电液伺服跑偏控制系统设计.docx
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电液伺服跑偏控制系统设计
电液伺服跑偏控制系统设计
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。
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。
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。
于作者水平有限,论文中难免出现点差错,恳请读者指正。
1 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、张力控制、材料试验机和加载装置等中得到应用。
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 electro-hydraulicservosystem 1)输入元件——也称指令元件,它给出输入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,产生所需要的液压控制信号,控制执行机构的运动,如放大器、伺服阀、滑阀等。
5)液压执行元件——产生调节动作加于控制对象上,实现调节任务。
如液压缸和液压马达等。
6)控制对象——被控制的机器设备或物体,即负载。
此外,系统中还可能有各种校正装置,以及不包含在控制回路内的能源设备和其它辅助装置等。
液压控制元件、执行元件和负载在系统中是密切相关的,把三者的组合称之为液压动力机构。
凡包含有液压动力机构的反馈控制系统统称为液压控制系统。
液压伺服控制的分类 液压伺服控制系统可按下列不同的原则进行分类,每一种分类的方法都代表系统一定的特点。
按系统输入信号的变化规律分类 液压伺服控制系统按输入信号的变化规律不同可分为:
定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统。
1)定值控制系统——当系统输入信号为定值时,称为定值控制系统。
对定值控制系统,基本任务是提高系统的抗干扰性,将系统的实际输出量保持在希望值上。
2)程序控制系统——当系统的输入信号按预先给定的规律变化时,称为程序控制系统。
输入量总在频繁的变化,系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化。
3)伺服控制系统——也称随动系统,其输入信号是时间的未知函数,而输入量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。
对伺服系统来说,能否获得快速响应往往是它的主要矛盾。
按被控物理量的名称分类 1)位置伺服控制系统;2)速度伺服控制系统;3)加速度伺服控制系统;3)力控制系统; 4)其它物理量的控制系统; 3 按液压动力元件的控制方式分类 1)节流式控制系统——用伺服阀按节流原理来控制流入执行机构的流量或压力的系统。
2)容积式控制系统——利用伺服变量泵或变量马达改变排量的办法控制流入执行机构的流量和压力系统。
又可分为伺服变量泵系统和伺服变量马达系统两种。
按信号传递介质的形式分类 1)机械液压伺服系统;2)电气液压伺服系统;3)气动液压伺服系统; 除以上几种分类方法外,还可将系统分为数字控制系统和连续时间控制系统,线性或非线性控制系统等。
液压伺服控制的优缺点 液压伺服控制的优点 液压伺服系统与其它类型的伺服系统相比,具有以下的优点:
1)液压元件的功率—重量比和力矩—惯量比大,功率传递密度高,可组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。
对于中、大功率的伺服系统,这一优点尤为突出。
2)液压动力元件快速性好,系统响应快。
于液压动力元件的力矩—惯量比大,所以加速能力强,能高速起动、制动与反向。
3)液压伺服系统抗负载的刚度大,即输出位移受负载变化的影响小,定位准确,控制精度高。
4)液压执行元件速度快,在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益提高、频宽高。
5)液压控制系统可以实现频繁的带载起动和制动,可以方便地实现正反向直线或回转运动和动力控制,调速范围广、低速稳定性好、能量贮存和动力传输方便。
此外,液压伺服控制系统还有一些优点。
如液压元件的润滑性好,液压元件寿命长;调速范围宽、低速稳定性好;借助油管动力传输比较方便;借助蓄能器,能量储存比较方便;液压执行元件有直线位移式和旋转式两种,增加它的适应性;过载保护容易;解决系统温升问题比较方便;易于采取节能措施等 4 液压伺服控制的缺点 液压控制系统因有上述突出优点,使它获得广泛的应用。
但它还存在不少缺点,因而又使它的应用受到某些限制。
其主要缺点有:
1)液压元件,特别是精密的液压控制元件抗污染能力差,对工作油液的清洁度要求高。
污染的油液会使阀磨损而降低其性能,甚至被堵塞而不能正常工作。
这是液压伺服系统发生故障的主要原因。
因此液压伺服系统必须采用精过滤器。
2)油液的体积弹性模量随油温和混入油中的空气含量而变化。
油液的黏度也随油温的变化而变化。
因此油温的变化对系统的性能有很大的影响。
3)当液压元件的密封装置设计、制造或使用维护不当时,容易引起漏油,污染环境。
采用石油基液压油,在某些场合有引起火灾的危险。
采用抗燃液压油可使这种危险减小。
4)液压元件加工精度要求高,成本高,价格贵。
5)液压能源的获得、储存和远距离输送不如电气系统方便。
电液伺服控制系统的发展概况 电液伺服控制技术最先产生于美国的MIT,后因其响应快、精度高,很快在工业界得到了普及。
电液伺服系统是一种以液压动力元件作为执行机构,根据负反馈原理,使系统的输出跟踪给定信号的控制系统。
它不仅能自动、准确、快速地复现输入信号的变化规律,而且可对输入量进行变换与放大。
作为控制领域的一个重要研究对象,电液伺服系统的设计理论和方法一直受到控制学科的指导和启发,经历了从线性到非线性智能控制的发展历程。
自从20世纪50年代麻省理工学院开始研究电液伺服系统的控制至以后的几十年中,电液伺服控制设计基本上是采用基于工作点附近的增量线性化模型对系统进行综合与分析。
PID控制也因其控制律简单和易于理解,受到工程界的普遍欢迎。
然而,随着人们对控制品质要求的不断提高,电液伺服系统中PID控制的地位发生了动摇。
这主要是电液伺服系统的特性所决定的。
首先,电液伺服系统是一个严重不确定非线性系统,环境和任务复杂,普遍存在参数变化、外干扰和交叉耦合干扰;其次,电液伺服系统对频带和跟踪精度都有很高的要求。
如航空航天领域的系统频宽可达100Hz,已接近甚至超过液压动力机构的固有频率;另外,在高精度快速跟踪条件下,电液伺服系统中的非线性作用已不容忽视。
因此,可以说电液伺服系统是一类典型的未知不确定非线性系统。
这类系统扰动大、工作范围宽、时变参量多、难以精确建模。
这些特点对系统的稳定性、动态特性和精 5
液压缸的输出力与负载力的平衡方程四个电液伺服系统基本方程。
结合这四个基本方程,经过整理、化简而得到最终所需的电液伺服系统的基本数学模型,供后续章节控制策略的应用。
电液位置伺服系统的特点 某些电液位置伺服系统有时象机液伺服系统那样,不采用校正的方法,而是依靠液压动力机构本身固有的特点来满足系统的性能要求。
充分认识液压系统的特点,对设计系统,特别是对不经校正的位置伺服系统是很有益处的。
从开环频率特性看:
位置伺服系统的固有部分一个积分环节和一个振荡环节组成。
振荡环节的阻尼比?
h随工作点的变动而在很大的范围内变化,系统的开环增益Kv也因伺服阀的流量增益KV的变动而变。
因而造成开环频率特性的浮动。
阀在零位区时?
h最小,在空载时KV最大。
所以位置伺服系统通常以零位区设计工况。
于?
h比较小,在比例控制时,主要保证系统具有足够的幅值稳定裕量,为此不得不把增益和穿越频率压得较低。
系统的相角裕量接近90?
从闭环频率特性看:
当?
h较小时,闭环幅频特性在转折频率?
b附近已下降到接近-3dB,因此系统的频宽仅能达到?
b附近。
而?
b 从阶跃响应曲线看:
过度过程曲线是典型三阶系统的阶跃响应曲线,与通常的二阶系统的过度过程有明显的不同。
这主要是高频小阻尼振荡环节的影响所致。
因此,未经校正的液压位置伺服系统一般不用二阶系统近似。
在液压位置伺服系统中,于液压动力机构的固有特点,使系统的刚度很大,对干扰信号的误差系数比较小,因此,负载扰动的影响相对较弱。
液压执行机构的力矩惯量比很大,只要保证足够的尺寸就可以获得较高的固有频率?
h。
阀控液压缸特别是泵控液压马达又能提供比较恒定的流量增益。
所以系统虽然有阻尼比小、多变等弱点,液压位置伺服系统在比例控制条件下也能满足某些对象的需要,并获得较为满意的性能。
电液位置伺服系统的设计原则 上面的分析可知,在比例控制条件下,液压固有频率?
h、开环增益也称速度放大系数Kv和液压阻尼比?
h这三个量以及它们之间的相互关系就决定了系统的主要性能。
因此 16 设计液压位置伺服系统时,首先应解决如何根据系统的要求,确定这三个量的数值和三个量之间的恰当的比例关系。
确定主要性能参数的原则 系统的设计是从选择液压动力机构的参数着手的,所选参数应能满足驱动负载和满足系统性能两方面的要求。
从提高系统性能角度考虑:
前面分析可知为提高系统的快速性应具有的穿越频率?
c,为提高系统的精度应提高开环增益Kv,两者都受?
h的限制。
液压弹簧与负载质量相互作用构成一个液压弹簧-质量系统,该系统的固有频率为 ?
h?
Kh?
m2?
eA2?
V0m2?
eA2 Vtm?
e—有效体积弹性模量,单位Pa,一般为700—1400MPam—活塞及负载折算到活塞上的总质量 2?
eA24?
eA2Kh—液压弹簧刚度 Kh?
?
V0VtVt—总压缩容积 在计算液压固有频率时,通常取活塞在中间位置时的值,因为此时?
h最低,系统稳定性最差。
可见,?
h随A的增大而增大,所以应选择大的A值。
另外,式 C0?
0C1?
1KvKvC2?
22?
h ?
hKv2?
1?
14?
h1C3?
6?
?
?
?
K3K?
2K2?
vhvh?
v?
KceCf0?
KvA2Cf1?
KceKv2A2?
?
?
?
?
KvVt?
1?
?
?
?
1?
?
2?
K?
KKcevh?
e?
17 可见外干扰产生的误差与系统的柔度 Kce成正比,即与A2成反比。
所以为提高系统的快2KvA速性和跟踪精度,减小外干扰力的影响,都要求选择大的A值。
此外,于伺服阀的压力-流量曲线有非线性特性,阀的流量增益随着负载压降pL的增大而降低,特别当pL接近pS时,流量增益的过分降低会使伺服系统的性能变差。
一般系统允许增益下降的裕量为12, 22对液压位置伺服系统来说,即相当于允许pLpS?
。
从这个原则出发也要求选大的A值。
但是大的尺寸要求有大的伺服阀,会使系统的功率加大,效率降低,经济性变差。
从满足驱动负载要求考虑:
液压动力机构应按负载匹配的原则确定A,使所选动力机构功率最小,效率较高。
一些大功率动力控制类伺服系统,对动特性常常要求不高,而把效率放在首位,这时应按满足负载要求确定参数。
反之,对于中、小功率系统,经济性常常是次要的,主要考虑能否有足够的频宽和精度,应按动特性要求选择参数。
对于一般系统我们常用的办法是,首先采用按负载匹配的原则确定动力机构的尺寸,然后根据动力机构的?
h和?
h值确定系统可能有的最好性能,如不满足系统要求,再回过头来重新选择固有频率高的动力机构,即增大动力机构的尺寸,直到满足性能要求为止。
这样做等于把按负载匹配的原则所选的尺寸做基准值,然后再修正到能满足系统性能所需要的一个较大的尺寸为止。
即在A大与功率最小之间取折衷。
确定参数间适当的比例关系 为使系统具有较好的动态性能,应要求它的闭环幅频特性在尽可能宽的频带内实现幅值近似等于1,即 Y?
j?
?
?
1 Rp?
j?
?
容易证明,对于三阶系统,如果希望在尽可能宽的频宽内满足闭环传递函数应具有如下典型形式 Y?
j?
?
?
1的条件,其Rp?
j?
?
18 Y?
3Rps3?
nc1?
2s22?
nc?
2s ?
nc?
1根据此典型闭环传递函数可以求得相应的典型预期开环传递函数 W(s)?
YRp1?
YRp?
s312s22s?
?
nc2?
s2?
s?
s?
2?
?
1?
?
?
2?
nc?
nc?
?
令液压固有频率 3nc?
?
2nc?
?
nc?
h?
2?
nc 上式可化成 ?
hW(s)?
?
s?
s?
2?
s?
1?
?
?
?
2?
h?
h?
2222 对比简化传递函数的标准式 W?
s?
?
Kv ?
s22?
h?
s?
2?
s?
1?
?
?
h?
h?
可得 1?
?
?
2?
Kv1?
?
?
?
?
h22?
?
?
?
b?
?
nc?
h?
2?
?
?
nc?
?
?
b?
?
?
2?
?
?
nc?
nc?
?
?
h?
?
b—闭环惯性环节的转折频率。
?
nc—闭环振荡环节的固有频率。
?
nc—闭环振荡环节的阻尼比。
如果系统参数具有公式所示,即实现了工程上常用的所谓“三阶最佳”,遗憾的是,实际系统中振荡环节的阻尼比不可能恰好就是?
h?
,所以不经校正的液压 19 位置伺服系统要实现“三阶最佳”是困难的。
实际系统的阻尼比?
h通常远比为小且多变,为了接近上述指标,设计者首先应考虑采取措施提高?
h值和减小?
h的变化。
比如采用加速度或压差反馈校正提高阻尼比?
h,使接近于以后,即可按“三阶最佳”的原则调整参数间的关系。
设计一般系统时,常以?
h为参考量,来适当的选取比值Kv?
h。
当?
h?
时,取 Kv?
h=,工程上通常去Kv?
h?
13;当?
h较小时,则取较小的Kv?
h值,若系统不允许有较大的超调也取较小的Kv?
h值;若系统允许有较大的超调,则相应的取较大的Kv?
h值。
当要求更精细的计算,或者系统的结构超过三阶以上时,可以通过绘制博德图,并估计到参数和工况变动引起博德图浮动的情况下,保证系统有足够的稳定裕量,选择合适的增益和穿越频率。
也可以通过模拟机和数字仿真寻找最佳参数见关系。
应考虑的其它因素 式 ?
m?
?
系统的静态误差死区和零漂?
I(A) 电气部分增益KaKf(A/m)知,为了减小系统的静态误差,在增益分配时,希望提高系统电气部分的增益KaKf,减小液压部分的增益KVA。
从提高系统刚度考虑应减少执行机构的泄露量和阀的流量-压力系数。
可见适用于液压位置伺服系统的动力机构,应具有高的压力增益和低的流量增益。
零开口流量伺服阀、低泄露量的液压缸和液压马达具有这样的特性。
但是低泄露量的液压缸常常有较大的摩擦力和要求较大的启动压力,若要求系统具有较好的低速平稳性,则应选择低摩擦和有较大泄露量的液压执行机构。
综上所述,液压位置伺服系统,应选择具有高压力增益和恒定流量增益的流量伺服阀,选择足够尺寸的液压执行机构。
3设计要求及方案的选择 设计要求 带钢经过连续轧制或酸洗等一系列加工处理后须卷成一定尺寸的钢卷,于辊系的偏差及带材厚度不均和板材不齐等种种原因,使带材在作业线上产生随机偏离现象。
它使卷 20
取机卷成的钢卷边缘不齐,直接影响包装,运输及降低成品率。
所以有必要做防跑偏的控制系统,以提高工作效率。
已知条件与要求:
机组最大卷取速度v=5m/s最大钢卷质量m1=15000kg卷取机移动部分质量m2=20000kg卷取误差E?
?
?
1~2?
mm移动距离L?
150mm导轨摩擦系数?
?
5工作环境冷轧车间 根据对同类机组的实测数据及统计资料,经分析确定系统的性能指标为 ?
3m系统误差E?
?
2?
10系统频宽f?
3dB?
20rads/ ?
2最大工作速度vm?
/?
10ms最大加速度am?
/ 方案选择 根据主机参数及其控制系统要求,现在对现有两种控制方案进行对比:
方案一:
机、液型带钢跑偏控制装置 该跑偏控制装置两个先导阀、主阀(液动型零开口四通滑阀)、双出杆对称液压缸、无外动力液压油源等组成。
其工作原理如图2-1所示。
两个锥阀既作为检测带钢对中与否的传感器,又是主阀的先导阀。
其结构见图2-2。
先导阀阀芯为带平衡活塞式结构,靠弹簧复位;滑轮及连杆靠螺纹与阀芯相联并可调零;主阀为液动型零开口四通滑阀,其结构见图2-3。
21 1-增速齿轮箱;2-恒压变量液压泵; 3-调压溢流阀及压力表;4-单向阀及精过滤器;5-蓄能器及安全阀组;6-主阀;7-先导锥阀;8-摆动辊及可旋转式支架;9-纠偏用液压缸 图2-1机液跑偏控制装置原理图 Themachineliquidrunstobepartialtothecontrolequipstheprinciple 1-碰撞滑轮与连杆;2-阀体;3-阀芯; 4-复位弹簧;5-阀盖 图2-2先导阀结构 Leadfirstthevalveconstruction 主阀采用弹簧对中,阀芯为三台肩四槽结构,并在中间台肩上开有两个直径为的径向固定节流孔,对应于中间台肩的压力油通过径向、轴向小孔分别引到阀芯两端。
阀芯中间为10mm的轴向通孔,并与回油台肩上的一个10mm径向孔相通;无外动力液压油源的动力活套小车上的摆动辊(靠带钢张力旋转),摆动辊经中间齿轮箱带动液压泵 22 旋转,产生高压油,并在液压泵出口装有蓄能器。
1-密封件;2-阀体;3-阀芯;4-对中弹簧;5-组合式密封件;6-弹簧卡圈;7-阀端盖 图2-3主阀结构 Mainvalveconstruction 假设带钢于某种原因偏离机组中心向左移,带钢碰撞先导锥阀(Ⅰ)上的滑轮使先导阀芯开启,主阀(液动型零开口四通滑阀)左端的高压油经先导锥阀(Ⅰ)阀口流到主阀回油腔,使主阀阀芯在压差作用下向左移动,高压(ps)油与工作腔B沟通,工作腔A与回油T沟通,液压缸在压力油的作用下,带动活套小车上的摆动辊绕其回转中心顺时针旋转方向移动,带钢在张力作用下向右移动,直到带钢离开先导锥阀(Ⅰ)上的滑轮又回到机组中心。
同理,若带钢偏离机组中心向右移,仿上述分析可知,带钢仍能回到机组中心。
为了节能降耗,本控制装置液压源采用恒压变量泵与蓄能器组合的形式。
系统不工作时液压泵处于微流量工况,蓄能器仅作为辅助动力。
这样可避免普通液压跑偏控制系统中定量泵高压溢流发热的现象,延长液压元件的使用寿命。
本控制装置不用外动力及控制电器件,不需敷设电缆,整个装置加工简单,节省投资,是一种典型的节能产品。
方案二:
电、液型带钢跑偏控制装置 卷筒跑偏方向传动装置电动机放大器油源伺服阀图2-4带钢跑偏控制原理图 Takingthesteelrunstobepartialtocontroltheprinciplediagram 23 图2-5跑偏控制系统原理图 Runtobepartialtocontrolthesystemprinciplediagram 图中,于卷筒刚性连接的光电检测带钢的横向跑偏量,偏差信号经放大器输入至伺服阀,伺服阀控制液压缸驱动卷筒,使卷筒向跑偏方向跟踪。
当跟踪位移相等时,偏差信号为零,卷筒处于新的平衡位置,使卷筒上的钢带边缘实现自动卷齐。
上面两个方案的各方面的比较之下,各有利弊,第一种方案机液控制系统虽然成本低、维护方便,但结构较为复杂,系统的控制精度低。
电液伺服系统能充分发挥电子和液压两方面的优势。
通过电路实现系统的校正、补偿和测试很方便,因而便于改善和提高系统的性能。
所以选择第二种方案。
24 25
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