第 1 章 緒論

國外的液壓技術(shù)發(fā)展較早，已經(jīng)有了穩(wěn)定而精確的工業(yè)鏈，國外有專門的液壓試驗(yàn)臺的公司，如德國的力士樂。而我國的液壓試驗(yàn)臺發(fā)展較晚，由于國產(chǎn)的液壓元件無論在精度還是穩(wěn)定性、可靠性方面都與國外相距甚遠(yuǎn)，當(dāng)有高精度需求時，液壓元件都需要從國外進(jìn)口的，這樣既提高了成本，也加長了試驗(yàn)周期，所以，漸漸在一些國內(nèi)高校發(fā)展研究液壓試驗(yàn)臺[10]。中國的最早的試驗(yàn)臺研制是上海研究所研究的泵-馬達(dá)試驗(yàn)臺，由于當(dāng)時計(jì)算機(jī)在中國的應(yīng)用較少，相應(yīng)的影響了試驗(yàn)臺的性能研制和測試。2006 年，北京一所高校研究了泵的變量加載試驗(yàn)臺，在加載系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控有了較大改善，控制系統(tǒng)可以改變加載狀況，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以對試驗(yàn)狀況進(jìn)行監(jiān)測和記錄。本次課題就是基于液壓試驗(yàn)臺進(jìn)行系統(tǒng)控制，并分析在液壓試驗(yàn)臺的控制過程中，影響控制精度、穩(wěn)定性的因素，依此改進(jìn)液壓試驗(yàn)臺[11]。

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第 2 章 液壓運(yùn)動控制試驗(yàn)臺的組成及工作原理

2.1 實(shí)驗(yàn)臺功能介紹

本實(shí)驗(yàn)臺的控制元件是比例伺服閥，執(zhí)行部分是馬達(dá)和非對稱油缸，通過工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理以及對控制元件和執(zhí)行元件的控制。試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1所示。液壓試驗(yàn)臺由比例伺服閥控制馬達(dá)系統(tǒng)、比例柱塞泵控制馬達(dá)系統(tǒng)、比例伺服閥控制非對稱油缸系統(tǒng)組成，可以對馬達(dá)進(jìn)行速度、位置、力的控制，以及對油缸進(jìn)行力和位置的控制。其中，用 VB 編制控制軟件，由工控機(jī)發(fā)出指令，通過傳感器采集被控元件信號，進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)臺的試驗(yàn)功能如下[16]：

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為過濾掉液壓泵吸油口處的大顆粒雜質(zhì)，在油箱內(nèi)安有網(wǎng)式過濾器；為防止油液污染，使各液壓元件穩(wěn)定可靠工作，在液壓泵排油口處安有高精度的過濾器；液壓泵排油口處還安有單向閥，防止油液回流；為了顯示系統(tǒng)流量，系統(tǒng)安有渦輪流量計(jì)；為便于壓力的觀測，，系統(tǒng)中安有帶壓力開關(guān)的壓力表；同時，為了便于日后科研教學(xué)工作的拓展，系統(tǒng)中安裝了截止閥，便于外聯(lián)其他系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求。本實(shí)驗(yàn)臺安裝有非對稱液壓缸和液壓馬達(dá)兩個執(zhí)行元件，所以系統(tǒng)分為兩個支路，可以實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、力控制等試驗(yàn)需求。同時，分配器中安有減壓閥，限定伺服比例閥 P 口壓力，由于系統(tǒng)按照執(zhí)行元件的不同分為兩個支路，可以使其有各自獨(dú)立的供油壓力并獨(dú)立工作；在油缸的進(jìn)、出油口和馬達(dá)的排油口都安裝有傳感器，便于試驗(yàn)時對系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測及控制；系統(tǒng)還配置有蓄能器，以防止系統(tǒng)壓力波動對實(shí)驗(yàn)造成影響。當(dāng)然，油液的清潔度對液壓系統(tǒng)來說也至關(guān)重要，所以分配器內(nèi)還安裝有高精度的過濾器，同時，為了使試驗(yàn)臺的壽命更長久，便于安裝維護(hù)，液壓分配器進(jìn)出口處還安裝有截止閥。

第 3 章 閉環(huán)位置控制及力控制系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)的建立及穩(wěn)定性分析...........19 

3.1 系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立..........19 

3.2 頻域穩(wěn)定性分析................27 
3.3 本章小結(jié).............29
第 4 章 不同控制模式下控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性分析...........30
4.1AMEsim 軟件的簡介.....................30
4.2 不同測控系統(tǒng)模型的建立.......................30 
4.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性分析....36 
4.4 三種測控系統(tǒng)控制效果比較.....42
4.5 本章小結(jié)...................48
第 5 章 結(jié)論......................49

第 4 章 不同控制模式下控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性分析

4.1 AMEsim 軟件的簡介

隨著液壓在重工業(yè)的廣泛應(yīng)用，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析成為液壓設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)必要工作，而通用的 Matlab Simulink 軟件雖然功能強(qiáng)大，但是其仿真分析需要進(jìn)行傳遞函數(shù)的計(jì)算[41]，往往系統(tǒng)的建立非常復(fù)雜，而且易出錯，耗費(fèi)了液壓技術(shù)人員大量的時間。AMEsim 是一款智能的液壓仿真分析軟件，在 1995 年被法國的一個公司提出，初時主要是用來對機(jī)械和液壓進(jìn)行建模分析，隨著近年來的發(fā)展，其版本已經(jīng)發(fā)展到 4.2 版本[42]。其功能也拓展到電氣、氣動等專業(yè)，內(nèi)容愈加豐富。其內(nèi)部有各種元件庫，電器元件庫、液壓元件庫、氣動元件庫、信號元件庫、機(jī)械元件庫等，我們可以根據(jù)實(shí)際情況或者設(shè)計(jì)原理圖建立相應(yīng)的仿真模型。AMEsim 中很多液壓伺服閥的模型是沒有的，這是因?yàn)槊糠N閥的參數(shù)都是不一樣的，我們要根據(jù)實(shí)際選用的閥類型進(jìn)行自主搭建，此款軟件功能功能強(qiáng)大且搭建系統(tǒng)容易，省去了 Matlab 的建模計(jì)算的繁瑣環(huán)節(jié)，受到廣大液壓專業(yè)人士的喜愛[43]。

4.2 不同測控系統(tǒng)模型的建立

在 AMEsim 仿真中，用采樣器設(shè)置采樣時間[44]，模擬計(jì)算機(jī)的工作周期。由于計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個試驗(yàn)臺的測試控制工作，并在顯示器上顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的曲線，這些工作都造成計(jì)算機(jī)的工作周期不穩(wěn)定，根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果，設(shè)置采樣器參數(shù)為 0.15 秒。由于位置控制系統(tǒng)加載方式分為剛性加載和彈性加載兩種，相應(yīng)的將計(jì)算機(jī)控制仿真模型圖分為兩種。圖 4.1 液壓系統(tǒng)中的位置控制系統(tǒng)加載方式為剛性加載，圖 4.2 液壓系統(tǒng)中的位置控制系統(tǒng)加載方式為彈性加載，兩種計(jì)算機(jī)控制仿真模型圖的馬達(dá)力矩控制系統(tǒng)相同，在馬達(dá)力矩控制系統(tǒng)中，仿真模型中用一個常量符號來表示外力矩輸入信號，以模擬馬達(dá)的定值外力矩。

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第 5 章 結(jié)論

本課題主要基于我校的液壓試驗(yàn)臺，研究比例伺服閥控制液壓馬達(dá)的力矩控制和比例伺服閥控制非對稱液壓缸的位置控制，本文研究了受定量力矩的伺服閥控馬達(dá)系統(tǒng)的力矩變化情況和受兩種形式負(fù)載的閥控非對稱液壓缸系統(tǒng)的位移變化情況。并比較了計(jì)算機(jī)控制和控制器控制效果的區(qū)別。由于計(jì)算機(jī)接收和發(fā)出的信號皆為數(shù)字信號，工業(yè)上對數(shù)字控制器需求更高，本文研究了不同的采樣周期的數(shù)字控制器控制效果同模擬控制器控制效果和計(jì)算機(jī)控制效果的比較。通過對位置控制系統(tǒng)和力控制系統(tǒng)的仿真得出如下結(jié)論：（1）本課題基于我�，F(xiàn)有的液壓試驗(yàn)臺，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果及仿真結(jié)論顯示所確定的液壓系統(tǒng)工作原理可行。（2）位置控制系統(tǒng)可以達(dá)到 0.1mm 的精度，力矩控制系統(tǒng)可以達(dá)到 1Nm 的精度。（3）比例伺服閥控制油缸的剛性加載位置控制系統(tǒng)還是比例伺服閥控制液壓馬達(dá)的力控制系統(tǒng)，加入 PID 校正后系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性都有相應(yīng)提高。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：71456