电液伺服控制技术.docx
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中国地质大学
研究生课程论文封面
课程名称 电液伺服控制技术
教师姓名张萌
研究生姓名邹祖杰
研究生学号120110807
研究生专业
所在院系 机械与电子信息学院
类别 硕士
日期2012年6月22日
评语
注:
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电液伺服控制技术概论
摘要:
当前的电液伺服控制技术已经能将自动控制技术、液压技术与微电子技术有机地结合起来,形成新一代的电液伺服控制技术。
而随着电子设备、控制策略、软件及材料等方面的发展与进步,电液控制技术及伺服阀产品将在机、电、液一体化方面获得长足的进步。
本文将从电液伺服控制技术含义、发展、研究及应用现状、发展趋势等方面作扼要阐述。
关键词:
电液控制;伺服系统;发展;研究;应用;发展趋势
Abstract:
Thecurrentelectro-hydraulicservocontroltechnologycanalreadywillautomaticallycontroltechnology,hydraulictechnologyandmicroelectronicstechnologyorganically,andformanewgenerationofelectro-hydraulicservocontroltechnology.Andastheelectronicequipment,controlstrategy,softwareandmaterials,andotheraspectsofthedevelopmentandprogressoftheelectro-hydrauliccontroltechnologyandservovalveproductswillbeinthemachine,electricity,liquidintegrationhasmadesignificantprogress.Thispaperfromtheelectro-hydraulicservocontroltechnologymeaning,development,researchandapplicationstatusanddevelopmenttrendofexplained.
Keywords:
Electrohydrauliccontrol;Servosystem;Development;Research;Application;Developmenttrend
一、概述
电液伺服控制技术是基于机、电、液一体化的一项综合控制技术。
通过将自动控制、液压技术及微电子技术等有机结合,形成一项高精度、高效率的自动化控制方法。
液压伺服系统也称为液压跟踪系统或液压随动系统。
是一个负反馈控制系统。
电液伺服系统的分类方法很多,可以从不同角度分类,如位置控制、速度控制、力控制等;阀控系统、泵控系统;大功率系统、小功率系统;开环控制系统、闭环控制系统等。
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。
以电液伺服闭环控制为例,输出为位置、速度、力等各种物理量;控制元件为伺服阀(零遮盖、死区极小、滞环小、动态响应高、清洁度要求高);控制精度高;响应速度快;用于高性能场合。
系统的一般构成如图1.1所示七
液压源 被控制对象
图1.1电液伺服系统的一般构成
二、电液伺服控制技术的发展
液压控制技术的历史最早可追溯到公元前240年,一位古埃及人发明了人类历史上第…个液压伺服系统一一水钟。
然而在随后漫长的历史阶段,液压控制技术一直裹足不前,直到18世纪末19世纪初,才有一些重大进展㈤七
19世纪液压技术开始走向工业应用,工业技术发展的需求,为液压技术发展创造了决定生条件。
Askania调节器公司及Askania-Werke发明及申请了射流管阀原理的专利。
同样,Foxboro发明了喷嘴挡板阀原理的专利。
而德国Siemens公司发明了一种具有永磁马达及接收机械及电信号两种输入的双输入阀,并开创性地使用在航空领域20世纪初控制理论及其应用飞速发展,使古典控制理论走向成熟,这为电液伺服控制技术的出现与发展提供了理论基础与技术支持。
1946年,英国Tinsiey获得了两级阀的专利;Raytheon和Bell航空发明了带反馈的两级阀;MIT用力矩马达替代了螺线管使马达消耗的功率更小而线性度更好。
1950年,W.C.Moog第一个发明了单喷嘴两级伺服阀。
1953年至1955年间,T.H.Carson发明了机械反馈式两级伺服阀;W.C.Moog发明了双喷嘴两级伺服阀;Wolpin发明了干式力矩马达,消除了原来浸在油液内的力矩马达由油液污染带来的可靠性问题。
1957年R.Atchley利用Askania射流管原理研制了两级射流管伺服阀。
并于1959年研制了三级电反馈伺服阀。
1960年,BLACKBURN出版了第一本液压科学著作《液压气动控制》,将控制理论与液压系统结合起来,为电液伺服理论和实践奠定了基础。
1967年HEMERRIT的《液压控制系统》科学著作问世,系统地、全面地阐述了液压控制理论,将古典控制理论应用于液压系统的建模、分析与设计中,完善了电液伺服系统的经典设计理论囱。
20世纪50年代初,在苏联的帮助下,我国的液压工业开始起步。
而电流伺服系统的研究始于20世纪60年代末。
我国第一部关于电液伺服系统的专著是在1979年,由工占林,李培滋主编的《飞机液压传动与伺服控制》一书,成为国内最早建立了液压技术的经典理论体系的科学著作叫气
1981年,李洪人的《液压控制系统》和王春行的《液压伺服控制系统》两部中文科学著作问世,在MERRITT的《液压控制系统》的基础上,系统地液压控制系统的基本理论及应用、典型系统和主要元件与设计方法。
尤其是李洪人的《液压控制系统》,成为我国电液伺服系统方面的经典著作BH9]o
在此之后,电液伺服系统的设计理论日臻成熟,在科技领域和工业技术领域已广泛应用。
随着伺服阀工业运用场合的不断扩大,某些生产厂家研制出了专门使用于工业场合的工业伺服阀。
Moog公司在1963年推出了第一款专为工业场合使用的73系列伺服阀产品。
随后,越来越多的专为工业用途研制的伺服阀相继出现。
20世纪70年代,美国MTS公司研制出了以电液伺服系统为驱动的地震模拟振动台,将电液伺服系统与复杂机构结合起来,开创了基于电液伺服系统的系统集成设计的先河网。
三、电液伺服控制技术的研究和应用现状
电液控制技术的研究和应用,从两个方面展开:
一是电液伺服基础元件的研究,包括伺服阀和液压缸等;二是电液伺服系统控制方法与应用技术的研究。
进入21世纪,电液伺服控制技术的研究日益活跃,从基础元件和伺服系统两方面均取得了突出的研究成果。
3.1电液伺服基础元件研究现状
群控系统(DNC)和柔性制造系统(FMS)等新工艺装备的使用,计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助测试(CAT)的广泛应用,为我们简化伺服阀结构,完善设计,降低工艺制造成本和管理费用,提高产品性能,稳定产品质量,增加产品可靠性和延长使用寿命创造了极其有利的条件。
电液伺服阀的结构改进、测量和测试设备技术、动态性能研究、故障检测技术和新型阀的研制等方面即是当下研究的热门课题。
3.1.1伺服阀的结构改进
(1) 在电液伺服阀的部分结构上,主要从余度技术、结构优化和材料的更替等方面进行改造,以提高相关性能叫。
从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上,采用不同的磨配原理,如磁力研磨法等原理来提高阀的工作性能。
(2) 从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上,采用不同的磨配原理,如磁力研磨法等原理来提高阀的工作性能。
阀芯和阀套组成的滑阀副是伺服阀的核心,阀套窗口棱边的几何精度决定了阀的工作性能。
(3) 利用优质材料进行伺服阀装配FA表面改质剂不含金属成分及固体润滑剂、树酯等,使用后没有凝固物及杂质产生,与矿物油、液压油等是相溶的。
还有金属清洁与去污特性。
所以可以改善润滑条件,解决压装中的难点询。
3.1.2测量和测试设备技术CAT
在对液压伺服阀的静、动态特性进行试验测量时,由于测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频随机干扰使被采集的信号中混有相当成分的高频噪声,使信号特征不能真实反映伺服阀实际性能。
因此研制对电液伺服阀进行高精度、高可靠性而易于操作的计算机辅助实时测试设备技术非常必要,为电液伺服控制系统的设计或调整,提供准确可靠的伺服阀实际特性依据。
(1) 有关静态特性的测试技术-测频/测周法
从简化测试系统,方便操作方面,对电液伺服阀的额定流量(大流量)和泄漏流量(小流量)的测试,将测频法(对大流量的测试)与测周法(对小流量的测试)结合起来,进行宽范围的流量测试。
由于光栅传感器采用脉冲量,分辨率高、抗干扰能力强,也提高了系统的测试精度,目前,有专家开了发一套用光栅传感器测量流量的装置,实现了静态特性的流量测试虬
(2) 有关动态特性的测试技术
易建钢等人利用“柔性化”设计原则和“虚拟仪器”的设计思想,用数字滤波技术达到准确有效的测试。
王向周等人利用伪随机信号的谱分析法在阀的某一个工作点附近进行测试,不但避免了非线性的影响,而且可以在试验信号幅值很小的情况下完成在线测试何。
(3) 电液伺服阀综合性能的测试技术
利用计算机和相关软件建立的液压元件特性测试系统,实现了电液伺服阀动、静态特性的自动测试。
采用虚拟仪器技术VICAT系统,产生低频的三角波、正弦波、锯齿波等用于静态特性实验需要,产生随机信号、正弦扫频信号用于动态特性实验需要;两路模拟量输出和四路模拟量输入等接口,对提高测试精度、减少测试时间、减轻实验人员负担无疑起到了巨大的作用*。
3.1.3动态性能研究
在电液伺服阀动态性能理论分析中,通过分析伺服阀结构原理,辨识其非线性数学模型,再进行仿真研究,以证明动态数学模型的正确性,为电液伺服系统的设计、控制策略的研究、电液伺服阀的工作性能认知提供研究的平台。
采用不同的输入信号(正弦、脉冲等)对电液伺服阀进行试验,求出其动态数学模型。
还可用一种新的混沌遗传算法,结合混沌优化方法与改进型遗传算法IGA(ImprovedGeneticAlgorithm)各自的优点,能够解决传统上用伪随机信号进行系统辩识时参数选择的不确定性问题,而且准确、快速。
利用多目标优化理论,建立统一的目标函数,然后运用优化算法对模型进行优化,获得改善阀动态性能的一组结构参数,从而达到改善电液伺服阀动态性能的目的。
影响系统稳定性的研究,主要从减小阀分辨率误差以及系统的频带等因素进行,王向周等对三级电液伺服阀加入PD校正环节展宽了频带和减小了先导二级伺服阀的阻尼系数,有利于三级阀系统的稳定"。
3.1.4故障检测技术
液压伺服阀具有时变、非线性、液固耦合等特点,由于设计参数、制造工艺、工作条件和环境的影响,往往会引起堵塞、磨损、疲劳、气蚀、老化、泄漏等多种形式的失效,使液压控制系统不能继续正常工作。
一般运用BP神经网络、专家系统等智能方法对电液伺服阀进行故障诊断和模式识别。
如利用伺服阀静动态特性曲线对阀的常见故障进行了专家系统和伪随机信号的谱分析法离线和在线诊断分析;针对故障特征信号具有局部时变特征,将小波变换检测信号
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