电液伺服比例综合实验台阀控液压马达控制系统研究.pdf

电气技术与 自动化 王野牧 ， 等 电液伺服 比例综合 实验 台阀控 液压马达控制 系统研 究 电 液 伺 服 比 例 综 合 实 验 合 阀 控 液 压 马 这 控 制 系 统 研 究 王野 牧 ， 杨 智 超 ， 何 松 沈阳工业大 学 机械工程学 院 ， 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 7 8 摘要 研究 了电液伺服 比例综合 实验台 中阀控液压 马达的闭环控制 系统 ， 该 闭环 控制系统 以 比例换向阀作为控制元件， 以阀控马达作为输出元件 ， 以角度转速传感器、 压力传感器以及温 度传 感器作为反馈元件 ， 并采取工 控机作为控制手段 ， 实现对输 出转动角 度 的控 制。建立 了该 阀控液压马达 系统 的数 学模型 ， 以 MA T L A B中动态仿真工具 S I MU L I N K软 件包 为开 发工具 ， 建 立仿 真模型进行计算分 析 ， 得 到较 合理的控制参数 ， 使系统 的控 制性 能得到改善 。 关键词 阀控马达； 计算机控制； 仿真研究； S I MU L I N K软件包 中图分类号 T HI 2 ； T M3 5 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 1 0 3 - 0 1 6 1 -03 St udy o f Hy dr a ul i c Va l v e - - c e n t r o l l e d M o t or S y s t e m i n El e c t r o - - h y dr a ul i c Pr o p o r t i o n a l a nd S e r v o I nt e g r a t e d Te s t e r W ANG Ye mu． YANG Zh i ． c h a o． HE S o n g S h e n y a n g Un i v e r s it y o f T e c h n o l o g y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 7 8 ， Ch i n a Abs t r ac t This p ap e r ma k es a s t u d y o f h y dr au l ic v a l v e c o n t r oll e d mo t or s y s t em i n t h e e l e c t r o h y dr a uli c p r o p ort i o n al a n d s er v o in t e gr a t ed t es t e r ． A pr o po r t ion a l v alv e is u s e d a s t h e c on t r o l u n i t ， a v a l v e c o n t r oll e d mo t o r a s t h e ou t pu t u n i t an d an g l e， pr es s ur e a n d t e m p er a t u r e t r an s d u c er s a s f e ed i n g b ac k u n it ， a nd an i n d u s t r i a l c o m p u t er as t h e c on t r o l mea s u r e s i n t he t h is h y d r au l ic v alv e- c on t r o l le d m o t or s y s t e m ． Th is art i c le es t a b l i s h e s t h e m a t he mat ic al m o d el o f t his h y dr au l ic v alv e co n t r o l led mo t o r s y s t em ；A d y n a m ic s i mula t ion t oo l ， SI MULI NK s o f t war e p ac k a g e i n MATL AB， is t a k en a s t h e de v elo pme n t t o ol t o e s t ab l is h t he SI MUL I NK s imu l a t i o n mo d el an d t o o bt a i n mor e r e as on a ble c on t r o l pa r a me t e r s，in or d er t o imp r o v e s y s t e m’S c o n t r ol p erf or ma n c e． K e y wo r ds v alv e c o nt r oll e d mo t er ；c o m p u t e r c on t r o l ing；s im u l a t i o n；SI MUL I NK s o f t wa r e p a ck a ge 0 引言 电液伺服比例综合实验台是我校设计、 制造并且已经 投入使用 的一部大型实验设备 。在教 学过程 中， 学生 能够 在该实验台上进行电液比例控制课和自动控制原理课所 涉及 的很 多实验 ， 是对 理论 教学的很好补充 。现着重 研究 该试验台中所利用的控制系统， 以得到合理的控制参数 ， 使该系统的性能进一步优化和改善。 1 试验 台的组 成 以及技 术要求 a 组成 实验 装置 由实验工 作 台、 液压 伺服 执行元 件 、 液压 泵 站、 电气控制单元、 计算机测控系统等几部分组成。 1 实验工作 台 实验 工作台 由带“ T ” 型槽 的工作 台面构成 ， 在它 的上 面安装 阀 控 液 压 马 达 ， 也 可 以在 其 上 搭 接 实 验 用 液 压 回路 。 工作 台尺寸 长 X宽 X高 2 0 0 0 m m x 8 0 0 m m x 8 0 0 2 液压控制 元件 含有阀控马达、 比例换向阀以及其他的一些控制阀类 元件 和液 压辅助元件 。 3 液压泵 站 系统 额定 工作压力 3 1 ． 5 MP a 。流量 1 3 0 L ／ m i n 。 含有 一个排量 6 3 m L的手动 变量 柱塞泵 和一 个排 量 2 9 mL的定量柱塞泵 。 4 电气控制单元 一 个 常规电控柜及操作 台。 5 数据采集 系统 由一 台工控机 、 板 卡 、 软件 、 传感器组成 的测控 系统 。 b 技术 要求 1 在伺服控 制系统 实验 中 ， 主要实 现伺 服 系统 的闭 环时 间响应特性实验 、 伺 服系统 频率特 性实验 、 伺 服 系统 控制策 略研 究实验和伺服系统误 差测量实验 ； 2 在数据采集系统实验中， 主要实现实验数据采集、 分析 、 处理 、 即时显示 、 实验 曲线 自动生 成等功 能和 M A T L A B实时控制 。 一 般来说 ， 对 于液压 马达可以采取泵控方式或者 阀控 方式 。泵控 马达系统 的优 点是 电动机 拖动变 量泵 所消耗 的功率能较好 的和负载所要求 的功率 相匹配 ， 系统功率损 失小 、 效率高， 广泛用于大功率重载设备中， 但是泵控系统 动态响应性能较慢 。阀控方式一般是由伺服阀或比 例 阀等构成 闭环系统实 现 ， 阀控方 式响 应性能 较好 ， 结构 简单 ， 控制精度高， 虽然其存在效率低 、 发热量大的缺点， 作者简介 王野牧 1 9 6 5 一 ， 男 ， 广 东东莞 人 ， 副教授 ， 硕士 ， 主要从事液压 、 机 电方面 的研究 。 Ma c h in e B u i l d i n g髫 Au t o m a t io n ， n 2 0 1 1 ， 4 0 3 1 6 1～ 1 6 3 l 6 1 电气技术与 自动化 王野牧 ， 等 电液伺服 比例综合 实验 台阀控液压马达控 制 系统研 究 但是考虑到该试验台主要应用于教学和实验， 需要有较高 的精度和较快的响应速度 ， 所以采用阀控方式是一个较合 理 的控制策略 。针对试验台的技术要求 ， 完成 了阀控液压 系统 的设 计 ， 借助 MA 1 ’L A B下 的 S I M U L I N K工具 包进 行 仿真建模 ， 对阀控 液压 马 达液压 系统 的动 态特性 进行 研 究 ， 得出较合理的控制参数 ， 使系统的控制性能得到改善。 2 控制 系统物理模 型及 工作原理 图 1 是该试验台中阀控液压马达转角闭环控制系统 的原理图 ， 图中只列 出了与 同步有 关 的液压控制 部分 ， 其 他如液压 锁和平衡 阀等元器件 以及 液压 附件在 图中并 未 给出。正常工作时手动变量泵调定到固定的排量后， 相当 于定量泵， 角度转速传感器 1检测马达的转角和转速， 与 比例换向阀通过 工控 机构 成闭 环转 角及转 速控 制 系统 。 测控系统原理如图2所示。 图 1 液压 系统原理 图 ● 图 2 计 算机测控 系统原理 图 3 控制系统的数学模型 Q m s 0 m C ,m P r 索 2 P D J t 曰 s 瓴 3 式 中 0 液压 马达 的转 角； D 液压马达 的排量 ； C 液压 马达 的总泄露 系数 ； 液压马达两腔及连接管道总体积； 液压马达和负载折算到马达轴上的总惯量； B 液压马达和负载的粘性阻尼系数； G 负载的扭转弹簧刚度； 作用在马达轴上的任意外负载力矩。 由式 1 ， 2 和 3 消去 中间变量 Q 和 P ， 就可 以 求得阀控液压马达在 阀芯位移 和外负载力矩同时输 入时 的总输 出为 0 D m一 D2 m f l I ,杀-- s r 器 、 J ,K ce 箍s2 B mK ee G V, s 4 式 中， 总流量 一压 力系数 ， K o e C 。对 于阀 控液压马达弹簧负载很少见。当 G 。， 且 B m K e e l时 ，式 4 可以简化成 3 ． 1 阀控 液压 马达 系统 的传递 函数 阀控液压马达作为一种常用的液压动力元件， 在分析 的过程 中， 需要 根据 自动控制理论 ， 建立滑阀的流量方 程 、 液压马达流量连续性方程以及液压马达和负载的力平衡 方程这三个基 本方 程 J ， 并 对 以上 三个基 本方 程进 行拉 氏变换 ， 所 得到的三 个拉 氏变换式 可以完全描述液压马达 的动态特性 。 阀控液压马达的三个基本方程的拉氏变换式 如下 Q X 一 K o P 1 1 6 2 s 毒 s “ 5 瓮 B m 悟 v-7 ， 通常负载粘性阻尼系数 B 很小 ， 可以用下式 表示 ㈤ 综上， 液压马达轴的转角对阀芯位移的传递 函数为 0 D s 妄 s 1 液压马达轴的转角x t- 负载力矩的传递函数为 7 Kc e [ ㈣ 妄 4 控制 系统 的 S I MU L I N K模 型 MA T L A B中的 S I MU L I N K为系统仿真提供了强大的 h t t p ∥Z Z HD ． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 。 电气技术与自动化 王野牧 ， 等 电液伺服比例综合实验台阀控液压马达控制系统研究 图 3 阀控马达控 制系统 方框图 软件工具 ， 根 据 数 学模 型 可 以 直 接 建 立 系 统 的仿 真 模 型 。根据数学模型， 将上面系统输入输 出关系关联起 来得到系统 的模 型仿 真。 系统参数为 泵的最大排量 V p 2 0 0 c m ／ r ； 转速 ／7 , 1 4 5 0 r ／ ra i n ； 泵的泄漏系数 C ．． 31 0 m ／ k g ； 液压 马达 泄漏系数 C 。 31 0 m 5 ／ k g ； 负载质量 m。 7 ． 5 x 1 0 k g 。 当输入一阶跃信号时， 在无负载转矩和存在负载转矩 两种情况下 ， 液压马达轴 的转角 的仿真 图如图 4所 示 。 一 娅 辩 撂 i 图 4 无负载情况 下马达轴的转角仿真 图形 从上边的分析以及计算结果可以看出 该阀控马达系 统可以满足设计要求； 动态调整时间较短 ， 比较适合于进 行相关的各类实验。 一 已 暴 图 5 有负载情况 下马达轴的转角仿真图形 5 结论 该阀控马达系统能够满 足试 验台的具体要求 ； 仿 真结 果表 明 ， 此 阀控液压 马达系统在控制精度及 响应 时间上 均 可满足试验台的精度和快速性要求 ； 此阀控液压马达系统 的结构较简单， 给具体工程实现带来了很大便利条件。 参 考文献 [ 1 ]王 春 行． 液 压 伺 服 控 制 系 统 [ M] ．北 京 机 械 工 业 出版 社 ， 1 9 8 9 ． [ 2]顾瑞龙 ． 控制理论 与电液控 制系统 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 1 9 8 4 ． [ 3 ]路 甬祥 ， 胡大纺． 电液 比例控 制技 术 [ M] ． 北京 机械 工业 出 版社 ， 1 9 8 8 ． [ 4 ]刘长年． 液压伺服系统优化设计理论 [ M] ． 北京 冶金工业 出 版社 ， 1 9 8 9 ． [ 5 ]王 占林． 近代液压控制 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 6 ]施 阳． MA T L A B语言精要及动态仿真工具 S I MU L I N K[ M] ． 西 安 西北工业 大学出版社 ， 1 9 9 7 ． 收稿 日期 2 0 1 01 01 8 上接 第 8 4页 息处 理 方式 进行 改进 ， 或 者 根 据 数 控 系统 自身 的 特 点 和要求 ， 来逐步的实现智能化 。总之 ， 数控系统 的智能 化是一个 渐进 的过程 ， 必将 随着 智能 理论 的发展 而 发展 4 结论 本文讨论 了数控 系统智 能化 的必要性 以及 智能化 数 控系统的 内涵 ， 认 为数控系统 的智能化应该行 为上的智能 化 ， 并且认为 在数 控系统 绝对智 能化之 前 ， 人 类仍 然在 数 控系统当 中占有 重要 的地 位 。S T E PN C作 为一 个新 兴 标准必将在数控系统智能化过程中扮演重要的角色。利 用 I D E F O方法 和 P e t r i 网方 法对数控系统进行 了宏观 与微 观两方面建模 ， 具有一定 的指 导意义。智能化是数控 系统 的必然方向， 但是这依赖于人工智能理论的发展 ， 有着很 长 的路要走 。 Ma c h in e B u i l d i n g日 Au t o m a t io n ， J u ． 2 0 1 1， 4 0 3 1 6 1～1 6 3 参考文献 [ 1 ]韩权 利 ， 赵万华 ， 丁玉成 ． 未来 制造业 模式一 一智能制造 [ J ] ． 机械 工程 师， 2 0 0 2 1 2 6 - 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