（车辆工程专业论文）电液伺服控制辅助教学cat系统的研究.pdf

摘要 液压计算机辅助测试( c o m p u t e r a i d e dt e s t ) ，简称液压c a t ，是一门新兴的综合学科，所涉 及的范围包括液压、微型计算机、测试技术、数字信号处理、可靠性及现代控制理论等。液压c a t 是利用计算机建立一套数据采集和分析系统，与试验台连接起来，由计算机对液压控制系统的各 参数进行数据采集、分析和处理并输出测试结果。 设计了一套基于q d y - 6 型号电液伺服阀的电液伺服控制系统，并利用n i 公司开发的l a b v i e w 编写了一套针对该电液伺服控制系统的计算机辅助测试软件。 在电液伺服控制回路的设计中，选用北京机床研究所研制的q d y - 6 型号的电液伺服阀作为控 制元什，并选用l v d t 型线性著动位移传感器和b k - 1 型柱式测力称重传感器分别作为位移反馈元 件和力反馈元件，组成位移控制系统和力控制系统。另外还针对q d y - 6 型电液伺服阀设计了电液 伺服阀的功率放大电路。 在计算机辅助测试系统的设计中，选用北京中泰研创科技有限公司研制的u s b 7 3 3 3 数据采集 模块。采用图形化的编程语言l a b v i e w 作为开发工具进行软件设计，实现了对信号的采集，数据 的分析和结果的显示。 关键词：计算机辅助测试，液压c a t ，电液伺服阀，l a b v i e w 中国农业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ec o m p u t e r - a i d e dt e s to fh y d r a u l i c ，w h i c hi ss i m p l yc a l l e dh y d r a u l i cc a t , i san e w l y d e v e l o p i n gc o m p r e h e n s i v ec o u r s e t h i sc o u r s ei n c l u d e sh y d r a u l i c ，m i c r o c o m p u t e r , m e a s u r i n ga n d t e s t i n gt e c h n i q u e s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n ga n dm o d e m c o n t r o lt h e o r y , a n ds o o n h y d r a u l i cc a ti s as u i to fd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mt h a ti sb a s e do nc o m p u t e ra n d c o n n e c t e dw i t hl a b o r a t o r yb e n c h i nt h i ss y s t e m ，t h ec o m p u t e r sa c t i o ni sa n a l y s i n ga n dp r o c e s s i n gt h e d a t at h a ta c q u i r e df r o mh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，t h e n o u t p u tt h et e s tr e s u l t w ed e s i g n e das u i to fe l e c t r oh y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do nq d y - 6e l e c t r oh y d r a u l i c s e r v ev a l v e ，a n dd e s i g n e dt h et e s t i n gs o f t w a r ef o rt h i ss y s t e m i nt h ed e s i g no f e l e c t r oh y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e m ，w eu s e d q d y - 6 e l e c t r oh y d r a u l i cs e i v o v a l v ea sc o n t r o le l e m e n t ，a n ds e l e c t e dl v d td i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e ra n db k 1t e n s i o na n dp r e s s u r e t r a n s d u c e ro fr e s i s t a n c es t r a i nt y p ea sf e e d b a c ke l e m e n t s ，t h e nc o m p o s e d d i s p l a c e m e n tc o n t r o ls y s t e m a n df o r c ec o n t r o ls y s t e m i na d d i t i o n ，w ea l s od e s i g n e dp o w e ra m p l i f y i n gc i r c u i tf o rq d y - 6e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v e i nt h ec o m p u t e r a i d e dt e s ts y s t e m ，w es e l e c t e du s b 7 3 3 3d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ee x p l o i t e db y b e i j i n gz h o n g t a iy a n c h u a n gt e c h n o l o g yl i m i t e dc o m p a n y u s i n gg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v l ew ，w ed e s i g n e dt h et e s t i n gs y s t e ma n df u l f i l l e dt h es i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s i sa n d r e s u l t i n gd i s p l a y k e yw o r d s ：c o m p u t e r - a i d e dt e s t ，h y d r a u l i cc a t , e l e c t r oh y d r a u l i cs e r v ov a l v e ，l a b v i e w 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致i 9 f 的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名：豁 玉毒 时间：河年6 月，。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 r 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 鼓舌弯 时间：歹。r 年6 月，。日 导师签名顿掰时间：渺r 年占月矽日 中国农业人学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 第一章绪论 液压控制是液压技术领域的重要分支。许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率 一重量比和人功率的液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。特别是反馈控 制技术在液压装置中的应用以及电子技术与液压技术的结合，使得这门技术不论在元件和系统方 面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成为- - i q 学科，成为液压技术的重要发展方向。目 前液压控制技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如汽车拖拉机、农业机械、机械加工设各、工 程机械、冶金机械、飞机、船舶、交通部门、航空航天技术、海洋技术、机器人技术、近代科学 试验装置及武器控制等。液压控制技术对于车辆工程、机械电子工程、机械设计制造及其自动化、 t 程机械、农业机械等学科利专业的研究生来说是- - 1 7 重要的技术基础课程。 随着液压技术的发展，对液压系统的特性测试要求越来越高，用传统方法测试液压系统显得 不足，传统的测试方法准确性较差，测试速度较慢，自动化程度低，远远不适应液压技术发展的 需要。液压计算机辅助测试系统( c a t ) 的研究对提高液压系统的性能，推动测试技术的进步起 了很大的作用。液压c a t 的发展离不开计算机丰富的软硬件资源。由于计算机技术的突飞猛进， 液压c a t 也正向着高速、高效、智能化、多功能化、多样化发展。 在液压c a t 中，计算机扮演了十分重要的角色。其作用主要有：控制测试过程、产生可编程 激励信号、采集响应信号、对数据进行处理、输出测试结果、对系统进行监控及管理。c a t 的突 出优点表现在：具有柔性，在不改变硬件的情况下，通过改变软件可使测试系统具有不同的测试 功能，用于不同的测试对象。同时，利用计算机软件可提高测试准确性、可靠性及经济性，从而 使系统投资小，收效大，性价比高。 1 2 液压c a t 的研究现状 自二十世纪6 0 年代以来，电子技术飞速发展，如人规模集成电路的出现、数字化仪表的人量 廊h j 、数字计算机的推广和使用等，在此基础上，国外已经有了以计算机为主体的自动测试系统。 在液压试验领域也引进了计算机。例如，美国的m o o g 公司制造了由计算机控制的电液伺服阀试 验台、日本制钢所拥有的由计算机控制的液压泵性能试验台等，国内近年来有许多单位也在着手 进行这方面的工作，在计算机辅助试验( c a t ) 方面以取得了一些较好的成果。 我国液压c a t 技术经过2 0 多年的发展，已有很大进展。从1 9 8 0 年开始，一些单位就将单片机 或p c 机应用于液压测试中，但因研制年代较早，硬件的性能均不高。与液压c a t 密切相关的是测 控仪器，最初的测控仪器是模拟仪器，由于人工因素，检测速度和测试准确性都难以保证。带g p i b 接口的智能仪器的出现，使得液压c a t 实现了自动化，但此时计算机在测试过程中只起到记录数 据的作用，c a t 系统的件能丰璎取决于智能仪器，这样的系统通用性著，造价高，性能低，所能 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 实现的功能也有限t 2 e o 液压c a t 的应用模式，经历了下面四个阶段：( 1 ) 常规二次仪表+ 单扳机+ 汇编语言；( 2 ) 常 规二次仪表十专用接口+ 计算机+ 高级语言( 或汇编语言) + 输出设备；( 3 ) 通用接口+ 微型机系统： ( 4 ) 兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微机系统。从测试系统的功能看，有两种模式： 一是计算机对测试装置进行控制并完成测试过程的数据采集、处理一体化的系统，如北京机械r 业自动化研究所的液压阀、液压泵、液压缸、液压马达试验台计算机辅助测试系统，上海交火和 昆山液压件厂为武钢研制的新国际b 级精度液压试验台的计算机辅助测试系统，华中理工大学液 压泵和马达特性智能测试系统、液压缸试验台c a t 系统及电液伺服阀c a t 系统等；二是计算机不 对测试装置进行控制，只进行数据采集、信号处理和试验结果输出的系统，如北京理工大学的液 压泵、液压马达、液压泵一液压马达传动系统工作特性的计算机辅助试验系统，厂州机床研究所 液压泵性能和噪声计算实时监测系统等。 1 3 课题的提出 目前我校液压控制方面的教学试验设各严重老化和陈旧，不能正常为研究生开出教学试验， 难以满足现在的教学需要。为了提高本门课程的教学水平、体现教学 勺容的先进性和我校的专业 特点，建设和改进“液压控制系统分析与设计”课程的教学试验手段势在必然。 在教学中安排的教学试验有两个： ( 1 ) 液压力控制系统试验：使学生了解和掌握液压力控制系统的基本构成和基本试验方法； 通过试验，了解并掌握一些系统参数变化对系统动态特性的影响以及一些校正方法对系统动态特 性的改善。 ( 2 ) 液压位置控制系统试验：使学生了解和掌握液压位置控制系统的基本构成和基本试验 方法：通过试验，了解并掌握一些系统参数变化对系统动态特性的影响以及一些校正方法对系统 动态特性的改善。 1 4 课题的研究内容 本课题的研究对象为电液伺服控制计算机辅助测试系统以及虚拟仪器在电液伺服控n c a t 中 的应用，目的是研制山一套电液伺服控制特性分析试验台，以用于教学试验。研究内容主要包括 两火部分：一是电液伺服控制系统教学试验台的搭建；二是计算机辅助i 9 1 | 试系统的研制。 首先是建立电液伺服控制系统教学试验台，主要是根据试验的需要，设计试验台架，搭建液 压回路，研制电子控制装置。 其次是对计算机辅助测试系统的研究，辅助测试系统包括硬件系统和软件系统。根据测试系 统的需要选择合适的数据采集模块，然后利用图形化编程语言l a b v i e w 进行测控软件的编制。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 虚拟仪器的应用 1 5 1 虚拟仪器的概念及特点 2 0 世纪8 0 年代，首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器，已经成为2 1 世纪测试技术与仪器技 术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。从2 0 世纪9 0 年代中 期以来，国内的重庆大学、哈尔滨丁业大学、西安交通大学、中科泛华电子科技公司等高等院校 和高科技公司，在研究和开发仪器产晶和虚拟式仪器设计平台以及引进和消化n i 公司、h p 公司的 产品等方面做了一系列有黼的工作。虚拟仪器在液压c a t 中的应用研究，国内尚处于技术积累阶 段，只是针对某一液压元件的某特性进行测试并且对虚拟仪器功能的应用也不充分“”“”。 所谓虚拟仪器，就是加在计算机上的一些软件和硬件，它们具有和实际独立仪器( 如示波器 和逻辑分析仪) 类似的外观和功能，使用者操作这台计算机，就像是在操纵一台他自己专门设计 的传统电子仪器。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功 能。 目前的虚拟仪器产品，包括各种软件产品、g p i b 产品、数据采集产品、信号调理产品、v x i 和p x i 控制产品，为构造自己的专用仪器系统提供了完善的解决方案。虚拟仪器的应用多是将它 们搭建成虚拟仪器系统。在信号调理卡、数据采集卡、g p i b 接口仪器、v x i 接口仪器等硬件支持 下，用虚拟仪器软件工作平台将这些硬件和相应的软件组织起来形成一个系统，如图1 1 所示。 i e b 目ll * * l l 佰啊4l 裂站术粟卞广 ig p i b 接u 仪器卜_ | g p i b 接口卡 p c 机虚拟 测 试传感器串l j 仪器p l c 仪器软件 工作平台 对 象 v x 黼x i 仪器f 现场总线设备 图l 一1 虚拟仪器系统结构框图 概括地说，虚拟仪器主要有以下几个特点： ( 1 ) 软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件米实现的， 软件在虚拟仪器中具有重要的地位。 ( 2 ) 虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同 时，由于信号的传送和数据的处理儿乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以还大大降低了环境 干扰和系统误差的影响。此外，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了仪器 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 在改变测量对象时的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而 降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器经济。 ( 3 ) 虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果由软件在计算机屏幕生成的 图形界面上显示出来，该图形界面与传统仪器面板相似。 1 5 2 关于l a b v l e w 目前，国内外能够实现虚拟仪器功能的软件很多。其中，美国d s p 公司的d a d i s p 软件以试 验后数据处理分析和表示见蚝。美国n i 公司的系列虚拟仪器开发平台( l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v l 、v i r t u a lb e n c h 和c o m p o n e n tw o r k s ) 、美国q u a t e c h 公司的d a s l a b 软件包和惠 普公司的v e e 软件平台都是可以搭建虚拟仪器测试系统的软件平台，以图形化编程和界面灵活见 长。华中理工大学的v 1 9 8 虚拟仪器系统和哈尔滨工业大学的仪器王以虚拟的单个仪器或仪器库见 长。其中，美国n i 公司的l a b v i e w 软件功能最为完善，最能体现虚拟仪器的风格，并且目前在欧 美等发达国家应用相当广泛，在中国高校中也正在迅速普及1 1 6 1 。 l a b v i e w 是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n 1 ) 推出的一种基丁“图形”方式的 集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。在以p c 机为基础的测最和工 控软件中，l a b v i e w 的市场普及率仅次于c + + ，c 语言。 l a b v l e w 是一种面向科学家和工程师的编程语言，它提供了简单、直观的图形编程方式，把 复杂、繁琐、费时的文本语育编程简化成工程师最熟悉的功能结构图的编程方式，并且嵌入了非 常丰富的工程应用函数。例如，针对测试技术和仪器应用，l a b v i e w 提供了多种仿真信号产生、 测试信号分析和处理、数据采集函数。同传统的编程语言相比，l a b v l e w 的图形编程方式可以节 省火量的程序开发时间，但其运行速度却几乎不受影响。 1 5 3l a b v i e w 的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台主要由计算机和t o 接口设备两部分组成，用于实现数据采集、信号分析 处理和信号输出显示等功能。 计算机是虚拟仪器的硬件基础，对于工业自动控制、测试与测量而言，计算机是功能强大、 价格低廉的运行平台。i o 设备主要完成信号的输入、采集、放大、a d 转换任务，正确驱动i o 设备是采集真实被测信号的基础。当设备被驱动后，由软件进行数据的分析处理，并由特定的程 序来实现测试功能，获得测试结果。 l a b v i e w 提供了强大的设备驱动程序，使用者即使不熟悉仪器总线，也可以方便地利用 l a b v i e w 驱动各种设备，实现信号采集后供计算机处理。目前，l a b v i e w 能支持下列5 种接 口设备总线方式：p c i 总线、g p i b 总线、p x i 总线、v x i 总线和串口总线“”。 ( 1 ) p c i 总线 p c i 总线是一种靠近系统处理器的局部总线，作为外部元件的互连总线，被认为是最可靠、 最灵活、高速的方案。对于基于计算机的测试仪器，p c i 总线为应用计算机到新的测试仪器，即 满足在插卡和系统存储器中高速传输数据的要求提供了很好的途径。这种方式借助于插入p c 中的 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 数据采集卡和l a b v i e w 相结合，完成具体的数据采集处理的任务。 ( 2 ) g p i b 总线 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线，e i e e e 4 8 8 通用接口总线，是h p 公司在7 0 年代 推出的台式仪器接口总线。该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到了最为泛的应用。这种系 统是在p c 中插入一块g p i b 接口卡，通过2 4 或2 5 线电缆连接到仪器端的g p i b 接口。目前，g p i b 是 仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。 ( 3 ) p x i 总线 p x i 总线是1 9 9 7 年美国n i 公司发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线。p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，是用于自动测试系统机箱底板总线的规 范。p x i 将w i n d o w sn t 和w i n d o w s9 5 定义为其标准软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带有 按v i s a 规范编写的w i n 3 2 设备驱动程序，使p x i 成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使 用，从而进一步降低用户的开发费用，所以在数据采集、工业自动化系统等方便得到了广泛应用。 简单地说，p x i 体系结构是以国内最普及的p c i 总线为基础的体系结构，由于其总线吞吐率高、硬 件的价格较低，被业内人士普遍认为是符合国情的一种体系结构。 ( 4 ) v x i 总线 v x i ( v m e b u s x t e n s i o n f o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是高速v m e 计算机总线在测试领域中的扩 展，由h p 等公司于1 9 8 7 年提出，1 9 9 2 年成为i e e e l l 5 5 标准。v x i 总线支持即插即用，人机界面良 好，资源利用率高，容易实现系统集成，大大地缩短了研制周期，且便于升级和扩展。不足的是 v x i 系统的成本相对较高。v x i 总线虚拟仪器因其集成化、标准化、快速的数据传输能力和良好 的电磁兼容性而发展迅速，将会成为未来计算机仪器发展的主流。 ( 5 ) 串口总线 r 3 2 3 2 串口总线是最早采用的通用串行总线，最初用于数据通信上，但随着工业测控行业的 发展，许多测量仪器都带有r s 一2 3 2 串口总线接口。当今，p c l j 更多采用了u s b 总线f 口i e l 3 9 4 总线。 通用串行总线( u n i v e r s i a ls e r i a lb u s ，即u s b ) 具有传输速率高，支持异步和等时传输等特点， 适合于大数据量、数据传输速率要求比较高的数据传输场合。基于这项技术的设计可以将虚拟逻 辑分析仪直接连接到计算机外部设备接i ：1 ，使用户不必打开主机箱就可以安装设备，它支持真正 意义上的即插即用( p l u ga n dp l a y ) 和熟拔插( h o tp l u g ) ，甚至不需要重新启动计算机。当插x u s b 设备时，主机检测到该外设并通过自动加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工 作。 通用串口总线与其他g p i b 、v x i 、p x i 总线相比，接口简单，使用方便，通过r s 2 3 2 串口 总线与p c 组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系 统。而u s b 串口方式适用于普及型的廉价系统，具有极好的应用前景。 第二章电液控制系统的特性分析 2 1 电液控制系统的性能指标 电液伺服控制系统的好坏，由它的指标来衡量。一个液压伺服系统的完整的指标要求，除了 功能性指标以外，其性能指标主要包括稳定性指标、过渡过程品质指标和精度指标等三个方面。 这些指标是通过对闭环系统的频率特性测试、阶跃响应和对正弦信号的跟踪来获得的。一个系统 要使它能够正常上作，首先必须是稳定的，否则，根本谈不上系统的品质和精度。我们可以通过 分析系统的阶跃响应特性和频率特性来判断系统的好坏“1 。 2 2 电液控制系统的数学模型 2 2 1 电液位置控制系统 输出量为位移( 或角位移) 的系统即为电液位置控制系统“1 。其特点是，系统输出的位置同 系统的输入量之间始终保持一定的比例关系。电液位置控制系统在工程技术上最为常用，往往不 需任何校正就能满足事业要求。当系统性能有必要进一步提高时，可以按控制系统设计方法，采 取各种式样的校正措施。原理图见图2 1 。 图2 1 电液位置控制系统原理图 铲呈：墨；垄竺 ， 2 墓= 盯 心。1 6 中幽农业大学硕士学位论义 第二章电液控制系统的特性分析 式中，x ，为液压缸的输出位移，么为伺服阀输出的空载流量，彳。为液压缸的活塞面积， 。为 流量压力系数与液压总泄露系数之和，为油压缩容积，尼为液压油弹性模数，吒为输出力， 为液压蚓有频率，彘为液压阻尼比。 在已知各部分传递特性的基础上，可以构成系统的方块图，如图2 2 所示。 l 毋 图2 2 电液位置控制系统方块图 由上图所示方块图可求得系统的开环传递函数为 式中，七。为开环放大倍数，七。= t ，。t ，4 p 2 2 2 电液力控制系统 ( 2 2 ) 以输出力为控制对象的电液伺服系统称为电液力控制系统，其特点是系统的输出力与输入量 成比例“1 。电液力控制系统在工程技术中的作用和应用都在日益增大，但是这种系统的稳定性和 响应速度都受到负载剐性很大的影响，因此必须进行适当的校正才能保证正常工作。原理图见图 2 3 。 7 图2 - 3 电液力控制系统原理图 当系统工作时，指令信号电压作用于系统，液压缸活塞使输出负载力。该力由力传感器检测 并转换为反馈信号电压，与指令信号电压相比较，得出偏差信号电压，经伺服放大器放大后输入 驱动伺服阀。伺服阀输出与偏差信号成比例的压差作用到液压缸活塞上，使负载力向着减小误差 的方向变化，直到负载力等于指令信号所对应的值为止。 在力控制系统中。被调量是力。虽然在位置或速度控制系统中，要驱动负载运动也有力输出， 但这种力不是被调量，不能得到精确控制，其精确控制的是位置或速度。在力控制系统中，输出 力( 负载力) 是被调节的控制量，而位置、速度等取决于输出力和受力对象本身的状态。电液 力控制系统的方块图见图2 - 4 所示。 图2 - 4 电液力控制系统方块图 由上图得到系统的开环传递函数为 g ( s ) h ( s ) = ( 2 3 ) 式中，为力控制系统的开环增益，= _ j ，七。七。，瓦k q 4 ，q ，( s ) 为伺服阀增益k = 1 时伺服 阀的传递函数，k 为负载的固有频率，q 为液压弹簧与负载弹簧串联耦台的刚度与阻尼系数之 8 d 一件 矿型噜似互兰 中国农业大学倾士学位论文 第二章电液控制系统的特性分析 比，为液压弹簧与负载弹簧并联耦合的刚度与负载质量形成的固有频率，彘为阻尼比。 2 3 电液控制系统的特。陛分析 2 3 1 阶跃响应特性 2 311 阶跃响应的定义 在许多情况下，系统所需的性能指标一般以时域的形式给山。通常，系统的性能指标，根据 系统对单位阶跃输入的响应给出“”。其原因有二：一是产生阶跃输入比较容易，而且从系统对单 位阶跃输入的响应也较容易求得对任何输入的响应；二是在实际中，许多输入与阶跃输入相似， 而且阶跃输入又往往是实际中最不利的输入情况。 2 31 2 阶跃响应的性能指标 为r 说明系统阶跃响应的过渡过程的特性，通常采用下列性能指标，见图2 5 所示。 x 0 0 ) 1 09 01 o 图2 5 典型系统的阶跃响应特性曲线 ( 1 ) 上升时间t ， 响应曲线从原工作状态出发：第一次达到输出稳态值所需的时间定义为上升时间( 对于过阻 尼系统，一般将响应曲线从稳态值的1 0 上升到9 0 所需的时间称为上升时间) 。 ( 2 ) 峰值时间t 。 响应曲线达到第一个峰值所需的时间定义为峰值时间。 ( 3 ) 最大超调量m 。 9 中国农业大学硕士学位论文第二章 电液控制系统的特性分析 一般用下式定义系统的最大超调量，即 m ：墨坠! 二墨盟。1 0 0 ( 2 4 ) p x 。( o 。) ( 4 ) 调整时间t ， 在过渡过程中，x o ( r ) 取的值满足下面不等式时所需的时间，定义为调整时间f 。不等式为 l x 。o ) 一x 。( o 。) l x 。( o 。) u t s ) ， ( 2 5 ) 式中，是指定的微小量，一般取a = o 0 2 0 0 5 ( 5 ) 振荡次数 在过渡过程时间0 f t ，内，x 。( t ) 穿越其稳态值x 。( o 。) 的次数的一半定义为振荡次数。 在这儿个指标中，超调量和振荡次数反映了系统的相对稳定性。超调量越大，振荡次数越多， 系统的相对稳定性越差；反之，相对稳定性越好。上升时间r ，和调整时间，反映了系统的快速性。 上升时间和调整时间越短，那么系统的快速性越好。 要使二阶系统具有满意的动态性能指标，必须选择合适的阻尼比孝和无阻尼同有频率功。 提高。，可以提高二阶系统的响应速度，减少上升时间t ，、峰值时间，。和调整时间f 。：增大f ， 可以减弱系统的振荡性能，即降低超调量m 。，减少振荡次数n ，但增大上升时间f ，和峰值时 间f 。一般情况下，系统在欠阻尼( 0 f 0 或 滞后 妒( 国) 1 0 5 ，故采用电流负反馈后，线圈部分的时间 常数可以不予考虑。 3 26 传感器的选择 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转化成可用输出信号的器件或装置。在 有些科学领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。传感器的输出信号通常是电量，它 便丁传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的 形式由传感器的原理确定1 3 5 1 。 在本系统中所采用的传感器主要有两个作用：一是作为电液伺服闭环控制回路中的反馈元 件：二是作为系统特性分析时采集数据的元件。 3 2 61 位移传感器 此处选用l v d t 型位移传感器。l v d t 型位移传感器是一种蔫动变压器式位移传感器，主要用 于位移测量和控制，并可广泛的用于测量预先被变成位移的各种物理量，如伸长、膨胀、力、张 力、差压、加速度、振动、应变、流量、厚度、重量等。在本系统中，l v d t 型位移传感器的作 用是采集液压缸活塞杆的位移信号。该传感器具有良好的环境适应性、使用寿命长、灵敏度和分 辨率高的特点。使用时只要把l v d t 的壳体夹固在参照物上，其测杆顶( 或夹固) 在被测点上， 就可以直接测量物体间的相对变位。 ( 1 ) 测量原理 l v d t 型位移传感器的结构示意图如图3 8 所示。传感器由同心分布在线圈骨架上的一个初级 线圈p ，二个次级线圈s 1 1 $ 2 组成，线圈组件内有一个可自由移动的杆状磁芯( 铁芯) ，当铁芯在 线圈内移动时，改变了空间的磁场分布，从而改变了初次级线圈之间的互感量m ，当初级线圈供 2 1 中国农业人学硕士学位论文 第三章电液控制系统教学试验台的设计 给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应 电动势也不同，这样，就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。为了提高传感器灵敏度改善线性 度，实际工作时是将两个次级线圈反串接，故两个次级线圈电压极性相反，于是传感器的输出是 两个次级线圈电压之莘，其电压差值与位移量成线性关系。该位移传感器为直流差动变压器式线 性位移传感器，由直流稳压电源供电，输出直流电压或电流，其输出信号幅值较大，可直接供记 录仪、数字面板等记录或显示，实现位移的测量或通过放大器后，接入反馈系统，实现位置闭环 的自动控制。 圈3 - 8l v d t 型位移传感器的结构示意图 ( 2 ) 技术参数 l v d t 位移传感器的技术参数如表3 1 所示。 表3 1 位移传感器技术参数 工作电源d c1 5 3 0 v频率响应1 5 0 z 负载阻抗2 0 k n零漂0 0 5 满量程输出卜5 v 或42 0 m a纹波 1 线性度 0 1 使用环境一2 5 0 c7 0 0 c 重复精度 0 0 5 9 6 相对温度 9 5 ( 2 5 0 c 时) ( 3 ) 位移传感器的安装 通常将l v d t 位移传感器安装于油缸端面，固定在缸体上。传感器的感应线圈部分伸在活塞 杆内，活塞杆内孔深要大于3 2 a + 4 5 + * ，a 表示油缸有效行程， 表示油缸端盖的厚度，铁芯的拉杆 固定在活塞杆的另一端铁芯和活塞杆融为一体，随之往复运行于感应线圈之中，一般情况，传 感器的实际行程比有效行程大4 1 0 m m 。使用时，保证安装在有效行程范围内，否则会降低系统 精度。调整方法：让油缸来回运行，看传感器输出是否在运行范围内，或者将油缸移至一端，看 输出是否接近起始值，再移动到另端，看输出量是否接近终点值，返往调节数次，使油缸拉杆 调到糇个有效行程范围内即可。 中国农业大学硕士学位论文第三章电液控制系统教学试验台的设计 3 26 2 力传感器 选用航天科技集团公司7 0 1 所研制的b k l 型柱式测力称重传感器，该传感器弹性体采用柱 式、筒式或柱环形结构，内外螺纹做承载连接，全密封结构。抗偏、抗侧能力强。精度高，性能 稳定可靠，安装使用方便。广泛用于汽车衡、轨道衡、地中衡、料斗秤、等各种不同的测力称重 场合。承载方式为拉压式。 ( 1 ) 测量原理 根据电阻应变原理把力矩产生的应变转换成与其线性关系的电信号，这是b k l 型式测力称 重传感器的测量原理。 ( 2 ) 技术参数 b k 一1 型柱式测力称重传感器传感器的技术参数见表3 2 。 表3 2b k - i 型柱式测力称重传感器传感器的技术参数 技术参数 技术指标 b l r - l 灵敏度 1 2 20 m v ，v 非线性 0 0 50 1 f s 重复性 0 0 5o 0 5 f s 滞后 0 0 5 0 0 5f s 供桥电压 1 2 v d c 输入阻抗7 6 0 士2 0 或3 8 0 2 0n 输出阻抗 ， 7 0 0 1 0 或3 5 0 1 0n 绝缘电阻1 0 0 0 m 叫1 0 0 v 工作温度 一1 0 + 6 0 o c 热零点偏移 0 0 5 f s 1 0 0 c 热灵敏度偏移 0 0 5 f s 1 0 0 c 允许过负荷 1 2 0 f s 接线方式插座：l 、电源( + ) 2 、输出( + ) 3 、输出( 一) 4 、电源( 一) ( 3 ) 拉压力传感器的安装 该传感器采用螺纹式安装。传感器两端带有内螺纹，将传感器一端接丁油缸活塞杆，另端 接于- - n 杆。当油缸内产生压力时，压力通过顶杆传到弹簧负载，压力传感器即能测到所受到的 压力。 第四章电液控制教学试验控制装置的设计 4 1 电液控制系统教学试验装置的构成 本系统采用清华大学科教仪器厂研制的x m n - 2 型自动控制原理学习机来进行p i d 控制。该 机是配合高等院校开设自动化类专业基础课的“自动控制理论”或“自动控制原理”等课程而设 计的小型电子实时模拟教学试验装置，使用简单、方便，参数选择范围较大，可灵活地对控制系 统进行电子模拟。 4 1 1 技术性能及配置 1 稳压电源：备有1 5 v 两路电源，且直接与九个运算放大器连接，使用者不须再接电渊， 其额定输出电流为5 0 0 m a 。 2 信号源：可以与外界信号源配合使用。如果控制系统输入信号为阶跃信号，则可以在信 号源插口处接+ 1 5 v 或一1 5 v 电源，拨动阶跃开关，可以得到0 + 1 5 v ( 幅值可调) 的正阶跃或一1 5 v 0 ( 幅值可调) 的负阶跃信号。 3 运算单元： 由o p 0 7 运算放大器组成的运算部件有积分器6 个，加法器2 个，反向器1 个。 4 “复原”键：进行再次运算前，通过按动该键放电，消除所有积分器反馈电容的残余电荷。 5 电压表：量程为一1 5 v + 1 5 v ，通过量程转换按钮罱程可转换为一1 5 v 十1 5 v 。电压表既 可以内测拨码盘所选定的运算放大器的输出电压值，又可以通过控制开关外测其它电压。 6 拨码盘：分o 9 档，分别使阶跃信号、o p i o p 9 运算放大器的输出端与电压表相连。 7 电位器组：1 0 k f l x 2 个、1 0 0 k f ! x 2 个、4 7 0 k q x 2 个、2 2 m n x 2 个。 8 元件库：稳压管、二极管、电容、电阻。 4 1 2 结构与原理 1 电源部分：本机电源由变压器及集成稳压电路等组成。当接通电源开关，操作面板的左 侧响应的插孔即有4 - 1 5 v 的电压值，对应的l e d 指示灯亮。 2 操作面板如图4 - 1 所示，在面板上直观地显示了运算单元的连接方式。 3 运算单元的连接方式：( 1 ) 每个运算放大器的输出端均通过印刷线路连接到按键开关和 拨码盘上，实现“复位”和电压表指示的功能；( 2 ) 本机有9 个运算单元，除9 号反向器以外， 其余8 个单元均可实现加法、积分、微分等运算，其中7 、8 两个单元的接线安排有利于实现p i d 调节器的功能；( 3 ) 外接插口：每个运算单元除了配置常用电阻、电容，还在运算放大器的反馈 回路和输入回路安排了外接插口，使运算单元所应用的参数更加广泛，以满足更多的试验内容， 中国农业大学硕士学位论文 第四章电液控制教学试验控制装置的设计 图4 - 1x m n 一2 自动控制原理学习机 并且在运算放火器的同相端，除了固定接电阻外也安排了一对外接插口，供使用者调整补偿电阻 进一步减少漂移而引起的输出误差。 4 其它单元：在操作面板上配置了可供组成饱和、死区和迟滞回线等非线性电路的电阻、 电容和二极管等元什。 5 阶跃信号：信号源接线如图4 = 2 所示。k 1 后加了一个跟随器。如输入插口外接超低频信 号发生器则可做控制系统的频率特性试验。本机备有输入接口，可以与外加信号源配合使用。如 系统输入扰动信号为阶跃信号，则需要将输入插口接入+ 1 5 v 电源端，拨动阶跃开关，可得01 5 v 幅度止阶跃或+ l s v 2 0 的负阶跃。同理，输入插口也可接入1 5 v 的电源端。 信号幅度阶跃 图4 _ 2 信号源接线圉 4 1 3 自动控制原理学习机的使用 出 该机是为配合各类院校自动控制理论课程而设计的电子模拟设备，以积分器和加法器为 基础，配置t - - 极管、电位器、分压器、电阻电容器等部件，可以组成p i d 调节器以及饱和、死 区、迟滞等非线性环节。使用简单，操作方便，参数选择范围较广，可灵活地对控制系统进行电 子模拟。因为本试验台是用于教学试验，需要学生在试验台上动手操作，而采用自动控制原理学 眵 。 中国农业大学硕l 二学位论文第四章电液控制教学试验控制装置的设计 习机实现对系统的校正，可以方便学生操作。 使用时应注意以f 几点： 1 操作面板上布置有9 个进口高精度o p 0 7 运算放大器，当该运算放大器接入电路时，必须 注意其引脚“l ”的位置必须与印刷板上所标的“1 ”位置吻合，否则将损坏运算放大器。 2 操作面板右下方为电压表，当用此表测量其它电压值时，应将k 3 拨向左方。 3 “复位”键的使用：进行再次运算时，按“复位”键，使每个积分器反馈回路中的电容 通过按键的a 、b 接点放电，消除电容上的残余电荷。 4 “测量选择”拨码盘及电压表的使用：在操作面板右方的电压表上所指示的电压值为拨 码盘上数码所选定的运算放大器的输出电压制，同时由插口供示波器观察相应数码的运算放大器 的输山波形。 4 2 p i d 校正原理 p i d 控制是指按偏差的比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 、微分( d e r i v a t i v e ) 进行控制( 简 称p i d 控制) a s lo 在液压试验实时控制中，总是会存在外界的干扰和系统中各参数的变化，它们 将会使系统性能变差。为了改善系统性能，提高调节品质，除了按偏差的比例进行调节以外，引 入偏差的积分，以克服余差，提高精度，加强对系统参数变化的适应能力；引入偏差的微分来克 服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性。在该系统中，p i d 调节应具有超前、滞后、超前 一滞后的校止网络功能。 p 1 d 校正装置是按照比例积分微分控制规律设计的控制器，它能够解决很多工程控制问题， 在工业过程和设各自动化中应用非常广泛。p i d 控制器中包含有三种基本控制规律，即比例( p ) 、 积分( i ) 和微分( d ) 控制规律，每种控制规律所起的作h ! i 是不同的，既可以单独应用，也可以 组合起来应用。由各种控制规律单独或组合构成的常用控制规律及特点如下： 4 2 1 比例控制规律( p ) 比例控制规律是按被控参量偏差方向及其大小成比例地改变控制机构，即偏差大，控制量也 大；偏差小，控制量也小。 比例控制的特点为： ( 1 ) 作用快比例控制的优点是反应快，无滞后。只要一有偏差，立即就有一个相应的控 制作用，它能及时克服扰动，使被控参量稳定在给定值附近； ( 2 ) 有静筹扰动( 如负荷变化) 出现后，比例控制的结果使被控参量不能回到给定值， 而只能恢复到给定值附近，控制器已不再动作，但偏差还没有完全消除，因而造成了 系统的静态偏差，简称偏差。 4 2 2 积分控制规律( i ) 积分控制规律就是控制器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成止比的控制规律，即控制 中国农业大学硕士学位论文第四章电液控制教学试验控制装置的设计 器输出的变化速度与输入偏差的大小成正比。所以只要有偏差，控制器输出的变化速度就不等于 零，当偏差为零时，输出就保持不变。可见，积分作用能消除静差。 积分控制规律可用下式表述： p = k i p 出= 軎f a e d t ( 4 _ 1 ) 1 ， 或d p d t = k ，a e =