基于單片機(jī)的液壓伺服控制系統(tǒng)研究_圖文

1、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于單片機(jī)的液壓伺服控制系統(tǒng)研究姓名：費(fèi)重程申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：王欽若20090531摘要摘要隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)、電子技術(shù)、以及國防工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)市場對板材加工設(shè)備尤其是高速沖壓設(shè)備的需求越來越大。然而目前國內(nèi)高速沖壓設(shè)備所用的液壓伺服控制系統(tǒng)幾乎全部采用進(jìn)口，因此其成本高，不適應(yīng)我國國情，開發(fā)適合我國現(xiàn)狀的液壓伺服控制系統(tǒng)成為目前研究的一個重要課題。本研究課題是“基于單片機(jī)的液壓伺服控制系統(tǒng)研究”，是依托東華機(jī)械有限公司的轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床，對其液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期研制出一套可靠性高、成本低、體積小的控制器，用于控制轉(zhuǎn)塔數(shù)控沖床沖

2、頭的位置，使其快速、準(zhǔn)確地對板材進(jìn)行加工，可以完成沖壓、成型、打標(biāo)、軟切削等工序。本文首先根據(jù)液壓伺服控制系統(tǒng)的分類提出了機(jī)液伺服控制系統(tǒng)、氣液伺服控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)三種控制方案，通過對三種方案的比較和分析，結(jié)合數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床對液壓伺服控制系統(tǒng)的性能要求，確定以電液伺服控制系統(tǒng)作為本課題的方案，然后對該方案中的主要元件進(jìn)行選型。然后，對系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，建立了電液伺服閥控非對稱缸的數(shù)學(xué)模型，在文中，對于電液伺服閥的模型，本文直接采用了相關(guān)文檔給定的傳遞函數(shù)，而對于閥控缸的建模，本文對其進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，并且充分考慮了不同壓差對液壓系統(tǒng)參數(shù)的影響，從而確定了不同工況下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。此后

3、，為系統(tǒng)設(shè)計了模糊控制器，詳細(xì)介紹了模糊控制器的設(shè)計，分別包括參數(shù)的整定方法和優(yōu)化方法，以及采用中的編輯器進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計。并運(yùn)用的工具，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將模糊控制與常規(guī)的控制仿真進(jìn)行了比較，通過比較分析可以得出模糊控制方法取得良好的控制效果。最后，對基于單片機(jī)控制器的硬件電路做了詳細(xì)介紹，并闡述了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性設(shè)計的一些方法。本文的研究，為液壓伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)，控制器硬件電路的設(shè)計，為后續(xù)的研發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)，具有一定參考價值。廣東業(yè)大學(xué)碩：仁學(xué)位論文關(guān)鍵詞：液壓伺服控制系統(tǒng)：建模；模糊控制；單片機(jī)：總線；，”，：、，；，廣東丁業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，：；廣東工業(yè)大學(xué)碩

4、士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，不包含本人或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明，并表示了謝意。本學(xué)位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的，論文成果歸廣東工業(yè)大學(xué)所有。申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任，特此聲明。論文作者簽字：指導(dǎo)教師簽字：費(fèi)童柱彤疑如。年多月多日第一章緒論弟一早三百匕第一章緒論本課題的背景和意義課題

5、的研究背景液壓伺服控制系統(tǒng)是在液壓傳動和自動控制理論基礎(chǔ)上建立起來的一種自動控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，輸出量（如各種形式的物理位移量）能夠自動、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。由于執(zhí)行元件是液壓拖動裝置所構(gòu)成，所以稱為液壓伺服控制系統(tǒng)。上世紀(jì)中葉以后，液壓伺服控制技術(shù)才在工業(yè)、軍事上真正被推廣使用。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事發(fā)展需要，特別是武器和飛行器控制系統(tǒng)的需要，使液壓伺服控制技術(shù)得到很大的發(fā)展，主要用于飛機(jī)的操作系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤、導(dǎo)彈的位置控制和坦克火炮的穩(wěn)定裝置；在民用工業(yè)中，用于數(shù)控機(jī)床、張力控制、材料試驗(yàn)機(jī)等等心，。由于液壓伺服控制系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作快，換向

6、迅速；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量遠(yuǎn)小于相同功率的機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量，因?yàn)殡S著功率的增加液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量遠(yuǎn)比機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加的慢，主要是前者主要靠增大液體流量和壓力來增加功率，雖然動力機(jī)構(gòu)的體積和重量也會因此增加一些，但卻可以采用高強(qiáng)度和輕金屬材料來減小體積和重量；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動平衡、抗干擾能力強(qiáng)，特別是低速性能好，而機(jī)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性較差，而且易受電磁波等各種外干擾的影響；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速范圍廣，功率增益高，。課題的研究意義目前，液壓伺服控制系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)已成為武器自動化和工業(yè)自動化的一個重要方面，凡是需要大功率、快速、精確反應(yīng)的控制系統(tǒng)，都已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。在國防工

7、業(yè)中，如飛機(jī)的操縱系統(tǒng)導(dǎo)彈的自動控制系統(tǒng)、火炮操縱系統(tǒng)、坦克火炮穩(wěn)定裝置、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)和艦艇的操舵裝置系統(tǒng)等。在一般工業(yè)中，用于機(jī)床、冶煉、軋鋼、鑄鍛、動力、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、建筑機(jī)械、拖拉機(jī)、船舶等系統(tǒng)中心，。目前我國市場對數(shù)控板材設(shè)備的年需求量為臺，市場廣東業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文總值人民幣億元，而對這些數(shù)控板材設(shè)備加工的核心部分是液壓伺服控制系統(tǒng)，而我國的液壓伺服控制系統(tǒng)卻一直依賴于進(jìn)川，因此液壓伺服控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展對國防工業(yè)和民用工業(yè)對實(shí)現(xiàn)四個現(xiàn)代化超趕國際先進(jìn)水平都具有相當(dāng)重要的意義，為了提高我國數(shù)控加工設(shè)備技術(shù)水平，降低生產(chǎn)成本，使液壓伺服控制系統(tǒng)國產(chǎn)化。本文通過借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)技

8、術(shù)，依托東華機(jī)械有限公司的轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床，對液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析國外發(fā)展?fàn)顩r液壓伺服控制技術(shù)是一門新興的科學(xué)技術(shù)。歷史并不長，直到年代至年代以后才逐漸發(fā)展起來，并形成一門學(xué)科。它不僅是液壓技術(shù)中的一個分支，還是控制領(lǐng)域的一個重要組成部分。第一次世界大戰(zhàn)前，液壓伺服控制已開始應(yīng)用于海軍艦艇中，作為操舵裝置。到第二次世界大戰(zhàn)期間及以后，由于軍事的刺激，自動控制特別是武器和飛行器的研究得到了快速的發(fā)展。液壓伺服控制因響應(yīng)快、精度高、重量輕、尺寸小和抗負(fù)載剛度大等特點(diǎn)而受到特別的重視，特別是近幾十年來，由于整個工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是軍事和航空航天技術(shù)的發(fā)展，促使液壓伺服控

9、制得到迅速發(fā)展。使這門技術(shù)在理論和應(yīng)用方面都日趨完善和成熟，形成一門新興的科學(xué)技術(shù)。機(jī)械液壓伺服控制出現(xiàn)較早，主要用于飛機(jī)上的液壓助力器。年底，首先在飛機(jī)上最早出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的滑閥由伺服電機(jī)驅(qū)動，作為電液轉(zhuǎn)換器。由于伺服電機(jī)慣量大，使電液轉(zhuǎn)換器成為系統(tǒng)中時間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)，限制了電液伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。直到年代初，才出現(xiàn)了快速響應(yīng)的永磁力矩馬達(dá)，形成了電液伺服閥的雛形。年代末，又出現(xiàn)了以噴嘴擋板閥作為第一級的電液伺服閥，從而進(jìn)一步提高了伺服閥的快速性。年代，各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼出現(xiàn)，特別是干式力矩馬達(dá)的出現(xiàn)，使得電液伺服閥的性能日趨完善。由于電液伺服閥和電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使

10、電液伺服系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。隨著加工能力的提高和電液伺服閥工藝的改善，使電液伺服閥的價格不斷降低，出現(xiàn)了抗污染和工作可靠的工業(yè)用廉價電液伺服閥，電液伺服系統(tǒng)開始向一般工業(yè)中推廣【第一章緒論近年來，隨著對工作精度、響應(yīng)速度和自動化程度等要求的提高，液壓控制技術(shù)從傳統(tǒng)的機(jī)械、操縱和助力裝置等應(yīng)用場合開始向航空航天、海底作業(yè)和車輛與工程機(jī)械等領(lǐng)域擴(kuò)展。在這種情況下，僅采用液壓控制技術(shù)己難以滿足上述應(yīng)用場合提出的要求，因此，機(jī)、電、液一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生；年代末至年代，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為電子技術(shù)和液壓技術(shù)的結(jié)合奠定了基礎(chǔ)隨著技術(shù)的發(fā)展，液壓伺服控制的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，幾乎囊括了制造業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)及

11、環(huán)保、礦山冶金業(yè)、能源、電力電子、交通、航空航天、文化體育等國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，液壓傳動與控制己成為現(xiàn)代機(jī)械工程的基本要素和工程控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r新中國建立之前，無液壓工業(yè)可言?？梢哉f，我國的液壓傳動與控制技術(shù)是隨著新中國的建立、發(fā)展而發(fā)展起來的。迄今為止，大致經(jīng)歷了創(chuàng)業(yè)奠基、體系建立、成長發(fā)展、引進(jìn)提高等幾個發(fā)展階段。世紀(jì)年代初期，我國液壓技術(shù)主要仿前蘇聯(lián)的液壓元件。進(jìn)入世紀(jì)年代，液壓技術(shù)的應(yīng)用從機(jī)床行業(yè)逐漸推廣到農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械等領(lǐng)域，我國的液壓技術(shù)開始走上自行開發(fā)設(shè)計的道路。一方面引進(jìn)國外液壓元件技術(shù)、制造加工和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，另一方面聯(lián)合開發(fā)設(shè)計了中低壓系列液壓元件；并先后研

12、制成功了噴嘴擋板式電液伺服閥、完成了高壓軸向塞泵和高壓液壓閥系列設(shè)計。經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力，我國液壓行業(yè)已形成了一個門類比較齊全，有一定生產(chǎn)能力和技術(shù)水平的工業(yè)體系。據(jù)年全國第三次工業(yè)普查統(tǒng)計，我國液壓工業(yè)中，鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上年銷售收入在萬元以上的國營、村辦、私營、合作經(jīng)營、個體、“三資”等企業(yè)共有約家，形成了國內(nèi)自行開發(fā)、引進(jìn)技術(shù)制造、合資生產(chǎn)、仿制消化的多元格局。按年國際同行業(yè)統(tǒng)計，我國液壓行業(yè)總產(chǎn)值億元，居世界第位。年液壓行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)約億遠(yuǎn)，首次突破億元，創(chuàng)歷史最好水平。但是，我國的液壓工業(yè)與發(fā)展需求和世界先進(jìn)水平相比，尚存在不少差距，主要反映在：（）產(chǎn)品品種少，水平低，質(zhì)量不穩(wěn)定，可靠性

13、差。而機(jī)電一體化的元件和系統(tǒng)，國內(nèi)尚未廣泛應(yīng)用。（）專業(yè)化程度低，規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)效益低。廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（）科研開發(fā)力量尚較薄弱，技術(shù)進(jìn)步緩慢。（）本行業(yè)產(chǎn)品尚未打開國際市場論文的主要研究內(nèi)容本課題主要是依托東華機(jī)械有限公司的轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床，對液壓伺服控制系統(tǒng)的高速化和智能化進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的控制器進(jìn)行了硬件設(shè)計，最后提出了一些簡單的硬件抗干擾策略。論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排如下：第一章首先介紹了課題的背景和意義，然后分析了液壓伺服控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r與發(fā)展趨勢，最后提出本課題的研究內(nèi)容。第二章提出了機(jī)液伺服控制系統(tǒng)、氣液伺服控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)三種控制方案，通過對三

14、種方案的比較和分析，確定以電液伺服控制系統(tǒng)作為本課題的方案，然后針對該方案對系統(tǒng)中的主要元件進(jìn)行參數(shù)計算和選型。第三章建立了電液伺服閥控非對稱缸的數(shù)學(xué)模型，在建模時，對于電液伺服閥，本文直接采用了相關(guān)文檔給定的傳遞函數(shù)，而對于閥控缸的建模，本文對其進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，并且充分考慮了不同壓差對液壓系統(tǒng)參數(shù)的影響，從而確定了不同工況下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。第四章設(shè)計了模糊控制器，詳細(xì)介紹了參數(shù)的整定方法和優(yōu)化方法，并采用了中的編輯器進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計。然后運(yùn)用的工具，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。并將模糊控制與常規(guī)的控制仿真進(jìn)行了比較，通過比較分析可以得出模糊控制方法取得良好的控制效果。第五章本文對系統(tǒng)中控制器的硬件

15、電路做了詳細(xì)介紹，首先確定了硬件的整體框架，然后對框架中的電路模塊做了詳細(xì)介紹，分別包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、電液伺服閥驅(qū)動電路、位移檢測電路、通訊接口電路和接口電路，最后對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性設(shè)計進(jìn)行了簡單介紹。本章小結(jié)本章主要介紹了課題研究的背景和意義；然后分下了國內(nèi)、外液壓伺服控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，最后介紹了論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。第二章整體方案及相關(guān)參數(shù)的確定第二章整體方案及相關(guān)參數(shù)的確定方案的提出與確定系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)本課題是基于東華機(jī)械有限公司的轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床液壓控制系統(tǒng)的研究，該數(shù)控沖床主要應(yīng)用于對工件進(jìn)行沖孔加工或沖壓成形。由于不同的加工方式對系統(tǒng)的壓力和沖頭的

16、速度都有不同的要求，例如在沖孔方式下，系統(tǒng)要求沖頭以最大的速度下降對工件加工，并且要快速上升返回；而在成形方式下，系統(tǒng)要求沖頭以較快的速度下降，接近工件時沖頭速度降低而系統(tǒng)壓力升高，從而確保對工件的準(zhǔn)確沖壓成形，沖壓成形后沖頭又要以最快的速度上升¨¨”。本文通過調(diào)查同類型產(chǎn)品的相關(guān)資料，確定沖床系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下所示：最大沖壓力：高壓切換力：回程力為：工件厚度：活塞最大行程：工作行程：沖壓頻率：次分鐘液壓伺服控制系統(tǒng)整體方案的提出通過以上系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)的分析可以看出本課題研究的液壓伺服控制系統(tǒng)的主要工作特點(diǎn)是高頻、高速、高壓，針對系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計了以下三種方案。方

17、案一：機(jī)液伺服控制系統(tǒng)原理圖如圖所示，該方案以機(jī)液伺服閥來控制液壓缸的換向和速度，并且在沖壓的工作行程中利用液控?fù)Q向閥切換液壓缸的差動連接實(shí)現(xiàn)快進(jìn)與工進(jìn)的切換。機(jī)液伺服控制系統(tǒng)的信息傳遞是借助機(jī)械和液壓部件來完成的，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但是它的動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)精度都較低，因此不滿足于本課題提出的高頻、高壓的系統(tǒng)要求。廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文、機(jī)液伺服閥、液控方向閥、液動單向閥、單向閥、泵、過濾器、電機(jī)、蓄能器圖機(jī)液伺服控制系統(tǒng)方案二：氣液伺服控制系統(tǒng)的原理圖如圖所示，該系統(tǒng)由氣體和液體聯(lián)合控制液壓缸，液壓缸的換向主要有液壓閥和氣壓閥聯(lián)合控制，位移傳感器采用光柵尺，光柵尺將采集的信號發(fā)送

18、給控制器，再通過控制器控制液壓閥和氣壓閥來控制液壓缸的運(yùn)動，從而形成一個閉環(huán)控制，該控制系統(tǒng)可以達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計要求，但是系統(tǒng)的氣液缸容易出現(xiàn)氣液“串腔，從而影響系統(tǒng)的控制性能¨“。第二章整體方案及相關(guān)參數(shù)的確定、液壓閥、氣壓閥、單向閥、高壓小流量泵、低壓大流量泵、過濾器、冷卻器、氣源、電機(jī)圖氣液伺服控制系統(tǒng)方案三：電液伺服控制系統(tǒng)的原理如圖所示，系統(tǒng)中采用了電液伺服閥控制液壓缸的方式，并用兩位四通換向閥實(shí)現(xiàn)液壓缸快速快進(jìn)時液壓油路的差動連接和沖擊板材時的直動連接。與方案一相比，系統(tǒng)中通過控制器來液壓缸的運(yùn)動，因此可以實(shí)現(xiàn)“軟控制，通過改變軟控制器的控制參數(shù)可以改善控制性能，使系統(tǒng)更柔

19、性化，具有更廣泛的適應(yīng)性。與方案二相比，系統(tǒng)更加簡單，不需要引進(jìn)氣源，因此不會出現(xiàn)方案二中的“串腔”現(xiàn)象，液壓缸的結(jié)構(gòu)也更簡單，另外由于電液伺服閥具有優(yōu)越的性能：反應(yīng)快、動態(tài)響應(yīng)頻率高、控制靈活、精度高、輸出功率大但輸入功率較小，故本課題采用第三種方案作為最終方案。廣東工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文、電液伺服閥、液動換向閥、溢流閥、單向閥、冷卻器、過濾器、高壓小流量泵、低壓大流量泵、蓄能器、電機(jī)圖電液伺服控制系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)主要元件及參數(shù)的確定液壓缸主要參數(shù)的確定工作壓力確定：一般情況下液壓系統(tǒng)的工作壓力為，常用液壓元器件的工作壓力上限可達(dá)，可取安全工作壓力在以下，過高壓力將影響液壓元件的壽命，沖壓時產(chǎn)

20、生油路過大波動；工作壓力過低，則相應(yīng)的泵流量需要加大，換向時同樣會產(chǎn)生沖擊和振動。綜合二者影響，并參照其他廠家產(chǎn)品，采用高、低壓供油，選定高壓為，低壓只。結(jié)構(gòu)尺寸確定：單出桿式油缸的無桿腔工作面積大，在同樣的供油壓力的條件下，油缸的輸出力較大，而且可以得到較低的穩(wěn)定運(yùn)動速度。這對于獲得低的進(jìn)給速度以便滿足精加工要求具有很大的意義?？紤]輸出力和速度的要求，選用單出桿式油缸作為專機(jī)的執(zhí)行元件¨，。快進(jìn)時采用差動連接，工進(jìn)時采用直動連接。第二章整體方案及相關(guān)參數(shù)的確定為了防止在鉆孔鉆通時滑臺突然前沖，在回油路中裝有背壓閥，初選背壓忍只。油缸內(nèi)徑：正：蕊聊，：，。聊聊，取液壓缸機(jī)械效翠，液壓

21、系統(tǒng)工作壓力?。┤∫簤焊淄鶑?fù)速度比夠¨”，活塞桿襁拈。撐×癢（赫），按標(biāo)準(zhǔn)?。ǎ?，（）則：手×：手×：（）（）式中一無桿腔工作面積三×（）署×（）（）式中一有桿腔工作面積（）手×：手×（）（）。式中一活塞桿面積。組合泵的選取泵的排量定義為液壓泵主軸旋轉(zhuǎn)一周所排出的液體體積?；钊谐蹋号笏瑳_壓頻率次，則在一個周期內(nèi)，泵向液壓缸的排油量應(yīng)與液壓缸向油箱的回油量相等。所以系統(tǒng)需要的總流量：三三。廠三××××轉(zhuǎn)速為，。由泵排量和流量的關(guān)系式：一（）所以選用高壓泵理論流量。，低壓泵理

22、論流量：，泵的（）一式中液壓泵轉(zhuǎn)速；液壓泵排量。則泵的排量分別為：魚：坐堡：聊三，（）兒譬型翩脅版（）、。）廣東業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文速度驗(yàn)算：空行程時的速度驗(yàn)算差動下行階段：系統(tǒng)由雙泵同時供油，則：絲雩墮：萬××：聊返回階段：雙泵供油，則：絲嬖掣：篡堅罌：（一）萬（）當(dāng)行程為時，周期為丁：厶：三三：墮墮：屹此時頻率，即每分鐘沖壓次。沖壓板厚為時速度驗(yàn)算：行程時差動下行階段：雙泵同時供油，則：（，一）：，卯：，竹石××所需時間：，：量：！二：！：，沖壓階段：由低壓大流量泵向系統(tǒng)供油，則，蘭等一，：墼：一萬萬×所需時間：厶：量：旦：厶“返回階段：屹：

23、絲生掣：筌堅嬰聊（）（一）（）所需時間：（）（）（）（）（一（）（）第二章整體方案及相天參數(shù)的確定厶：墮：一一。（）周期：如此時頻率亍石磊萬。脅，即每分鐘沖壓次。系統(tǒng)空載時沖壓頻率可以達(dá)到次以上，但是沖壓板材時，其頻率未能達(dá)到次。，所以系統(tǒng)回路中必須加入了蓄能器，它作為輔助動力源在必要時刻釋放儲存的油液，提高流量，從而可以提高活塞運(yùn)動速度¨”。蓄能器的設(shè)計蓄能器主要用來儲存和釋放液體的壓力能，它的基本作用是，當(dāng)系統(tǒng)的壓力高于蓄能器內(nèi)液體的壓力時，系統(tǒng)中的液體沖進(jìn)蓄能器中，直到蓄能器內(nèi)外壓力相等；反之，當(dāng)蓄能器內(nèi)液體的壓力高于系統(tǒng)的壓力時，蓄能器內(nèi)的液體流到系統(tǒng)中去，直到蓄能器內(nèi)外壓力

24、平衡，因此，蓄能器可以在短時間內(nèi)向系統(tǒng)提供壓力液體，也可以吸收系統(tǒng)的壓力脈動和減小壓力沖擊。蓄能器按照結(jié)構(gòu)形狀可分為重力式、充氣式和彈簧式三種。重力式蓄能器是利用重物的勢能來儲存、釋放液壓能。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，容量大，釋放壓力過程中，壓力穩(wěn)定¨，。但尺寸大而笨重，運(yùn)動慣性大，反應(yīng)不靈敏，易漏油，有摩擦損失，因此重力式蓄能器一般只供蓄能用；彈簧式蓄能器是利用彈簧的壓縮和伸長來儲存和釋放壓力能，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)靈敏，但容量小，易內(nèi)泄并有壓力損失，不適于高壓和高頻動作的場合，一般只用于小容量低壓系統(tǒng)，用作蓄能和緩沖。充氣式蓄能器是利用密封氣體的壓縮膨脹來儲存、釋放能量的，主要有氣瓶式

25、、活塞式和氣囊式三種。其中氣瓶式蓄能器又叫直接接觸式蓄能器，適用于中、低壓大流量的液壓系統(tǒng)；活塞式蓄能器主要用于大流量，但反應(yīng)不靈敏。氣囊式蓄能器應(yīng)用最為廣泛，其特點(diǎn)是慣性小，反應(yīng)靈敏，結(jié)構(gòu)尺寸小，克服了活塞式蓄能器的缺點(diǎn)；因此，本系統(tǒng)選用氣囊式蓄能器。（）氣囊式蓄能器充氣壓力阮的確定為了保證在系統(tǒng)最低工作壓力下，蓄能器仍有能力補(bǔ)償系統(tǒng)泄漏，一般取，此處?。皇街校合到y(tǒng)最高工作壓力（）即泵對蓄能器儲油結(jié)束時的壓力；廣東業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，系統(tǒng)最高工作壓力（）即蓄能器向系統(tǒng)供油結(jié)束時的壓力；（）蓄能器容量計算蓄能器儲存和釋放壓力油的容量和氣囊中氣體體積的變化量相等，而氣體狀態(tài)的變化應(yīng)符合玻意耳定律

26、，即”常數(shù)式中；（）風(fēng)氣囊的充氣壓力和充氣體積；系統(tǒng)最高工作壓力即泵對蓄能器儲油結(jié)束時的壓力；巧。氣囊被壓縮后相應(yīng)于時的氣體體積；，系統(tǒng)最低工作壓力即蓄能器向系統(tǒng)供油結(jié)束時的壓力；。氣囊膨脹后相應(yīng)于仍時的氣體體積；行多變指數(shù)；此處取即；環(huán)：瓦掣二五刁麗石嚴(yán)可石巧（）旺（）有效排油量的計算蓄能器在作蓄能作用時，是與油泵一起供油的，則蓄能器一個工作循環(huán)內(nèi)的有效排油量應(yīng)按下式計算：。一。，行程為沖壓板厚時，頻率要達(dá)到次，假定快速下降時活塞速度為，快速返回時活塞速度為，則一個周期內(nèi)，系統(tǒng)中所需耗油總量為：等”卅等譬等圳瞞三泵在一個周期內(nèi)的總供油量為：（）甩，（）玎島代入上式得：（）（）一將以上數(shù)據(jù)代入

27、式（），得蓄能器的容量圪。蓄能器的總?cè)莘e是指氣腔與液腔的容積之和，對于氣囊式蓄能器為充氣容積?？?cè)莘e圪可由氣體定律計算。選擇位移傳感器由于沖壓產(chǎn)品的精度要求高，因此對液壓缸位置控制精度要求很高，所以系第二章整體方案及相關(guān)參數(shù)的確定統(tǒng)選用光柵尺作為位置傳感器，光柵尺是一種測量用的高精度線位移傳感器，它由主光柵和指示光柵組成，兩部分相對移動時，由光電元件輸出莫爾條紋相應(yīng)的脈沖數(shù)。光柵尺柵距（線對毫米），經(jīng)細(xì)分后，位移時每輸出一個脈沖為，由于光柵尺輸出的是差分信號，方便與微機(jī)連接。閥的選擇電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，它是將微弱的電信號放大和轉(zhuǎn)換為液壓功率輸出的元件。電液伺服閥具有動態(tài)響

28、應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、冶金、化工等領(lǐng)域中。電液伺服閥主要由三部分構(gòu)成，如圖所示。其中電氣力或力矩轉(zhuǎn)換器，通常為力馬達(dá)或力矩馬達(dá)，它將輸給電液伺服閥的電流信號轉(zhuǎn)換成力或力矩；力或力矩位移轉(zhuǎn)換器，通常為彈簧或扭簧、彈簧管，它將力或力矩轉(zhuǎn)換成擋板或閥芯的位移，液壓放大器，通常為滑閥式、射流管式或噴嘴擋板式液壓放大器，一般前置級液壓放大器采用噴嘴一一擋板板式或射流管式，輸出級液壓放大器采用滑閥式，進(jìn)行功率放大¨”。鼉力矩馬達(dá)批移轉(zhuǎn)換器液墓裹癸器液莖翥笑器圖電液伺服閥基本結(jié)構(gòu)電液伺服閥按照液壓放大器級數(shù)可以分為單級、二級、三級電液伺服閥；按照第一級的

29、結(jié)構(gòu)型式又可分為單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥和射流組件；按照反饋形式可以分為滑閥位置反饋、負(fù)載流量反饋和負(fù)載壓力反饋；按照力矩馬達(dá)的形式分類可以分為動鐵式和動圈式或干式和濕式¨”。噴嘴擋板閥沒有摩擦，因此靈敏度高，運(yùn)動部分的慣性小，故動態(tài)響應(yīng)快特別是雙噴嘴擋板閥由于結(jié)構(gòu)對稱、采用差動方式工作，因此壓力靈敏度高，特性的線性度好；溫度和壓力零漂小，擋板受力小，所需的輸入功率，（）。其缺點(diǎn)是噴嘴與擋板之間的間隙?。阄婚g隙為），容易被贓物堵塞，對油液的潔凈度要求較高，抗污染能力差；內(nèi)部泄漏流量較大、效率低、功率損失大，適用于小流量控制。目前，靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快的伺服閥多采用

30、噴嘴擋板廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文閥作前置放大級。射流管式伺服閥的最大特點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)、可靠性高、壽命長。伺服閥的故障以上是由油液污染所引起的。伺服閥抗污染的能力，一般是由其結(jié)構(gòu)中的最小通流尺寸所決定的。特別是在多級伺服閥中，前置級油路中的最小尺寸成為決定性因素。射流管閥的最小通流尺寸為，而噴嘴擋板閥為，因此射流管閥抗污染能力強(qiáng)，工作可靠性高。另外，射流管閥的壓力效率和容積效率高，均在以上，而噴嘴擋板閥為，故射流管式可以產(chǎn)生較大控制壓力和流量，從而允許功率閥采用較大的直徑和行程。控制壓力高，功率滑閥控制作用面積大，這就提高了功率閥的驅(qū)功力，增大了功率閥抗污物的能力，即使油液臟一點(diǎn)功率閥也能正常

31、工作。從前置級磨蝕對性能的影響來看，射流管式也比噴嘴擋板式的小。而且射流管閥的磨蝕是對稱的，不會引起零漂。因此，射流管式的性能穩(wěn)定、壽命長。射流管式的缺點(diǎn)是頻率響應(yīng)低，零位泄漏流量大，受油液粘度變化的影響較顯著，低溫特性差。射流管放大器對于頻率響應(yīng)不高而可靠性高的伺服閥是很合適的。偏轉(zhuǎn)板射流放大器與射流管放大器，從原理上講是一樣的。也具有抗污染能力強(qiáng)、可靠性高壽命長的優(yōu)點(diǎn)和零位泄漏最大、低溫特性差的缺點(diǎn)。但在結(jié)構(gòu)上比射流管式伺服閥簡單，力矩馬達(dá)可做得更輕巧，伺服閥頻寬可做得更高些。因此本文選用雙噴嘴擋板電液伺服閥。表是三類閥的性能比較：表三類閥性能比較第二章整體方案及相關(guān)參數(shù)的確定本章小結(jié)本章

32、首先給出了系統(tǒng)的設(shè)計要求，然后提出了三種控制方案，對三種控制方案進(jìn)行了比較分析，最后確定一種可行的方案一一第三種方案；根據(jù)確定的方案對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了計算，并對所需的元件進(jìn)行選型。廣東工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文第三章液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立液壓伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立是實(shí)現(xiàn)液壓伺服控制的基礎(chǔ)，因此本章對液壓系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。液壓伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，圖液壓伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)機(jī)理分析及實(shí)測數(shù)據(jù)，得到液壓伺服位置系統(tǒng)各環(huán)節(jié)及被控對象數(shù)學(xué)模型如下：電液伺服閥數(shù)學(xué)模型將直動式電液伺服閥的控制線圈電流作為輸入信號，將閥芯位移作為輸出信號，由伺服閥的設(shè)計理論和文獻(xiàn)¨”，得電液伺服閥的傳遞函

33、數(shù)為：剛加忐一。曠，式中：為直動式電液伺服閥的流量增益；為直動式電液伺服閥的轉(zhuǎn)折頻率；甌為直動式電液伺服閥的阻尼系數(shù)。第三章液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立閥控非對稱缸數(shù)學(xué)模型閥控制非對稱液壓缸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示，其中的、嵋、為閥控制窗口的面積梯度，由于是對稱四通閥，所以心嵋，為了方便對液壓動力機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，假定：）閥為理想零開口；）流體是不可壓縮的；）理想的響應(yīng)能力；）流體能源是理想的，供油壓力熱恒定不變，回油壓力；）不考慮管道損失及管道的動態(tài)特性。圖對稱閥控制非對稱液壓缸原理圖由壓力平衡可得：【式中：、仍液壓缸無桿腔和有桿腔的壓力，乞；只供油壓力和回油壓力之差，只；耽負(fù)載壓降，只。（）廣東業(yè)大學(xué)碩十

34、學(xué)位論文由流量平衡可得：琺驍一式中：（）、幺通過每一臂的流量，；琺供油流量，；負(fù)載流量，。而閥的流量可由伯努利方程求得：吾卸式中：，通過閥口的流量，；流量系數(shù)，無因次；閥口沿圓周方向的寬度，即閥芯控制口的面積梯度，；油液的密度，船；卸閥口壓力降，；閥芯位移，。閥的靜特性：聯(lián)立式（）、（）和（）可求得：驍眠流量增益定義為：（）鼉約靈敏。，它是流量曲線在某一點(diǎn)的切線斜率，流量增益表示負(fù)載壓降一定時，閥單位輸入位移所引起的負(fù)載流量變化的大小。流量增益越大，閥對負(fù)載流量的控制就第二章液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立流量一壓力系數(shù)定義為：一摯（）它表示閥開度一定時，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化的大小。加負(fù)號是

35、因?yàn)閴毫α髁壳€的切線斜率都是負(fù)的。壓力增益七。定義為：薏等的負(fù)載壓降變化的大小。聯(lián)立式（）、（）、（）和（）可得：流量增益為：，它是壓力特性曲線的切線斜率，表示負(fù)載流量為零時，單位輸入位移所引起（，）流量壓力系數(shù)為：（）壓力增益為：一警掣瓴一艦（）根據(jù)線性流量方程：（）可得油缸兩腔的流量方程為：扛（）哳甚魯警心一巳仍若魯魯式中：尼油液體積等效彈性系數(shù)，?。粡V東工業(yè)大學(xué)碩：仁學(xué)位論文、巳油缸的內(nèi)泄、外泄系數(shù)，；進(jìn)油腔體積，；匕回油腔體積，。油缸左右兩腔的體積可分別寫為：（）【。一其中為活塞的位移，單位為；。和。分別為液壓缸上下兩腔的初始容積，初始時活塞在中間，因此兩初始容積巧。，總的壓縮容積為

36、：該容積是常數(shù)，只要液壓缸確定，該容積就是不變，與活塞位置無關(guān)。對上式求導(dǎo)得：（）亟衍墮出咖一出咖一嘞聯(lián)立式（）和式（）得：彳老見告警式中：（）彳活塞面積，根據(jù)工作方式不同其取值不同；油缸總的泄漏系數(shù)，肌，且：璽。由式（）得增量的拉氏變換為：礦加緲瓴茜卸（）液壓缸活塞的動態(tài)受力平衡方程為：噩毛少五式中：（），活塞和負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)，；允負(fù)載的彈簧系數(shù)，；液壓缸沖擊板材時的阻力，。第三章液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立聯(lián)立式（）、（）和式（）消去中間變量卸。，可以得到：魯瓴一爭煮乏，燈（）（）式中：為總的流量壓力系數(shù)，且毛為液壓阻尼比，無因次，且毛一匝，為液壓固有頻率，。且（）（）由于冬非常小，趨向于零

37、，因此由式（）可以得到活塞輸出位移對閥芯移動的傳遞函數(shù)為：礦（）位移傳感器的傳遞函數(shù)由于活塞最大行程為，所以光柵尺的實(shí)際行程為，而光柵尺增益計算公式為其轉(zhuǎn)換得電壓值比上實(shí)際行程，本系統(tǒng)將光柵尺的全部行程轉(zhuǎn)化為的電壓值，進(jìn)入系統(tǒng)后再通過電壓轉(zhuǎn)換為電流，計算可得：光柵尺的增益為：（）廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文液壓系統(tǒng)總的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的方框圖如圖所示，聯(lián)立式（）、（）、（）和式（），可得整個液壓系統(tǒng)以活塞期望位移為輸入量，以液壓缸活塞位移為輸出的電液伺服閥控缸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：唑，（）盟（）模型中各參數(shù)的確定（）由伺服閥的產(chǎn)品資料可以知道，閥的負(fù)載流量，額定電流，閥心最大位移一，閥芯面積以，流量系數(shù)，

38、油液密度，油液體積等效彈性系數(shù)屈，油缸的內(nèi)泄、外泄系數(shù)巳，直動式電液伺服閥的流量增益。×，直動式電液伺服閥的轉(zhuǎn)折頻率，直動式電液伺服閥的阻尼系數(shù)氏。流量增益包。的計算瓜×石麗：×（），呲（）！竺堅衛(wèi)：×差動下行。一生：黷：××咱×咱蘭黑×直動下行（）。直動回程將數(shù)值代入公式（）可得：差動下行直動下行直動回程（）流量壓力系數(shù)屯的計算：第三章液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立×。差動下行直動下行。直動回程差動下行一。直動下行直動回程巳、的計算：×差動下行魯厴直動下行曲×一直動回程系統(tǒng)的傳遞函數(shù)將計算所

39、得各參數(shù)代入（），整理得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：差動下行時：（）而聶而呼瓦而丐五萬礦五麗麗矛萬麗直動下行時；（）而聶廳吁瓦麗丐菇百五五百薩五五直動回程時；麗面再麗矛兀等可石麗而（）（）（）（）（）（）（）廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文系統(tǒng)穩(wěn)定性分析在中輸入：；【】；）：（）：（）（）（）；：）：；：）木由極點(diǎn)的值可得所有特征根的實(shí)部都是負(fù)值，因此系統(tǒng)穩(wěn)定；同理可得直動下行和直動回程的閉環(huán)系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。第三章液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立本章小結(jié)本章主要建立了閥控非對稱缸的數(shù)學(xué)模型，首先對系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行單獨(dú)建模，最后聯(lián)立求出總的模型，然后根據(jù)模型的一些參數(shù)算出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，得出了系統(tǒng)的三種工作模式下的傳遞函數(shù)，最后還對系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，為后面的控制器設(shè)計做好準(zhǔn)備：廣東工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文第四章模糊控制器的設(shè)計與仿真本文研究的是典型的液壓位置伺服系統(tǒng)，其中的參數(shù)具有時變和非線性等特點(diǎn)，另外系統(tǒng)中所用到的伺服閥的一些參數(shù)不易獲得，故系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型也不易精確求得，而常規(guī)的控制器是建立在精確地數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，在這種情況采用常規(guī)調(diào)節(jié)器難以得到滿意的控制效果；另外采用常規(guī)的控制器的三個參數(shù)一旦確定，就不可以在線修改，因此本文采用模糊控制器作為系統(tǒng)的控制方法，這種模糊是在常規(guī)的基礎(chǔ)上通過運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把模糊規(guī)則控制規(guī)則及相關(guān)的信息作為知識存入計算機(jī)的知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù)控