（机械设计及理论专业论文）基于电液比例控制的成卷机成卷加压系统的研究.pdf

摘要 y 9 3 0 2 1 0 课题来源于生产实际，是一个可以应用于生产实际的工程项目。本文研究的 主要内容是成卷机成卷加压控制系统，利用已经比较成熟的电液比例控制技术， 不仅可以提高成卷质量，而且可以简化系统，降低成本，是一种比较理想的成卷 机成卷加压控制系统。 论文以基于电液比例控制的成卷机成卷加压系统的研究为题目，其主要工作 如下： 简要介绍了成卷机成卷加压装置，并对电液比例控制系统进行了分析。通 过对伺服控制和比例控制的比较，论述了选择比例控制的原因。 通过对电液比例压力控制系统特点的简介和方案分析，设计出成卷机成卷 加压系统的液压系统原理图，并确定了各个液压元件的工作参数及型号。 分别对比例阀、阀控液压缸建模，最后得到了压力控制系统的总体数学模 型，并论述了系统模型部分简化的原因。 利用建立的数学模型，并结合m a t l a b 对系统进行了仿真，首先从理论上保 证系统的品质指标。 根据系统原理，给出实验总体思路。 关键词：电液比例控制、建模、仿真 a b s t r a c t t h es u b j e c tc o m e sf r o ma c t u a lp r o d u c t i o n ，i ti so n et h a tc a na p p l yt op r o d u c e t h em a i nw o r ki ss t u d y i n gl o a d i n gs y s t e mo fl a pm a c h i n e s ，u s i n gt h et e c h n o l o g yo f 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 lc o n t r o l ，n o to n l yi m p r o v i n gt h el a p p i n gq u a l i t y ，b u t a l s os i m p l i f y i n gs y s t e ma n dr e d u c i n gc o s t s oi ti sa ni d e a lc o n t r o l l i n gs y s t e mo f l a p p i n gl o a d t h ep a p e rn a m ei st h er e s e a r c ho f t h el o a d i n gs y s t e mo f l a pm a c h i n e so nt h e b a s i co 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 lc o n t r o l ，t h em a i n l yw o r k sa sf o l l o w ： t h ee q u i p m e n to f t h el o a d i n go f l a pm a c h i n e si si n t r o d u c e db r i e f l y ，a n da l s o t h es y s t e mo f 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 lc o n t r o li sa n a l y z e d b ym e a n so f t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h es e r v o c o n t r o la n dt h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，i te x p l a i n st h e r e a s o nt h a tw h yt h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o li sc h o s e n b ym e a n so f i n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e ra n da n a l y z i n gt h es c h e m eo f t h es y s t e m o f e l e c t o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp r e s sc o n t r o l ，d e s i g n i n gt h eh y d r a u l i cp r i n c i p l e c h a r to f t h el o a d i n gs y s t e mo fl a pm a c h i n e s ，a n dc o n f i r m i n gw o r k i n gp a r a m e t e ra n d m o d e lo f h y d r a u l i cc o m p o n e n t e s t a b l i s h i n gt h e m a t h e m a t i cm o d e lo f p r e s sc o n t r o l l i n gs y s t e m u s i n gm a u a b t os i m u l a t et h es y s t e mo nt h eb a s i co f t h em a t h e m a t i cm o d e l a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f t h es y s t e m ，t h eg e n e r a lt h i n k i n go f t h e e x p e r i m e n ti sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：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 lc o n t r o l ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 纺织行业是我国获得外汇的主要来源之一，尤其是在我国加入世界贸易组织 之后，由于国外市场对纺织品的大量需求使其在我国整体产业布局中占有更加重 要的地位。我国纺织品历经千年之久，它不仅质地优良而且价格便宜，这些有利 因素更加促进了我国纺织品的发展。但是随着国际环境及纺织品行业的需求影 响，对纺织品的质量提出了更高的要求，因此纺织工业必须加快改革步伐，适应 时代的发展。 将原棉或化学短纤维加工成纱线需经过一系列纺纱工艺过程：开清棉( 去除 异性纤维及其它杂质) 、梳棉、成卷、并条、纺纱和织造一系列复杂工序，开清 棉是纺纱工艺过程的第一道工序。开清棉工序具有流程长、机台多、机构复杂、 技术难度大的特点，棉卷质量不仅与原棉品质有关，还与开清棉工序的机械、工 艺、操作、温湿度、用棉量关系密切，是车间管理水平的综合反映，其工艺处理 的优劣不仅影响本工序半制品的质量，而且影响后道工序各机台作用的充分发 挥，最终影响成纱质量。 开清棉工序所采用的单机种类大致可分为自动抓棉机械、混棉机械、开清棉 除杂机械、清棉成卷机械以及辅助机械五大类。清棉成卷机械是开清棉工序的最 后一台单机，是开清棉联合机组上的一个重要组成部分，棉卷加压的大小，不仅 对棉卷辊、棉卷压钩和齿轮等机件有影响，而且主要是对棉卷质量有影响。传统 的加压方式有机械式加压和气动加压，机械式加压虽然稳定可靠，但是使用起来 不够灵活方便，气动加压虽然比机械式加压使用方便，但是其加压稳定性却不是 很好。为了克服以上两种加压方式引起的不足，从而更好的控制加压力，使加压 力准确稳定，本文提出了一种新的加压方式电液比例控制成卷机成卷加压系 统。相比较起来电液比例控制，不但稳定可靠，而且使用方便，成本也比较适中。 1 2 电液比例控制系统“3 1 在液压传动及控制技术的发展过程中，电液伺服控制和电液比例控制是相继 出现的两大进展。电液伺服技术首先用于航空，继而用于一些重要工业设备的自 动控制，迄今已日臻成熟。但是，电液伺服对介质清洁度的要求十分苛刻，制造 成本高而价格昂贵，系统能耗也大。因此，自6 0 年代末期开始，电液比例技术 第一章绪论 得到了迅速发展。在不到2 0 年的时间里，各国竞相丌发了以传统型液压阀为基 础的各类电液比例控制阀、价廉可靠的电机械转换器及专用的控制放大器。 利用这些元件，首先是构成一些开环控制的电液比例控制系统，以后采用相应的 检测传感器件构成闭环控制系统。于是，现代工业装备获得了一种廉价、可靠、 节能、维护方便、适应大功率控制及具有一定控制精度的电液控制技术。 当前，电液比例控制技术在结构上和插装阀相结合，并利用微电子技术的最 新成果推出了机电液一体化的比例控制阀、变量泵和变量马达。除模拟式比例技 术外，数字式( 脉冲式) 电液比例控制元件也正在研制。 1 2 1 电液比例控制系统的构成与分类 赢- 捌t 蝴- l 圈 一 匦” i ；! r ； 第一章绪沦 3 比例放大器 它是对输入的信号进行加工、整形、放大，使之达到电机械转换装置的 控制要求的组件。 4 比例阀 它是电液比例控制的接口组件，是把经过放大的电信号转换成与其电量成比 例的力或位移的组件。 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 检测反馈组件 它是检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的反馈信号的组件。 根据被控对象( 量或参数) 的不同，电液比例控制系统可分为： ( 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。 1 2 2 电液比例控制系统的特点 电液比例控制系统是联系微电子技术和工程功率系统的接口，本质上是电子 一一液压一一机械( e h m ) 放大转换系统。这种转换既可以是电模拟量 ( e a m a ) ，也可以是电数字量转换为机械模拟量( e d m a ) ，还可以是电数字 量转换为机械数字量( e d m d ) 。从工程应用的角度来看，电液比例控制系统有 以下特点： 1 简化液压系统，实现复杂程控 系统通过输入信号按预定规律的变化，连续成比例地调节受控工作机械作用 力或力矩，往返速度或位移，位移或转角等，这是比例控制系统的基本功能。这 一基本功能，不仅改善了系统控制性能，而且大为简化了液压系统，降低了费用， 提高了可靠性。 2 便于实现远距离控制或遥控 采用电液比例控制系统不但可实现远距离有线或无线控制，也可改善主机的 设计柔性，并且可以实现多信道并行控制。 第一幸绪论 3 电液比例控制系统的信号传递为电信号，控制方便，易于实现人工智能 控制。 4 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标 5 系统的节能效果好，成本适中 1 2 3 电液比例阀概述 电液比例阀是一种按输入的电气信号连续地、按比例地对油液的压力、流量 或方向进行远距离控制的阀。比例阀一般都具有压力补偿性能，所以它的输出压 力和流量可以不受负载变化的影响。与手动调节的普通液压阀相比，电液比例控 制阀能够提高液压系统参数的控制水平；与电液伺服阀相比，电液比例控制阀在 某些性能方向稍差一些，但它结构简单、成本低，所以它广泛应用于要求对液压 参数进行连续控制或程序控制，但对控制精度和动态特性要求不太高的液压系统 中。 电液比例控制阀的构成，从原理上讲相当于在普通液压阀上，装上一个比例 电磁铁以代替原有的控制( 驱动) 部分。根据用途和工作特点的不同，电液比例 控制阀可以分为电液比例压力阀( 例如比例溢流阀和比例减压阀) 、电液比例流 量阀( 如比例调速阀) 和电液比例方向阀( 如电液比例换向阀) 三大类。 表1 一l 列出了电液伺服阀和比例阀的性能对比。 表1 1 比例阀的特点 项目比例阀 伺服阀 阀的功能压力控制、流量控制、方向控制多为四通阀，同时控制方向和流量 电位移转换 功率较大( 约5 0 w ) 的比例电磁 器铁，直接驱动心式压缩弹簧 约2 5 p r o ，由于是由普通阀发展起 过滤要求 来没有特殊要求 在低压降( o 8m p a ) 下工作，通 线性度 过较大流量时，阀体内部的阻力对 线性度有影响( 饱和) 滞环 约1 遮盖 2 0 ，一般精度，可以互换 4 功率较小( 约0 1 0 3 w ) 的力矩马 达，带动喷嘴挡板或射流管放大器。 其先导级的输出功率约为i o o w 。 l 5 啪，为了保护精密断面，要求进 口过滤 在高压降( 7 m p a ) 下工作，阀体内部 的阻力对线性度影响大 约o 1 极高精度，单件配作 第一章绪论 1 3 课题的目的及意义 本课题的主要目的就是将已经发展成熟的电液比例控制技术应用到成卷机 成卷加压装置中，并通过可编程控制器控制整个加压过程，从而实现生产的自动 化。电液比例控制对于纺织行业来说还是一种新技术，因此可作为我国纺织机械 发展的技术储备。 该课题的意义在于，首先它来自于生产实际，具有很强的实用价值，该系统 的研制成功，不仅能使纺织工业的自动化水平得到提高，而且对优化产品质量、 降低生产成本，提高我国纺织行业的国际竞争力都具有重要意义。 另一方面，电液比例控制成卷机成卷加压系统是一个集机、电、液技术于一 体的自动化控制系统，是综合了液压传动、液压控制技术、电液比例控制技术以 及可编程控制技术等多项技术的一个系统，具有很高的学术研究价值。 总的来说，本课题的研究具有较强的理论和实用价值。 1 4 本课题所要研究的具体任务 本文研究工作的目的是将电液比例控制技术应用到成卷机成卷加压系统中， 从而克服机械加压方式和气动加压方式所引起的不足。本文所要完成的主要工作 如下： ( 1 ) 分析成卷机成卷加压装置，确定具体的工作参数。 ( 2 ) 研究和分析电液比例压力控制系统的特点和方案，设计出成卷机成卷加 压系统的液压系统原理图，合理选择液压元件，确定各个液压元件的工作参数及 型号。 ( 3 ) 在对系统主要元件进行静、动态分析的基础上，通过合理的简化，建立 加压系统的数学模型，并对系统进行仿真研究，从理论上首先保证系统的品质指 标。 第一章绪论 ( 4 ) 介绍实验总体思路。 6 第二章电液比例加压系统的设计 第二章电液比例加压系统的设计 开清棉机械是一整套多机台的联合机，其中任何单一机台都不是一个单纯的 独立个体，而只是整体的一部分。因此在设计成卷机成卷加压系统时，必须考虑 到它在联合机中的作用以及与其他相关机构的关系。 2 1 成卷机成卷加压系统简介n 目 要知道成卷机成卷加压到底是怎么回事，首先我们应该对成卷机成卷加压装 置在生产工序中的位置有一定了解，这样才能更好地掌握加压过程。 2 1 1 清棉工序的任务 清棉工序是棉纺织生产的第一道工序。原棉和化学纤维，为便于运输，都是 以紧压的包装进厂的，纤维被压的很紧，其中还含有各种杂质和疵点。为了满足 工序生产的要求，纺出品质优良的棉纱，在本工序必须进行一系列加工。 1 开松 棉包拆包后除本身自然松解外，还要借助机械作用将棉块逐渐开松成为较小 的棉束。化学纤维拆包后，也须经机械开松。开松中应尽量少损伤纤维，避免使 纤维扭成“萝h 丝( 即瓣状纤维束) ，为后工序分梳作好充分地准备。 2 除杂 原棉中含有各种类型的杂质和疵点，即棉籽、破籽、籽屑、铃片、叶屑、沙 土和将不孕籽、棉结、短绒等，化学纤维中也含有并丝、硬丝等疵点。这些杂质 和疵点在清棉过程中都应尽可能地给以清除。但要兼顾节约，尽可能地减少好纤 维的失落并要避免杂质的再破裂。因此，该工序是一个细致的、复杂的技术，必 须根据原料的物理性能，制定合理的工艺，方能达到。 3 混合 即把原棉成分表中各种麦头的原棉或化学纤维进行充分混合，使成卷质量和 运转生产保持稳定。 4 成卷 制成一定规格，即一定长度和重量，结构良好，外形整齐的棉卷，供下工序 使用。 第二章电液比例加压系统的设汁 2 1 2 成卷机的任务 成卷机是清棉机组中的最后台机器。原棉经过抓棉机、混棉机、开棉机、 凝棉器和配棉器的处理后，开松、混合程度已达到一定水平，大部分杂质、叶屑 已被消除，但还有相当数量的破籽、不孕籽、籽屑等，需要清棉机进一步地加工。 成卷机的任务是： ( 1 ) 原棉进一步地开松、混合，使原棉更加松散，混合更为均匀。 ( 2 ) 清除原棉中的杂质，特别是细小杂质。 ( 3 ) 控制和提高棉层的纵向、横向均匀度。 ( 4 ) 制成一定长度和质量的棉卷。 2 1 3 成卷机构 经开清棉工序加工的原棉，为供应下道工序的加工，除采用清梳联工艺以棉 流输出之外，需制成一定长度、一定重量、棉层厚薄均匀和成形良好的棉卷，所 以清棉机一般配备有成卷机构。为了满足加压、卷绕和落卷等的要求，成卷机构 应包括紧压罗拉加压装置、棉层成卷加压装置、满卷自停装置以及自动落卷装置 等。本文主要研究的是棉层成卷加压装置。 棉层成卷加压装置的作用实际上就是在棉卷形成的过程中施加一定压力，使 棉卷较为坚实，成形良好，容量增大。传统的棉卷加压方式是由重锤和其他的机 械传动件构成，如图2 1 所示。 棉卷 制动脚踏板 图2 - 1 机械式加压系统 加压杠杆 第二章电液l e 例加压系统的改计 由紧压罗拉输出的棉层导棉罗拉传递而送往棉卷罗拉，并绕在棉卷扦上制成 棉卷。棉卷扦由玻璃钢材料制成，质量轻，使用方便。在成卷过程中，棉卷被一 对棉卷罗拉和一只压卷罗拉摩擦带动而回转，同时也受到h i 卷罗拉的压力，使卷 绕紧密而结实。因为成卷过程中棉卷的直径是变化的，所以压卷罗拉应能做升降 运动。为此，压卷罗拉两端轴头分别装入左、右压钩体，压钩的下部是齿条，并 分别与一小齿轮啮合，两端的小齿轮共同装在一固定的转轴上，以确保压卷罗拉 两端的同步升降。棉卷在卷绕过程中直径逐渐增大，迫使棉卷辊和棉卷压钩逐渐 上升，并通过轮系( 齿轮1 、2 、3 、4 ) 传动刮动轮。由于制动轮受到加压重锤 的制动作用，要使它转动，必须克服制动力，因而产生压力。当棉卷直径继续增 大使其向上的压力克服制动力时，棉卷压钩才上升，因而可使棉卷卷绕得紧密。 重锤式加压方式，当棉卷直径从d , n 大变化的过程中受到的压力有以下的两 种变化： 1 、随棉卷直径的增大，压力逐渐变小 如图2 2 所示，p 为棉卷上所受到的压力，空卷时可分为r 1 和r l7 两个分 力；满卷时为r 2 和r 2 两个分力。由图知，r 与p 的夹角为d ，r 与p 的关 系为： r = p ( 2 c o sa ) 由上式知，随棉卷直径的增大，n 角变小，使棉卷受到的有效压力r 变小， 如图二所示。这样就形成了棉卷内紧外松的现象。 ( a ) p 图2 - 2 棉卷加压的分析 棉卷直径 2 、因制动轮的间歇动作而产生的压力变化 当棉卷向上的反力不足以克服制动轮的静摩擦力时，制动轮不动，棉卷辊压 力p 随棉卷连续卷绕而增加，直到压力增加到足以克服制动力时，制动轮突然回 转，此时压力减小。当压力减小到不能克服制动轮的摩擦力时，制动轮又停转， 第二章电液比例加压系统的设 卜 压力又逐渐增大，形成周期性变化。 为了消除机械式加压方式的缺点，国内外。些厂家采用了气动控制棉卷加压 系统。该系统的核心是使用机械式渐增压阀控制气控调压阀，从而控制进入加压 气缸的压力，实现对棉卷压钩的加压。由于机械式渐增压阀可以在棉卷直径增大 时将加压气缸中的气压调高，保证棉卷成卷过程中压钩所加压力逐渐增大，改善 了棉卷的成型状态。但是，由于气体的压缩性大，工作过程中压力不稳定，这样 就使棉卷成卷质量难以保证。另外气压系统的工作压力也低，在棉卷需加较大压 力时，气缸必然做得很大，加大了制造成本和安装困难。此外，机械式渐增加压 阀和气控调压阀国内无专门厂家生产，国内生产成卷机的厂家有的从国外进口， 有的自己研制。由于气动系统中的控制阀要求高，一般非专业厂家生产有困难， 质量难以保证，影响使用效果。另外，气动系统需配置空气压缩机，增加了使用 成本。 为了克服机械式和气动式成卷加压方式的不足，满足成卷要求，本文提出了 一种新的加压方式，即采用电液比例技术控制成卷机成卷加压。它不仅可以提高 成卷质量，而且可以简化系统设计、降低成本。因此，电液比例控制技术的采用 有着非常重要的现实意义。 2 2 系统的控制目标 成卷机成卷加压系统的控制目标是：当棉卷直径不断增加，压钩对棉卷的加 压力应由小到大连续变化，实现对棉卷的连续加压，加压力根据所给的函数 f = ，( 中) 来控制，f 为作用在棉卷上的压力，巾为棉卷直径。 系统的基本要求： 1 系统稳定。 2 系统能对外加压荷迅速且小超调响应。 3 加压力准确。 2 3 加压方案的确立 系统要求成卷加压系统能根据不同的棉卷直径实现动态加压，所以可以采用 电液控制系统进行加压。常用的电液控制系统有电液伺服控制系统、电液比例控 制系统等，下面先对两类电液控制系统进行一下简单的分析和比较 1 0 第二二章电液比例加压系统的世计 2 3 1 电液伺服控制系统与电液比例控制系统的比较 1 电液伺服控制系统 电液伺服控制系统由指令装置、比较环节、伺服放大器、控制元件、执行元 件、校正环节等部分组成。控制系统首先将输入信号与被控装置的反馈信号进行 比较，然后将其差值传递给控制装置以改变液压执行元件的输入压力或流量，使 负载向着减小信号偏差的方向动作。它有如下特点： ( 1 ) 液压执行机构的动作快，换向迅速 ( 2 ) 控制元件为伺服阀，可连续控制 ( 3 ) 压力、流量为自动控制 ( 4 ) 控制精度高 ( 5 ) 动作随信号大小而变化 ( 6 ) 一般设有反馈装置，为闭环控制 ( 7 ) 用一般电路进行控制 ( 8 ) 成本高 2 电液比例控制系统 在1 2 中已经对电液比例控制系统作了详细的介绍，此处不再赘述。 2 3 2 加压方案选择 通过上述比较可以看出伺服控制和比例控制之间的主要差别是： 1 采用的控制元件不同 电液比例的控制元件一比例溢流阀是压力控制元件，价廉、可靠且对介质污 染不敏感：而电液伺服的控制元件一伺服阀属于方向节流型元件，对流体介质的 清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较高，系统的能耗大，但其控制精 度和频率响应特性好。 2 控制方式上的不同 伺服阀可同时控制液压缸两个腔的压力；而比例溢流阀通常只控制液压缸两 个工作腔中的一个，另一腔压力为零或常数。 虽然两者都可以实现主动加压和被动加压，但控制上却不同：伺服阀控制的 主动与被动加压控制方式是完全相同的；而比例溢流阀控制的主动与被动加压控 制则分别对液压缸的进油腔或回油腔进行。 成卷机成卷加压控制系统是一个低频系统，对频响和控制精度的要求不太 高，伺服系统当然可以满足要求，但在经济性的前提下，我们这里选择同样可以 第二章电液比例加挫系统的设计 满足系统性能要求的电液比例控制系统，实现对棉卷的动态加压。 2 4 电液i ：i ：gj j n 压系统的设计 2 4 1 系统原理图 根据上述分析，所设计的电液比例加压系统的原理图如图2 3 所示。1 滤油 器，2 - 液压泵，3 电液比例溢流阀，4 电磁阀，5 单向节流阀，6 一成卷液压缸， 7 一齿轮，8 - 齿轮，9 齿条，1 0 一压钩，1 1 一位移传感器，1 2 一齿条。 2 - 3 液压系统原理图 如图2 - 3 所示，当电磁换向阀的电磁铁1 d t 通电时，液压泵输出的压力油 经电磁阀4 、单向节流阀进入成卷油缸6 的有杆腔，然后通过齿轮齿条机构对棉 卷进行加压，加压力的大小由成卷油缸的工作压力决定，而成卷油缸的工作压力 由比例溢流阀3 根据负载由电流控制。随着棉卷直径的增大，压钩逐渐上移，齿 条后面的斜面推动传感器“的触头移动，传感器将此位移信号转换成电信号后 经放大器放大并输入比例阀，比例阀在输入信号的控制下将系统压力调高。由于 成卷过程中压钩斜面推动位移传感触头连续移动，故可实现对棉卷加压力的连续 控制。 第二章电液比例加h i 系统的砹汁 2 4 2 液压系统的选型 通过上面的分析可知在成卷加压系统中主要执行机构为液压系统，选择、设 计合适的液压元器件是保证加压精度的关键之 。 1 液压缸 液压缸主要是根据最大加压力3 8 0 0 n ，以及最大行程不超过2 0 0 m m 的要求 所设计的，另外考虑到安装的方便，不应占用的空间过大，所选用的液压缸型号 为：s g l 8 0 * 2 0 0 ，结构示意图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 液压缸结构 主要技术参数如下： 活塞直径d ：8 0 m m活塞杆直径d ：2 5 n u n 工作油压：6 m p a 活塞行程：2 0 0 m m 此时可计算出液压缸的最大静拉力，m u 为： ：石4 ( d 2 一d 2 ) p ：x 4 x ( 8 0 2 2 5 2 ) 6 ：2 7 2 1 4 n 3 8 0 0 n 满足加压系统的要求。 2 电液比例溢流阀 电液比例溢流阀是压力控制的关键部件，常规溢流阀的基本功能是定压、安 全保护和卸荷。对比例阀而言，其控制功能明显增强。它可以真接接受计算机的 输入信号，在系统中不但可稳定系统的压力为一定值，而且可根据工况要求无级 快速改变系统压力，此外，比例溢流阀不用附3 1 1 z - 位二通电磁阀，就具备了卸荷 功能。比例溢流阀由于控制功率的不同，分为直动式和先导式。直动式控制的功 率较小，通常控制的流量为1 3 l r a i n ，低压力等级的可达l0 l m i n 。直动式溢流 阀可用于小流量系数的安全阀或溢流阀，更重要的作用是作为先导阀，控制功率 放大级主阀，构成了先导式压力阀。 因为成卷机的工作压力不是很高，要求溢流阀控制的功率也不是很高，所以 本课题选用直动式电液比例溢流阀，其具体的工作参数如下： 额定压力p ：6 m p a ( 6 0b a r ) 第一章电被比例加蝽系统的世计 额定流量q n ：8l r a i n 额定电流：8 0 0 m a 重复精度： 1 3 液压泵 液压泵是碍帕量转换装置。它把驱动电动机的机械能转换成输到系统中去 的油液的压力能，供液压系统使用。在选择液压泵时，首先根据系统的工作性能 要求确定液压泵的结构形式，然后按要求的压力和流量选择液压泵的具体规格。 因为系统供油压力小于2 5 m p a ，所以选择外啮合齿轮泵，主要性能参数如 下： 表2 - 1 齿轮泵主要性能参数 1 4 第三章液压加胜系统的动态分析 第三章液压加压系统的动态分析 对于系统的仿真，实质上就是对描述系统的数学模型进行求解，对控制系统 来说，系统的数学模型实际上是某种微分方程或差分方程模型，在仿真过程中以 某种数值算法从给定的出始值出发，逐步算出每一个时刻系统的响应，最后绘制 出系统的响应曲线，由此来分析系统的性能。 通过分析可知，系统虽然是稳定的，可是其动静态性能不定是最好的。在 许多液压技术应用场合，如果设计人员在设计阶段就考虑到系统的动静态特性， 则可以大大地缩短液压系统或元件的设计周期，避免因重复试验及加工所带来的 昂贵费用，且可及早地认识到该系统在动静态特性方面存在的薄弱环节并加以消 除。这可以通过对系统的动静态特性进行预测来实现。计算机仿真除了在设计过 程中预测系统性能以外，可大大的缩短系统的调整时间，避免返工，还可通过仿 真对所设计的系统有更深的了解，了解多负载系统中负载之间的相互作用、了解 多作用件系统中作用件间的相互影响、了解单个元件在整个系统中的作用等等。 在进行系统仿真的过程中，系统是研究分析的对象，模型是系统分析中能够 表现系统本质的一种描述。此外，模型也是系统仿真、分析、控制和优化的基础， 而系统仿真是建立在模型基础上的一种实验方法。系统的仿真过程包括三个部 分：系统数学模型的建立，模型的解算和系统仿真结果的分析。本章首先对系统 的模型作了详细的分析，然后再对系统进行仿真分析。本课题运用m a t l a b 对系 统进行仿真，从理论上对系统进行动态仿真，寻求影响系统性能的因素，从而找 到合理的加压方法，提高加压系统的性能。 3 1 仿真软件简介1 m a t l a b 是由美国m a t h w o r k s 公司开发的一个功能非常强大的软件，控制系 统计算机辅助设计语言m a t l a b 目前己经成为控制界国际上最为流行的软件，它 不仅具有交互式编程功能，并且还具有丰富的控制系统辅助设计工具。包括可靠 的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的w i n d o w s 编程等便利 工具。而且也由于m a t l a b 的广泛流行，许多的控制界学者将自己擅长的c a d 工 具改用m a t l a b 方法实现。现已广泛地应用于自动控制、图像信号处理、动力工 程、电力系统、生物医学工程和时序分析与建模等许多领域，该软件有如下特点： 1 高效的数值计算和符号计算功能，使用户从繁杂的数学运算分析中解脱 出来。 第二章液压加压系统的动态分析 2 具有较高的计算精度，通常数值计算精度能够达到1 0 15 数量级、能够满 足科学计算和工程要求。 3 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌 握。 4 功能强大的应用工具箱，为用户提供了大量方便实用的处理工具。 5 开放性强，除内部函数外，所有m a t l a b 主包文件和各工具包文件都是可 读可改的源文件，用户通过对源文件的修改或加入自己编写的文件去构成新的专 用工具包。 6 完备的图形处理功能，包括二维、三维图形的绘制、色彩的配置、用户 界面的创建，实现计算结果和编程的可视化等。 由于m a t l a b 软件具有上述特点，使它深受工程技术人员及科研专家的欢迎， 并成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学领域不可缺少的软件。 另外m a t l a b 还有一个显著的特点，就是大量配套的工具箱，诸如最流行的 控制系统工具箱( c o n t r o ls y s t e mt o o l b o x ) 、系统辨识工具箱( s y s t e mi n d e n t i f - i c a f i o nt o o l b o x ) 、鲁棒控制工具箱( r o b u s tc o n t r o lt o o l b o x ) 以及s i m u l i n k 工具箱 等。 本文就是利用m a t l a b 提供的系统动态仿真工具箱s i m u l i n k ，它使得 m a t l a b 的功能得到了进一步地扩展，是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析 的集成软件包，极大地方便了对控制系统的建模工作，较以前任何一种语言都更 为方便。在世界范围内的模型化浪潮的背景下，s i m u l i n k 恰恰体现了模块化设计 和系统级仿真的具体思想，使得建模仿真如同搭积木一样简单。s i m u l i n k 对仿真 的实现可以应用于动力系统、信息控制、通信设计、金融财会及生物医学等各个 领域的研究中。 s i m u l i n k 实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，并且 凭借m a u a b 在科学计算上的天然优势，建立了从设计构思到最终要求的可视化 桥梁，大大弥补了传统设计和开发工具的不足。它可以使系统的输入变得相当容 易且直观，同时可以容易地改变输入信号的形式，对仿真算法和仿真参数的选择 以及对输出结果的处理上也更加灵活自由。 由于s i m u l i n k 可以很方便地创建和维护一个完整的模型，评估不同算法和 结构并验证系统性能，另外s i m u l i n k 还可以与m a t l a b 中的d s p 工具箱、信号处 理工具箱以及通讯工具箱等联合使用，进而实现软硬件的接口，从而成为实用的 控制软件。 1 6 第三章液j 盘加压系统的动态分析 3 2 液压加压系统数学模型的建立1 1 3 2 1 阀控液压缸系统动力学分析 a = c t p + a 鲁+ 老鲁 ：t ， p e 油液的体积弹性模量，m p a ； f = p a = m e y e r + b e y y + k e y y ( 3 2 _ 2 ) p ( j 屿( m 钞s 2 + 物s + 劬州 ( 3 2 3 ) 删= ( c f + 砺vs ) p o ) + a s y ( s ) a2 巧丽h 2 sp ( 3 2 5 ) 第三章液压加瓜系统的动态分析 传递函数也可表达为图3 1 所示的框图形式 p 一2 s m 。r + b 。s + k 。 g 图3 一l 加压缸压力流量传递函数框图 3 2 2 电液比例溢流阀的传递函数 参考文献 2 1 可以得到电液比例溢流阀的传递函数框图如图3 2 图3 2 电液比例溢流阀传递函数框图 图中的各参数如下： b = 告= 错= 0 0 0 7 m p 口m a ： 根据相关的技术参数及比例阀的幅相频率特性以及相关的文献可以估计以 下参数： 啪的参考值是4 8 8 5 r a d s ： 知的参考值是0 9 9 4 k 0 的参考值是0 0 1 7 7 5 m p a j ( c m 3 s ) 的参考值是2 1 6 m d s 。 3 2 3 加压系统的数学模型 由液压加压系统的工作原理可知： 1 加压缸的工作压力由电液比例溢流阀决定，所以液压缸的压力变化和电 液比例溢流阀的输出压力变化相同； 2 液压泵输出流量除加压液压缸外，其余的流量全部经过电液比例溢流阀 流回油箱。若假定液压泵输出流量不变，则进入加压液压缸流量的增多，意味着 经过电液比例溢流阀的流量在减少，而且增多量和减少量变化是相等的。 第三章液压力压系统的动态分析 基于以上分析将图3 1 和3 2 联立起来即可得液压加压系统的方框图如图3 3 所示。 图3 - 3 加压系统的传递函数框图 3 3 液压加压系统的眭能仿真分析“”1 系统的性能指标，指在分析一个控制系统的时候，评价系统性能好坏的标准。 性能指标按其类型可分为： 1 时域性能指标，它包括瞬态性能指标和稳态指标。瞬态指标一般在单位 阶跃输入下，由输出的过渡过程所给出的，实质上是由瞬态响应所决定的；稳态 指标是指过渡过程结束后，实际的输出量与希望输出量之间的偏差稳态误 差，这是稳态性能指标的测度。 2 频域性能指标，反映系统在频域方面的特性。 3 综合性能指标( 误差准则) 。 系统仿真可分为频域特性仿真与时域特性仿真两个方面。时域特性仿真分为 以微分方程为基础的数字仿真和以系统方块图为基础的数字仿真。时域特性仿真 的目的是分析、综合、了解系统的时域响应特性和系统结构参数对系统动态性能 的影响，便于完成系统设计，给系统调试提供可取的参考依据。频域特性的仿真目 的是研究系统的幅频特性和相频特性根据仿真结果，确定系统的校正方式。 3 3 1 液压加压系统的时域分析 基于以上分析，将比例阀框图和加压缸框图联立，再加上比例放大器，即可 得到整个液压系统的开环传递函数框图，如图3 - 4 所示。 1 9 第三章液压加压系统的动态分析 图3 - 5 加压系统的开环传递函数框浏 图3 - 5 为系统的开环传递框图，开环系统的各参数值如下： 比例放大器的放大系数k d = 等= 8 0 m a v ； k y = o 0 0 7 m p a m a = 7 0 x l o j p a m a ； 溢流阀的刚度系数：k 0 ：0 0 1 7 7 5 m p a ( c m 3 s ) = 1 7 7 5 1 0 1 0 p a l ( m 3 s ) ； 溢流阀的系统阻尼：彘= 0 9 。 溢流阀的转折频率：= 2 1 6 r a d s ； 溢流阀的固有频率：啪= 4 8 8 5 r a d s ： 液压缸有效面积：4 = 吾( 8 0 2 - 2 5 2 ) 1 0 6 = 4 5 4 x 1 0 3 珊2 ； 负载的等效质量：m 纠= 1 5 0 2 k g ；负载的等效阻尼：b e y = 2 6 3 x 1 0 n s m 负载的等效刚度：v = 1 0 5 x 1 07 n m 。 代入以上参数可以建立如图3 - 5 所示的仿真模型： 图3 - 5 液压加压系统的仿真模型 第三章液压加压系统的动态分析 经过m a t l a b 仿真，可得到系统在单位阶跃作用下的响应曲线如图3 - 6 所示： 图3 - 6 开环系统的单位阶跃响应曲线 由图3 - 6 可知，液压加压系统是稳定的。液压加压系统的过渡过程响应时间 为o 1 2 5 s ，因此液压加压系统能够满足液压加压系统的要求，即能够对液压加压 系统进行实时模拟加压。 实际上仿真模型中的反馈部分对系统的影响很小，加上和去掉反馈部分后的结果 很相近：也就是说，因加压缸流量的变化而引起的比例溢流阀控制压力的波动很小。 这一点也可以从电液比例溢流阀在不同电流输入下的压力流量曲线看出来，如图3 7 所示，q p 曲线的趋势十分平缓，说明比例阀的控制压力对流量变化不敏感。 g 图3 7 比例溢流阀的压力流量曲线 采用开环系统进行加压的特点是结构简单，响应快，但控制精度不高，抗干扰能 力差。如果把加压压力检测出来，然后将其转换成电压或电流信号反馈到输入端进行 比较，并以得到的偏差值来进行控制，就构成了闭环的加压控制。对于这样一个反馈 控制系统而言，包围在反馈环内的各种干扰量所引起的输入量变化的偏差值，都能得 第二章液压力压系统的动奄分析 到减小或消除，从而使加压系统具有较高的精度。 如果将加压压力反馈到输入端，并与输入信号进行比较，由其差值控制输出压力 则构成闭环系统，如图3 - 8 所示。 图3 - 8 加压系统闭环控制传递函数框图 其中压力传感器放大系数k p2 而l 丽o v 磊2 1 l o - 6 v p a 经m a t l a b 仿真，可得系统在单位阶跃作用下的响应曲线如图3 - 9 所示。 图3 - 9 闭环系统的单位阶跃响应曲线 由图3 - 9 的闭环响应曲线可以看出，系统的过渡过程响应时间为o 1 3 7 s ，时间变 慢，只是由于系统要不断地将输入信号和反馈信号进行比较，然后控制系统操作，使 输出能够达到理论值。因此液压加压系统采用闭环控制后同样也可以满足液压系统的 要求。 比较两个响应曲线可以看出，开环闭环都响应时间都小于所要求的1 3 s ，所以两 种方式都可以达到控制要求，但是从使用要求以及经济性方面考虑，本系统决定采用 第兰章液压加压系统的动态分析 扦环控制。 3 3 2 液压加压系统的频域分析 所谓频域分析是指在频率域内研究控制系统的结构参数和系统性能的关系，它是 一种工程方法。频域分析法是通过研究系统频率随频率变化的图形来分析和设计系统 的，常用的图形有波得图和奈奎斯特图等。时域分析中的性能指标直观反映控制系统 动态相应的特征，属于直接性能指标，而系统频率特性函数的某些特征可以作为间接 性能指标。 根据液压加压系统的开环传递函数方框图，利用m a t l a b 软件，可以得到系统开 环传递函数的频率特性如图3 1 0 所示。由图3 1 0 可知，系统是稳定的，其幅值穿越 频率为6 3 4 t a d s ，相位稳定裕度为7 5 。，可见系统不仅稳定，还具有一定的稳定裕 度。同样的方法可得到系统闭环传递函数的频率特性如图3 一l l 所示，由图3 1 1 可知， 当幅值下降一3 d b 时，所对应的频率为8 1 7 r a d s ，因此液压加压系统的频宽为 8 1 7 r a d j ，约为1 3 h z ，可见液压加压系统能够满足系统对其的动态要求。 图3 1 0 系统开环传递函数的频率特性 第三章液压加压系统的动志分析 图3 - 1 1 系统闭环传递函数的频率特性 3 4 仿真工程中的误差分析 在仿真全过程中，无时无刻都在引进各式各样的误差。讨论这些误差的产生和对 仿真精度所产生的影响，对更深刻地认识仿真理论是很有必要的。 3 4 1 模型建立过程中的误差 在建模的过程中，欲将复杂的物理现象抽象、归结为数学模型，往往只有忽略一 些次要因素的影响，而对问题作某些必要的、突出主要矛盾的简化。这样建立起来的 数学模型实际上只是所研究的复杂客观现象的一种近似描述，它与真实客观世界存在 的实际问题之间有着一定的差别，这种误差就是所谓的模型误差。模型误差的大小， 直接影响到整个仿真过程的正确性。 如在前面所述的液压系统中，存在着像流量压力特性、死区、饱和、刚性限位、 不连续等等这样的现象，使得表征液压系统动静态性能的常微分方程组初值问题和非 线性代数方程组具有很强的非线性，这给寻求合适的数学方法来描述系统带来了很大 的困难。现代的数学方法尽管给工程技术人员提供了许多有效的数学方法，然而在建 模过程中还是存在着许多困难有待克服。要完全避免模型误差是不现实的，只有尽可 能地用合适的数学方法去表达所研究地物理对象，方可取得模型误差“相对小”的数 学模型。 第二章液压加雎系统的动态分析 在仿真过程的所有误差中，模型误差是影响仿真计算精度的最主要的因素之。 3 4 2 参数取值的误差 仿真模型中各参数取值的准确性也直接影响到仿真结果的精度。不管是在成卷机 成卷加压系统中还是在其它的液压系统中，某些参数的精确取值是极困难的，即所谓 软参数问题。常见的软参数如油液体积弹性模量、阀口流量系数、液动力、摩擦力等 等。这些参数之所以被称为“软”，主要是因为：一方面，人们对它们的物理特征尚 处于认识阶段，当然，这其实也是一个模型误差问题，即现在表达这些参数的物理的 数学的方程是经过了一定的简化的，甚至可能是一些经验公式，要对其进行精确的数 学表达有一定的困难；另一方面，这些参数随工作条件的不同，取值在很大范围内变 化，例如油液体积弹性模量随油液中含气量的不同其值就差别很大，而含气量的多少 是随工况的不同在动态的变化，即使是己知含气量的情况下，油液体积弹性模量的值 也与系统工作压力很有关系。综合起来，在仿真计算中，对这些参数的一般解决办法 是取一个在大多数情况下能够有 效的平均估计值，当然，对一个特定的系统而言，其计算结果就肯定存在误差了。软 参数问题是影响液压系统的仿真精度的一个极重要的因素。 3 4 3 仿真计算过程中的误差 表征液压系统动态、静态性能的数学模型为非线