電液位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電液伺服位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析一、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求設(shè)有一數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的位置需要連接控制，進(jìn)行電液位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其技術(shù)要求為：指令速度信號(hào)輸入時(shí)引起的速度誤差為：ev=5mm干擾輸入引起的位置誤差為：epf = 0.2mm給定設(shè)計(jì)參數(shù)為：工作臺(tái)質(zhì)量m = 1000 kg最大加速度amax=1m/s2最大行程S = 50 cm最大速度v=8cm/s工作臺(tái)最大摩擦力Ff=2000N最大切削力Fc = 500 N供油壓力ps = 6.3MPa反饋傳感器增益Kf=1V / cm二、系統(tǒng)的分析圖1為某數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)方框原理圖。由于系統(tǒng)的控制功率 較小、工作臺(tái)行程較大，所以采用閥控液

2、壓馬達(dá)系統(tǒng)。用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過滾三、工作臺(tái)負(fù)載分析工作臺(tái)負(fù)載主要由切削力F、摩擦力七和慣性力F三部分組成。假定系統(tǒng)在所 cfa有負(fù)載都存在的條件下工作，則總負(fù)載力為：F = F + F + F =3500N(1)四、動(dòng)力元件參數(shù)選擇工作臺(tái)由液壓馬達(dá)經(jīng)減速器和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。根據(jù)力矩平衡方程，減速器 輸入軸力矩T :LT = Ft/2兀 i(2)LL 其中：t為絲杠導(dǎo)程；i為減速器傳動(dòng)比 液壓馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速n為： max，疽匕ax， 其中：為工作臺(tái)的最大運(yùn)動(dòng)速度。液壓馬達(dá)所需排量Qm為Q = 2兀 D = 2兀 T/ Pl = 5 X10-6 m3(4)其中：p為液壓馬達(dá)負(fù)載壓力，一般取p Ps

3、, p為液壓系統(tǒng)壓力，D為 LL 3 sm液壓馬達(dá)孤度排量。根據(jù)條件：i = 2, t1.2x10-2m/r, p =63x105Pa s由式(2)、式(4)計(jì)算得：D =0.8x10-6 m3/rad m所以，液壓馬達(dá)負(fù)載流量qL為： q = 6.67x10-5m3 /s(5)L 伺服閥壓降pv為： p = p -p(6)考慮泄漏等影響，qL增大15%，qL=4.6L /min。根據(jù)0乙和p，查手冊得額定 流量pn ,選擇液控型變量柱塞泵和電液伺服閥。位移傳感器選用差動(dòng)式變壓器式，其增益為kf=100V/m。放大器采用高輸出阻抗的伺服放大器，放大倍數(shù)K待定。五、電液伺服控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)1.

4、系統(tǒng)傳遞函數(shù)及方框圖圖2系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖2.各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)（1）放大器增益K為:（7）K =M / Uae其中：I為輸出電流；U為輸入電壓。e（2）電液伺服閥的傳遞函數(shù)由樣本查得為:（8）q / M =殲0S22 X 0.51+ s + 16002600其中：q0為伺服閥流量；Ka為伺服閥的流量增益。經(jīng)計(jì)算，額定流量p =8 L/min的閥在供油壓力p =63x105Pa時(shí)，空載流量q0 = 1.27x10-4m3/s，所以閥的額定流量增益K = q0 /M =4216x10-6 m3/(sA)。則伺服閥的傳遞函數(shù)為:4216x10 - 6S 260022 x 0.5600（9）（3）液壓馬

5、達(dá)一負(fù)載的傳遞函數(shù)。由于負(fù)載特性沒有彈性負(fù)載，所以液壓馬達(dá)和負(fù)載的傳遞函數(shù)為:叩q0 =1/ Dms 22松s ( s +、hs + 1)2（10）其中：為液壓固有頻率；q為液壓阻尼比。（11）；4P D23 emh VJ t t式中：P為系統(tǒng)的有效體積彈性模數(shù)；V為液壓馬達(dá)的容積；J為工作臺(tái)質(zhì)量 ett折算到液壓馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J = mt 2/4兀2i 2?？紤]齒輪、絲杠和液壓馬達(dá)的慣量取J =1.12x10-3 kg-m2,并取液壓馬達(dá)的容積V =10 x10-6m3,則液壓固有 tt頻率為：=388rad/s(12)假定阻尼比僅由閥的流量一壓力系數(shù)產(chǎn)生。零位流量一壓力系數(shù)K近似計(jì)算

6、c 0為：(13)取3 =2.51x10-2m、y =5x10-6m、p =1.8x10-2Pa，得:K = 3.42 x 10-12 m3/(s - Pa) c 0液壓阻尼比為T.24將D、3、g值代入式(10)得：1.25 x1065 2s(38822 x1.24388s +1)(14)減速齒輪與絲杠的傳遞函數(shù)為:- x t _ _， - _K =計(jì)= =9. 5 6 14 0m r/a d（15）s 92k im位移傳感器和放大器的動(dòng)態(tài)特性可以忽略，其傳遞函數(shù)可以用它們的增益表示。傳感器增益K為：fK = （16）f x p其中：U為反饋電壓信號(hào)；xp為工作臺(tái)位移。則伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函

7、數(shù)為：（17）G (s) H (s) =Ks( s2 + 2 2 .5 s +1)( s2 + 2 X124 s +1) 60026003882388式中：K為系統(tǒng)開環(huán)增益。K = K X4216X10-6x1.25x106 x 9.56x10-4 x100=504K（18）a其中：K.為放大器增益。一般情況下，% V * 129.3取開環(huán)增益K =90時(shí)，由式（18）可得放大器增益K為：K = K =0.179（19）a 504六、系統(tǒng)仿真分析由以上計(jì)算得到傳遞函數(shù):(20)90G (s) H (s)=, s22 X 0.5s22 X1.24八s(6002 + 600 s + )(3882

8、+ 388 缶 +)(1)通過Simulink仿真，可得到可機(jī)床工作臺(tái)液壓伺服系統(tǒng)的仿真模型，如 下圖3所示。匕=0.179時(shí)，系統(tǒng)的仿真輸出結(jié)果如下圖3所示。圖3系統(tǒng)仿真模型圖4系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線從系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線可以看出，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)性能優(yōu)良，系統(tǒng)穩(wěn)定性良 好，響應(yīng)快速，調(diào)節(jié)時(shí)間短。(2)繪制系統(tǒng)的Bode圖，求取系統(tǒng)的幅頻性能指標(biāo)。在matalb中運(yùn)行如下程序：num=90;den=conv(1/360000 1/600 1 ,1/150544 0.3/388 1 0);h=tf(num,den);margin(h)o o o o o5 5 0 5-11msBode Diagram

9、Gm = 11.6 dB (at 229 rad/sec), Pm = 52.8 deg (at 83.2 rad/sec)1010*102w310*Frequency (rad/sec)圖5系統(tǒng)開環(huán)Bode圖做出K =90時(shí)開環(huán)系統(tǒng)的Bode圖，如上圖5所示，可以看出：G =11.6dB、Pm =52.8，相角裕度和幅值裕度為正值，系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。七、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析干擾輸入引起的系統(tǒng)的位置誤差ef是e =pf K K指令速度信號(hào)輸入時(shí)引起的系統(tǒng)的速度誤差e是vVe =v KVV是工作臺(tái)速度對于干擾來說，系統(tǒng)是0型的。啟動(dòng)和切削不處于同一動(dòng)作階段，靜摩擦干擾就 不必考慮。伺服放大器的溫度零漂為0.5 %1 %七、伺服閥的零漂和滯環(huán)為1 % 2% I、執(zhí)行元件的不靈敏區(qū)為0.5%1% I。假定最大干擾量之和為2% I， nnn由此引起的系統(tǒng)的位置誤差e f =3.35x10-5mo