学院
毕业设计说明书
毕业生：王冬
专业：电气自动化技术
学号：130723016
指导教师：郭志坚
所属系（部）：信息系
二〇一五年九月
学院
毕业设计评阅书
题目：
基于MATLAB的电液位置伺服控制系统的建模与仿真研究信息系电气自动化技术专业王冬
设计时间：2015年9月21日~2015年11月22日评阅意见：
成绩：
评阅教师：（签字）
职务：
201年月日
学院
毕业设计评阅书
题目：
基于MATLAB的电液位置伺服控制系统的建模与仿真研究信息系电气自动化技术专业王冬
设计时间：2015年9月21日~ 2015年11月22日评阅意见：
成绩：
指导教师：（签字）
职务：
201年月日
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毕业设计答辩记录卡
信息系电气自动化技术专业王冬
答辩容
记录员：（签名）成绩评定
专业答辩组组长：（签名）
201年月
第二章 液压放大元件 习题 1. 有一零开口全周通油的四边滑阀，其直径m d 3108-?=，径向间隙 m r c 6105-?=，供油压力Pa p s 51070?=，采用10号航空液压油在40C ?工作，流 量系数62.0=d C ，求阀的零位系数。s pa ??=-2104.1μ3/870m kg =ρ 解：对于全开口的阀，d W π= 由零开口四边滑阀零位系数 2. 已知一正开口量m U 31005.0-?=的四边滑阀，在供油压力Pa p s 51070?=下测得零位泄漏流量min /5L q c =，求阀的三个零位系数。 解：正开口四边滑阀零位系数ρ s d q p w c k 20= s s d co p p wu c k ρ = ρ s d c p wu c q 2= 3. 一零开口全周通油的四边滑阀，其直径m d 3108-?=，供油压力 Pa p s 510210?=，最大开口量m x m 30105.0-?=，求最大空载稳态液动力。 解：全开口的阀d W π= 最大空载液动力： 4. 有一阀控系统，阀为零开口四边滑阀，供油压力Pa p s 510210?=，系统稳定性要求阀的流量增益s m K q /072.220=，试设计计算滑阀的直径d 的最大开口量 m x 0。计算时取流量系数62.0=d C ，油液密度3/870m kg =ρ。 解：零开口四边滑阀的流量增益： 故m d 31085.6-?= 全周开口滑阀不产生流量饱和条件
5. 已知一双喷嘴挡板阀，供油压力Pa p s 510210?=，零位泄漏流量 s m q c /105.736-?=，设计计算N D 、0f x 、0D ，并求出零位系数。计算时取8.00d =C ， 64.0df =C ，3/870m kg =ρ。 解：由零位泄漏量 ρπs f N df c p X D C q 02???= 即16 0N f D X = 得： mm p C q D s df c N 438.0216=??= ρ π 则： 若： 8.00 =d df C C ， 16 10= N f D X 则mm D D N 193.044.00== 第三章 液压动力元件 习题 1. 有一阀控液压马达系统，已知：液压马达排量为rad m D m /10636-?=，马达容积效率为95%，额定流量为s m q n /1066.634-?=，额定压力Pa p n 510140?=，高低压腔总容积34103m V t -?=。拖动纯惯性负载，负载转动惯量为2 2.0m kg J t ?=，阀的流量增益s m K q /42=，流量-压力系数Pa s m K c ??=-/105.1316。液体等效体积弹性模量Pa 8e 107?=β。试求出以阀芯位移V x 为输入，液压马达转角m θ为输出的传递函数。 解：解：由阀控液压马达的三个基本方程 由阀控液压马达的三个基本方程 可得 ()q m m 32 t c tm t t 22 e m m s s s 4V K D J K C X V J D D θβ= +++
电液位置伺服控制系统设计方法 电液位置伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统，如机床工作台的位置、板带轧机的板厚、带材跑偏控制、飞机和船舶的舵机控制、雷达和火炮控制系统以及振动试验台等。在其它物理量的控制系统中，如速度控制和力控制等系统中，也常有位置控制小回路作为大回路中的一个环节 电液位置伺服系统主要是用于解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过执行机构实现被控量对给定量的及时和准确跟踪，并要具有足够的控制精度。电液伺服系统的动态特性是衡量一套电液伺服系统设计及调试水平的重要指标。它由电信号处理装置和若干液压元件组成，元件的动态性能相互影响，相互制约及系统本身所包含的非线性，致使其动态性能复杂。因此，电液伺服控制系统的设计及仿真受到越来越多的重视。 液压伺服系统的基本设计步骤 ○1分析整理所需的设计参数，明确设计要求；○2拟定控制方案，构成控制系统原理图；○3确定动力元件参数（如供油压力、执行元件规格、伺服阀容量）和其他组成元件；○4分析计算系统的静、动态特性，确定回路放大系数和设计校正措施等。○5根据技术要求设计出系统以后，需要检查所设计的系统是否满足全部性能指标，如不满足，可通过调整参数或改变系统结构（即校正）等方法重复设计过程，直至满足要求为止。因为设计是试探性的，所以设计方法具有很大的灵活性，在设计中结合MATLAB的SIMULINK软件进行仿真，对系统的参数进行调整和可靠性作进一步验证，最终可以得出比较可靠的电液伺服系统。 (一)组成控制系统原理图 由于系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。系统方块原理如图1
（二）由静态计算确定动力元件参数，选择位移传感器和伺服放大器 1．绘制负载轨迹图 负载力由切削力c F ，摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成。摩擦力具有“下降”特性，为了简化，可认为与速度无关，是定值，取最大值f F = 1500N 惯性力按最大加速度考虑 a max F 800t m a N == 假定系统是在最恶劣的负载条件下工作(即所有负载力都在存在，且速度最大)下工作，则总负载力为 max f F F F F =l c a =++400+1500+800=2700N 2.选取供油压力 5s P 6310Pa =? 3.求取液压马达排量 设齿轮减速比'm i=/2m θθ=，丝杠导程2 1.210/t m r -=?，则所需液压马达力矩为 2 2700 1.210 2.58222 L L F t T N m i ππ-??===?? 取L s 2P =P 3，则液压马达弧度排量为-63L 5s 3T 3 2.58D ==0.610m /2P 26310 m rad ?=??? 液压马达每转排量为-63-632D 20.610m / 3.710m /m m Q r r ππ==??=? 计算出的液压马达排量需标准化。按选取的标准化值再计算负载压力L P 值。本例液压马达排量计算符合标准化。 4.确定伺服阀规格 液压马达的最大转速为2max max 2 2810800/min 13.3/1.210iv n r r s t --??====? 所以负载流量为-6-6max q 3.71013.3/49.2110l m Q n r s ==??=? 此时伺服阀的压降为 55L s Lmax s -6T 2.58P P P 631020.010D 0.610 v m P Pa Pa =-=-=?-=?? 考虑到泄漏等影响，将q l 增大15%，取q l = 3.4L/min 。根据q l 和v P ，查得额定流量为
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环速度环位置环。 1、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID 调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。 2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。 3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器。 编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。 谈谈PID各自对差值调节对系统的影响： 1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。。。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。。。 2、单独的I（积分）就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，所以同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程，。。。这个环节最大的好处就是被调量最后是没有残差的。。。
电液伺服控制系统的应用研究 【摘要】电液伺服控制是液压技术领域的重要分支。多年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率—重量比和大功率液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。特别是控制理论在液压系统中的应用、计算及电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在元件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门学科。目前液压技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门及飞机、船舶部门等。我国于50年代开始液压伺服元件和系统的研究工作，现已生产几种系列电液伺服产品，电液伺服控制系统的研究工作也取得很大进展。 【关键词】电液伺服控制应用 1、电液控制系统的特点、构成及分类 电液控制系统是一门比较年轻的技术，它的发展和普遍应用还不到50年，然而，凭借它的优点却形成了流体传动与控制的一个重要分支，并成为现代控制工程的基本技术构成之一。 1.1电液控制系统的特点 1) 液压执行元件的功率--重量比和转矩--惯性矩比(或力--质量比)大，具有很大的功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元。 2) 液压系统的负载刚度大，精度高。由于液压杠、执行元件的泄漏很少，液体介质的体积弹性模量又很大，故具有较大的速度--负载刚性，即速度--力或转速--力矩曲线斜率的倒数很大，因此有可能用于开环系统。用于闭环系统时则表现为位置刚度大，其定位精度受负载变化的影响小。 3) 液压控制系统可以安全，可靠并迅速地实现频繁的带负载启动和制动，进行正反向直线或回转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围。 电气或电子技术和液压传动及控制相结合的产物--电液控制系统兼备了电气和液压的双重优势，形成了具有竞争力和自身技术特点。 当然，在某些场合下，指令和反馈元件也可全部采用机械、气动或液压元件，此时，即称为机械--液压控制系统和气动--液压控制系统。 1.2 电液控制系统的构成 工程实际中系统的指令及放大单元多采用电子设备。电机械转换器往往是动圈式或动铁式电磁元件和伺服电机、步进电机等。液压转换及放大器件可以是各类开关式，伺服式和比例式器件实际上是一功率放大单元。液压执行元件通常是液压缸和液压马达，其输出参数只能是位移、速度、加速度和力或者转角、角速
细数三菱伺服绝对值位置控制系统 绝对值位置控制系统对于经常使用的点位控制系统来说，是一种非常方便实用的位置控制方式。一旦原点设置后，完毕每次停电后开机时，这种系统不需要回原点，大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列PLC是在实际中经常用到的伺服系统和控制器，本文讨论在某些特殊的应用场合，如何应用它们来构建一个绝对值位置控制系统。 控制任务简介 这是一个实际使用的控制任务，a点是设备的原始位置，b点是设备的工作位置。开始工作后，设备以位置控制方式移到工作位置b，然后，设备从b以速度控制方式点向a点移动。在移动过程中，执行一些其他的任务，当这些任务完成后在a与b之间的任一位置c点停止。然后以位置控制方式回到原始位置a点，这样整个工作循环结束。 控制平台 三菱j2s-a系列的伺服系统和三菱fx2n系列plc的功能和特性：三菱mr-j2s-a 系列的伺服系统中伺服电机的编码器为每转为131072线的绝对值编码器，伺服驱动器能够在停电情况下记住伺服电机的当前位置。该伺服系统有位置控制、速度控制和转矩控制三种运行方式。同时该伺服系统内置绝对位置专用传输协议，如果菱mr-j2s-a系列的伺服系统工作在位置方式，则可配合fx2n系列plc的dabs（读绝对位置）指令，在伺服驱动器通电后伺服on（son信号）有效时，plc中读出伺服电机的当前位置。但仅在son信号接通时的上升沿开始传输当前伺服电机位置一次，在son信号接通以后将不再传输伺服电机的当前绝对位置。伺服电机的当前绝对位置
由位置控制装置（如fx2n-1pg模块）根据发出的脉冲数来确定。这实际上是一个开环控制系统。在不发生报警或者脉冲传输不受到干扰的情况下，整个位置控制系统的位置将不会丢失。如果工作在速度控制方式则不能在son接通时读取伺服电机的绝对位置，在整个工作过程中，也无法确定取伺服电机的绝对位置。 任务分析 在本任务中，伺服驱动器将工作在位置控制和速度控制两种方式。a点和b点的定位操作，要求控制系统必需记住伺服电机的位置，但由于b点与c点之间的速度运行方式，使得传统的控制系统不能获知伺服电机的位置。因为尽管在位置方式位置控制器能确定伺服电机的位置，但在伺服驱动器从位置方式转变为速度方式后，位置控制器将不起作用，所以也无法确定伺服电机的位置。由于在整个控制过程中，既有位置控制方式，又有速度控制方式，所以典型的传统控制配置将不能满足本控制任务，必须采用一种新的控制方式来实现控制。 控制方案的硬件配置 上述问题的基本解决思路是通过plc与伺服驱动器的通讯方式，来实时读取伺服电机的当前实际位置，这样不管伺服系统处于位置控制方式，还是在速度控制方式，控制系统都能知道伺服电机的当前位置，从而使系统能正确地定位在a点和b 点。通过查阅资料，我们了解到三菱j2s系列伺服系统除了内置绝对位置专用传输协议外，还内置了三菱伺服通讯协议；三菱fx2n系列内置了无协议通讯指令（rs指令），所以我们可使用rs指令根据伺服驱动器的通讯协议来读取电机当前位置。 fx2n系列plc为主控制器，扩展特殊模块fx2n-1pg为定位模块，其输出为频率和脉冲数可控的定位脉冲。当plc主系统通过通讯方式获得伺服电机当前位置的前提下，能在定位指令的驱动下，驱动伺服电机到给定位置；扩展特殊模块fx2n-4da
。 电液伺服控制系统的设计与仿真 引言 电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服控制系统进行动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的可靠性都具有重要意义。 1 液压系统动态特性研究概述 随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能满足要求。因此，现代液压系统设计研究人员对系统动态特性进行研究，了解和掌握液压系统动态工作特性与参数变化，以提高系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。 液压系统动态特性简述 … 液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态过程中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的过程变化以及外界干扰引起的。在此过程中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。系统动态特性主要表现为稳定性（系统中压力瞬间峰值与波动情况）以及过渡过程品质（执行、控制机构的响应品质和响应速度）问题。 液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。先是建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态过程的时域解。该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接、全面的了解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进行验证与改进，保证系统的工作性能和可靠性，具有精确、适应性强、周期短以及费用低等优点。 仿真环境简介 基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境，它在众多领域得到广泛应用。Simulink借助Matlab的计算功能，可方便地建立各种模型、改变仿真参数，有效解决了仿真技术中的问题。Simulink提供了交互的仿真环境，既可通过下拉菜单进行仿真，也可通过命令进行仿真。虽然Simulink提供了丰富的模块库，但是在Matlab／Simulink下对液压系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往出现一定的误差。AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件。它是一个图形化的开发环境，用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析。AMESim的特点是面向工程应用从而使其成为
M A T L A B电液位置伺服控制系统设计及仿真
数控机床工作台电液位置伺服控制系统设 计及仿真 姓名：雷小舟 专业:机械电子工程 子方向：机电一体化 武汉工程大学机电液一体化实验室
位置伺服系统是一种自动控制系统。因此，在分析和设计这样的控制系统时，需要用自动控制原理作为其理论基础，来研究整个系统的动态性能，进而研究如何把各种元件组成稳定的和满足稳定性能指标的控制系统。若原系统不稳定可通过调整比例参数和采用滞后校正使系统达到稳定，并选取合适的参数使系统满足设计要求。 1 位置伺服系统组成元件及工作原理 数控机床工作台位置伺服系统有不同的形式，一般均可以由给定环节、比较环节、校正环节、执行机构、被控对象或调节对象和检测装置或传感器等基本元件组成[1]。根据主机的要求知系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。 系统物理模型如图1所示。 图1 数控机床工作台位置伺服系统物理模型 系统方框图如图2所示。 图2 数控机床工作台位置伺服系统方框图 数控机床工作台位置伺服系统是指以数控机床工作台移动位移为控制对象的自动控制系统。位置伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体。数控机床的工作台位置伺服系统输出位移能自动地、快速而准确地复现输入位移的变化，是因为工作台输出端有位移检测装置（位移传感器）将位移信号转化为电信号反馈到输入端构成负反馈闭环控制系统。反馈信号与输入信号比较得到差压信号，然后把差压信号通过伺服放大器转化为电流信号，送入电液伺服阀（电液转换、功率放大元件）转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，从而使液压马达的四通滑阀有开口量就有压力油输出到液压马达，驱动液压马达带动减速齿轮转动，从而带动滚珠丝杠运动。因滚珠丝杠与工作台相连所以当滚珠丝杠 运动时，工作台也发生相应的位移。 2数控工作台的数学模型 2.1 工作台负载分析 工作台负载主要由切削力c F ,摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成，则总负载力为: a f c L F F F F ++=
某工厂数控加工机床工作台位置控制系统的设计 1.设计要求及相关参数 工作台质量 工作台最大摩擦力:最大切削力, 工作台最大行程工作台最高速度, 工作台最大加速度 位置误差,速度误差. 由于工作台行程比较大，采用伺服阀控液压马达系统。控制原理图如下 ： 指令装置 伺服放大器 电液伺服阀 液压马达 减速齿轮 滚珠丝杠 工作台 反馈传感器 ui + _uf ue △i QL Θm Θm ’ Xp 阀控液压马达位置控制系统结构框图 2根据静态计算确定动力元件参数 2.1 负载力的计算 为了简化，在此认为摩擦力f F 是个定值，取最大摩擦力f F =2000N,惯性力按最大加速度考虑： 。假定系统是在最恶劣的负载条件下工作，则总的负载力为 2.2选择供油压力为 2.3计算液压马达排量 设齿轮减速比 ,丝杠导程 1.2/t cm r =,则所需液压马达动力矩为： /235000.012/4 3.14 3.3L t T Ft n N m π==??=? f 2000F N =1000t M kg =500c F N =0.5m S =max V 0.08/m s =2max 1/a m s =0.05p e m <±1v e mm 取 ,由于 ，所以液压马达 弧度排量为6733/23 3.3/2 6.510810/m L s D T p m rad -==???=? 液压马达每转排量为 2.4确定伺服阀 液压马达最高转速为 所以负载流量为 。 此时伺服阀压降为 。 考虑到系统泄漏等的影响，将 增大15%，取 ,根据 和 ，额定流量为8L/min 的伺服阀满足要求，选用QDY1-C63伺服阀,额定电流为. 3.选择位移传感器增益 ,放大器增益 待定。 4.计算系统的动态参数 因为负载特性为惯性，因此液压马达-传递函数为: 221/2(1) m m h L h h D s s θ?θω ω=++ 工作台质量折算到液压马达轴的转动惯量为： 2242 2221000(0.012)9.210442t t M t J kg m n ππ-?===??? 考虑到齿轮、丝杠和液压马达本身的质量，取 ，并取液压马达的容积 。则： 假定阻尼比仅由阀的流量-压力参数产生，则阻尼比： c e t h M t K J D V βζ= 2/3L s p p =L L m T p D =7 6322 3.14810510/m m q D m r π--==???=?max /20.08/0.012800/min n nv t r ==?=6 max 510800/604/min L m Q q n L -==??=676max / 6.510 3.3/810 2.110v s L s L m p p p p T D Pa -=-=-=?-?=?L Q 4.6/min L Q L =L Q L p 100 /f K V m =a K 2 0.012t J kg m =?310t V cm =I=30mA 液压伺服位置系统模型参考模糊自适应PID 控制器的设计 来源：中文论文网 作者：互联网转载 发布时间：2007-01-28 本站近十万篇论文全部无条件免费下载！如果本篇文章对您有用，请顺手将本站[ 中文论文网 https://www.doczj.com/doc/b318352783.html, ] 收藏到您知道的博客或论坛，以方便您下次继续使用！ 液压伺服位置系统模型 参考模糊自适应PID 控制器的设计 方一鸣 黄镇海 焦晓红 （燕山大学电气工程学院 河北秦皇岛，066004） 摘 要：针对液压伺服位置系统被控对象，提出了用模型参考模糊自适应机构对PID 控制器的比例系数进行在线调节，以减小液压伺服位置系统中参数摄动等引起的超调和振荡；同时为简化控制器，提出了用变积分系数的方法来消除负载扰动给系统带来的稳态误差。仿真研究结果表明，具有模糊自适应和变积分系数的控制器使控制系统既有较高的稳态精度，同时也使系统具有较快的动态响应，整个系统具有很好的鲁棒性。 关键词：液压伺服系统 模型参考 模糊自适应 模糊PID 0 引 言 众所周知，PID 控制是迄今为止最为通用的控制方法，它具有稳定性好，可靠性高等优点。但是，随着控制对象复杂程度的加深，特别是对存在强扰动、参数时变性较强的对象，用一组事先整定的PID 控制参数经常会出现超调量过大、过渡过程时间较长等缺陷。目前对PID 控制参数进行在线调整已有许多方法。其中，模糊控制用于PID 参数的调节已为众多学者所注意，已有不少成功应用的例子［1］［2］［4］［3］［6］。用模糊控制器进行参数整定容易将参数的整定经验用模糊语句if （）then （）的形式表达出来，不需要进行参数自适应律的推导，这是其它方法所不可比拟的。但是，若同时对PID 控制器的三个参数用模糊控制器进行在线调节［3］［5］［6］，显然会导致控制器过于复杂。本文提出用模糊控制器在线调整PID 的比例系数，对积分系数用变积分系数的方法，而对微分系统进行事先整定。文章最后将上述控制策略用于液压伺服系统中，仿真结果表明，设计的系统完全能达到所要求的性能指标。 1 液压伺服位置系统被控对象的数学模型 由1250频率特性测试仪实测并结合机理分析计算得到，液压伺服位置系统被控对象结构框图及参数如图1所示。图1中，u 为控制电压；Xp 为液压缸的输出位移；Fl 为外加负载力［1］；ωn1＝69．08为系统的自然振荡频率；ξn1为液压系统的阻尼比，它的变化范围为0．3到0．5；Ap ＝0．00125m2为液压缸的有效面积；βe ＝6．9×108Pa 为油液和油腔管壁的等效容积弹性系数；Vt ＝3．74×10－5 m3为油缸两侧管路和油腔的总容积；Kce ＝5．14×10－12 m5／N·s 为阀控缸的流量压力系数；Ksv ＝8．33×10－3 m3／s ／A 为伺服阀的流量增益系数；Ka ＝0．0085A ／V 为伺服放大器增益；kf ＝10V ／15mm ＝6．67×102v／m 为位置传感 函数关系式。其中：被控对象的等效传递函数为： 6-1 怎样区分一个系统是位置、速度或力电-液伺服控制系统。 按系统被控制的物理量的性质来区分，如果是要实现位置控制，当然就是位置电液伺服系统。 6-2 试比较电-液伺服系统与机-液伺服系统的主要优缺点和性能特点。 机液伺服系统的指令给定、反馈和比较都是采用机械构件，优点是简单可靠，价格低廉，环境适应性好，缺点是偏差信号的校正及系统增益的调整不如电气方便，难以实现远距离操作，另外，反馈机构的摩擦和间隙都会对系统的性能产生不利影响。机液伺服系统一般用于响应速度和控制精度要求不是很高的场合，绝大多数是位置控制系统。 电液伺服系统的信号检测、校正和放大等都较为方便，易于实现远距离操作，易于和响应速度快、抗负载刚度大的液压动力元件实现整合，具有很大的灵活性和广泛的适应性。特别是电液伺服系统与计算机的结合，可以充分运用计算机快速运算和高效信息处理的能力，可实现一般模拟控制难以完成的复杂控制规律，因而功能更强，适应性更广。电液伺服系统是液压控制领域的主流系统。 6-3 为什么说电-液伺服系统一般都要加以校正。 当电液位置伺服控制系统的某些性能指标不甚满意时，简单的方法可通过增大系统的开环增益来提高响应速度和控制精度，但提高开环增益受系统稳定性条件的制约，也就是受液压固有频率和阻尼比的限制。全面改善系统的性能仅仅靠调整开环增益是远远不够的，通过对电液伺服系统进行针对性的校正，往往能够获得更高性能的电液伺服系统，并且不同的校正方法，会得到不同的改善效果。 6-4 怎样才能简化位置电-液伺服控制系统。 当电液伺服阀的频宽与液压固有频率相近时，电液伺服阀的传递函数可用二阶环节来表示；当电液伺服阀的频宽大于液压固有频率（3~5倍）时，电液伺服阀的传递函数可用一阶环节来表示。又因为电液伺服阀的响应速度较快，与液压动力元件相比，其动态特性可以忽略不计，而把它看成比例环节。一般的液压位置伺服系统往往都能够简化成以下的这种形式。 ()()V 2h h h 21K G s H s s s s ζωω=??++ ??? 6-5 怎样理解系统刚度高，误差小。 以负载误差为例，对于I 型系统稳态负载误差为()ce L L022v m K e T K i D ∞= ，负载误差()L e ∞的大小与负载干扰力矩L0T 成正比，而与系统的闭环静刚度22V m ce K i D K 成反比，所以当系统的刚 度高时误差较小。 电液伺服系统 电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。根据输入信号的形式不同，又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。下面对模拟伺服系统和数字伺服系统作一简单的说明。 模拟伺服系统 在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，如图1所示。在此系统中，输入信号、反馈信号、偏差信号以及其放大、校正都是连续的模拟量。电信号可以是直流量，也可以是交流量。直流量和交流量相互转换可以通过调制器或解调器完成。模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低(绝对精度低)。伺服系统的精度在很大程度上取决于检测装置的精度，而模拟式检测装置的精度一般低于数字式检测装置，所以模拟伺服系统分辨能力低于数字伺服系统。另外模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响，因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行有效的控制了。 图1 模拟伺服系统方块图 数字伺服系统 在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。因此数字伺服系统又分为数字伺服系统和数字—模拟伺服系统两种。在全数字伺服系统中，动力元件必须能够接收数字信号，可采用数字阀或电液步进马达。数字模拟混合式伺服系统如2所示。数控装置发出的指令脉冲与反馈脉冲相比较后产生数字偏差，经数模转化器把信号变为模拟偏差电压，后面的动力部分不变，仍是模拟元件。系统输出通过数字检测器(即模数转换器)变为反馈脉冲信号。 图2 数字伺服系统方块图 数字伺服系统有很高的绝对精度，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。当要求较高的绝对精度，而不是重复精度时，常采用数字模拟系统。从经济性可靠性方面来看，简单的伺服系统采用采用模拟型控制为宜。 系统特点及使用场合 电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。因此，在负载质量大又要求响应速度快的场合最为适合，其应用已遍及国民经济的各个领域，比如飞机与船舶舵机的控制、雷达与火炮的控制、机床工作台的位置控制、板带轧机的板厚控制、电炉冶炼的电极位置控制、各种飞机车里的模拟台的控制、发电机转速的控制、材料试验机及其他实验机的压力控制等等。 电液位置伺服系统分析 电液位置伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统。当采用电位器作为指令装置和反馈测量装置，就可以构成直流电液位置伺服系统。采用自整角机或旋转变压器作为质量装置和反馈测量装置，就可以构成交流电液位置伺服系统。图3是一个典型的电液位置伺服控制系统。图中反馈电位器与指令电位器接成桥式电路。反馈电位器滑臂与控制对象相连，其作用是把控制对象位置的变化转换成电压的变化。反馈电位器与指令电位器滑臂间的电位差（反映控制对象位置与指令位置的偏差）经放大器放大后，加于电液伺服阀转换为液压信号，以推动液压缸活塞，驱动控制对象向消除偏差方向运动。当偏差为零时，停止驱动，因而使控制对象的位置总是按指令电位器给定的规律变化。 图3 电液位置伺服系统图 电液伺服系统中常用的位置检测元件有自整角机、旋转变压器、感应同步器和差动变压器等。伺服放大器为伺服阀提供所需要的驱动电流。电液伺服阀的作 电液伺服控制系统概述 摘要：电液伺服控制是液压领域的重要分支。多年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率——重量比和大功率液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。特别是控制理论在液压系统中的应用、计算及电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在原件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门学科。目前液压技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门及飞机、船舶部门等。 关键词：电液伺服控制液压执行机构 伺服系统又称随机系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。液压伺服系统是以液压为动力的自动控制系统，由液压控制和执行机构所组成。 一、电液控制系统的发展历史 液压控制技术的历史最早可以追溯到公元前240年,一位古埃及人发明的液压伺服机构——水钟。而液压控制技术的快速发展则是在18世纪欧洲工业革命时期,在此期间,许多非常实用的发明涌现出来,多种液压机械装置特别是液压阀得到开发和利用,使液压技术的影响力大增。18世纪出现了泵、水压机及水压缸等。19世纪初液压技术取得了一些重大的进展,其中包括采用油作为工作流体及首次用电来驱动方向控制阀等。第二次世界大战期间及战后,电液技术的发展加快。出现了两级电液伺服阀、喷嘴挡板元件以及反馈装置等。20世纪50～60年代则是电液元件和技术发展的高峰期,电液伺服阀控制技术在军事应用中大显身手,特别是在航空航天上的应用。这些应用最初包括雷达驱动、制导平台驱动及导弹发射架控制等,后来又扩展到导弹的飞行控制、雷达天线的定位、飞机飞行控制系统的增强稳定性、雷达磁控管腔的动态调节以及飞行器的推力矢量控制等。电液伺服驱动器也被用于空间运载火箭的导航和控制。电液控制技术在非军事工业上的应用也越来越多,最主要的是机床工业。在早些时候,数控机床的工作台定位伺服装置中多采用电液系统(通常是液压伺服马达)来代替人工操作,其次是工 前言 随着20世纪自动化技术的巨大进步，自动控制理论得到不断地发展和完善。本文正是针对设计任务，通过设计方案的分析比较之后，选择电液控制系统来设计此次任务。 本文首先介绍了液压控制的一些基本概念，对研究对象和任务作出了整体的介绍，并简述了液压控制技术的发展史。然后在明确设计要求的情况下，对设计任务进行分析。通过机液伺服跑偏控制系统和电液伺服跑偏控制系统的分析对比，最终选择了电液伺服跑偏控制系统的设计方案，从而进入本课题研究要点。 接着本文对电液伺服跑偏控制系统做了具体的设计，先是对电液伺服机构进行了分析，得出了电液伺服系统的数学模型，进而分析了其特点。接着又对系统做了静、动态计算及分析，确定了供油压力，选取了伺服阀，并求取了各元件的传递函数，绘制了系统方块图，得出系统的各个参数。 然后还要对系统进行校正，得到更为优良的设计参数，使系统更加完善，以进一步提高系统的性能。最后利用了先进电脑仿真技术MATLAB对所做的系统进行仿真，通过改变系统的各个参数进行分析、比较，从而可看出系统的各个参数对系统的响应速度和稳定性的影响， 本论文在王慧老师的悉心教导之下，通过研读各著作期刊，经过多次的修改。由于作者水平有限，论文中难免出现点差错，恳请读者指正。 1 绪论 液压伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统。在这种系统中，输出量（位移、速度、力等）能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时，还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。 液压伺服控制系统是以液体压力能为动力的机械量（位移、速度和力）自动控制系统。按系统中实现信号传输和控制方式不同分为机液伺服系统和电液伺服系统两种。 机液伺服系统的典型实例是飞机、汽车和工程机械主离合器操纵装置上常用的液压助力器，机床上液压仿形刀架和汽车与工程机械上的液压动力转向机构等。 电液伺服控制系统是以液压为动力，采用电气方式实现信号传输和控制的机械量自动控制系统。按系统被控机械量的不同，它又可以分为电液位置伺服系统、电液速度伺服控制系统和电液力控制系统三种。电液位置伺服控制系统适合于负载惯性大的高速、大功率对象的控制，它已在飞行器的姿态控制、飞机发动机的转速控制、雷达天线的方位控制、机器人关节控制、带材跑偏、力控制、材料试验机和加载装置等中得到应用。 1.1 液压伺服控制系统的组成 液压伺服控制系统不管多么复杂，都是由以下一些基本元件组成的，如图1-1所示： 图1-1 电液伺服控制系统 Fig.1-1 electro-hydraulic servo system 1）输入元件——也称指令元件，它给出输入信号（指令信号）加于系统的输入端。该元件可以是机械的、电气的、气动的等。如靠模、指令电位器或计算机等。 2）反馈测量元件——测量系统的输出并转换为反馈信号。这类元件也是多种形式的。各种传感器常作为反馈测量元件。如测速机、阀套，以及其它类型传感器。 3）比较元件——相当于偏差检测器，它的输出等于系统输入和反馈信号之差，如加法器、阀芯与阀套组件等。 4）液压放大与转换元件——接受偏差信号，通过放大、转换与运算（电液、机液、 电液位置伺服系统研究现状 张如兴 摘要当系统中被控制的物理量是位置量，同时检测反馈信号以及输入指令信号也是位置信号的由机构和液压元件组成的闭环控制系统。信号的传输是机械液压方式的，这一类系统称为机液位置伺服系统。机液伺服系统的优点是结构简单、工作可靠、抗污染能力强、造价低廉，因此广泛应用于航空、航天、舰船、工程机械、汽车、动力工程、机床控制、和农业机械等各个领域。机液伺服系统的缺点是机械连接件较多，因此不可避免饿带来了间隙、摩擦和刚度的影响。但是，由于它所具有的优点，应用的历史悠久，而且也广泛。 关键词位置伺服系统、伺服阀、应用范围 电液伺服位置系统在不断的进步中，越来越来得到广泛的应用。现在我就浅谈电液伺服位置系统得到一些应用和现状。 电液伺服阀是电液伺服控制系统的核心控制元件，其性能直接决定和制约着整个电液伺服控制系统的控制精度、响应特性、工作可靠性及寿命。随着航空、航天和军事工业对电液伺服系统性能要求的提高，民用工业对低成本、易维护、环保型电液伺服系统需求，传统电液伺服阀已不能满足要求。为提高伺服阀性能，国内外展开了以新型功能材料为基础的高频响、高精度电液伺服阀，以结构改进为基础的大流量、抗污染、低成本型电液伺服阀，以及以水作为介质的水压伺服阀的研究。 l新型功能材料在电液伺服阀中的应用 1．1超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料(GMM)的基本物理原理为磁致伸缩效应，即物体随磁化方向伸长或缩短的现象Ⅲ。此种材料做成的转换器具有输出力大、响应速度快、控制精度高等优点。 1．2压电材料／电致伸缩材料 压电材料(1rZT)和电致伸缩材料(PMN)部是电介质，在其极化方向上施加一定强度的电场．则会引起材料的机械变形．去掉电场后叉能恢复到原状态”。此种材料做成的转换器同样具有输出力大、响应速度快、控错精度高等优点．与GMM材料相比，研究成熟，价格低，但其需要较高的驱动电压。 1．3形状记忆台金 形状记忆台金(SMA)是指其宥一定初始形状的合盒在低温下经塑性形变并固定成另一种形变后，通过加热到某一l晦界温度以上叉可恢复成初始形状的一类合金此种材料做成的转换器体积小精度低，价格较低。 1．4磁流变流体 磁流变流体(MRF)属可控流体，由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。在外磁场作用下，表面黏度系数陡然增大两个数量级以上；当外加磁场增强时，会在一瞬间(0．1 s左右)变成类固体，失去流动性当撤销磁场后，材料立即恢复原状"。 国内哈尔滨工业大学利用MRF在外加磁场作用下，具有较大磁化强度的特点，提出了在力矩马达衔铁和铁芯的工作气隙中加入MRF，利用MRF来改善伺服阀动态性能的方法。实验表明，添加磁流变流体后消除了射流管伺服阀的自激震荡，但响应速度降低。 1．5电流变流体 数控机床工作台电液位置伺服控制系统设 计及仿真 姓名：雷小舟 专业:机械电子工程 子方向：机电一体化 武汉工程大学机电液一体化实验室 位置伺服系统是一种自动控制系统。因此，在分析和设计这样的控制系统时，需要用自动控制原理作为其理论基础，来研究整个系统的动态性能，进而研究如何把各种元件组成稳定的和满足稳定性能指标的控制系统。若原系统不稳定可通过调整比例参数和采用滞后校正使系统达到稳定，并选取合适的参数使系统满足设计要求。 1 位置伺服系统组成元件及工作原理 数控机床工作台位置伺服系统有不同的形式，一般均可以由给定环节、比较环节、校正环节、执行机构、被控对象或调节对象和检测装置或传感器等基本元件组成[1]。根据主机的要求知系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。 系统物理模型如图1所示。 图1 数控机床工作台位置伺服系统物理模型 系统方框图如图2所示。 图2 数控机床工作台位置伺服系统方框图 数控机床工作台位置伺服系统是指以数控机床工作台移动位移为控制对象的自动控制系统。位置伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体。数控机床的工作台位置伺服系统输出位移能自动地、快速而准确地复现输入位移的变化，是因为工作台输出端有位移检测装置（位移传感器）将位移信号转化为电信号反馈到输入端构成负反馈闭环控制系统。反馈信号与输入信号比较得到差压信号，然后把差压信号通过伺服放大器转化为电流信号，送入电液伺服阀（电液转换、功率放大元件）转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，从而使液压马达的四通滑阀有开口量就有压力油输出到液压马达，驱动液压马达带动减速齿轮转动，从而带动滚珠丝杠运动。因滚珠丝杠与工作台相连所以当滚珠丝杠 运动时，工作台也发生相应的位移。 2数控工作台的数学模型 2.1 工作台负载分析 工作台负载主要由切削力c F ,摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成，则总负载力为: a f c L F F F F ++=液压伺服位置控制系统
电液伺服控制系统
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