電液比例閥控活塞式液壓擺動馬達位置控制系統(tǒng)設(shè)計 000000

1、電液比例閥控活塞式液壓擺動馬達位置控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名： 吉靈龍 學(xué)號： 101201208 班級： 機械1002班 學(xué)院： 機械工程學(xué)院 24 目錄第一章、設(shè)計任務(wù)和要求21.1活塞式液壓擺動馬達的組成及工作原理21.2設(shè)計并仿真分析電液比例閥控活塞式液壓擺動馬達位置控制系統(tǒng)2第二章、元器件選用32.1液壓油源32.2電液比例方向閥32.3比例放大器4第三章、電液比例閥控活塞式液壓擺動馬達位置控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型53.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立53.2負載的等效處理93.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)參數(shù)確定93.4系統(tǒng)特性分析13第四章、電液比例閥控馬達速度控制系統(tǒng)PID控制174.1PID控制器基本原理174.2液

2、壓系統(tǒng)PID校正步驟184.2對校正后的系統(tǒng)仿真20第五章、調(diào)整后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析215.1指令輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差215.2負載干擾力矩引起的穩(wěn)態(tài)誤差22第六章、結(jié)論與展望236.1結(jié)論236.2問題與展望23參考文獻25第一章、設(shè)計任務(wù)和要求1.1活塞式液壓擺動馬達的組成及工作原理活塞式液壓擺動馬達是將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)擺動的液壓機械復(fù)合傳動機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它由滾珠螺旋副、滾珠花鍵副、滾珠卸荷副、螺旋旋轉(zhuǎn)輸出套、導(dǎo)向套、傳動軸、以及液壓油缸組件等組成。擺動馬達的工作原理為：液壓油進入油缸驅(qū)動滾珠螺旋絲桿軸往復(fù)直線運動，滾珠螺旋絲桿軸驅(qū)動螺旋旋轉(zhuǎn)輸出套做往復(fù)擺動運動，滾珠花鍵導(dǎo)軌副

3、防止螺旋絲桿軸轉(zhuǎn)動。液壓擺動馬達有以下結(jié)構(gòu)特點：1）采用滾珠螺旋副將活塞及傳動軸的直線運動轉(zhuǎn)換為螺旋套的旋轉(zhuǎn)擺動；2）采用滾珠花鍵副為傳動軸導(dǎo)向，平衡負載力矩，以防傳動軸轉(zhuǎn)動；3）采用滾珠卸荷副使直旋驅(qū)動關(guān)節(jié)軸向力封閉卸荷，保證滾珠旋擺新型液壓擺動馬達有良好的受力特性；4）采用多頭滾道、大螺旋升角的螺旋機構(gòu)，增大新型液壓擺動馬達的承載能力；5）回珠方式采用同圓柱面回珠結(jié)構(gòu)，減小新型液壓擺動馬達的徑向尺寸，以適應(yīng)飛機的機翼內(nèi)特殊空間要求。 圖1-1液壓擺動馬達結(jié)構(gòu)原理圖1.2設(shè)計并仿真分析電液比例閥控活塞式液壓擺動馬達位置控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及性能要求：馬達的最大旋轉(zhuǎn)擺角為；最大轉(zhuǎn)速，最大角加速度；

4、液壓缸以外運動部件受到干摩擦力矩為；液壓缸的粘性摩擦系數(shù)為；負載轉(zhuǎn)動慣量為，靜態(tài)誤差；相位裕量；增益裕量；液壓彈性模量為。1）計算液壓缸的傳遞函數(shù)，并繪出系統(tǒng)控制方框圖；2）建立電液控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；3）用PID調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)進行性能校正和仿真分析（校正前、后的伯德圖、單位階躍響應(yīng)及正弦響應(yīng)）。第二章、元器件選用2.1液壓油源開式泵選用德國力士樂原裝進口的軸向柱塞恒壓變量泵，特別適合開式回路，具有良好的自吸特性，連續(xù)工作壓力可達35Mpa，噪聲低、使用壽命長、功率重量比高，排量為125mL/r。閥控馬達實驗中，由該泵提供動力源。2.2電液比例方向閥泵經(jīng)此電液比例方向閥控制活塞式液壓擺動馬達的流

5、量和方向。這里采用的是意大利ATOS公司生產(chǎn)的16通徑的DPZO-L型三位四通先導(dǎo)式高性能電液比例方向閥，它主要由電-機械轉(zhuǎn)換元件、先導(dǎo)式比例閥兩部分組成，可根據(jù)輸入電信號提供方向控制和無補償?shù)牧髁靠刂?。這種高性能電液比例方向閥，是普通型電液比例方向閥進一步發(fā)展的結(jié)果，它的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標已達到了傳統(tǒng)伺服閥的指標，其中一些指標甚至超過伺服閥。DPZO-L型高性能電液比例方向閥具有兩個位置傳感器。一個在先導(dǎo)閥上，用來檢測先導(dǎo)閥的閥芯位移，并反饋至比例放大器，從而形成先導(dǎo)級位移電反饋的作用，從而提高閥的運行可靠性以及優(yōu)化閥的動態(tài)特性；而另一個在主閥閥芯上，用來檢測主閥的閥芯位移，并反饋至比例放大

6、器，從而形成從比例放大器給定信號至主閥芯位移的閉環(huán)位移控制，把比例放大器、電磁鐵及先導(dǎo)閥都包含在閉環(huán)中了，提高了主閥芯的抗干擾（摩擦力、液動力的變化）能力，快速、正確地跟蹤輸入電信號的變化。所以DPZO-L型電液比例閥輸入信號以雙閉環(huán)形式精確地確定了閥芯調(diào)節(jié)，并且由于具有雙傳感器，動態(tài)性能高，響應(yīng)快。2.3比例放大器比例放大器根據(jù)輸入信號調(diào)整供給比例電磁鐵的電流，電磁鐵將此電流轉(zhuǎn)換為作用于滑閥閥芯上的力，以克服彈簧的彈力。電流增大，輸出的力相應(yīng)增大，結(jié)果壓縮復(fù)位彈簧使閥芯移動。選用與比例閥相配用的E-ME-01型比例放大器，它的工作電源24V它與電液比例閥接線圖如圖2-1所示。圖中，W表示比例

7、閥比例電磁鐵插頭，可將比例電磁鐵線圈與比例放大器連接起來；兩個S分別表示比例先導(dǎo)閥插頭、主閥插頭，通過它們，高性能電液比例方向閥的先導(dǎo)級、主級分別與比例放大器相連，進行位置電反饋，提高了閥的動態(tài)特性。圖2-1比例放大器與電液比例閥接線圖第三章、電液比例閥控活塞式液壓擺動馬達位置控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型3.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立3.1.1比例放大器傳遞函數(shù)高性能電液比例換向閥是電流控制型元件，其比例電磁鐵及線圈具有比較大的感抗，比例閥的驅(qū)動電路比例放大器通常為高輸出阻抗的電壓電流轉(zhuǎn)換器，其頻帶比液壓固有頻率寬得多，在研究頻率范圍內(nèi)，通?？梢暈榉糯蟓h(huán)節(jié)，即 (3-1) 式中 比例放大器輸出電流； 誤差電壓；

8、 比例放大器增益。 3.1.2高性能電液比例方向閥傳遞函數(shù)這里采用的先導(dǎo)式比例方向閥的作用原理，即先導(dǎo)閥控制液動式主滑閥的作用情況，極類似于三位四通閥控制對稱液壓缸的作用原理。只是它比一般的閥控液壓缸更為復(fù)雜，是一個復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，它的實際動態(tài)響應(yīng)既不是典型的慣性環(huán)節(jié)，也不是典型的震蕩環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)的簡化要視具體情況而定。若將它簡化為二階震蕩環(huán)節(jié)，則可知比例閥傳遞函數(shù)為： （3-2）式中 電液比例閥在穩(wěn)態(tài)工作點附近流量； 電液比例閥在穩(wěn)態(tài)工作點附近流量增益； 電液比例閥的等效無阻尼自振頻率； 電液比例閥的等效阻尼系數(shù)，無量綱； 拉普拉斯算子。3.1.3閥控活塞式液壓擺動馬達動力傳遞函數(shù)由電液

9、比例方向閥、活塞式液壓擺動馬達和負載組成的液壓動力機構(gòu)對系統(tǒng)的品質(zhì)好壞有很大影響，因此確定閥控活塞式液壓擺動馬達動力機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型是分析整個系統(tǒng)的前提。首先假設(shè)：1）比例閥和活塞式液壓擺動馬達之間的連接管道很短，可以忽略管道中的壓力損失和管道動態(tài)的影響；2）活塞式液壓擺動馬達的內(nèi)外泄漏流動狀態(tài)為層流，馬達的殼體壓力為大氣壓，忽略低壓腔的殼體的外泄漏，液流的密度和溫度均為常數(shù)；3）比例閥為理想零開口的四通滑閥，節(jié)流窗口匹配且對稱，且滑閥具有理想的動態(tài)特性；4）油源供油壓力恒定，回油壓力為零；5）工作油液的體積彈性模量為恒值。在上述假設(shè)條件下可列出三個動態(tài)方程：1.電液比例閥的線性化流量方程 （3

10、-3）式中 電液比例閥的負載流量； 比例閥閥芯位移； 比例閥流量-壓力系數(shù)； 負載壓力。對式（3-3）進行拉式變換 （3-4）2.活塞式液壓擺動馬達的流量連續(xù)性方程 （3-5）式中 活塞式液壓擺動馬達的等效弧度排量； 螺旋旋轉(zhuǎn)輸出套的角位移； 活塞式液壓擺動馬達的總泄漏系數(shù)， ； （其中，分別為馬達的內(nèi)外泄漏系數(shù)） 活塞式液壓擺動馬達、比例閥腔及連接管道總?cè)莘e ； 工作油液的有效體積彈性模量。對式（3-5）作拉氏變換 （3-6）3.活塞式液壓擺動馬達軸上的力矩平衡方程忽略靜摩擦力、庫侖摩擦等非線性和油液的質(zhì)量，根據(jù)牛頓第二定律可得馬達和負載的力矩平衡方程為： （3-7）式中 活塞式液壓擺動馬達

11、和負載（折算到馬達旋轉(zhuǎn)輸出套 上）的總轉(zhuǎn)動慣量； 粘性阻尼系數(shù)； 負載扭矩彈簧剛度； 作用在馬達旋轉(zhuǎn)輸出套上的外負載力矩。對式（3-7）作拉氏變換 （3-8）4.閥控活塞式液壓擺動馬達動力機構(gòu)傳遞函數(shù)聯(lián)立式（3-4）、（3-6）、（3-8）可以得到閥芯位移和外負載干擾作用同時作用于馬達的總輸出角位移（3-9）式中Kce-總流量-壓力系數(shù)，Kce=Kc+Ctm（m5/Ns）。此閥控液壓馬達系統(tǒng)中，馬達和負載剛性連接，故彈性負載影響可不計，即G=0，又通常1，則式（3-9）可簡化為 （3-10）式中h-無阻尼液壓固有頻率，（rad/s）；h-液壓阻尼比，無量綱。又系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點附近流量q=Kqxv

12、，則由式（3-10）可得馬達輸出角位移對流量、外負載的傳遞函數(shù)分別為： （3-11） （3-12）則可知液壓馬達角速度對流量、外負載的傳遞函數(shù)分別為： （3-13） （3-14）令式（3-14）中3.1.4位移傳感器傳遞函數(shù)可將速度傳感器視為比例環(huán)節(jié)，則有 （3-15）Kf-速度傳感器的增益。3.1.5閥控馬達系統(tǒng)傳遞函數(shù)綜合圖（2-2）和式（3-1）、（3-2）、（3-13）、（3-15）得閥控馬達電液速度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖，如圖3-1所示：3.2負載的等效處理閥控馬達系統(tǒng)中彈性負載可忽略不計，這里主要考慮慣性負載和外負載力矩。1.慣性負載包括液壓馬達轉(zhuǎn)動慣量Jm和外負載二次元件轉(zhuǎn)動慣量

13、JL，又馬達和負載直接相連，所以馬達和負載折算到馬達旋轉(zhuǎn)輸出套上的總慣量：Jt=Jm+JL。2.外負載力矩由加載模塊調(diào)定加載壓力，使承載元件二次元件產(chǎn)生一定量轉(zhuǎn)動力矩，即外負載力矩Mm。3.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)參數(shù)確定1.比例放大器增益Ka這里采用與電液比例方向閥配套使用的E-ME-L-01型比例放大器，其誤差電壓額定輸入值為Uo=10（V），額定輸出電流為Io=3A，所以有 （3-16）2.電液比例閥穩(wěn)態(tài)工作點流量增益Kq從所用DPZO-L270型電液比例閥流量特性曲線3-2可以得出：閥壓降p為10bar時，額定流量qv為200l/min。設(shè)空載時閥額定流量為qv1，又供油壓力為15Mpa，則可得

14、（3-17）又知閥額定電流I1=10mA，則有電液比例閥空載穩(wěn)定工作點附近流量增益為： （3-18）3.電液比例閥壓力-流量系數(shù)Kc從所用的DPZO-L270型電液比例閥壓力-流量特性曲線圖3-3可以得出 （3-19）4.活塞式液壓擺動馬達參數(shù)馬達的最大旋轉(zhuǎn)擺角為50=0.8727rad；最大轉(zhuǎn)速max=30/s=0.5236rad/s，最大角加速度max=50/s2=0.8727rad/s2；液壓缸以外運動部件受到干摩擦力矩為Mm=200kgm=2000Nm；液壓缸的粘性摩擦系數(shù)為Bp=2105kgm/s；負載轉(zhuǎn)動慣量為J=5.248Nms2，液壓彈性模量為e=7000105N/m2。忽略負

15、載粘性摩擦系數(shù)，取d0=0.10m，=55得： 由式（3-7）忽略彈性負載的影響得： 為滿足最大功率要求則則滿足滿量程所需要的活塞容積考慮到管道體積及活塞有效容積利用率，將上述容積擴大20%作為塞式液壓擺動馬達、比例閥腔及連接管道總?cè)莘e，即4.其它參數(shù)由液壓試驗臺資料及液壓手冊可以查得下列參數(shù)。閥固有頻率v=60Hz=377rad/s閥阻尼比v=0.70速度傳感器增益Kf=0.21Vs/rad計算由以上已知參數(shù)可以計算出忽略馬達活塞泄漏，則 （3-20） （3-21）（3-22） ( (3-23） Jt=5.248Nms2 （3-24）于是，電液比例閥的傳動函數(shù)為 （3-25）液壓馬達角速度對

16、流量的傳遞函數(shù)為（3-26）馬達角速度對外負載傳遞函數(shù)為（3-27）3.4系統(tǒng)特性分析閥控馬達速度控制系統(tǒng)是一零型有差系統(tǒng)，對于階躍輸入，速度偏差隨速度增大而增大。這是因為要增大輸出速度，電液比例閥就要增大相應(yīng)的輸出流量；而增大相應(yīng)的輸出流量所需要的輸入電流是由偏差而獲得的。所以，只是把位置反饋變?yōu)樗俣确答佀M成的速度控制系統(tǒng)，不僅是有差系統(tǒng)，而且往往是不穩(wěn)定的，或是穩(wěn)定裕量很小。3.4.1開環(huán)傳遞函數(shù)由上可知閥控馬達速度控制系統(tǒng)輸出速度的相應(yīng)電壓與輸入偏差電壓開環(huán)傳遞函數(shù)為：（3-28）系統(tǒng)開環(huán)增益開環(huán)傳遞函數(shù)為：（3-29）其中K=430.63.4.2系統(tǒng)特性閥控馬達系統(tǒng)能夠正常工作，首先

17、系統(tǒng)應(yīng)該是穩(wěn)定的，穩(wěn)定性是指一個系統(tǒng)當使它偏離穩(wěn)定平衡狀態(tài)的外作用消失后，系統(tǒng)能自動恢復(fù)原來或達到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)的性能。這里用系統(tǒng)開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。由式（3-29）利用MATLAB語言編程，和繪制出閥控馬達系統(tǒng)開環(huán)伯德圖，基本程序如下：%Draw Bodeclear all;clc;num=1;den=conv(conv(0 1 0,0.000007036 0.003714 1),0.000011620 0.003206 1);G=tf(430.6*num,den);bode(G);gm,pm,wcp,wcg=margin(G);margin(G);gri

18、d;開環(huán)伯德圖如下圖3-4所示。圖3-4 電液比例閥控馬達速度控制系統(tǒng)開環(huán)伯德圖從系統(tǒng)頻率特性曲線可以看出，當相頻特性達到-180線時，幅頻特性還在零分貝線以上即幅值穩(wěn)定裕量Kg為負；從相頻特性曲線可以看出，相位滯后180點上相角穩(wěn)定裕量(wc)=-90.7為負，所以，由對數(shù)判據(jù)可知系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。其幅值穿越頻率wc=326rad/s，系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)的相對穩(wěn)定裕量趨于負值，使系統(tǒng)不穩(wěn)定；即使勉強維持穩(wěn)定，由于開環(huán)增益值K調(diào)到很低，系統(tǒng)精度大大降低，甚至談不上精度了。為了使系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕量，必須加矯正環(huán)節(jié)。通過上述對閥控馬達液壓系統(tǒng)特性分析，可以知道系統(tǒng)本身很難達到預(yù)期的動態(tài)品質(zhì)，要使

19、系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、低超調(diào)及快速響應(yīng)性能，通常采用調(diào)節(jié)器來滿足要求。第四章、電液比例閥控馬達速度控制系統(tǒng)PID控制系統(tǒng)校正是在閥控馬達速度控制系統(tǒng)相應(yīng)的部位加校正裝置,以改變開環(huán)伯德圖的形狀,去滿足系統(tǒng)性能要求。所謂的校正裝置相當于一個控制器。4.1PID控制器基本原理PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的簡單控制算法。根據(jù)不同情況，PID控制算法有多種形式，如PI控制、PD控制及各種改進形式，根據(jù)比例、積分、微分環(huán)節(jié)的不同作用采用恰當?shù)腜ID控制算式。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示：系統(tǒng)主要由模擬PID控制器和被控對象組成。PID控制器作為一種線性控制

20、器，它根據(jù)給定值和實際輸出構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例，積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。在控制系統(tǒng)中，模擬PID控制器控制規(guī)律為（4-1）式中Kp-比例增益；TI-積分時間常數(shù)；TD-微分時間常數(shù)；u(t)-模擬控制量E（t）-偏差。對4-1式進行拉氏變換，其傳遞函數(shù)為（4-2）三個環(huán)節(jié)的不同作用簡述如下：比例環(huán)節(jié)：成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)煩人偏差信號e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例控制能迅速減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。若要求系統(tǒng)的控制精度高，響應(yīng)速度快，則選擇比例增益大一些為好，但會導(dǎo)致超調(diào)量增大和過度時間延長，比例增益過大還可能造成

21、系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。只要系統(tǒng)存在誤差，隨著時間的增加，積分控制作用就不斷累積，所產(chǎn)生的輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠時間，積分控制作用就可以完全消除靜態(tài)誤差。但積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)量增大，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)上網(wǎng)動態(tài)性能。微分作用不足之處是放大了噪聲信號，過大的微分常數(shù)是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。4.2液壓

22、系統(tǒng)PID校正步驟1.傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換(4-3)其中 2.計算滯后轉(zhuǎn)折頻率3.計算超前轉(zhuǎn)折頻率4.計算校正裝置增益5.確定校正裝置的傳遞函數(shù)6.確定校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)4.2對校正后的系統(tǒng)仿真%Draw Bodeclear all;clc;num=conv(0.1 1,0.002208 1);den=conv(conv(1 0 0,0.000007036 0.003714 1),0.00001162 0.003206 1);G=tf(479.26*num,den);gm,pm,wcp,wcg=margin(G);margin(G);grid;第五章、調(diào)整后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析5.1指令輸入引起的穩(wěn)態(tài)

23、誤差（5-1）系統(tǒng)對指令輸入的誤差傳遞函數(shù)為利用拉氏變換的終值定理，求得穩(wěn)態(tài)誤差為5.2負載干擾力矩引起的穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)對外負載力矩的誤差傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差為5.3零漂和死區(qū)等引起的靜態(tài)誤差將零漂、死區(qū)等在系統(tǒng)中造成的誤差。稱為系統(tǒng)的靜差。靜摩擦力矩引起的靜態(tài)位置誤差為靜摩擦力矩折算到比例閥輸入端的死區(qū)電流為電液比例閥的零漂和死區(qū)所引起的位置誤差為靜態(tài)位置誤差為第6章 、結(jié)論與展望 6.1結(jié)論隨著液壓傳動領(lǐng)域內(nèi)機電液一體化技術(shù)的發(fā)展，電液比例控制技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用與各工業(yè)和民用部門，其技術(shù)水平的提升可以作為一個國家液壓技術(shù)水平的重要標志，而我國電液比例閥控馬達系統(tǒng)理論與性能研究尚屬于空白階段。本身以能對泵、馬達及閥單獨進行性能試驗的綜合性試驗臺為研究基礎(chǔ)，對由多原件組成的電液比例閥控活塞式液壓擺動馬達控制單元進行分析和仿真研究，得出以下結(jié)論：收集整理了電液比例閥控馬達控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究的相關(guān)文獻資料，通過對系統(tǒng)控制原理及系統(tǒng)各組成部分的分析，對所研究的電液比例閥控馬達系統(tǒng)有了一個比較完整的了解。比較系統(tǒng)完整的建立了電