（机械设计及理论专业论文）大型阀控伺服液压机电液控制系统的特性研究.pdf

大型阀控伺服液压机电液控制系统的特性研究 摘要 单出杆液压缸具有加工简单，成本低廉，占用空间小、可以增加工作压强 等优点，而伺服阀的控制精度可以达到p m 级别。伺服阀控单出杆液压缸电液 控制系统控制精度高、滞环小、频响高、基本没有死区。但是由于非对称缸的 进口和出口的阀横截面积不一样，虽然可以提高效率，可是非对称性会产生典 型的非线性。液压系统的低阻尼、非线性和时变性等特点对控制系统的精度及 控制的实时性会造成一定的限制，产生很多不方便，而且伺服阀对工作环境的 要求是比较高的。 本文结合合肥锻压集团的r z u 系列锻压机，对伺服阀控单出杆电液控制系 统进行数学建模，然后利用a m e s i m 软件构建系统的计算机模型，使用计算机 对系统的各项性能进行仿真，并分析液压系统中不同因素对性能的影响，然后 基于遗传学算法对系统进行p i d 控制，优化整定k k ，、k d 三个参数，得到 最优结果。在文章的最后，对油液污染的来源和控制方法进行了介绍和分析， 利用计算机仿真分析油液污染等因素对系统的影响。 关键词：阀控液压机；a m e s i m 仿真；遗传学算法；p i d 控制 s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e e l e c t r o - - h y d r a u f i cc o n t r o ls y s t e mf o r t h el a r g ev a l v e c o n t r o l l e ds e r v o h y d r a u l i cp r e s s a b s t r a c t s i n g l e - r o dh y d r a u l i cc y l i n d e r sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s s i m p l e p r o c e s s i n g ，l o wc o s t ，s m a l lf o o t p r i n ta n di n c r e a s i n gt h ew o r k i n gp r e s s u r e s e r v o v a l v ec o n t r o la c c u r a c yc a nb ea c h i e v e dl x ml e v e l s e r v ov a l v es i n g l e - r o dh y d r a u l i c c y l i n d e re l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mh a st h eh i g hc o n t r o la c c u r a c y ，l o w h y s t e r e s i s ，h i g hf r e q u e n c yr e s p o n s ea n db a s i c a l l yt h e r ei sn od e a dz o n e h o w e v e r ， d u et on o n - - s y m m e t r i c a lc y l i n d e ri m p o r ta n de x p o r to fv a l v ec r o s s s e c t i o n a la r e ai s d i f f e r e n t ，a l t h o u g he f f i c i e n c yc o u l db ei m p r o v e d ，t h et y p i c a ln o n l i n e a ra l s oc o u l d b ep r o d u c e db yt h en o n - s y m m e t r yo ft h es y s t e m l o wd a m p i n g ，n o n l i n e a r ，a n d t i m e v a r y i n go ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw i l lc a u s es o m er e s t r i c t i o n so nt h ea c c u r a c y a n dr e a l - t i m ec o n t r o lo ft h es y s t e ma n dr e s u l ti nal o to fi n c o n v e n i e n c e w o r k e n v i r o n m e n to ft h es e r v ov a l v ei sh i g h e r t h ea r t i c l ei so nt h eb a s i so ft h er z us e r i e sf o r g i n gm a c h i n eo fh f mt ob u i l d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es e r v ov a l v es i n g l er o de l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m t h e nu s i n ga m e s i ms o f t w a r et ob u i l dac o m p u t e rm o d e lo ft h es y s t e ma n d m a k i n gt h es i m u l a t i o no fa l l t h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb yc o m p u t e r i t a n a l y z e dt h ei m p a c to fd i f f e r e n tf a c t o r so nt h ep e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cs y s t e m s t h e nb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m st om a k eap i dc o n t r o ls y s t e m o p t i m i z i n ga n d t u n i n gt h et h r e ep a r a m e t e r s ( k 。、墨、) t og e tt h eb e s tr e s u l t s a tt h ee n do f t h ea r t i c l e ，t h eo i lp o l l u t i o ns o u r c e sa n dc o n t r o lm e t h o di si n t r o d u c e da n da n a l y z e d c o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ei m p a c to fo i lp o l l u t i o na n d o t h e rf a c t o r so nt h es y s t e m k e y w o r d s ：v a l v e c o n t r o l h y d r a u l i cp r e s s ；a m e s i ms i m u l a t i o n ；g e n e t i c a l g o r i t h m s ；p i dc o n t r o l i i 致谢 岁月如梭，光阴荏苒。三年研究生求学生活时间转瞬即逝，回首往昔，奋 斗和辛劳成为丝丝记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。合肥工业大学c i m s 研究 所以其优良的学习风气、严谨的科研氛围教我求学。值此毕业论文完成之际， 我谨向所有关心、爱护、帮助我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。 诚挚的感谢夏链副教授和韩江教授，本文是在他们的悉心指导下完成的。 从论文的选题、调研、收集资料到攥写、修改，他们倾注了大量的心血。三年 来，夏老师在工作、学习和生活上，给予我无微不至的关怀，她严谨的科研态 度和平易近人的人格魅力对我影响深远。夏老师平时对我们要求严格，希望我 们在研究所中就能养成良好的工作态度和生活作风。对此，我感触颇深，受益 匪浅。韩老师学识渊博、治学严谨，工作态度精益求精，对专业问题总是有独 到的见解。三年来，我在他身上学到的东西将会受益终身。他平时工作非常繁 忙，却经常抽空给与我悉心的指导，连夜修改论文，使我在研究和写作过程中 不致迷失方向。在此，向两位老师致以最诚挚的谢意。 衷心的感谢c i m s 所的丁志老师、何高清老师、余道洋老师等平时对我的 关心和指导。 衷心的感谢我的同学李雪冬、昂金凤、黄迪淼、胡春阳、张进、陈静、张 魁榜、杨清艳，我们在一起生活、学习、工作，亲如兄弟姐妹，在论文的攥写 过程中也给了我极大的帮助。 感谢0 8 级的1 3 位师兄给我的指导、建议和帮助，还要感谢师弟、师妹们 的帮助。 最后，还要感谢我的父母在我的求学生涯中对我无微不至的关怀和照顾， 一如既往地支持我、鼓励我。 再次感谢研究生期间所有帮助我的人，诚挚的祝福你们幸福、安康。 作者：牛风山 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 1r z u 系列液压锻压机2 图1 2 液压控制系统方框图4 图2 1 阀控制单出杆缸液压原理图9 图2 2 液压系统传递函数方框图1 5 图3 1a m e s i m 基本液压元件库1 6 图3 2a m e s i m 电信号源库16 图3 3 液压系统a m e s i m 仿真原理图1 7 图3 4 阀控伺服液压系统基本原理方框图1 9 图3 54 4 = 2 7 时两腔压力变化一2 0 图3 - 6a h 4 = 1 6 8 时两腔压力变化2 1 图3 7 电磁阀固有频率为2 0 0 h z 时的进出口流速变化曲线2 2 图3 8 电磁阀固有频率为8 0 h z 时的进出口流速变化益线2 2 图3 - 9 电磁阀固有频率为5 h z 时的进出口流速变化曲线一2 3 图3 10 给定信号和实际液压缸输出信号的位移对比图2 4 图3 1 1 给定信号和液压缸实际输出位移的偏差2 4 图4 1g a 的基本流程2 7 图4 2p i d 控制原理方框图2 8 图4 3k = 1 时给定信号和液压缸输出位移对比图3 0 图4 4k = 5 时给定信号和液压缸输出位移对比图3 l 图4 5k = 5 时给定信号和实际液压缸输出信号的位移偏差3 1 图4 - 6k = l5 时给定信号和液压缸输出位移对比图3 2 图4 7k = 1 5 时给定信号和液压缸实际输出位移的偏差3 2 图4 8k = 5 0 时给定信号和液压缸输出位移的偏差3 3 图4 - 9k = 5 0 时，液压缸进出口的流速变化图3 3 图4 1 0 k = 3 0 时，液压缸进出口的流速变化图3 4 图4 1 1k = 3 0 时，液压缸进出口的流速变化图3 4 图4 1 2 k = 3 0 时给定信号和液压缸实际输出位移的偏差3 4 图4 13k 二分别取( 5 ，2 0 ，5 0 ，1 0 0 ，15 0 ) 时给定信号和液压缸实际输出位 移的偏差3 5 图4 1 4 k 二分别取( 5 ，2 0 ，5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ) 时，液压缸入口的流速变化3 6 图4 15k 。分别取( o 0 0 0 5 ，0 0 0 5 ，o 0 5 ，0 5 ) 时，液压缸入口的流量变化 ：；7 v i 图4 1 6 遗传学算法的输入参数设定3 8 图4 1 7g a 算法中参数值的设定3 8 图4 1 8 遗传算法的最终结果3 9 图4 1 9 优化后输入信号和活塞杆实际位移对比3 9 图4 2 0 优化后的误差曲线4 0 图4 2 1 优化后进出口流速随时间变化的曲线4 0 图5 1 典型脏油液颗粒尺寸分布4 2 图5 2 不对称缸泄漏模拟模型4 5 图5 3 无泄漏的阶跃响应4 5 图5 - 4 泄漏孔直径分别为0 1 5 m m 、l m m 、2 m m 、5 m m 时系统的阶跃响应4 6 图5 5 伺服阀堵塞模拟模型4 6 图5 - 6 伺服阀的摩擦库仑力分别为5 0 0 n ，10 0 0 n ，2 0 0 0 n ，5 0 0 0 n 时系统的阶跃 响j 立4 7 图5 7 检测控制原理图4 7 图5 8a m e s i m 软件对污染监控系统的仿真分析模型一4 8 图5 - 9 展分别为l o o ，5 ，l 时的模拟结果4 9 v 表格清单 表2 1 普通阀、伺服阀的比较8 表3 1 元件参数表18 表5 1 油源污染物的来源和种类4 1 表5 2 伺服阀失效的模式及其后果4 2 表5 3 不同反对应的过滤效率4 3 v i i i 第一章绪论 随着现代工业的发展，液压工程已经在工程应用中占据了非常重要的地位， 它是现代工业发展的“助推器”，在工业机械领域，液压传动这项技术已经广泛 应用于各行各业中。机械装备的控制与传动离不开液压控制，例如飞行器的助 推、挖掘机等工程机械的控制和驱动、柔性生产线中的液压机器手爪的控制、 驱动等。现代工业发展到今天，它要求利用最小的液压设备来输出最大的功率， 而且要求尽可能高的控制精度。在这方面，液压控制理论优于其他任何传动方 式，因此液压技术被广泛应用于各行各业之中。 在现代工业中，关于液压技术的研究已经不再局限于简单地通过画图纸和 现场调试等传统手段进行设计，计算机仿真技术已经逐步成为液压系统设计的 重要工具。 自19 5 0 年开始，随着计算机的发展，计算机仿真技术已经逐渐成为一种新 兴的学科与必要的设计工具。计算机仿真的基本原理是基于控制工程中的相似 原理，承载于计算机、信息、软件等相关应用学科，利用计算机、小型模拟系 统等物理元件，在实验室中，对各种不同的系统利用数学手段建立数学模型、 物理模型，从而进行动态的仿真研究，以此来分析系统的各种性能。简单地讲， 仿真技术就是根据已知的物理系统建立相应的数学模型，利用计算机为承载工 具进行计算仿真，从而得到所需要的数据和图形。而随着计算机计算能力的增 强，现在，计算机仿真技术已不仅仅是简单的人为建立数学模型，在计算机上 进行解算的过程，已经出现例如数字仿真、模拟仿真以及混合仿真等技术，并 广泛应用于各行各业中【l j 。 1 1 课题的来源及研究背景 1 1 1 课题的来源 本课题来源于合肥锻压集团有限公司与合肥工业大学现代集成制造与数控 装备( c i m s ) 研究所共同承担的国家科技重大专项“大型数控单双动薄板冲压 液压机”。 图1 1 为本文的主要研究对象一r z u 系列锻压液压机，本文对其液压控制 系统进行数学建模和计算机仿真分析。 图1 1r z u 系列液压锻压机 1 1 2 课题的研究背景 电液控制技术在现代工业控制当中是连接计算机、微电子技术和液压技术 为一体的桥梁。在现代控制理论当中，电液控制技术已经占有非常大的比重， 它具有其他控制系统所不具备的优点：死区很小、线性度比较好、灵敏度极高、 响应速度非常快、精度高、动态性能远远高于其他控制系统等优点。合肥锻压 集团的阀控式液压锻压机采用的是插装阀功能组件和锥阀集成块组成的液压机 液压控制系统。现代工业中，随着伺服比例阀的产生和发展，电液伺服控制系 统通过运用伺服阀来提高系统的各项性能指标【2 j 。 1 2 伺服液压控制系统和液压机在国内外的发展状况 电液伺服控制系统的发展可以分为四个阶段。 液压控制技术是伴随着帕斯卡定律的产生而问世的。1 7 世纪开始，液压技 术开始被人们研究并利用。但是直到1 9 5 0 年左右，为了满足人们对液压系统稳、 准、快的要求，电液伺服系统把液压控制原理和电控系统结合在一起，使控制 系统有了更加优良的性能，尤其是在伺服液压阀产生之后，使得电液伺服系统 在工业生产中占据了重要的位置。从此，电液控制理论进入了第一发展阶段。 在这个阶段，由于伺服阀造价昂贵，而且对外部环境的要求非常高，液压伺服 系统中一般用比例复合阀来代替伺服阀，开环控制在当时占据了主导地位。直 到上个世纪8 0 年代，电液伺服控制才开始进入闭环控制为主的阶段，也就是快 速发展的第二阶段。这时人们开始利用日益成熟的比例放大器和电磁铁技术， 使得电液控制系统的滞环和频宽都达到了较为理想的状态。当比例阀开始采用 内反馈以及校正后，电液伺服控制系统进入了第三发展阶段，在这个阶段，它 的精确性、稳定性、快速性有了迸一步的提高。1 9 9 0 年以后，伺服比例阀的问 世解决了液压系统中一直存在的死区问题，才真正形成了现代电液伺服控制理 论，使得它广泛应用于各个领域 3 - 4 j 。 1 6 5 0 年左右，静压传递原理面世。1 7 9 5 年，世界上出现了第一台水压机。 18 6 2 年，第一次用液压机进行锻压工作，锻造工序才开始由传统的人工打铁的 模式进入机械化的模式。1 8 8 4 年，蒸汽式水压锻压机在英国面世。蒸汽式水压 锻压机由于其高效率等特点而受到人们的广泛关注，并获得迅速发展。不久之 后，第一台4 0 m n 锻压机面世。19 世纪末，美国的钢铁公司造出了当时世界上 最大的1 2 6 心锻压机。从1 9 2 0 年开始，由于泵蓄能器水压机的产生，令水压 锻压机得到了进一步的发展，多台大型水压机相继产生。 我国的锻压机研究始于建国初期，基本上是从零开始的。 l9 5 3 年，沈阳 机床厂投产生产了我国第一台2 0 m n 压机，1 9 5 7 年，该厂又设计制造了我国第 一台基于水泵蓄能器传动的2 5 m n 锻压机。1 9 5 8 年，国家开始研究设计万吨 级锻压机，并于1 9 6 2 年和1 9 6 4 年分别在上海的江南造船厂和沈阳机床厂先后 试制成功。与此同时，沈阳机床厂在19 6 1 年成功研制出3 2 心的锻压机。经粗 略统计，从解放后到1 9 6 7 年，我国总共研究制造出1 0 心到1 2 0 心的锻压机3 0 多台。1 9 7 0 年开始，我国各省开始自主研发锻压机械，尤其是中小型的锻压机， 发展非常迅猛，生产出许多自主研发的锻压机械。在这些锻压机中，无论是其 结构组成、驱动系统、操控系统，还是各项性能指标，都有明显的进步。1 9 7 5 年，我们国家着力重修了“水压机零部件标准”，这标志着我国在锻压机的标准 化、系列化和通用化方面取得了零的突破。从1 9 7 9 年到1 9 8 2 年，国家分别生 产出6 3 m n 1 6 m n 3 1 5 m n 等大型锻压机。1 9 8 0 年开始，我们又进一步地设计 了多台各类式的从小型到大型的锻压机，全国总共拥有的锻压机数目超过了 1 0 0 台，这些锻压机分别服务于机械、军工等领域，机械设备的数量已经逐步 与世界水平接轨。但是由于工作环境和劳动力等因素的影响，我国生产的锻压 产品总是质量不好、精度又低。所以需要在高效、高精度方面有很大程度的提 l 局。 1 9 5 0 年，可测量的油泵传动锻压机诞生，并得到广泛的应用，推动锻压机 行业快速发展。到2 0 世纪7 0 年代，高速、高精度、高自动化的机组和生产线 产生。最早的油泵是四柱式液压机改造而成的，国外从1 9 6 0 年开始到19 8 0 年， 已经生产出油泵直接传动的液压锻压机1 0 0 多台。 我国从19 5 6 年才开始进行油泵直接传动式液压机的研制，9 0 年代，国内 的液压锻压机开始进入大量研发和大规模制造阶段，先后出现了许多高水平的 产品，液压锻压机行业在这一时期得到了进一步发展。 液压机的机体构架已经非常成熟，国内外现在主要研究其控制系统，希望 能够使得液压机精度更高、速度更快、稳定性更好。与美、日、德等工业强国 相比，中国的液压机种类虽然非常齐全，但是技术水平还是有相当大的差距。 液压锻压机未来的发展方向如下： ( 1 ) - 1 - _ 件装卸自动化、集多种工序于一台液压机。全自动柔性生产线是液 压机发展的方向。 ( 2 ) 高速、高精度是液压机将来主要需要优化的方向。可以利用电液伺服 控制、传感器等技术手段来进一步提高液压机的各项性能指标。 ( 3 ) 节能、环保等方面一直是液压机械的弊端。因此，以后要在这方面加 强研究p 瑙j 。 1 3 伺服液压控制系统的组成和分类 1 3 1 液压伺服系统的组成 液压传动的伺服控制系统是由液压动力机构和液压反馈机构组成的闭环反 馈控制系统。其一般可以分为机械控制液压伺服系统和电气控制液压伺服系统 ( 简称电液伺服控制系统) 两种。机械式液压伺服控制系统应用得比较早，已 经比较成熟，但是随着电液伺服系统的出现，由于它有更多的优点( 例如大功 率、快响应、死区小等) ，竞争力比之机械式伺服控制系统更大。被广泛应用 于飞机、导弹、船舶的舵机系统，大炮、雷达的随动系统以及锻压机械的下压 系统等。因此对于电液伺服系统的研究是常重要一j 。 一般的液压伺服系统主要由指令装置、比较元件、伺服放大器、液压控制元件、 液压执行机构、被控对象和检测装置等组成，具体如图1 2 所示。 图1 - 2 液压控制系统方框图 1 3 2 液压伺服系统的分类 液压伺服系统的基本分类： 4 1 按控制信号的类别和伺服阀的类型：机液伺服系统；电液伺服系统；气 液控制系统。 2 按液压功率放大器的类型：阀控液压伺服系统：泵控液压伺服系统。 3 按负载运动性质及其输出量的物理量：液压位置伺服系统；液压速度控 制系统；液压加速度伺服系统；液压力( 压力) 伺服系统。 4 按检测元件的输出量形式及其信号处理手段：模拟式液压伺服系统；数 字式液压伺服系统。 1 4 本课题研究的意义及目的 。随着液压控制技术的发展以及液压控制应用领域和适用范围的逐渐扩大， 人们对液压传动系统与液压控制系统的要求越来越高，要求它有更强的承载能 力和更高的控制精度，对系统的柔性化以及系统的各项性能指标也提出了更高 的要求。传统的设计只能满足系统的机械功能和静态特性，系统的动态性能却 得不到满足。因此，现代在进行液压系统的设计过程中，需要利用新的手段来 满足液压系统要求更高的动态性能。 本课题旨在对伺服阀控液压系统的非线性、时变、受外界扰动作用的影响 等特性进行研究，建立液压控制系统的数学模型，并利用a m e s i m 软件、遗传 学算法等手段来提高阀控液压系统的控制精度和自适应能力。建立电液控制系 统数学模型，并在a m e s i m 软件环境下对伺服液压机的液压传动和控制系统进 行仿真，最后利用p i d 控制和遗传学算法等手段达到优化系统性能的目的，从 而提高控制精度和响应速度及其自适应能力【l0 。1 1 】。 1 5 论文的主要内容 本文对伺服阀控电液控制系统的特性进行了研究、分析和计算机仿真，主 要以r z u 2 0 0 0 h m 型液压机为研究载体，构建数学模型，分析液压机不同因素 ( 例如伺服阀的固有频率、阻尼系数等) 的改变对系统性能的影响。本文的主 要章节如下。 第一章：绪论。在绪论中本文分析介绍了液压伺服系统的主要组成和分类， 电液比例伺服系统和液压锻压机在国内外的发展状况。 第二章：阀控单出杆液压控制系统数学模型的建立。首先简要阐述了 r z u 2 0 0 0 h m 型液压机的主要工作原理和基本结构，然后对该液压机的液压控 制系统进行简化，并利用三位四通伺服阀代替原有的插装阀和锥阀组件，构建 系统的数学模型，推导出系统的闭环传递函数。 第三章：伺服阀控液压系统的计算机仿真。结合第二章中建立的系统数学 模型，利用a m e s i m 软件对液压系统建立计算机模型，利用计算机仿真分析了 有杆腔、无杆腔横截面节之比的变化以及伺服阀固有频率的改变对系统性能的 影响。初步模拟了在给定信号的作用下，液压缸的实际位移与期望值的偏差。 第四章：基于a m e s i m 和遗传学算法对系统p i d 参数的整定。在特定设计 要求下，系统的动、静态性能往往不能得到满足，因此需要利用p i d 调节、电 路补偿等手段对系统进行优化。首先利用a m e s i m 软件对系统进行仿真运行， 确定p i d 控制三个参数的大致范围，然后利用遗传学算法对参数进一步优化整 定，得到最优结果。 第五章：伺服阀控系统的油液污染控制。由于伺服阀的抗污染能力较差， 而伺服液压系统是全闭环控制，很容易造成内部油液污染，从而对系统的各项 性能和正常运行造成影响。本章介绍了污染的主要来源和后果，对抗污染提出 一些建议，并仿真分析了几种危害对系统性能的影响，最后提出了一套简单的 在线监控理论。 第六章：总结与展望。在本文的最后，对全文进行了简单的总结归纳，并 对仍需要解决的问题进行了展望。 6 第二章阀控单出杆液压控制系统数学模型的建立 2 1r z u 2 0 0 0 i - i m 液压机的简介 本文研究对象为图1 1 所示的r z u 系列快速薄板深拉伸液压机，该液压机 的特点如下： 性能特点：引进德国技术，计算机优化设计，具有国际先进水平；框架式结 构，刚性好；四角八面导轨，导向的精度比较高，抵抗偏载的能力很强；采用 新型的油缸密封元件，可靠性比较高，寿命比较长；空程运动以及工作过程的 速度很快，大大提高了效率；冲裁过程噪声比较低，可以代替普通的机械式锻 压机；采用位移传感器或无触点开关，提高了位移控制的精度和可靠性；拥有 机械、液压、电气三个部分的一体化安全装置，安全性高；p l c 控制，工作灵 敏可靠，柔性好。 适用领域：不仅适用深拉伸，而且适应浅拉伸、冲裁落料、翻边等所有冲 压工艺，特别适用于以下领域：汽车零部件：车身覆盖件、制动片、油箱、 底盘、桥壳、保险杠；厨房用具：洗涤槽、壶具、不锈钢用具、其它各种容 器；厨房用具：洗涤槽、壶具、不锈钢用具等其他容器；其他领域：拖拉 机、摩托车、航天、航空等【l2 1 。 r z u 2 0 0 0 h m 型锻压机全称2 0 0 0 0 千牛快速薄板拉伸液压机。该机的主要 用途：该机为快速薄板拉伸液压机，适用于黑色金属及有色金属薄板的冲压、 弯曲、压制等工艺，广泛应用于飞机，汽车，拖拉机等行业中的薄板覆盖零件 的加工工艺；一定的工艺条件下，该机型还可以进行一般的四柱液压机所具有 的压装、校正及其非金属材料的压制等功能，应用十分广泛。 该机型的工作压力、行程范围和压制速度可以在一定范围内进行调节，能 够完成定压成型和定行程成型两种工艺方式，定压成型工艺具有压制后保压延 时及其自动回程动作。 该机型具有独立的动力机构和电气系统，电气系统采用p l c 控制和按钮集 中控制，可以进行调整，单次循环两种工作方式。 该机型采用了三缸结构，中间为柱塞式液压缸，两侧为活塞式液压缸。该 机主要由机身、滑块、可移动工作台、顶出缸、主油缸、侧油缸、提升夹紧缸、 液压垫缸、限位行程装置、润滑装置、液压动力系统和电气系统组成【l3 。 其中液压动力系统是液压泵驱动的，由液压泵、各种液压阀以及油路管道 和油箱组成。而行程限位装置主要由限位开关和位移传感器组成。该机型用的 是普通的电磁换向阀，通过溢流阀和调压阀来控制油液的流速，从而控制液压 缸的位置、速度和方向。 随着现代液压工业的发展，在很多高端的锻压机械中，闭环控制系统正在 逐步取代普通的开环控制系统。各方面性能更加精良的伺服阀在现代阀控液压 系统中占据了主导地位。 2 2 单出杆液压缸液压系统主要特点介绍 阀控对称缸位置控制系统具有较优良的对称控制特性，在试验和生产制造 中被广泛应用，已经建立了阀控缸的基本理论。其对比于阀控单出杆电液控制 系统具有更加优良的控制特性，但是它的结构相比较于单出杆液压缸电液控制 系统更为复杂，造价比较高，而且在复杂的环境下难以应用，不能适用于大体 积的工作要求 1 4 1 。 单出杆液压缸电液控制系统加工简单，成本低廉，占用空间较小，而且由 于进口和出口的阀横截面积不一样，可以增加工作的压强，从而提高效率。但 是其固有的非对称性也会造成很多负面影响。非对称性会产生典型的非线性， 对于液压系统的低阻尼、非线性和时变性等特点对控制系统的精度及控制的实 时性具有一定的限制，造成了很多不方便。而且由于负载的变化、油温的升降 以及内外油源泄漏和油压的变化都会造成系统模型的实时变化，从而造成控制 精度的进一步下降以及模拟器的模拟精度降低【l5 1 。 在电磁阀换向的瞬间，单出杆液压缸电液控制系统会造成很大的“压力跃 变”，这一理论在1 9 8 0 年由t a c oj v i e r s m a 提出。国外很多专家对此进行了大 量深入的研究。对于这种压力跃变，现有的解决办法有电路补偿以及尺寸匹配 原则，具有良好的效果，使非对称缸被越来越广泛的应用于工业生产中。 2 3 伺服比例阀特点介绍 表2 1 列出了普通阀和伺服阀各方面性能的比较。 表2 - 1 普通阀、伺服阀的比较【1 6 】 伺服阀比例阀早期比例阀 电一机械转换力马达、力矩 比例电磁铁比例电磁铁 器马达 频响( h z ) 2 0 2 0 0 1 3 0 1 5 零位死区无有有 加工精度微米级1 0 微米级1 0 微米级 线圈功率 0 0 5 51 0 2 41 0 3 0 ( w ) 滞环( ) 1 3l 34 7 体积小大大 使用场合闭环开环、闭环开环 伺服阀和普通比例阀的比较： 1 普通的比例阀一般用的是电机械转换器和比例电磁铁，无论其中有没有 反馈环节，由于它的控制电流比较大，一般在几百毫安甚至是1 安培，容易造 成放大器功率大，价格高，容易造成烧管等现象。而伺服阀无论用双喷嘴挡板 式还是射流式，控制电流都只要几十毫安到几毫安，因此伺服放大器的功率也 很小，价格较低。 2 比例阀的加工精度一般在lo p 级，而伺服阀可以达到肛级，而且没有死 区，频响高，滞环小。 2 4 数学建模方法的特点及其常用建模方法介绍 1 数学模型与物理模型比较具有以下优点：( 1 ) 抽象性；( 2 ) 解析性； ( 3 ) 方便性；( 4 ) 经济性。 2 数学模型的分类：( 1 ) 静态与动态模型；( 2 ) 连续时间模型与离散时间 模型；( 3 ) 定常参数模型与非定常参数模型；( 4 ) 几种参数模型与分布参数模 型。液压系统常用的数学模型是连续的定常集中参数模型。 3 常用的数学模型的建立方法：( 1 ) 解析法建模，其中包含：微分方程 建模、传递函数与方框图、信号流图；( 2 ) 状态空间法建模；( 3 ) 功率键合 图法； ( 4 ) 灰箱法建模【1 7 】。 2 5 液压控制系统数学模型的建立 2 5 1 伺服阀控单出杆液压缸控制系统的原理 图2 1 所示为零开口非对称四通阀控制单出杆活塞缸原理图。四通阀控单出 杆液压缸的动态性能取决于滑阀和液压缸的特性，且和负载作用有关，假设负 载是质量、弹性、阻尼组成的单自由度系统。基本工作原理是：通过控制滑阀 的开口方向和大小来控制液压油的流速和液压缸的移动方向和速度。 图2 。1 阀控单出杆缸液压原理图 9 2 5 2 液压动力机构基本流量方程的建立 ( 1 ) 伺服阀的流量方程1 8 - 2 2 】 首先，作出如下假设： 1 滑阀为理想的零开口对称四通阀；2 滑阀具有理想的响应能力( 即对应 于滑阀压力变化和阀芯位移对应的流量变化能瞬间发生) ；3 定量泵所提供的 压力是恒定的，且回油压为零；4 流动为紊流，液体的压缩性予以忽略。 当活塞速度毫， 0 时， 左腔的流量方程为： 鸟：c a w x x 蚴 ( 2 - 1 ) v p 右腔的流量方程为： q 2 ：c d w x v i 降 ( 2 - 2 ) vp 滑阀的负载流量为： q ：c d w x v l l ( p s 三p 1 ) ( 2 3 ) yy 其中，w = x d 。 式中，c 一流量系数； w 一滑阀的面积梯度( 阀口沿圆周方向的宽度) ： d 一滑阀阀芯凸肩直径； 只一伺服阀供油压力； 只一伺服阀负载压力。 其中，x ，= k 。f 。 式中，k 。一伺服阀增益( 取决于定量泵的机构及集合参数) ； f 一电机线圈输入电流。 ( 2 ) 液压缸的流量方程： 无杆腔流量方程为： q c j 。( p l - p 2 ) 一c 。p l = 破+ 导木矗 ( 2 4 ) p e 有杆腔流量方程为： t q ( p l p 2 ) 一巳p ：一q 2 = 圪+ 詈木力2 ( 2 - 5 ) 式中，c f c 一内泄漏系数； c c c 一外泄漏系数； 危一液体体积弹性模量； 1 0 k 一无杆腔的容积； 圪一有杆腔的容积。 由公式2 1 到2 5 可以得出左右两腔的流量比： 一q 2 一 芝一b g 一、 与 一唧吲一芝一老鹕 ( 毋一芝) + 与+ 差矗+ 巧 由于泄漏和液容效应所引起的流量远小于活塞运动所引起的流量变化，所 以上式可以简写成： 叩2 一 一一 k 设芝三嚷) 将上式代入代入2 - 6 中，则可以得到 7 72 4 以 再设口为活塞杆的截面积，则可以有 4 = 4 一口 州一三 以2 南 设另为负载压力，并且定义： # = 互一墨 综合2 - 8 和2 1 0 可以得到 p ：翌：堡丝 1 1 + 7 2 p ：翌：! 丝二丝1 2 1 十r 2 定义负载流量骁：垒去堡 由2 1 ，2 1 0 ，2 1 1 可得下面公式： ，或 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 骁= 口c d w x i i ( p , - - p l ) ，护。 ( 2 1 2 ) 式中口：j ! 至i 。 x 2 ( 1 + r 1 2 1 当活塞速度毫 o 的时候，将等式( 2 1 1 ) 代入( 2 1 8 ) 可得负载的 压力方程，如下所示： 置= ( 喊+ 绵毫+ k x + z ) ( 2 - 2 0 ) 其中，z 一等效干扰力，n ，f e = f - 厶； 小附加外干扰力，厶= 鲁邓_ c 2 ) 哪护。，c 2 = 南。 当毫 0 时，负载压力方程为： 置2 去( 喊+ 廓毒+ 嵫肿z ) 其中， 厶2 而c r p , = c 2 口见，毫 o ( 2 2 1 ) 将q = k q x v k a ，式( 2 - 1 8 ) 以及式( 2 2 0 ) 联立起来可以得到非对称动力机 】，：k 鱼, = x - 兰k 丛, od ( 丝v 垒。一s + 1 ) f , ( 2 2 2 ) ，= 生善s 等 协2 2 ) ， z e k 。 一 【f + 也s + l 弦 吒。 式中，。= 2 ，t a d s ； 铲如雁+ 鲁压 k 为总流量- 压力系数，单位是聊5 n 幸s ；k = k 。+ c f 。 从式( 2 - 2 2 ) 可以看出，该系统的数学模型是一个三阶数学模型，所以该液压系 统是一个三阶系统。 2 5 3 电控系统传递函数的建立 由于运放、功放电路和传感器的响应频率都比较高，所以可以将它看成是 比例环节，而伺服阀的固有频率一般是液压缸的5 倍以上，这时一般将它看作 为一个比例环节，所以有： 1 伺服阀的位移对应输入电流的传递函数如下所示： 叩) 专2 甄k v ( 2 - 2 3 ) ：v 2 前置运算放大器的传递函数： 巧= 孚 ( 2 - 2 4 ) 3 功率放大器的传递函数： k 2旁(2-25) 4 位移传感器的传递函数： t 2 x r ( 2 2 6 ) 2 5 4 非对称缸数学模型 单出杆液压缸电液控制系统加工简单，成本低廉，占用空间较小，而且由 于进口和出口的阀横截面积不一样，可以增加工作的压强，从而提高效率。但 是其固有的非对称性会造成很多的负面影响。非对称性会产生典型的非线性， 液压系统的低阻尼、非线性和时变性等特点对控制精度及实时性有一定的限制， 造成很多不方便。且由于负载的变化、油温的升降以及内外油源泄漏以及油压 的变化都会造成系统模型的实时变化，从而造成控制精度的进一步下降。 由公式( 2 2 2 ) 到( 2 2 6 ) 联立起来可以得到非对称缸阀控位置系统的数 学模型： 1 4 垮 ycj，=：薹茎：_竺三二三：竺!一 c2 - 2 7 ， ，2 器2 蕊k 吒。 其中，k ：挚k v k y k o 4 ，l 。 系统方框图如图2 - 2 所示： ( 2 2 8 ) 图2 2 液压系统传递函数方框图 2 6 本章小结 本章对单出杆阀控伺服液压系统的伺服液压阀、放大器、位移传感器以及 液压缸和整个系统建立了数学模型，并建立了整个液压系统的传递函数，为以 后的动、静态性能研究打下了基础。 第三章伺服阀控液压系统的计算机仿真 3 1a m e s i m 软件的简介 a m e s i m 软件是法国伊梦境( i m a g i n e ) 公司开发的一款非常优秀的仿真软 件。该软件已经成为流体、机械、电磁控制、热分析等复杂系统建模和仿真的 优选平台1 2 3 。该软件建模简单，分析功能强大，尤其在液压系统建模和仿真分 析方面得到广泛的应用。 3 1 1 a m e s i m 软件的优点 1 图形化的物理建模方式可以让用户不需要进行繁琐的数学建模，仿真模 型的建立、扩充及其改变都是在图形界面下进行的，操作简单明了。 2 软件系统内嵌各种数学处理工具，智能求解器可以自动的选择、更改微 积分算法、调整步长。 3 仿真范围很广，可应用于机械、液压、电气、热分析、污染度分析等各 种工程问题。 4 有非常规范的二次开发平台，具有c + + 语言，m a t l a b 语言等接口。 5 可以进行动态仿真、稳态仿真、批处理和间断、连续仿真多种模式，运 用非常方便。 6 在液压仿真分析方面，具有强大的液压模型库，其中的基本液压元件库 和电信号源库如图3 1 和图3 2 所示。 | 剑倒倒q | ： 一型| 剜_ 剑互 剑鱼审l 审i 由| 由l 垒| 剑舍| 客l 申| 单i ! 和i 中蛛i ：蚓一肾| | 留! l 圈l 峰l 冷| 瘁； 鸣i 嫂帚| ! 爿剜：奶| 令| 令；勺io | 毁| 方：| 婶 l 令1 蚓翻靼li p i 型型到旦| 且| 醉 哟l 舅剑剑剿割舅 国t ! | 剑：| i 兮| 剑；| | | 璺；| 剑剑捌型剜型划歪| 划歪蚓由| 剧 暨| 盔到型到型量到舅型剜盔兰| 刿型型到；到到留l 型剖昼| 坚| 暨| 旦| 型型型务l 缸l i 格| 型璺剧 倒塑| 倒型型昼| 型型型型 倒昼叠倒型固l 避 露i 翟墅 圆甄| 图3 1a m e s i m 基本液压元件库图3 - 2a m e s i m 电信号源库 3 1 2 a m e s i m 软件四个基本步骤 a m e s i m 软件从方案到仿真的四个步骤【25 j ： 第l 步s k e t c h ：根据已知的物理模型，从不同的模型库来选取图形模块建 立a m e s i m 系统模型； 第2 步s u b m o d e l s ：给每个子模型元件选择正确的数学模型； 第3 步p a r a m e t e r s ：给每个子元件设置具体的数学参数； 第4 步s i m u l a t i o n ：进行仿真运行，分析结果并且绘制出仿真结果曲线。 1 6 3 2 对伺服阀控液压系统建立a m e s i m 液压模型并对其参数进行设置 本文所建立的a m e s i m 液压模型是根据合肥锻压集团r z u 2 0 0 0 h m 锻压机 的液压控制系统进行简化的，并将其中的二通插装阀功能组件和锥阀集成块改 装成三位四通伺服比例换向阀。其他基本技术参数参照该型机进行设置。 1 第一步，打开a m e s i m 软件后，进入其中的s k e t c hm o d e 模块，利用它 的液压库、机械库和信号源库建立如图3 3 所示的a m e s i m 液压系统模型。 图3 - 3 液压系统a m e s i m 仿真原理图 这个系统是结合合肥锻压集团的r z u 系列液压锻压机，对其液压系统进行 简化，并将其中的二通插装阀功能组件和锥阀集成块改装成三位四通伺服比例 换向阀，工作缸用两个并联的液压缸来简化表示。如图3 3 所示，用一个分段 线性信号u d 0 0 1 来模拟