（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的连铸机结晶器调宽油缸电液比例试验台的研究.pdf

j 0 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l t e s tb e df o rw i d t h a d j u s t m e n t c y l i n d e r o fc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l db a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n t b ym ag a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gj i n c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y a u g u s t 2 0 0 7 1 j 论文中取得 表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：6 二 思0 学位论文作者签名： 芍l 叫 日 期：如7 年罗月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 l r 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 e ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： i l l 一j 摘要 1 【、在连铸生产过程中，结晶器作为连铸机的核心设备，其性能及整体质量 的好坏，直接影响到整个生产能否顺利进行以及产品质量的好坏。而调宽油 缸作为调整结晶器侧封板位置的主要元件，其性能直接影响到结晶器的质 量。 本文对电液比例控制系统的发展、组成及特点进行了综述。将先进的虚 拟仪器技术引入电液比例液压试验台的试验测控技术中，实现了机一电一液 的有机整合，开发研制了基于虚拟仪器测控技术的对结晶器调宽油缸性能进 行测试的电液比例试验台。调宽缸性能检测电液比例试验台主要由液压泵、 高压过滤器、蓄能器、比例溢流阀、加载缸等液压元件组成。 本文根据电液比例液压试验台的组成及试验内容，在虚拟仪器测控技术 的基础上，提出了信号采集的方法，各类传感器的型号选择，数据采集卡的 选择以及依靠数据采集卡的数字输出信号实现电磁阀的开关的方法等。依托 l a b v i e w 操作平台并根据液压缸的试验内容编制了调宽缸测试软件系统，并 以调宽缸的动态性能测试为例，给出了详细的测试与控制过程的虚拟前面板 及程序框图，在此基础上对试验结果进行了分析、讨论。 该装置的开发，使炼钢厂可以对新型结晶器调宽油缸进行有负载工况下 的整体质量检测，使离线检测时的工况更加接近在线生产时的情形，从而使 d检测数据更加真实可信，避免了因工况差异而造成某些质量问题漏检进而影 响生产的情况出现，大大提高了钢厂的生产效率。上述工作成果在同类钢铁 生产企业中有着很高的推广价值。 关键词：结晶器调宽油缸；电液比例控制系统；调宽缸液压试验台； 虚拟仪器；l a b v i e w ， | 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o h y d r a u i i c p r o p o r t i o n a l t e s tb e df o rw i d t h a d j u s t m e n tc y l i n d e ro fc o n t i n u o u sc a s t i n g m o u l db a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t i nt h ec o u r s eo fc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o d u c t i o n ，t h ek e ye q u i p m e n ta st h em o u l d ， p e r f o r m a n c ea n dw h o l eq u a l i t yo fi t ，i n f l u e n c ew h i c hc o u l dp r o d u c eg o i n go ns m o o t h l y a n dp r o d u c t q u a l i t yd i r e c t l y t h eq u a l i t yo ft h ek e y e q u i p m e n to fm o u l d w i d t h a d j u s t m e n tc y l i n d e rd i r e c t l yi m p a c tt h eq u a l i t yo ft h em o u l d t h i st e x ts u m su pt h ed e v e l o p m e n t ，c o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o h v d r a u l i c p r o p o r t i o n a l t h i ss u b j e c tl e a d sa d v a n c e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi n t ot h et e s t t e c h n o l o g yo fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e s t b e d i th a sr e a l i z e dt h ec o m b i n i n g o r g a n i c a l l y o ft h em a c h i n ea n d e l e c t r i c i t y a n dl i q u i d b u tw eh a v e d e v e l o p e d e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e s tb e df o rw i d t ha d j u s t m e n tc y l i n d e ro fm o u l do nt h e b a s i co fv i r t u a li n s t r u m e n t t h ee l e c t r o h v d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e s tb e dm a i n l yi n c l u d e h y d r a u l i cp u m p ，h i g l lp r e s s u r ef i l t e r ，s t o r a g ed e v i c e ，r a t i or e l i e fv a l v e ，l o a d i n gc y l i n d e ra n d o t h e rh y d r a u l i ce l e m e n t s t h i st e x th a sp u tf o r w a r dam e t h o di n s e n s o r sc h o s e na n di n s t a l l m e n tb a s e d s i g n a l sg a t h e r e da n dt h et y p eo fa l lk i n d so f o nv i r t u a l i n s t r u m e n t ，t h ec h o i c eo fd a t a a c q u i s i t i o n sa n dt h em e t h o do fd i g i t a ls i g n a le x p o r tt oc o n t r o le l e c t r o m a g n e t i cv a l v eh a v e b e e np u tf o r w a r da l s o a n dh a sw r i t t e nw i d t ha d j u s t m e n tc y l i n d e rt e s ts o f t w a r es y s t e m u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fl a n g u a g el a b v i e w t a k ep e r f o r m a n c e e x p e r i m e n to ft h e d y n a m i cp e r f o r m a n c et e s ta sa ne x a m p l ea n dg i v ed e t a i l e dc o u r s eo ft e s ta n dc o n t r o li n t h ef r o n tb o a r da n dp r o c e d u r eb l o c k w eh a v ea n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h et e s tr e s u l to n t h eb a s i so ft h i s d e s i g no ft h i sd e v i c e ，m a k et h eo f f - l i n ed e t e c t i n gs y s t e mo ft h es t e e lm i l lt oc a nt e s t t h ew h o l eq u a l i t yo ft h e n e w s t y l ew i d t ha d j u s t m e n tc y l i n d e rf o rm o u l du n d e rl o a d o p e r a t i n gm o d e s ，s i t u a t i o nw h i l em a k i n gt h eo p e r a t i n gm o d ew h i l em e a s u r i n go f f - l i n e c l o s e rt oo n l i n ep r o d u c t i o n ，t h u se n a b l em e a s u r i n gt h ed a t am o r et r u ea n dc a nb eb e l i e v e d ， a v o i dc a u s i n gs o m eq u a l i t yp r o b l e m st ol e a kb e c a u s eo f o p e r a t i n gm o d ed i f f e r e n c et h e n i n f l u e n c et h es i t u a t i o no fp r o d u c t i o nt oa p p e a r ，i m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo ft h e s t e e l f a c t o r yg r e a t l y t h e r e i s v e r y h i g hv a l u et op o p u l a r i z ei n t h es i m i l a rs t e e l m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ei na b o v e - m e n t i o n e dw o r k i n ga c h i e v e m e n t s k e yw o r d s ：w i d t ha d j u s t m e n tc y l i n d e rf o rm o u l d ；e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e m ； w i d t ha d j u s t m e n tc y l i n d e rt e s tb e d ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v l e w j 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明。 摘要 第1 章绪论。 1 1 弓l 言1 1 2 电液比例控制系统1 1 2 1 电液比例控制系统的发展及应用。1 1 2 2 电液反馈控制系统3 1 2 3 电液比例控制系统的组成及特点5 1 2 4 电液比例控制阀的技术特点1 1 1 3 项目研究的必要性1 3 1 4 课题来源及意义。1 3 1 5 课题研究的主要内容及工作1 3 第2 章结晶器调宽油缸电液比例系统的设计与研制1 5 2 1 结晶器调宽油缸电液比例系统的技术要求1 5 2 2 结晶器中钢水静压力的计算1 6 2 3 结晶器调宽油缸液压测试系统的设计与研制1 7 第3 章调宽缸检测液压系统性能验算 3 1 液压系统压力损失验算2 9 3 1 1 管路的沿程压力损失2 9 3 1 2 阀类元件的压力损失。3 0 3 2 计算液压系统的发热功率及散热功率验算3 1 3 2 1 计算液压系统的发热功率3 1 3 2 2 计算液压系统的散热功率3 2 第4 章基于虚拟仪器技术的调宽缸性能测试研究 4 1 引言。3 4 - i v 东北大学硕士学位论文目录 4 2 虚拟仪器软件概述3 5 4 2 1 虚拟仪器软件l a b v i e w 简介3 5 4 2 2l a b v i e w 特j ；e ：；f ； 4 2 3 用l a b v i e w 设计虚拟仪器的方法3 7 4 3 测试系统的硬件设计和信号抗干扰设计3 8 4 3 1 数据采集装置3 9 4 3 2 数据检测装置4 7 4 3 3l a b v i e w 测试试验台的建立5 0 4 4 调宽缸虚拟测试界面的前面板和软件编程。5 1 4 4 1 测试系统程序的总体设计5 1 4 4 2 系统主程序的设计。二5 2 4 4 3 对电磁换向阀控制的程序设计5 4 4 4 4 数据采集程序的设计5 4 4 4 5 控制输出。5 7 4 4 6 调宽缸动态性能测试程序设计。5 8 4 4 7 生成报告程序设计5 9 4 5 调宽缸测试实验结果及分析6 0 4 5 1 滤波实验结果6 0 4 5 2 调宽缸动态性能测试结果。6 1 第5 章结论与展望 5 1 结论6 3 5 2 展望。6 3 参考文献 致谢 附录。 6 5 6 8 第1 章绪论 电液比例技术，是流体传动与控制技术中的一个新的分支，所以，原来一般液 压传动技术和电液伺服技术所共有的主要特点( 优点与缺点) ，电液比例技术照样 具备。但由于它是新发展起来的技术分支，所以，在应用电子技术、计算机技术、 信息技术、自动控制技术、摩擦磨损技术及新工艺、新材料等方面，往往表现出更 前卫，这给电液比例技术带来更多新的特点。此外，诸如数字技术、高速开关技术 等，也与电液比例技术结合得非常紧密。最近不到1 0 年期间发展起来的电液比例控 制技术新成员一伺服比例阀，实际上是电液比例技术与电液伺服技术进一步“取长 补短 式的融合。这是由客观发展需要促成的技术进步，给我们的理论与实践相结 合的研究，带来了新的机遇。 在工业检测方面，虚拟仪器正在越来越多地引起人们的注意，得到了广泛的应 用。当然，对于液压系统的数据监测也不例外。在液压传动技术当中，为保证系统 ； 的正常运行及达到较好的效果，无论是液压元件，还是液压系统，都要对其性能进 行检测。 一 结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机的“心脏”设备之一。它的功 能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出热量，使之 逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯。并使这种芯部仍为液态的 铸坯，连续不断的从结晶器下口拉出，为其在以后的二次冷却区域内完全凝固创造 条件。而调宽油缸作为调整结晶器侧封板位置的主要元件，其性能直接影响到结晶器 的质量。测试调宽油缸的性能具有及其深远的现实意义i j 。 10 2 电液比例控制系统 、 1 2 1 电液比例控制系统的发展及应用 电气或电子技术在信号检测、放大处理和传输等方面比其它方式具有明显的优 势，特别是现代微电子集成技术和计算机科学的进展，使得这种优势更显得突出。 因此工程控制系统的指令及信号处理单元和检测反馈单元几乎无一例外地采用了电 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 子器件。而在功率转换放大单元和执行部件方面，液压元件则有更多的优越性。电 液控制技术集合了电控与液压的交叉优势。 在连铸机结晶器调宽油缸离线检测系统中，电液比例控制技术是关键核心技术。 电液比例控制技术是一种将微小的电信号按比例转换为较大的液压功率输出的 电液转换技术，是近2 0 年发展起来的介于普通开关控制与电液伺服控制之间的新型 电液控制技术分支，已成为机电一体化基本构成之一。电液比例控制技术在近几年 得以迅猛发展，其应用领域得以迅速拓展【5 1 。 电液比例控制技术从形成至今，大致上经过了四个阶段【6 】： 从1 9 6 7 年瑞士b c r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀，到7 0 年代初日本油研公司 申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生时期。比例控制阀的发展 初期阶段，仅仅是将比例电磁铁代替普通液压阀的开关型电磁铁或调节手柄，液压 阀部分的结构原理和设计准则没有变化，阀内不含受控参数的反馈闭环，其工作频 宽仅在l - 5 h z 之间，滞环在4 7 之间。这种比例阀工作频宽小，稳态滞环大， 只能用于开环系统。 从1 9 7 5 年到1 9 8 0 年，比例技术的发展进入第二阶段。这是电液比例控制技术 发展最快的时期。此间，采用各种内部反馈原理的比例控制元件相继问世，耐高压 比例电磁铁和比例放大器在技术上已经相当成熟。比例控制元件的工作频宽已经可 以达到5 1 5 h z ，稳态滞环已经减d , n3 左右，其应用领域不断扩大。2 0 世纪7 0 年代后期比例变量泵和比例执行器的相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基 础。电液比例控制技术的应用领域扩大到闭环控制。 到了2 0 世纪8 0 年代，电液比例控制技术的发展进入到第三阶段。在这一阶段， 比例控制元件的设计原理得到了进一步的完善，采用了压力、流量、位移反馈和动 压反馈及电校正等手段，使电液比例阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一 步的提高。除了制造成本的原因，电液比例阀在中位时仍保留死区以外，它的稳态 和动态特性均已达到和工业伺服阀相当的水平。在这一阶段的另一重大进步是电液 比例控制技术开始和插装阀相结合，开发出了具有各种不同功能和规格的二通、三 通型的电液比例插装阀，从而形成了完善的电液比例插装技术。 这一阶段在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子 控制器和相应的液压元件，组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展，已综 合形成液压工程技术，它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业 发展水平的重要标志，是液压工业又一个新的技术热点和增长点【7 1 。 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 从1 9 9 0 年至今，是电液比例控制技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项重要 的新产品相继问世。其一是推出了电液伺服比例阀( 又称高性能电液比例方向阀、 比例伺服阀、闭环比例阀、高频响应比例阀) 。这种电液伺服比例阀的电机械转换 器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用原有伺服阀的结构和加工工艺( 零遮盖阀口， 阀芯与阀套之间的配合精度与原有伺服阀水平相当) ，从而解决了闭环控制要求死区 要很小的问题。这种阀的性能和价格介于原有伺服阀和普通电液比例方向阀之间， 但它对油液的清洁度的要求低于电液伺服阀，特别适用于各种工业闭环控制。其二 就是计算机技术与电液比例控制元件的结合，开发出了数字式电液比例控制元件和 数字式电液比例系统，并形成了不同总线标准的数字电液比例控制元件接口。 因此，电液比例阀作为联系电子技术与工程功率系统的接口，在冶金、工程机 械、加工机械、汽车、农业机械等各领域中日益广泛使用，有广阔的应用前景。 1 2 2 电液反馈控制系统 研究连续自动化控制系统运动规律的理论，一般称为反馈控制理论，反馈控制 理论的基础是线性连续反馈控制理论。反馈控制的基本原理是利用控制装置将被控 制对象的输出信号回输到系统的输入端，并为给定值进行比较形成偏差信号，以产 生对被控制对象的控制作用，使系统的输出量与给定值之差保持在容许的范围之内。 反馈控制的基本特征是存在负反馈过程和按偏差进行调节。图1 1 为电液位置 控制系统原理图，工作台期望到达某一位置，这一期望位置由输入给定系统得指令 电压“给定，工作台实际位置由输入位移传感器测量，测量值被转换成相应的电压 h ，。当工作台的实际位置与期望位置相等时，1 1 1 一“，若二者有差异，则存在 l lt 一“，a u 经放大器放大并驱动电液伺服阀，经阀输出的相应压力和流量则驱 动液压缸活塞带动工作台移动。由期望位置和实际位置的偏差产生的调节作用，最 终实现工作台的实际位置接近于指令给定的期望位置，当某种干扰引起工作台的实 际位置产生偏移时，也会由位置偏差产生调节作用，使工作台的位置恢复到原始的 状态【引。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 放大器 图1 1 电液位置控制系统原理图 f i g 1 1e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o nd i a g r a m 图1 2 表示了一个典型的反馈控制系统一般组成、组成型式、信号传递和变换 过程。 图1 2 反馈控制系统方块图 f i g 1 2f e e db a c kc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o nd i a g r a m 控制系统的运动特性可用一定数学式来描述，通常称为系统的数学模型。经典 控制理论中描述线性控制的数学模型有微分方程、传递函数、函数方块图、信号流 图、脉冲响应函数、阶跃响应函数和频率特性等。对于线性定常系统，在零初始条 件下，其输出量的拉氏变换式和输入量的拉氏变换之比，称为系统的传递函数。 反馈控制系统方块图是描述控制系统中变量之间传递关系的数学图形，是工程 中描述复杂系统的一种简单方法。反馈控制系统的方块图经等效变换后，一般具有 图1 3 所示的典型结构。其中r ( s ) ，c ( s ) 和f ( s ) 分别为系统的输入量、输出量和扰 动作用的象函数，e ( s ) 和b ( s ) 分别为偏差信号和反馈信号的象函数，g 1 ( s ) 、g 2 ( 5 ) 和h f s ) 分别为系统中信号之间的传递函数。 4 第1 章绪论 f i g 1 3f e e db a c kc o n t r o ls y s t e mt y p i c a lf u n c t i o nd i a g r a m 控制输入作用下的闭环传递函数是指假定扰动作用f ( s ) 。o 时，系统的输出量 c ( s ) 和输入量之间的传递函数，于是有 邢) ；锱一茹耥 仁1 ， 扰动作用下的闭环传递函数是指假定控制输入r ( s ) 一。时系统的输出量和扰动 作用f ( s ) 之间传递函数，于是有 邢) i 带；丽 闭环系统的开环传递函数等于反馈控制系统中前向通路和传递函数和反馈通路 传递函数的乘积，于是有 g ( s ) 一q ( s ) g 2 ( s ) h ( s ) 1 2 3 电液比例控制系统的组成及特点 1 2 3 1 电液比例控制系统的组成 ( 2 - 3 ) 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能也不相同，但都可以归纳为由功能 相同的基本单元组成的系统，如图1 4 所示【9 1 。 比价环节 r 一一一一一一一! ! 广 厂 ! ；一 l i；i 一，垂 _ 。；：! ：；i 。訇j ； l 一一一- ：! i l i i i i ! j l i l i j i ! ：因 蔓芹 执行器 l ： 图1 4 电液比例控制系统的组成 f i g 1 4t h e c o n s t i t u t i o ne l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 组成电液比例控制系统的基本元件有【9 l ： ( 1 ) 指令元件 它是给定控制信号的生产与输入的元件。也可称为编程器或输入电路。在有反 馈信号存在的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。例如给定 电位器或电位器组就是常见的指令元件之一。它也可以是信号发生装置或程序控制 器。指令信号可以手动设定或程序设定。最常见的是手动预置设定，运行时用程序 选通。 ( 2 ) 比较元件 它的功用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器的输入。 进行比较的信号必须是同类型的，电液比例电控器的输入量为电学量，因此反馈量 也应转换成同类型的电学量。如遇到不同类型的量作比较，在比较前要进行信号类 型转换，例如d 或d a 转换，或机电转换等。 ( 3 ) 电控器 电控器通常被称作比例放大器。由于含在电液比例阀内的电磁铁需要的控制电 流较大( 0 8 0 0 m a ) 而偏差控制电流较小，不足以推动电磁铁工作。所以要对控制信 号进行功率放大。而且偏差信号的类型或形状都不一定能满足高性能控制的要求。 电控器的作用是对输入的信号进行加工、整形和放大，使其达到电机械转换装置的 控制要求。 ( 4 ) 比例阀 电液比例阀内部又可分为两大部分，即电机械转换器及液压放大元件，还可能 带有阀内的检测反馈元件。电机械转换器，它是电液的接口元件。它把经过放大后 的电信号转换成与其电学量成比例的力或位移。这个输出力或位移改变了液压放大 级的控制液阻，经液压放大作用，把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载。 这是整个系统的功率放大部分。 电液比例阀的液压部分无特殊要求，工作原理与普通开关型阀类似。所以在得 到高性能控制能力的同时，电液比例阀结构简单，加工精度低，成本低，工作可靠， 抗污染性好。 ( 5 ) 液压执行器 通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于驱动负载。 ( 6 ) 检测反馈元件 对于闭环控制需要加入检测反馈元件。它检测被控量或中间变量的实际值，得 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 出系统的反馈信号。检测元件有位移传感器、测速发电机等。检测元件往往又是信 号转换器( 例如机电、机液转换) ，用于满足比较的要求。从框图中可见检测元件 有内环和外环之分。内环检测元件通常包含在电液比例阀内，用于改善电液比例阀 的动、静态特性。外环检测元件直接检测输出量。用于提高整个系统的性能和控制 精度。 电液比例控制系统按控制系统回路组成分为开环控制系统和闭环控制系统。 系统输入量为控制电量( 电压或电流) ，经电控制器放大转换成相应的电流信号 输入给电机械转换装置，后者输出与输入电流近似成比例的力、力矩或位移，使液 压阀的可动部分移动或摆动，并按比例输出具有一定压力p 、流量口的液压油以驱 动执行元件，执行元件也将按比例输出力f 、速度 ，或转矩，、角速度。以驱动负载， 无级调节系统输入量就可无级调节系统输出量力、速度，以及加、减速度等。 这种控制系统的结构组成简单，系统的输出端和输入端不存在反馈回路，系统 输出量对系统的输入控制作用没有影响，没有自动纠正偏差能力，其控制精度主要 取决于关键元器件的特性及系统调整精度。但这种开环控制系统不存在稳定性问题。 闭环控制系统工作原理为反馈控制原理或偏差调节原理，这种控制系统通过负 反馈控制，因而具有自动纠正偏差的能力，可获得相当高的控制精度。 毫- 电控制器( 比例放大器) 在开环控制系统中，用于驱动和控制电液比例控制元 件的电机械转换器；在闭环控制系统中除了上述作用外，还要承担反馈检测器的检 测放大和校正系统的控制性能。 因此，电控制器的功能直接影响系统得控制性能，它的组成应与电机械转换器 的型式相匹配，一般都具有控制信号的生成、信号的处理、前置放大、功率放大、 测量放大、反馈校正、颤振信号发生器及电源变换等基本组成单元。它包括电位器、 斜坡发生器、阶跃函数发生器、p i d 调解器、反向器、功率放大器或用可编程序控 制器( p l c ) 等1 1 0 l 【1 1 1 。 1 2 3 2 电液比例控制系统的分类 按被控量是否被检测和反馈来分类，可分为开环比例控制和闭环比例控制系统。 由于电液比例阀是适应较低精度的控制系统而开发的产品，目前的应用以开环控制 为主。随着整体闭环比例阀的出现，其主要性能与伺服阀无异，因而采用闭环比例 控制的场合也会越来越多。 按控制信号的形式来进行分类，可分为模拟式控制和数字式控制。后者又分为 脉宽调制、脉码调制和脉数调制等。 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 按比例元件的类型来分类，可分为比例节流控制和比例容积控制二大类。比例 节流用在功率较小的系统，而比例容积控制用在功率较大的场合。 目前，最通用的分类方式是按被控对象( 量或参数) 来进行分类。则电液比例 控制系统可以分为： ( 1 ) 比例流量控制系统； ( 2 ) 比例压力控制系统； ( 3 ) 比例流量压力控制系统； ( 4 ) 比例速度控制系统； ( 5 ) 比例位置控制系统； ( 6 ) 比例力控制系统； ( 7 ) 比例同步控制系统。 此外还有其它参数的比例控制系统，从第1 至第3 项通常是从开环控制的形式 出现，而其余的则多为闭环控制系统。而比例同步控制系统本质上就是一个比例位 置控制系统【9 1 。 1 2 3 3 电液比例控制系统的特点 电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。与电液伺服 阀相比，其优点是廉价、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性方面还不如 伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀的相当，其动、静态特性足以满足 大多数工业应用的要求。因此，比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应 等高技术领域传统上是伺服阀的市场。但现在闭环比例阀技术也是一种新的选择。 与传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。 因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平的地方，传统开关阀就逐渐由比 例阀或数字阀来代替。 电液比例控制的主要优点是f 9 l ： ( 1 ) 操作方便，容易实现遥控； ( 2 ) 自动化程度高，容易实现编程控制； ( 3 ) 工作平稳，控制精度较高； ( 4 ) 结构简单，使用元件较少，对污染不敏感； ( 5 ) 系统的节能效果好。 电液比例控制的主要缺点是成本较高，技术较复杂。 。8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 4 比例控制放大器、反馈检测系统 ( 1 ) 比例控制放大器 比例放大器是电液比例阀和电液比例泵的控制和驱动装置，能够根据电液比例 阀和电液比例泵的控制需要对控制电信号进行处理、运算和功率放大。 电液比例控制系统既有液压元件传递功率大、响应快的优势，又有电气元件处 理和运算信号方便、易于实现信号远距离传输( 遥控) 的优势。发挥二者的技术优 势在很大程度上依赖于比例放大器【6 1 。 在电液比例控制系统中，对比例控制放大器一般有以下要求： ( a ) 实现从电压信号到电流信号的转换，并提供与输入电压成比例且功率足够 的控制电流。 ( b ) 具有足够的功率驱动比例电磁铁中衔铁上的负载，其输入阻抗大，输出阻 抗与比例电磁铁线圈阻抗匹配。 ( c ) 输入端有各种标准信号的接1 3 ，易于实现与不同信号发生装置的联接。采 用标准电源供电。 ( d ) 信号的波形、幅值、频率符合电液比例阀的静态和动态性能要求。 ( e ) 易于检测控制信号和反馈信号，具有基本的故障诊断和元件保护功能。 ( d 能产生正确有效的控制信号( 含手动控制信号) 。 比例控制放大器一般由电源电路、输入接口单元、信号处理电路、前置放大级、 功率放大级、测量放大电路等主要部分组成。而比例控制放大器的典型构成如下图 1 5 所示。 广一一。一一一。一。一。一一一一。一一一一一。一1 图1 5 比例控制放大器的典型构成 f i g 1 5p r o p o r t i o n a lc o n t r o lm a g n i f i e rt y p i c a lc o n s t i t u t i o n 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 比例控制放大器根据受控对象、功率级工作原理等的不同，可分为： 单路和双路比例控制放大器；单通道、双通道和多通道比例控制放大器；电反 馈和不带电反馈比例控制放大器；模拟式和开关式比例控制放大器；单向和双向比 例控制放大器；恒压式和恒流式比例控制放大器。 ( 2 ) 反馈检测系统 反馈检测系统也是电液比例元件或系统中的重要组成单元之一。它是元件内部 闭环或系统闭环控制中必不可少的重要部分。在闭环控制系统中，它检测出实际的 控制量，并通过反馈与设定值相比较。 在电液比例控制系统或内含反馈的电液比例控制元件中，流量、压力、位移、 转角等常通过传感器件予以检测，经处理放大后成为反馈信号，构成系统或元件内 部的闭环。从物理量检测到构成反馈信号，即称为反馈系统。 图1 6 是反馈检测系统的基本构成框图，它主要由两部分组成： 图1 6 反馈检测系统的基本构成 f i g 1 6t h eb a s i cc o n s t i t u t i o no fc h e c k i n gf e e db a c ks y s t e m ( a ) 传感器或检测转换器件。用来对实际值进行检测，并将被检测量转换成电 量或其它非电量； ( b ) 信号处理与放大单元。用来对转换后的电量或非电量进行处理和放大，使 之成为可以与系统的控制量进行比较的物理量，以构成闭环控制系统或元件内部的 局部闭环。 控制系统所能达到的精度，不可能比实际值检测的精度高。因而传感器件( 检 测装置) 精度应比系统或元件所要求的高数倍至十数倍。与对传感器件的精度要求 相适应，对信号处理和放大单元也应有相应的技术限制。 当控制系统不能通过调整自身的结构参数来改善系统得品质时，就需要在原系 统中引入附加装置来改善系统的性能，这种改善系统性能的方法称为系统的校正， 所引入的附加装置称为校正装置。 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 4 电液比例控制阀的技术特点 1 2 4 1 电液比例控制阀的技术特点 电液比例控制元件除具有中位死区之外，在滞环重复精度等主要稳态特性上已 与伺服阀相当，而工作频宽又具有足以满足大部分系统控制要求的相关水平。在对 介质过滤精度要求、阀内压力损失和价格方面，则接近开关阀。与伺服阀相比，它 的显著优点是抗污染能力强，大大减少了由于污染而造成的工作故障，提高了液压 系统的工作稳定性和可靠性。因此赢得了比电液伺服元件远为广泛的应用领域。 在控制性能上的第二个特点，除了与传统工业液压阀一样，具有单一控制功能 外，往往具有流量、方向、压力之间的多种复合功能。这一特点不仅表现在阀控元 件，而且在容积控制元件中也越来越广泛地得到体现。阀控或容积控制元件的多功 能复合使电液比例控制系统与传统控制系统相比，系统大大简化，可靠性得以提高， 而且使控制性能得以提高。 内含主控量力反馈的电液比例元件，可适应多种控制输入方式，是其控制性能 上的重要特点。这种力反馈型比例元件的控制输入电信号，最终被转化为作用于先 导阀芯上的控制输入力信号。因此，将电机械转换器代替其它型式的输入型号，即 能实现诸如手动调节、机械凸轮控、油压控制等多种输入控制方式。 近期发展高性能电液比例阀，一般都含主控制参数的反馈闭环，常具有多功能 的技术适应性，这种反馈闭环，可以是主控制参量的机械或液压的力反馈，也可以 是主控制参量的电反馈。就电机械转换器而言，既有耐高压比例电磁铁，又有其衔 铁腔只能承受一般回油背压的低压比例电磁铁；有单向比例电磁铁，也有双向极化 式比例电磁铁1 5 1 。 目前电液比例阀具有如下特点： 开发出各种不同功能和规格的二通插装式比例阀，插孔符合i s o 国家标准，二 通插装型开关和比例控制元件具有结构上的兼容特性；生产批量较大的比例压力阀、 比例方向阀常与开关阀通用主阀阀体，有利于生产管理和标准化设计，也将给原有 液压系统得技术改造带来方便：应用双向极化式耐高压比例电磁铁，发展三通插装 式比例阀；力反馈型比例元件可以配有多种控制输入方式，不同的输入单元，具有 统一的联接尺寸。 控制放大器、比例电磁铁和比例阀以及测量放大器、电磁铁和比例阀组合成电 液一体化结构。更进一步，比例阀与动力油源、执行机构组合，形成机电液一体化 结构，这是当代机械工业及控制系统发展的重要特征。 1 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在连铸机结晶器离线检测系统中将采用电液比例阀来实现电液控制，一般电液 比例阀按功能分为比例流量阀、比例压力阀、比例换向阀。 1 2 4 2 单级伺服比例阀的技术特点 单级伺服比例阀的典型结构如图1 7 所示【引。 apbi 阀体 带位置俦感器的挖制电磁铁 图1 7 单级伺服比例阀结构图 f i g 1 7c o n s t i t u t i o no fs i n g l e s t a g es e r v op r o p o r t i o n a lv a l v e 这种伺服比例阀的特点是： ( 1 ) 采用大电流的单个位置调节型比例电磁铁，以提高前置级的控制精度( 减 少滞环，提高分辨率) 。 ( 2 ) 采用具有伺服阀特点的阀芯+ 阀套结构，且阀套为钢质材料，以确保耐磨 性和中位时阀口的精确零遮盖。 ( 3 ) 提供一个安全位( 第四位) ，当系统意外断电时，确保控制系统的执行元件 处于安全状态。这对于解决伺服系统在断电时因零漂问题可能引起的设备事故特别 有用。 ( 4 ) 这种阀提供三种线性特征的控制特性曲线，其中，1 0 0 线性特征适合于控 制信号全程都要求同一线性的系统，分段非线性适合于小信号需要提高分辨率，大 信号需要速度快的系统。 ( 5 ) 这种阀的控制中位是在比例放大器通电时，由一个零偏信号将阀芯推到阀 口零点获得的。 定义单级伺服比例阀额定流量的方法与伺服阀一样，是在单个阀口压差为 3 5 m p a 的条件下，以最大控制信号对应的流量作为额定流量。这是设计选用单级伺 服比例阀需要注意的问题。 第1 章绪论 能力却很低。 产效率及产品 提出，使各企 业频频引进新的连铸生产线，新生产线上的技术性越来越复杂，特别是作为连铸机 心脏的结晶器，而调宽油缸作为结晶器的主要部件，其性能的好坏直接影响结晶器 的