定系统设计技术指标本课题是基于东华机械有限公司的转塔式数控冲床液压控制系统的研究，该数控冲床主要应用于对工件进行冲孔加工或冲压成形。由于不同的加工方式对系统的压力和冲头的

16、速度都有不同的要求，例如在冲孔方式下，系统要求冲头以最大的速度下降对工件加工，并且要快速上升返回；而在成形方式下，系统要求冲头以较快的速度下降，接近工件时冲头速度降低而系统压力升高，从而确保对工件的准确冲压成形，冲压成形后冲头又要以最快的速度上升¨¨”。本文通过调查同类型产品的相关资料，确定冲床系统的主要技术指标如下所示：最大冲压力：高压切换力：回程力为：工件厚度：活塞最大行程：工作行程：冲压频率：次分钟液压伺服控制系统整体方案的提出通过以上系统设计技术指标的分析可以看出本课题研究的液压伺服控制系统的主要工作特点是高频、高速、高压，针对系统的工作要求，设计了以下三种方案。方

17、案一：机液伺服控制系统原理图如图所示，该方案以机液伺服阀来控制液压缸的换向和速度，并且在冲压的工作行程中利用液控换向阀切换液压缸的差动连接实现快进与工进的切换。机液伺服控制系统的信息传递是借助机械和液压部件来完成的，它的特点是结构简单、工作可靠，但是它的动态响应和静态精度都较低，因此不满足于本课题提出的高频、高压的系统要求。广东工业大学硕士学位论文、机液伺服阀、液控方向阀、液动单向阀、单向阀、泵、过滤器、电机、蓄能器图机液伺服控制系统方案二：气液伺服控制系统的原理图如图所示，该系统由气体和液体联合控制液压缸，液压缸的换向主要有液压阀和气压阀联合控制，位移传感器采用光栅尺，光栅尺将采集的信号发送

18、给控制器，再通过控制器控制液压阀和气压阀来控制液压缸的运动，从而形成一个闭环控制，该控制系统可以达到系统的设计要求，但是系统的气液缸容易出现气液“串腔，从而影响系统的控制性能¨“。第二章整体方案及相关参数的确定、液压阀、气压阀、单向阀、高压小流量泵、低压大流量泵、过滤器、冷却器、气源、电机图气液伺服控制系统方案三：电液伺服控制系统的原理如图所示，系统中采用了电液伺服阀控制液压缸的方式，并用两位四通换向阀实现液压缸快速快进时液压油路的差动连接和冲击板材时的直动连接。与方案一相比，系统中通过控制器来液压缸的运动，因此可以实现“软控制，通过改变软控制器的控制参数可以改善控制性能，使系统更柔

19、性化，具有更广泛的适应性。与方案二相比，系统更加简单，不需要引进气源，因此不会出现方案二中的“串腔”现象，液压缸的结构也更简单，另外由于电液伺服阀具有优越的性能：反应快、动态响应频率高、控制灵活、精度高、输出功率大但输入功率较小，故本课题采用第三种方案作为最终方案。广东工业大学硕十学位论文、电液伺服阀、液动换向阀、溢流阀、单向阀、冷却器、过滤器、高压小流量泵、低压大流量泵、蓄能器、电机图电液伺服控制系统液压伺服系统主要元件及参数的确定液压缸主要参数的确定工作压力确定：一般情况下液压系统的工作压力为，常用液压元器件的工作压力上限可达，可取安全工作压力在以下，过高压力将影响液压元件的寿命，冲压时产

20、生油路过大波动；工作压力过低，则相应的泵流量需要加大，换向时同样会产生冲击和振动。综合二者影响，并参照其他厂家产品，采用高、低压供油，选定高压为，低压只。结构尺寸确定：单出杆式油缸的无杆腔工作面积大，在同样的供油压力的条件下，油缸的输出力较大，而且可以得到较低的稳定运动速度。这对于获得低的进给速度以便满足精加工要求具有很大的意义。考虑输出力和速度的要求，选用单出杆式油缸作为专机的执行元件¨，。快进时采用差动连接，工进时采用直动连接。第二章整体方案及相关参数的确定为了防止在钻孔钻通时滑台突然前冲，在回油路中装有背压阀，初选背压忍只。油缸内径：正：蕊聊，：，。聊聊，取液压缸机械效翠，液压

21、系统工作压力取）取液压缸往复速度比够¨”，活塞杆襁拈。撑×痒（赫），按标准取（），（）则：手×：手×：（）（）式中一无杆腔工作面积三×（）署×（）（）（）式中一有杆腔工作面积手×：手×（）（）。式中一活塞杆面积。组合泵的选取泵的排量定义为液压泵主轴旋转一周所排出的液体体积。活塞行程：朋所，冲压频率次，则在一个周期内，泵向液压缸的排油量应与液压缸向油箱的回油量相等。所以系统需要的总流量：三三。厂三××××（）所以选用高压泵理论流量。，低压泵理论流量：，泵的转速为，。由泵排量和流

22、量的关系式：（）一一式中液压泵转速；液压泵排量。则泵的排量分别为：鱼：坐堡：聊三，（）儿譬型翩胁（）版、。广东业大学硕士学位论文速度验算：空行程时的速度验算差动下行阶段：系统由双泵同时供油，则：丝雩堕：聊万××返回阶段：双泵供油，则：丝嬖掣：篡坚罂：（一）万（）当行程为时，周期为丁：厶：三三：堕堕：屹此时频率，即每分钟冲压次。冲压板厚为时速度验算：行程时差动下行阶段：双泵同时供油，则：（，一）：，卯：，竹石××所需时间：，：量：！二：！：，冲压阶段：由低压大流量泵向系统供油，则所需时间：返回阶段：所需时间：（）（）（）（）（），：墼：一（一），兰等一（万

23、万×厶：量：旦：厶“（）屹：丝生掣：筌坚婴聊（）（一）（）第二章整体方案及相天参数的确定厶：堕：（）一一。周期：如此时频率亍石磊万。胁，即每分钟冲压次。系统空载时冲压频率可以达到次以上，但是冲压板材时，其频率未能达到次。，所以系统回路中必须加入了蓄能器，它作为辅助动力源在必要时刻释放储存的油液，提高流量，从而可以提高活塞运动速度¨”。蓄能器的设计蓄能器主要用来储存和释放液体的压力能，它的基本作用是，当系统的压力高于蓄能器内液体的压力时，系统中的液体冲进蓄能器中，直到蓄能器内外压力相等；反之，当蓄能器内液体的压力高于系统的压力时，蓄能器内的液体流到系统中去，直到蓄能器内外压力

24、平衡，因此，蓄能器可以在短时间内向系统提供压力液体，也可以吸收系统的压力脉动和减小压力冲击。蓄能器按照结构形状可分为重力式、充气式和弹簧式三种。重力式蓄能器是利用重物的势能来储存、释放液压能。其特点是结构简单，容量大，释放压力过程中，压力稳定¨，。但尺寸大而笨重，运动惯性大，反应不灵敏，易漏油，有摩擦损失，因此重力式蓄能器一般只供蓄能用；弹簧式蓄能器是利用弹簧的压缩和伸长来储存和释放压力能，其特点是结构简单，反应灵敏，但容量小，易内泄并有压力损失，不适于高压和高频动作的场合，一般只用于小容量低压系统，用作蓄能和缓冲。充气式蓄能器是利用密封气体的压缩膨胀来储存、释放能量的，主要有气瓶式

25、、活塞式和气囊式三种。其中气瓶式蓄能器又叫直接接触式蓄能器，适用于中、低压大流量的液压系统；活塞式蓄能器主要用于大流量，但反应不灵敏。气囊式蓄能器应用最为广泛，其特点是惯性小，反应灵敏，结构尺寸小，克服了活塞式蓄能器的缺点；因此，本系统选用气囊式蓄能器。（）气囊式蓄能器充气压力阮的确定为了保证在系统最低工作压力下，蓄能器仍有能力补偿系统泄漏，一般取，此处取；式中：系统最高工作压力（）即泵对蓄能器储油结束时的压力；广东业大学硕士学位论文，系统最高工作压力（）即蓄能器向系统供油结束时的压力；（）蓄能器容量计算蓄能器储存和释放压力油的容量和气囊中气体体积的变化量相等，态的变化应符合玻意耳定律，即”常

26、数式中；风气囊的充气压力和充气体积；而气体状（）系统最高工作压力即泵对蓄能器储油结束时的压力；巧。气囊被压缩后相应于时的气体体积；，系统最低工作压力即蓄能器向系统供油结束时的压力；。气囊膨胀后相应于仍时的气体体积；行多变指数；此处取即；环：瓦掣二五（）刁丽石严可石巧旺（）有效排油量的计算蓄能器在作蓄能作用时，是与油泵一起供油的，则蓄能器一个工作循环内的有效排油量应按下式计算：。一。，行程为冲压板厚时，频率要达到次，假定快速下降时活塞速度为，快速返回时活塞速度为，则一个周期内，系统中所需耗油总量为：等”卅等譬等圳瞒三泵在一个周期内的总供油量为：（）甩，（）玎岛（）代入上式得：一（）将以上数据代入

27、式（），得蓄能器的容量圪。蓄能器的总容积是指气腔与液腔的容积之和，对于气囊式蓄能器为充气容积。总容积圪可由气体定律计算。选择位移传感器由于冲压产品的精度要求高，因此对液压缸位置控制精度要求很高，所以系第二章整体方案及相关参数的确定统选用光栅尺作为位置传感器，光栅尺是一种测量用的高精度线位移传感器，它由主光栅和指示光栅组成，两部分相对移动时，由光电元件输出莫尔条纹相应的脉冲数。光栅尺栅距（线对毫米），经细分后，位移时每输出一个脉冲为，由于光栅尺输出的是差分信号，方便与微机连接。阀的选择电液伺服阀是电液伺服控制系统中的关键元件，它是将微弱的电信号放大和转换为液压功率输出的元件。电液伺服阀具有动态响

28、应快、控制精度高、使用寿命长等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域中。电液伺服阀主要由三部分构成，如图所示。其中电气力或力矩转换器，通常为力马达或力矩马达，它将输给电液伺服阀的电流信号转换成力或力矩；力或力矩位移转换器，通常为弹簧或扭簧、弹簧管，它将力或力矩转换成挡板或阀芯的位移，液压放大器，通常为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板式液压放大器，一般前置级液压放大器采用喷嘴一一挡板板式或射流管式，输出级液压放大器采用滑阀式，进行功率放大¨”。鼍力矩马达批移转换器液墓裹癸器液茎翥笑器图电液伺服阀基本结构电液伺服阀按照液压放大器级数可以分为单级、二级、三级电液伺服阀；按照第一级的

29、结构型式又可分为单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀和射流组件；按照反馈形式可以分为滑阀位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈；按照力矩马达的形式分类可以分为动铁式和动圈式或干式和湿式¨”。喷嘴挡板阀没有摩擦，因此灵敏度高，运动部分的惯性小，故动态响应快特别是双喷嘴挡板阀由于结构对称、采用差动方式工作，因此压力灵敏度高，特性的线性度好；温度和压力零漂小，挡板受力小，所需的输入功率，（）。其缺点是喷嘴与挡板之间的间隙小（零位间隙为），容易被赃物堵塞，对油液的洁净度要求较高，抗污染能力差；内部泄漏流量较大、效率低、功率损失大，适用于小流量控制。目前，灵敏度高、动态响应快的伺服阀多采用

30、喷嘴挡板广东工业大学硕士学位论文阀作前置放大级。射流管式伺服阀的最大特点是抗污染能力强、可靠性高、寿命长。伺服阀的故障以上是由油液污染所引起的。伺服阀抗污染的能力，一般是由其结构中的最小通流尺寸所决定的。特别是在多级伺服阀中，前置级油路中的最小尺寸成为决定性因素。射流管阀的最小通流尺寸为，而喷嘴挡板阀为，因此射流管阀抗污染能力强，工作可靠性高。另外，射流管阀的压力效率和容积效率高，均在以上，而喷嘴挡板阀为，故射流管式可以产生较大控制压力和流量，从而允许功率阀采用较大的直径和行程。控制压力高，功率滑阀控制作用面积大，这就提高了功率阀的驱功力，增大了功率阀抗污物的能力，即使油液脏一点功率阀也能正常

31、工作。从前置级磨蚀对性能的影响来看，射流管式也比喷嘴挡板式的小。而且射流管阀的磨蚀是对称的，不会引起零漂。因此，射流管式的性能稳定、寿命长。射流管式的缺点是频率响应低，零位泄漏流量大，受油液粘度变化的影响较显著，低温特性差。射流管放大器对于频率响应不高而可靠性高的伺服阀是很合适的。偏转板射流放大器与射流管放大器，从原理上讲是一样的。也具有抗污染能力强、可靠性高寿命长的优点和零位泄漏最大、低温特性差的缺点。但在结构上比射流管式伺服阀简单，力矩马达可做得更轻巧，伺服阀频宽可做得更高些。因此本文选用双喷嘴挡板电液伺服阀。表是三类阀的性能比较：表三类阀性能比较第二章整体方案及相关参数的确定本章小结本章

32、首先给出了系统的设计要求，然后提出了三种控制方案，对三种控制方案进行了比较分析，最后确定一种可行的方案一一第三种方案；根据确定的方案对系统的参数进行了计算，并对所需的元件进行选型。广东工业大学硕十学位论文第三章液压系统数学模型的建立液压伺服控制系统数学模型的建立是实现液压伺服控制的基础，因此本章对液压系统进行数学建模。液压伺服控制系统的结构图如图所示，图液压伺服控制系统结构图根据机理分析及实测数据，得到液压伺服位置系统各环节及被控对象数学模型如下：电液伺服阀数学模型将直动式电液伺服阀的控制线圈电流作为输入信号，将阀芯位移作为输出信号，由伺服阀的设计理论和文献¨”，得电液伺服阀的传递函

33、数为：刚加忐。一。旷，式中：为直动式电液伺服阀的流量增益；为直动式电液伺服阀的转折频率；瓯为直动式电液伺服阀的阻尼系数。第三章液压系统数学模型的建立阀控非对称缸数学模型阀控制非对称液压缸的结构简图如图所示，其中的、嵋、为阀控制窗口的面积梯度，由于是对称四通阀，所以心嵋，为了方便对液压动力机构进行研究，假定：）阀为理想零开口；）流体是不可压缩的；）理想的响应能力；）流体能源是理想的，供油压力热恒定不变，回油压力；）不考虑管道损失及管道的动态特性。图对称阀控制非对称液压缸原理图由压力平衡可得：（）【式中：、仍液压缸无杆腔和有杆腔的压力，乞；只供油压力和回油压力之差，只；耽负载压降，只。广东业大学硕

34、十学位论文由流量平衡可得：珐骁一（）式中：、幺通过每一臂的流量，；珐供油流量，；负载流量，。而阀的流量可由伯努利方程求得：吾卸，式中：通过阀口的流量，；流量系数，无因次；阀口沿圆周方向的宽度，即阀芯控制口的面积梯度，；油液的密度，船；卸阀口压力降，；阀芯位移，。阀的静特性：联立式（）、（）和（）可求得：骁眠（）流量增益定义为：鼍，它是流量曲线在某一点的切线斜率，流量增益表示负载压降一定时，阀单位输入位移所引起的负载流量变化的大小。流量增益越大，阀对负载流量的控制就约灵敏。第二章液压系统数学模型的建立流量一压力系数定义为：一挚（）它表示阀开度一定时，负载压降变化所引起的负载流量变化的大小。加负号

35、是因为压力流量曲线的切线斜率都是负的。压力增益七。定义为：薏等，它是压力特性曲线的切线斜率，表示负载流量为零时，单位输入位移所引起的负载压降变化的大小。联立式（）、（）、（）和（）可得：流量增益为：（，）（）流量压力系数为：压力增益为：根据线性流量方程：可得油缸两腔的流量方程为：一警掣（）瓴一舰（）扛（）哳甚鲁警心一巳仍若鲁鲁式中：尼油液体积等效弹性系数，取；广东工业大学硕：仁学位论文、巳油缸的内泄、外泄系数，；进油腔体积，；匕回油腔体积，。油缸左右两腔的体积可分别写为：（）【。一其中为活塞的位移，单位为；。和。分别为液压缸上下两腔的初始容积，初始时活塞在中间，因此两初始容积巧。，总的压缩容积

36、为：（）该容积是常数，只要液压缸确定，该容积就是不变，与活塞位置无关。对上式求导得：联立式（）和式（）得：彳老见告警式中：彳活塞面积，根据工作方式不同其取值不同；油缸总的泄漏系数，肌，且：玺。由式（）得增量的拉氏变换为：加缈瓴茜卸矿液压缸活塞的动态受力平衡方程为：噩毛少五式中：，活塞和负载的粘性阻尼系数，；允负载的弹簧系数，；液压缸冲击板材时的阻力，。（）（）（）咖一出咖一嘞亟衍堕出第三章液压系统数学模型的建立联立式（）、（）和式（）消去中间变量卸。，可以得到：鲁瓴一争煮乏，灯式中：为总的流量压力系数，且毛为液压阻尼比，无因次，且毛一匝，为液压固有频率，。且（）（）（）（）矿由于冬非常小，趋向

37、于零，因此由式（）可以得到活塞输出位移对阀芯移动的传递函数为：位移传感器的传递函数（）由于活塞最大行程为，所以光栅尺的实际行程为，而光栅尺增益计算公式为其转换得电压值比上实际行程，本系统将光栅尺的全部行程转化为的电压值，进入系统后再通过电压转换为电流，计算可得：光栅尺的增益为：（）广东工业大学硕士学位论文液压系统总的数学模型系统的方框图如图所示，联立式（）、（）、（）和式（），可得整个液压系统以活塞期望位移为输入量，以液压缸活塞位移为输出的电液伺服阀控缸系统的传递函数为：唑，（）盟（）（）模型中各参数的确定由伺服阀的产品资料可以知道，阀的负载流量，额定电流，阀心最大位移一，阀芯面积以，流量系数

38、，油液密度，油液体积等效弹性系数屈，油缸的内泄、外泄系数巳，直动式电液伺服阀的流量增益。×，直动式电液伺服阀的转折频率，直动式电液伺服阀的阻尼系数氏。流量增益包。的计算瓜×石丽：×，呲（）（）！竺坚卫：×差动下行×咱。一生：黩：×直动下行（）。兰黑×直动回程×咱将数值代入公式（）可得：流量压力系数屯的计算：差动下行直动下行直动回程（）第三章液压系统数学模型的建立直动下行×。差动下行。直动回程巳、的计算：鲁厣系统的传递函数（）差动下行一。直动下行（）直动回程×曲×一差动下行直动下行（）直

39、动回程将计算所得各参数代入（），整理得系统的传递函数为：差动下行时：（）而聂而呼瓦而丐五万矿五丽丽矛万丽直动下行时；（）而聂厅吁瓦丽丐菇百五五百萨五五直动回程时；丽面再丽矛兀等可石丽而（）（）（）（）广东工业大学硕士学位论文系统稳定性分析在中输入：；【】；）：（）：（）（）（）；：）：；：）木由极点的值可得所有特征根的实部都是负值，因此系统稳定；同理可得直动下行和直动回程的闭环系统也是稳定的。第三章液压系统数学模型的建立本章小结本章主要建立了阀控非对称缸的数学模型，首先对系统的各个模块进行单独建模，最后联立求出总的模型，然后根据模型的一些参数算出系统的传递函数，得出了系统的三种工作模式下的传递函数，最后还对系统进行了稳定性分析，为后面的控制器设计做好准备：广东工业大学硕十学位论文第四章模糊控制器的设计与仿真本文研究的是典型的液压位置伺服系统，其中的参数具有时变和非线性等特点，另外系统中所用到的伺服阀的一些参数不易获得，故系统的数学模型也不易精确求得，而常规的控制器是建立在精确地数学模型基础上的，在这种情况采用常规调节器难以得到满意的控制效果；另外采用常规的控制器的三个参数一旦确定，就不可以在线修改，因此本文采用模糊控制器作为系统的控制方法，这种模糊是在常规的基础上通过运用模糊数学的基本理论和方法，把模糊规则控制规则及相关的信息作为知识存入计算机的知识库中，然后计算