液压制动软管挠曲疲劳试验机直线定位系统.pdf

第 3期 总第 1 7 8期 2 0 1 3年 6月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NE ERI NG 8 乙 AUT MATI N NO． 3 J u n ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 l 3 2 0 1 3 O 3 0 1 5 1 - 0 3 液压制动软管挠 曲疲劳试验机直线定位系统 袁超 ，姜 涛 ，韩 玉元 ，张桂 林 长 春理 工大学 机 电工程 学院，吉林长春 1 3 0 0 2 2 摘要 介 绍 了一种采用伺服 系统控制液压制 动软管挠 曲疲 劳试验机直 线运 动的结构及仿真模 型，并采用试验 测试 与 Ma t l a b仿真相结合 的方法完成 系统建模 ，确定仿 真参数。通过对 试验机 直线定位 系统 的实际试验 与 仿真．得 出试 验数据和仿真模 型，验证 了该方法 的有效 性和 实用 性。 关键 词伺服系统 ；直线定 位；液压制 动软 管；疲 劳试验机 中图分类号 T P 2 7 3 U4 6 3 ． 5 2 1 文献标识码 A 0 引言 液压制动软管是汽车制动装置的主要零部件 ， 为 了使刹车制动装置能够稳定有效 的快速制动 ， 对汽 车 液压制动软管的检测精度要求越来越高， 市场急需高 精度液压制动软管性能试验检测设备。本文设计的高 精度液压制动软管挠 曲疲劳试验机是以 P L C为控制 核心 ， 综合协调软管活动安装端转动机构、 软管固定安 装端直线运动定位机构 和液压加载系统， 自动完成对 一 根或两根制动软管的疲劳寿命测试。 1 试验机直线定位系统控制结构 近些年 ， 伺服控制系统被广泛应用于定 位要求较 高的试验机 中， 这类定位装置通常采用半闭环控制结 构 ， 即以伺服电机的角位移进行位置反馈， 而不是 以位 移传感器检测试验机 的直线运动位移作为反馈信号， 因而具有机械结构简单 、 高精度控制试验机定 位系统 的特性 。直线定位机构如图 1 所示。 半闭环交流伺服控制系统一般采用双环结构 ， 由 位置控制板和交流伺服驱动器构成外环 位置环 和内 环 速度环 。该控制系统按物理结构可分为交流伺服 驱动器及伺服电机、 直线运动机械结构 、 直线位移控制 器及 P C。伺服控制系统 的反馈 信号主要由光电编码 器反馈产生 ， 光电编码器 同时又分 为增量式 和绝对式 两种 ， 增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号， 再把该电信号转变成计数脉 冲， 用脉冲的个数来表示 位移的大小 ； 绝对式 编码器的每个位置对应一个确定 的数字码 ， 因此其示值 只与测量 的起始和终止位置有 关 ， 而与测量的中间过程无关， 即使伺服电机轴卡死也 能输出绝对角度信息， 所 以主要用于高性能试验机定 位控制系统 中。 由于绝对式光电编码器 的高精度反馈作用， 伺服 控制系统可 以精准地获取角位移运动轨迹的反馈 信 号， 为测试系统各运动参数提供准确信息， 因此本文的 伺服控制参数均来 自于绝对式编码器。 圈 1直 线 定 位 机 构 2伺 服驱 动器 及 电机模 型 2 ． 1一 阶惯性 系统模 型 交流伺服电机驱动系统是一个电机调速系统 ， 调 速范围在 0 r ／ mi n 2 8 0 0 r ／ mi n ， 定位精度一般都要 达到1个脉冲 。其输入、 输 出变量都是时间的连续 函数 ， 以转速为被控变量 ， 实现单步预测控制的动态系 统 ， 因此， 建立的数学模型必须进行优化。最简单的优 化方法是将该系统建立成一 阶惯性 系统 川， 即以速度 指令 z 为输入 ， 电机转速 ∞ ￡ 为输 出。系统传递函 数表示为 G 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 1 5 l修 回 日期 2 0 1 2 1 2 1 5 作者简介 袁超 1 9 8 7 一 ，男，辽 宁沈 阳人 ，在读硕士研究生 ，研究方 向机械电子工程。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 5 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 O l 3年 第 3期 其 中 T为时间 常数 ； K 为增益 。 2 ． 2 系统参数 的确 定 设系统的输入阶跃信号 U ￡ M ， 其拉氏变换为 L ， 一u ／ s ， 则系统阶跃信号响应为 ∞㈤一G s u s 一 。 ⋯ ⋯ ‘ 2 』S十l 式 2 经拉氏变换为 f Ku 1 一e - 辛 ， 由此得 出当时间 一。 。 时， 叫 。 。 一K “ ， 所以有 K一∞ c x 3 ／ “ 。 ⋯ ⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯ ⋯⋯ 3 当 ￡ 一7 ’ 时有 丁 K 1 一 e ≈ O ． 6 3 2 ∞ 。 ⋯ ⋯ ⋯ 4 伺服系统中电机转速上升时 ， 0 ． 6 3 2 w 。 。 值对应 的时间 t 即 为系 统 时间 常数 丁， 可通 过 式 3 和 4 确 定 系统 参 数 。 表 1 是松下大型 MI NAS V系列全数字式交流伺 服驱动器 MDD 2 O 3 AI V 其主要性能指标 适配电机额 定功率为 2 0 0 0 W ， 电源电压为 3相 2 2 0 V， 编码器类 型为 2 5 O O P ／ R， 与驱动器配套使用的交 流伺服电机 为 MDM2 0 2 A1 实测速度阶跃响应， 其输入阶跃电压“ 一 i 0 0 pV。 表 1 MDD2 O 3 AI V 驱 动 器 时 间 速 度 关 系 时间 f ms 0 4 8 1 2 1 6 2 O 2 4 2 8 3 2 速度 p ／ ms O 1 0 2 0 2 8 2 9 3 0 2 8 2 8 2 9 时间 t ms 3 6 4 0 4 4 4 8 5 2 5 6 6 0 6 4 6 8 速度 p ／ ms 2 9 2 9 2 9 2 9 3 O 2 9 2 8 2 9 2 9 由表 l的数据经计算得 鲫 。 。 2 5 ． 5 p ／ ms ， K 2 5 ． 5 ／ i 0 0 0 ． 2 5 5 p ／ ms p V 3 2 ． 0 2 8 r a d ／ S V 。 由于时间常数 T较小 ， 不容易测定 ， 但是从测量 结果 还是 可以得 出 8 ms ≤ T 1 2 ms 。 2 ． 3二 阶 系统模 型 若 以电机轴位置 ￡ 为输 出， 则驱 动器及电机 系 统传递函数可以表示为 O t 一 而 。 ⋯⋯⋯ ㈤ 式 5 是一个典型的二阶系统。 Si 3 建立直 线定位 系统仿 真模 型 S i mu l i n k S i mu l i n k是 一个 用来 对 动 态系 统进 行 建模 、 仿 真 和分析的系统仿真软件 ， 它支持线性和非线性系统 、 连 续和离散时间模型， 或者是二者的混合。系统还可 以 是多采样率 的， 如系统 的不 同部 分拥有不 同的采 样 率[ 3 ] 。下面就利用 S i mu l i n k建立整个定位系统的仿 真模 型 。 位置控制系统采用工业过程控制中应用最广泛的 一 种控制形 式， 位 置环采 用数字 P I D控制 偏差 控 制 ， 其位置控制理想微分方程为 M K [ P P d f d e 出 t 3 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 其中 K 为比例系数 ； T 为积分时间常数； 为微分 时间常数； e ￡ 为偏差值 。 由于计算机只能处理数字信号 ， 故上述理想微 分 方程必须加以变换 ， 若设伺服驱动电机角位移 的采样 周期为 r ， 第 k次采样得到的输入偏差为 e ， 调节器输 出为 P t ， 则 有 d e e 一 e 一 1 。 I t e ￡ d ￡ ∑e h T。 经过转换 ， 式 6 便可改写成 志 K p 忌 ∑ K 户 。 JO 其中 为系统采样周期。 经 z变换 ， 位置控制 P I D偏差控制器的 z传递函 数 为 G z 一Kp K Kd 1 一 。⋯ 7 其中； K 为积分 系数； K 为微分 系数。以 K 一1 、 K 一2 、 K 1的 P控制 建立仿 真 模 型 ， 根 据 二 阶系 统 函数得到的直线定位系统仿真模型如图 2所示。 图 2 直线定位 系统仿真模型 4直线定 位控 制 系统仿 真试 验 4 ． 1 推导时间常数 T 时间常数 T是在试验前必须确定的数值 ， 通过对 比实际运动曲线与 Ma t l a b建模仿真输 出波形来分析 确 定 丁。 试验人员启动伺服控制系统记录编码器反馈的前 1 5 0个点， 并在 Ma t l a b中用 P L O T命令将其 绘成图 形 ， 如图 3所示 。 再分别令 丁 一9 ms 、 1 0 ms 、 1 1 ms进行系统 的阶 跃响应仿真， 仿真结果如图 4所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 3 期 袁超 ． 等 液压制动软 管挠 曲疲劳试 验机 直线定位 系统 1 5 3 通过 Ma t l a b仿真输出阶跃波形与实际运动波形进 行对比， 根据时间、 速度、 峰值等参数不难确定 T 1 1 l T 1 S 。 图 3 阶跃信号响应测试图 ．．t t - - 一 re st ⋯ l J S ． -_- ●●- _● 0 0 ．1 0 ． 2 0． 3 O． 4 t ／ s 图 4 阶跃信号响应仿真 图 4 ． 2 系统斜 坡及 正 弦信号 的仿真 采用前述实测与仿真得到的 K、 T参数值进行的系 统斜坡响应与正弦响应仿真结果如图 5和图 6所示。 t ／ s 图 5斜坡信号响应仿真图 t ／ s 图 6 正弦信号 响应仿真 图 为了检验仿真模型 ， 本文又实际测试 了液压制动 软管挠 曲疲劳试验机直线定位系统斜坡响应与正弦响 应 ， 结果如图 7和图 8所示 。 t ／ s 图 7 斜 坡信号响应测试图 t ／ s 图 8 正弦信号响应测试图 通过直线定位 系统测试与仿真 ， 两种方法输 出的 波形有较好的拟合度 ， 因此验证了 S i mu l i n k建立 的仿 真模型可 以满足直线定位系统的仿真需要。 5 结论 本文 利 用 Ma t l a b ／S i mu l i n k建 立 液 压 制 动 软 管 挠曲疲劳试验机直线定位系统的仿真模 型， 可 以提高 工程人员对试验机伺服控制系统的理解 。二阶仿真模 型是交流伺服 系统控制直线定位较为简化 的理想 模 型 ， 通过绝对式光电编码器反馈的电机轴角位置反馈 信号确定 电机的运 动参数， 得出简化模型 的参数。简 化的二阶直线定位系统模型能够较好地模拟实际系统 的信号响应 ， 实际应用 中， 该模型接近实际电机参数 ， 可 以为分析 系统性 能、 控制试验 机运行 打下 良好 的 基础 。 参考文献 [ 1 3 谢锡棋。 杨焕明． 位置控制伺服电机实验建模[ J ] ． 北京理 工大学学报 ， 1 9 9 6 3 6 9 7 2 ． 2 3 孙炳达， 梁志坤． 自动控制原理[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 陈桂明 ， 张 明照． 应 用 Ma t l a b建 模与 仿真 [ M] ． 北 京 科 学 出版社 ， 2 0 0 1 ． 英 文摘要转 第 1 5 6页 0 0 0 O O O O M 8 6 4 2 d ／ 掣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 3年第 3期 函数及单位阶跃响应曲线 ， 见图 7 。 通过响应 曲线， 可以大致确定参数如下 1 峰值 时间 t P 1 0 S； 2 超 调 量 O p 一 1 ． 2 5 一1 ／ 1 1 0 0 ％2 5 ； 3 调节时间 t s 1 6 s 5 r a i n ， 在 目标范围以内。 利用软件进行数字 P I D编程 ， 可以实现调节控制 系统的优化。 趔 馨 a 传递函数 图 7 P I D控制 S i mu l i n k仿真建模 及单位 阶跃响应 曲线 3 结 论 本文介绍了光梳状 滤波器 自动化装配平 台的开 发。基于数值 P I D控制理论， 并运用 MAT L AB仿真， 结合 Z i e g l e r - Ni c h o l s 整定方法寻找优化参数 ， 构成适 合本产品项 目的数字 P I D控制系统。系统调节时间 通常 在 2 0 s 以 内完 成 ， 整个 过程控 制在 3 mi n 5 mi n 以内 ， 达 到 了设 定 的 目标 时 间 ， 比手 动平 均 调 节 时 间 3 0 r n i n快了 6 倍 。实测 5 O个产 品均达到了要求 ， 所 得到的实际参数值与理论参数值基本吻合 ， 该方法大 大提高了生产效率。 t ／ s b 响应曲线 参考文献 [ 1 ] 王显正 ， 莫锦秋 ， 王旭永． 控制理 论基础[ M] ． 第 2版． 北 京 科学 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 - 1 邵永红． 光学梳状滤波器技术研究[ D ] ． 上海 中国科学院 上海冶金研 究所 ， 2 0 0 0 5 - 2 5 ． [ 3 ] 杜腾达 ， 张大鹏． 光学 交错器、 滤波器单元 和色散 小的部 件设计 中国， 2 0 0 5 1 0 0 7 8 1 3 6 ． 5 [ P ] ． 2 0 0 5 1 2 1 4 ． [ 4 ] 张若 青 ， 罗学科 ， 王 民． 控制工程基 础及 MA TL AB实践 [ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 8 ． Co n t r o l An a l y s i s o f A Ne w Op t i c a l I n t e r l e a v e r Au t o ma t i c As s e mb l y S y s t e m WANG Z h i 。 ml n g ，XUE J i n g - f a n g ．C HE N J i e S c h o o l o f Me c h a nic a l En g i n e e r i n g，Sh a n g ha i J i a o To n g Un i v e r s i t y，Sh a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Chi n a Ab s t r a c t Op t i c a l i n t e r l e a v e r i s a k e y o p t i c a l c o mmu n i c a t i o n d e v i c e wh i c h c a n e f f e c t i v e l y e n h a n c e t h e b a c k b o n e n e t wo r k t r a n s mi s s i o n c a p a c i t y ．I n t h e p a s t ， t h e o p t i c a l i n t e r l e a v e r s we r e m a n u a l l y a s s e mb l e d ． I n t h i s p a p e r t h e d e v e l o p me n t o f a n e w a u t o ma t e d p r o d u c t i o n s y s t e m f o r o p t i c a l c o mb f i l t e r s i s i n t r o d u c e d ，wh i c h i s b a s e d o n d i g i t a l P I D c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s o p t i c a l i n t e r l e a v e r ；a u t o ma t i c a s s e mb l y s y s t e m ；P 1 D c o n t r o l 上接 第 1 5 3页 Li n e a r Po s i t i o ni ng S y s t e m o f Fl e x Fa t i g u e Te s t i ng M a c h i ne f o r Hy d r a u l i c Br a ke Ho s e YUAN Ch a o ，J I ANG T a o ．HAN Yu - y u a nZHANG Gu i - l i n Sc h o ol o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a 【En g i n e e r i n gCh a n g c h u n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c hn o l o gy ，Ch a n g c h u n 1 3 0 0 2 2，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e d e s c r i b e s t h e s t r u c t u r e a n d t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f a s e r v o s y s t e m t O c o n t r o l t h e l i n e a r mo t i o n o f f l e x f a t i g u e t e s t i n g ma c h i n e f o r h y d r a u l i c b r a k e h o s e ． Th e s y s t e m mo d e l i s c o mp l e t e d b y e x p e r i me n t a n d M ATL AB s i mu l a t i o n，t h e s i mu l a t i o n p a r a me t e r s a r e d e t e r mi n e d，a n d t h e t e s t i n g d a t a a n d t h e s i mu l a t i o n mo d e l a r e o b t a i n e d ，a n d t h e e f f e c t i v e n e s s a n d p r a c t i c a l i t y o f t h e me t h o d i S v e r i f i e d ． Ke y wo r d s s e r v o s y s t e m ；l i n e a r p o s i t i o n i n g ；h y d r a u l i c b r a k e h o s e ；f a t i g u e t e s t i n g ma c h i n e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m