基于液压试验台的位置控制和力控制系统研究

发布时间：2016-07-15 08:58

第 1 章 绪论

国外的液压技术发展较早，已经有了稳定而精确的工业链，国外有专门的液压试验台的公司，如德国的力士乐。而我国的液压试验台发展较晚，由于国产的液压元件无论在精度还是稳定性、可靠性方面都与国外相距甚远，当有高精度需求时，液压元件都需要从国外进口的，这样既提高了成本，也加长了试验周期，所以，渐渐在一些国内高校发展研究液压试验台[10]。中国的最早的试验台研制是上海研究所研究的泵-马达试验台，由于当时计算机在中国的应用较少，相应的影响了试验台的性能研制和测试。2006 年，北京一所高校研究了泵的变量加载试验台，在加载系统和计算机监控有了较大改善，控制系统可以改变加载状况，计算机系统可以对试验状况进行监测和记录。本次课题就是基于液压试验台进行系统控制，并分析在液压试验台的控制过程中，影响控制精度、稳定性的因素，依此改进液压试验台[11]。

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第 2 章 液压运动控制试验台的组成及工作原理

2.1 实验台功能介绍

本实验台的控制元件是比例伺服阀，执行部分是马达和非对称油缸，通过工控机进行数据采集和数据处理以及对控制元件和执行元件的控制。试验台结构图如图 2.1所示。液压试验台由比例伺服阀控制马达系统、比例柱塞泵控制马达系统、比例伺服阀控制非对称油缸系统组成，可以对马达进行速度、位置、力的控制，以及对油缸进行力和位置的控制。其中，用 VB 编制控制软件，由工控机发出指令，通过传感器采集被控元件信号，进行科研实验。该试验台的试验功能如下[16]：

2.2 液压系统设计

为过滤掉液压泵吸油口处的大颗粒杂质，在油箱内安有网式过滤器；为防止油液污染，使各液压元件稳定可靠工作，在液压泵排油口处安有高精度的过滤器；液压泵排油口处还安有单向阀，防止油液回流；为了显示系统流量，系统安有涡轮流量计；为便于压力的观测，，系统中安有带压力开关的压力表；同时，为了便于日后科研教学工作的拓展，系统中安装了截止阀，便于外联其他系统，实现相关实验要求。本实验台安装有非对称液压缸和液压马达两个执行元件，所以系统分为两个支路，可以实现位置控制、速度控制、力控制等试验需求。同时，分配器中安有减压阀，限定伺服比例阀 P 口压力，由于系统按照执行元件的不同分为两个支路，可以使其有各自独立的供油压力并独立工作；在油缸的进、出油口和马达的排油口都安装有传感器，便于试验时对系统参数的实时监测及控制；系统还配置有蓄能器，以防止系统压力波动对实验造成影响。当然，油液的清洁度对液压系统来说也至关重要，所以分配器内还安装有高精度的过滤器，同时，为了使试验台的寿命更长久，便于安装维护，液压分配器进出口处还安装有截止阀。

第 3 章 闭环位置控制及力控制系统模型传递函数的建立及稳定性分析...........19 

3.1 系统传递函数的建立..........19 

3.2 频域稳定性分析................27 
3.3 本章小结.............29
第 4 章 不同控制模式下控制系统动态响应特性分析...........30
4.1AMEsim 软件的简介.....................30
4.2 不同测控系统模型的建立.......................30 
4.3 闭环控制系统的动态响应特性分析....36 
4.4 三种测控系统控制效果比较.....42
4.5 本章小结...................48
第 5 章 结论......................49

第 4 章 不同控制模式下控制系统动态响应特性分析

4.1 AMEsim 软件的简介

随着液压在重工业的广泛应用，对液压系统进行仿真分析成为液压设计人员的一项必要工作，而通用的 Matlab Simulink 软件虽然功能强大，但是其仿真分析需要进行传递函数的计算[41]，往往系统的建立非常复杂，而且易出错，耗费了液压技术人员大量的时间。AMEsim 是一款智能的液压仿真分析软件，在 1995 年被法国的一个公司提出，初时主要是用来对机械和液压进行建模分析，随着近年来的发展，其版本已经发展到 4.2 版本[42]。其功能也拓展到电气、气动等专业，内容愈加丰富。其内部有各种元件库，电器元件库、液压元件库、气动元件库、信号元件库、机械元件库等，我们可以根据实际情况或者设计原理图建立相应的仿真模型。AMEsim 中很多液压伺服阀的模型是没有的，这是因为每种阀的参数都是不一样的，我们要根据实际选用的阀类型进行自主搭建，此款软件功能功能强大且搭建系统容易，省去了 Matlab 的建模计算的繁琐环节，受到广大液压专业人士的喜爱[43]。

4.2 不同测控系统模型的建立

在 AMEsim 仿真中，用采样器设置采样时间[44]，模拟计算机的工作周期。由于计算机负责整个试验台的测试控制工作，并在显示器上显示监测数据的曲线，这些工作都造成计算机的工作周期不稳定，根据实际测量结果，设置采样器参数为 0.15 秒。由于位置控制系统加载方式分为刚性加载和弹性加载两种，相应的将计算机控制仿真模型图分为两种。图 4.1 液压系统中的位置控制系统加载方式为刚性加载，图 4.2 液压系统中的位置控制系统加载方式为弹性加载，两种计算机控制仿真模型图的马达力矩控制系统相同，在马达力矩控制系统中，仿真模型中用一个常量符号来表示外力矩输入信号，以模拟马达的定值外力矩。

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第 5 章 结论

本课题主要基于我校的液压试验台，研究比例伺服阀控制液压马达的力矩控制和比例伺服阀控制非对称液压缸的位置控制，本文研究了受定量力矩的伺服阀控马达系统的力矩变化情况和受两种形式负载的阀控非对称液压缸系统的位移变化情况。并比较了计算机控制和控制器控制效果的区别。由于计算机接收和发出的信号皆为数字信号，工业上对数字控制器需求更高，本文研究了不同的采样周期的数字控制器控制效果同模拟控制器控制效果和计算机控制效果的比较。通过对位置控制系统和力控制系统的仿真得出如下结论：（1）本课题基于我校现有的液压试验台，实际运行结果及仿真结论显示所确定的液压系统工作原理可行。（2）位置控制系统可以达到 0.1mm 的精度，力矩控制系统可以达到 1Nm 的精度。（3）比例伺服阀控制油缸的刚性加载位置控制系统还是比例伺服阀控制液压马达的力控制系统，加入 PID 校正后系统的响应速度和稳定性都有相应提高。

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参考文献（略）

本文编号：71456