0008-電液伺服跑偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
0008-電液伺服跑偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),伺服,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)
前 言
隨著20世紀(jì)自動(dòng)化技術(shù)的巨大進(jìn)步,自動(dòng)控制理論得到不斷地發(fā)展和完善。本文正是針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù),通過(guò)設(shè)計(jì)方案的分析比較之后,選擇電液控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)此次任務(wù)。
本文首先介紹了液壓控制的一些基本概念,對(duì)研究對(duì)象和任務(wù)作出了整體的介紹,并簡(jiǎn)述了液壓控制技術(shù)的發(fā)展史。然后在明確設(shè)計(jì)要求的情況下,對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分析。通過(guò)機(jī)液伺服跑偏控制系統(tǒng)和電液伺服跑偏控制系統(tǒng)的分析對(duì)比,最終選擇了電液伺服跑偏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,從而進(jìn)入本課題研究要點(diǎn)。
接著本文對(duì)電液伺服跑偏控制系統(tǒng)做了具體的設(shè)計(jì),先是對(duì)電液伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析,得出了電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而分析了其特點(diǎn)。接著又對(duì)系統(tǒng)做了靜、動(dòng)態(tài)計(jì)算及分析,確定了供油壓力,選取了伺服閥,并求取了各元件的傳遞函數(shù),繪制了系統(tǒng)方塊圖,得出系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)。
然后還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正,得到更為優(yōu)良的設(shè)計(jì)參數(shù),使系統(tǒng)更加完善,以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。最后利用了先進(jìn)電腦仿真技術(shù)MATLAB對(duì)所做的系統(tǒng)進(jìn)行仿真,通過(guò)改變系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析、比較,從而可看出系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的影響,
本論文在王慧老師的悉心教導(dǎo)之下,通過(guò)研讀各著作期刊,經(jīng)過(guò)多次的修改。由于作者水平有限,論文中難免出現(xiàn)點(diǎn)差錯(cuò),懇請(qǐng)讀者指正。
1 緒 論
液壓伺服控制系統(tǒng)是以液壓動(dòng)力元件作驅(qū)動(dòng)裝置所組成的反饋控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,輸出量(位移、速度、力等)能夠自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。與此同時(shí),還對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大,因此也是一個(gè)功率放大裝置。
液壓伺服控制系統(tǒng)是以液體壓力能為動(dòng)力的機(jī)械量(位移、速度和力)自動(dòng)控制系統(tǒng)。按系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸和控制方式不同分為機(jī)液伺服系統(tǒng)和電液伺服系統(tǒng)兩種。
機(jī)液伺服系統(tǒng)的典型實(shí)例是飛機(jī)、汽車和工程機(jī)械主離合器操縱裝置上常用的液壓助力器,機(jī)床上液壓仿形刀架和汽車與工程機(jī)械上的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。
電液伺服控制系統(tǒng)是以液壓為動(dòng)力,采用電氣方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸和控制的機(jī)械量自動(dòng)控制系統(tǒng)。按系統(tǒng)被控機(jī)械量的不同,它又可以分為電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度伺服控制系統(tǒng)和電液力控制系統(tǒng)三種。電液位置伺服控制系統(tǒng)適合于負(fù)載慣性大的高速、大功率對(duì)象的控制,它已在飛行器的姿態(tài)控制、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、雷達(dá)天線的方位控制、機(jī)器人關(guān)節(jié)控制、帶材跑偏、張力控制、材料試驗(yàn)機(jī)和加載裝置等中得到應(yīng)用。
1.1 液壓伺服控制系統(tǒng)的組成
液壓伺服控制系統(tǒng)不管多么復(fù)雜,都是由以下一些基本元件組成的,如圖1-1所示:
圖1-1 電液伺服控制系統(tǒng)
Fig.1-1 electro-hydraulic servo system
1)輸入元件——也稱指令元件,它給出輸入信號(hào)(指令信號(hào))加于系統(tǒng)的輸入端。該元件可以是機(jī)械的、電氣的、氣動(dòng)的等。如靠模、指令電位器或計(jì)算機(jī)等。
2)反饋測(cè)量元件——測(cè)量系統(tǒng)的輸出并轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)。這類元件也是多種形式的。各種傳感器常作為反饋測(cè)量元件。如測(cè)速機(jī)、閥套,以及其它類型傳感器。
3)比較元件——相當(dāng)于偏差檢測(cè)器,它的輸出等于系統(tǒng)輸入和反饋信號(hào)之差,如加法器、閥芯與閥套組件等。
4)液壓放大與轉(zhuǎn)換元件——接受偏差信號(hào),通過(guò)放大、轉(zhuǎn)換與運(yùn)算(電液、機(jī)液、氣液轉(zhuǎn)換),產(chǎn)生所需要的液壓控制信號(hào)(流量、壓力),控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),如放大器、伺服閥、滑閥等。
5)液壓執(zhí)行元件——產(chǎn)生調(diào)節(jié)動(dòng)作加于控制對(duì)象上,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)任務(wù)。如液壓缸和液壓馬達(dá)等。
6)控制對(duì)象——被控制的機(jī)器設(shè)備或物體,即負(fù)載。
此外,系統(tǒng)中還可能有各種校正裝置,以及不包含在控制回路內(nèi)的能源設(shè)備和其它輔助裝置等。
液壓控制元件、執(zhí)行元件和負(fù)載在系統(tǒng)中是密切相關(guān)的,把三者的組合稱之為液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)。凡包含有液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的反饋控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為液壓控制系統(tǒng)。
1.2 液壓伺服控制的分類
液壓伺服控制系統(tǒng)可按下列不同的原則進(jìn)行分類,每一種分類的方法都代表系統(tǒng)一定的特點(diǎn)。
1.2.1按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律分類
液壓伺服控制系統(tǒng)按輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同可分為:定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)。
1) 定值控制系統(tǒng)——當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)為定值時(shí),稱為定值控制系統(tǒng)。對(duì)定值控制系統(tǒng),基本任務(wù)是提高系統(tǒng)的抗干擾性,將系統(tǒng)的實(shí)際輸出量保持在希望值上。
2) 程序控制系統(tǒng)——當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)按預(yù)先給定的規(guī)律變化時(shí),稱為程序控制系統(tǒng)。輸入量總在頻繁的變化,系統(tǒng)的輸出量能夠以一定的準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化。
3) 伺服控制系統(tǒng)——也稱隨動(dòng)系統(tǒng),其輸入信號(hào)是時(shí)間的未知函數(shù),而輸入量能夠準(zhǔn)確、快速地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。對(duì)伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō),能否獲得快速響應(yīng)往往是它的主要矛盾。
1.2.2按被控物理量的名稱分類
1) 位置伺服控制系統(tǒng);
2) 速度伺服控制系統(tǒng);
3) 加速度伺服控制系統(tǒng);
3) 力控制系統(tǒng);
4) 其它物理量的控制系統(tǒng);
1.2.3 按液壓動(dòng)力元件的控制方式分類
1) 節(jié)流式控制(閥控式)系統(tǒng)——用伺服閥按節(jié)流原理來(lái)控制流入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量或壓力的系統(tǒng)。
2) 容積式控制(變量泵控制或變量馬達(dá)控制)系統(tǒng)——利用伺服變量泵或變量馬達(dá)改變排量的辦法控制流入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量和壓力系統(tǒng)。又可分為伺服變量泵系統(tǒng)和伺服變量馬達(dá)系統(tǒng)兩種。
1.2.4 按信號(hào)傳遞介質(zhì)的形式分類
1) 機(jī)械液壓伺服系統(tǒng);
2) 電氣液壓伺服系統(tǒng);
3) 氣動(dòng)液壓伺服系統(tǒng);
除以上幾種分類方法外,還可將系統(tǒng)分為數(shù)字控制系統(tǒng)和連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng),線性或非線性控制系統(tǒng)等。
1.3 液壓伺服控制的優(yōu)缺點(diǎn)
1.3.1 液壓伺服控制的優(yōu)點(diǎn)
液壓伺服系統(tǒng)與其它類型的伺服系統(tǒng)相比,具有以下的優(yōu)點(diǎn):
1) 液壓元件的功率—重量比和力矩—慣量比大, 功率傳遞密度高, 可組成結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、加速性好的伺服系統(tǒng)。對(duì)于中、大功率的伺服系統(tǒng),這一優(yōu)點(diǎn)尤為突出。
2) 液壓動(dòng)力元件快速性好,系統(tǒng)響應(yīng)快。由于液壓動(dòng)力元件的力矩—慣量比(或力—質(zhì)量比)大,所以加速能力強(qiáng),能高速起動(dòng)、制動(dòng)與反向。
3) 液壓伺服系統(tǒng)抗負(fù)載的剛度大,即輸出位移受負(fù)載變化的影響小,定位準(zhǔn)確,控制精度高。
4) 液壓執(zhí)行元件速度快, 在伺服控制中采用液壓執(zhí)行元件可以使回路增益提高、頻寬高。
5) 液壓控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)頻繁的帶載起動(dòng)和制動(dòng), 可以方便地實(shí)現(xiàn)正反向直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力控制, 調(diào)速范圍廣、低速穩(wěn)定性好、能量貯存和動(dòng)力傳輸方便。
此外,液壓伺服控制系統(tǒng)還有一些優(yōu)點(diǎn)。如液壓元件的潤(rùn)滑性好,液壓元件壽命長(zhǎng)(與氣動(dòng)相比);調(diào)速范圍寬、低速穩(wěn)定性好;借助油管動(dòng)力傳輸比較方便;借助蓄能器,能量?jī)?chǔ)存比較方便;液壓執(zhí)行元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩種,增加它的適應(yīng)性;過(guò)載保護(hù)容易;解決系統(tǒng)溫升問(wèn)題比較方便;易于采取節(jié)能措施等
1.3.2 液壓伺服控制的缺點(diǎn)
液壓控制系統(tǒng)因有上述突出優(yōu)點(diǎn),使它獲得廣泛的應(yīng)用。但它還存在不少缺點(diǎn),因而又使它的應(yīng)用受到某些限制。其主要缺點(diǎn)有:
1) 液壓元件,特別是精密的液壓控制元件(如電液伺服閥)抗污染能力差,對(duì)工作油液的清潔度要求高。污染的油液會(huì)使閥磨損而降低其性能,甚至被堵塞而不能正常工作。這是液壓伺服系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。因此液壓伺服系統(tǒng)必須采用精過(guò)濾器。
2) 油液的體積彈性模量隨油溫和混入油中的空氣含量而變化。油液的黏度也隨油溫的變化而變化。因此油溫的變化對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響。
3) 當(dāng)液壓元件的密封裝置設(shè)計(jì)、制造或使用維護(hù)不當(dāng)時(shí),容易引起漏油,污染環(huán)境。采用石油基液壓油,在某些場(chǎng)合有引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。采用抗燃液壓油可使這種危險(xiǎn)減小。
4) 液壓元件加工精度要求高,成本高,價(jià)格貴。
5) 液壓能源的獲得、儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離輸送不如電氣系統(tǒng)方便。
1.4 電液伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展概況
電液伺服控制技術(shù)最先產(chǎn)生于美國(guó)的 MIT,后因其響應(yīng)快、精度高,很快在工業(yè)界得到了普及。電液伺服系統(tǒng)是一種以液壓動(dòng)力元件作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),根據(jù)負(fù)反饋原理,使系統(tǒng)的輸出跟蹤給定信號(hào)的控制系統(tǒng)。它不僅能自動(dòng)、準(zhǔn)確、快速地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律,而且可對(duì)輸入量進(jìn)行變換與放大。作為控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究對(duì)象,電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法一直受到控制學(xué)科的指導(dǎo)和啟發(fā),經(jīng)歷了從線性到非線性智能控制的發(fā)展歷程。
自從20世紀(jì)50年代麻省理工學(xué)院開始研究電液伺服系統(tǒng)的控制至以后的幾十年中,電液伺服控制設(shè)計(jì)基本上是采用基于工作點(diǎn)附近的增量線性化模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合與分析。PID 控制也因其控制律簡(jiǎn)單和易于理解,受到工程界的普遍歡迎。然而,隨著人們對(duì)控制品質(zhì)要求的不斷提高,電液伺服系統(tǒng)中 PID 控制的地位發(fā)生了動(dòng)搖。這主要是由電液伺服系統(tǒng)的特性所決定的。首先,電液伺服系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)重不確定非線性系統(tǒng),環(huán)境和任務(wù)復(fù)雜,普遍存在參數(shù)變化、外干擾和交叉耦合干擾;其次,電液伺服系統(tǒng)對(duì)頻帶和跟蹤精度都有很高的要求。如航空航天領(lǐng)域的系統(tǒng)頻寬可達(dá) 100Hz,已接近甚至超過(guò)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的固有頻率;另外,在高精度快速跟蹤條件下,電液伺服系統(tǒng)中的非線性作用已不容忽視。因此,可以說(shuō)電液伺服系統(tǒng)是一類典型的未知不確定非線性系統(tǒng)。這類系統(tǒng)擾動(dòng)大、工作范圍寬、時(shí)變參量多、難以精確建模。這些特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性和精度都將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,特別是控制精度受負(fù)載特性的影響而難以預(yù)測(cè)。例如,在材料試驗(yàn)機(jī)上,一般的動(dòng)態(tài)加載多采用 PID方式,對(duì)不同的試件,必須更改不同的PID參數(shù) ,尤其是在材料變形的塑性區(qū)域,PID控制更加難以滿足人們?nèi)找婢?xì)的控制要求。
70年代末至80年代初,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為電子技術(shù)和液壓技術(shù)的結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。隨后計(jì)算機(jī)控制在電液伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用,使復(fù)雜控制策略的實(shí)現(xiàn)成為可能。自適應(yīng)控制的引入在一定程度上提高了系統(tǒng)的魯棒性和控制精度,并在解決許多工程問(wèn)題上發(fā)揮了積極的作用。但在大擾動(dòng)或系統(tǒng)存在嚴(yán)重不確定性時(shí),自適應(yīng)算法將趨向復(fù)雜,造成實(shí)現(xiàn)上的困難。此外,它對(duì)非線性因素的處理能力也不盡人意。
近年來(lái),控制學(xué)科的發(fā)展推動(dòng)了電液伺服系統(tǒng)智能控制的研究。對(duì)非對(duì)稱缸系統(tǒng),國(guó)內(nèi)早期在WE試驗(yàn)機(jī)上有過(guò)研究;國(guó)外也進(jìn)行了非對(duì)稱缸系統(tǒng)建模和 Robust控制的研究,如使用雙函數(shù)邊界法,將閥口流量、缸體運(yùn)動(dòng)的非線性用線性不確定方程來(lái)描述,將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)攝動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行處理。此外,模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等非線性控制技術(shù)也都在電液伺服系統(tǒng)中取得了一席用武之地。尤其是在模糊控制方面,經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐,已由最初的技術(shù)應(yīng)用研究,逐步形成了系統(tǒng)化的模糊控制設(shè)計(jì)理論和方法,并在電液伺服系統(tǒng)中取得成功的應(yīng)用。由此可見,電液伺服系統(tǒng)非線性智能控制研究的前景是十分廣闊的。
然而,目前仍存在許多問(wèn)題。比如,應(yīng)用方面的非線性系統(tǒng)理論的不完備,對(duì)諸如控制策略設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析以及非線性和智能控制理論方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的局限性缺乏有針對(duì)性 的研究等。此外,值得指出的是,雖然電液伺服系統(tǒng)中的非線性因素會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響,但是這些非線性因素的影響在多數(shù)條件下遠(yuǎn)不如負(fù)載干擾的影響大。在控制器的魯棒作用下,這些影響 也都可以在一定程度上得到削弱。但是,由于電液伺服系統(tǒng)的空載特性與負(fù)載特性差別很大,因此在進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮負(fù)載特性的影響。以往,人們多停留在對(duì)線性彈簧質(zhì)量負(fù)載的研究和分析中,而對(duì)非線性負(fù)載,卻很少?gòu)恼麄€(gè)非線性閉環(huán)系統(tǒng)的角度進(jìn)行分析和綜合的研究。有些文獻(xiàn)即便涉及了這方面的研究,也大都是針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行的,并沒(méi)有為電液伺服控制這一類系統(tǒng)建立較為完善和規(guī)范化的非線性設(shè)計(jì)理論和方法。
基于上述現(xiàn)狀,對(duì)智能控制策略進(jìn)行深入研究,以尋求一種新的控制方法,并探求一條可行的工程實(shí)現(xiàn)途徑,實(shí)現(xiàn)對(duì)未知不確定非線性電液伺服系統(tǒng)的高品質(zhì)控制已經(jīng)刻不容緩。
液壓技術(shù)的進(jìn)步也是液壓控制技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。20世紀(jì)40年代由于軍事刺激,高速噴氣式飛行器要求響應(yīng)快且精度高的操縱控制,1940年底,在飛機(jī)上出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng),坦克裝甲車上開始應(yīng)用機(jī)液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。作為電液轉(zhuǎn)換器,當(dāng)時(shí)滑閥由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),由于電機(jī)慣量大,所構(gòu)成的電液轉(zhuǎn)換器時(shí)間常數(shù)大,限制了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。到了20世紀(jì)50年代初,出現(xiàn)了快速響應(yīng)的永磁力矩馬達(dá),該力矩馬達(dá)拖動(dòng)滑閥,提高了電液伺服閥的響應(yīng)速度。60年代,結(jié)構(gòu)多樣的電液伺服閥的相繼出現(xiàn),尤其是干式力矩馬達(dá)的研制成功,使得電液伺服閥的性能日趨完善,促使電液伺服系統(tǒng)迅速發(fā)展。近20年來(lái),隨著材料和工藝技術(shù)的進(jìn)步,電液伺服閥成本不斷降低,性能明顯提高,使得電液伺服系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛。但是,由于電液伺服閥對(duì)液體的清潔度要求十分苛刻,系統(tǒng)效率低,能耗大,綜合費(fèi)用還是相當(dāng)高。由此,一種可靠、價(jià)廉、控制精度和響應(yīng)速度均能滿足工業(yè)控制需要的電液比例控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。得到比電液伺服閥遠(yuǎn)為廣泛的應(yīng)用。
液壓控制技術(shù)在軍事工業(yè)中,用于飛機(jī)的操作系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤和艦船的舵機(jī)裝置、導(dǎo)彈的位置控制、坦克火炮的穩(wěn)定裝置等。在民用工業(yè)中,用于仿形或數(shù)控機(jī)床,船舶舵機(jī)和消擺系統(tǒng),冶金方面的帶鋼跑偏控制、張力控制、工程車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng),汽車的無(wú)人駕駛、自動(dòng)變速、主動(dòng)懸掛,試驗(yàn)裝置方面的抗震試驗(yàn)臺(tái)、材料試驗(yàn)機(jī)、道路模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等??傊?,液壓控制技術(shù)應(yīng)用愈來(lái)愈加廣泛,在各個(gè)工業(yè)部門發(fā)揮著重要作用。尤其是在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用促使液壓控制技術(shù)得到更迅速的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。
2 設(shè)計(jì)要求及方案的選擇
2.1 設(shè)計(jì)要求
帶鋼經(jīng)過(guò)連續(xù)軋制或酸洗等一系列加工處理后須卷成一定尺寸的鋼卷,由于輥系的偏差及帶材厚度不均和板材不齊等種種原因,使帶材在作業(yè)線上產(chǎn)生隨機(jī)偏離現(xiàn)象。它使卷取機(jī)卷成的鋼卷邊緣不齊,直接影響包裝,運(yùn)輸及降低成品率。所以有必要做防跑偏的控制系統(tǒng),以提高工作效率。
已知條件與要求:
機(jī)組最大卷取速度 =5
最大鋼卷質(zhì)量 =15000
卷取機(jī)移動(dòng)部分質(zhì)量 =20000
卷取誤差
移動(dòng)距離
導(dǎo)軌摩擦系數(shù)
工作環(huán)境 冷軋車間
根據(jù)對(duì)同類機(jī)組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)資料,經(jīng)分析確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)為
系統(tǒng)誤差
系統(tǒng)頻寬
最大工作速度
最大加速度
2.2 方案選擇
根據(jù)主機(jī)參數(shù)及其控制系統(tǒng)要求,現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)有兩種控制方案進(jìn)行對(duì)比:
2.2.1方案一:機(jī)、液型帶鋼跑偏控制裝置
該跑偏控制裝置由兩個(gè)先導(dǎo)閥、主閥(液動(dòng)型零開口四通滑閥)、雙出桿對(duì)稱液壓缸、無(wú)外動(dòng)力液壓油源等組成。其工作原理如圖2-1所示。
兩個(gè)錐閥既作為檢測(cè)帶鋼對(duì)中與否的傳感器, 又是主閥的先導(dǎo)閥。其結(jié)構(gòu)見圖2-2。先導(dǎo)閥閥芯為帶平衡活塞式結(jié)構(gòu), 靠彈簧復(fù)位; 滑輪及連桿靠螺紋與閥芯相聯(lián)并可調(diào)零; 主閥為液動(dòng)型零開口四通滑閥, 其結(jié)構(gòu)見圖2-3。
1-增速齒輪箱;2-恒壓變量液壓泵;
3-調(diào)壓溢流閥及壓力表;4-單向閥及精過(guò)濾器;
5-蓄能器及安全閥組;6-主閥;7-先導(dǎo)錐閥;
8-擺動(dòng)輥及可旋轉(zhuǎn)式支架;9-糾偏用液壓缸
圖2-1 機(jī)液跑偏控制裝置原理圖
Fig.2-1 The machine liquid runs to be partial to the control equips the principle
1-碰撞滑輪與連桿;2-閥體;3-閥芯;
4-復(fù)位彈簧;5-閥蓋
圖2-2 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)
Fig.2-2 Lead first the valve construction
主閥采用彈簧對(duì)中, 閥芯為三臺(tái)肩四槽結(jié)構(gòu), 并在中間臺(tái)肩上開有兩個(gè)直徑為的徑向固定節(jié)流孔, 對(duì)應(yīng)于中間臺(tái)肩的壓力油通過(guò)徑向、軸向小孔分別引到閥芯兩端。閥芯中間為10mm 的軸向通孔, 并與回油臺(tái)肩上的一個(gè)10mm 徑向孔相通; 無(wú)外動(dòng)力液壓油源的動(dòng)力來(lái)源于活套小車上的擺動(dòng)輥(靠帶鋼張力旋轉(zhuǎn)), 擺動(dòng)輥經(jīng)中間齒輪箱帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生高壓油, 并在液壓泵出口裝有蓄能器。
1-密封件;2-閥體;3-閥芯;4-對(duì)中彈簧;5-組合式密封件;6-彈簧卡圈;7-閥端蓋
圖2-3 主閥結(jié)構(gòu)
Fig.2-3 Main valve construction
假設(shè)帶鋼由于某種原因偏離機(jī)組中心向左移, 帶鋼碰撞先導(dǎo)錐閥(Ⅰ)上的滑輪使先導(dǎo)閥芯開啟, 主閥(液動(dòng)型零開口四通滑閥) 左端的高壓油經(jīng)先導(dǎo)錐閥(Ⅰ)閥口流到主閥回油腔, 使主閥閥芯在壓差作用下向左移動(dòng), 高壓()油與工作腔B 溝通, 工作腔A與回油 T 溝通, 液壓缸在壓力油的作用下, 帶動(dòng)活套小車上的擺動(dòng)輥繞其回轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng), 帶鋼在張力作用下向右移動(dòng), 直到帶鋼離開先導(dǎo)錐閥(Ⅰ)上的滑輪又回到機(jī)組中心。同理, 若帶鋼偏離機(jī)組中心向右移, 仿上述分析可知, 帶鋼仍能回到機(jī)組中心。
為了節(jié)能降耗, 本控制裝置液壓源采用恒壓變量泵與蓄能器組合的形式。系統(tǒng)不工作時(shí)液壓泵處于微流量工況, 蓄能器僅作為輔助動(dòng)力。這樣可避免普通液壓跑偏控制系統(tǒng)中定量泵高壓溢流發(fā)熱的現(xiàn)象, 延長(zhǎng)液壓元件的使用壽命。
本控制裝置不用外動(dòng)力及控制電器件, 不需敷設(shè)電纜, 整個(gè)裝置加工簡(jiǎn)單, 節(jié)省投資, 是一種典型的節(jié)能產(chǎn)品。
2.2.2方案二:電、液型帶鋼跑偏控制裝置
圖2-4 帶鋼跑偏控制原理圖
Fig.2-4 Taking the steel runs to be partial to control the principle diagram
圖2-5 跑偏控制系統(tǒng)原理圖
Fig.2-5 Run to be partial to control the system principle diagram
圖中,由于卷筒剛性連接的光電檢測(cè)帶鋼的橫向跑偏量,偏差信號(hào)經(jīng)放大器輸入至伺服閥,由伺服閥控制液壓缸驅(qū)動(dòng)卷筒,使卷筒向跑偏方向跟蹤。當(dāng)跟蹤位移相等時(shí),偏差信號(hào)為零,卷筒處于新的平衡位置,使卷筒上的鋼帶邊緣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卷齊。
由上面兩個(gè)方案的各方面的比較之下,各有利弊,第一種方案機(jī)液控制系統(tǒng)雖然成本低、維護(hù)方便,但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,系統(tǒng)的控制精度低。電液伺服系統(tǒng)能充分發(fā)揮電子和液壓兩方面的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的校正、補(bǔ)償和測(cè)試很方便,因而便于改善和提高系統(tǒng)的性能。所以選擇第二種方案。
3 電液伺服系統(tǒng)的分析
3.1 液壓控制元件電液伺服閥的分析
3.1.1 電液伺服閥的組成
電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)(或力馬達(dá))、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)(或平衡機(jī)構(gòu))三部分組成。
力矩馬達(dá)或力馬達(dá)的作用是把輸入的電氣控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為力矩或力,控制液壓放大器運(yùn)動(dòng)。而液壓放大器的運(yùn)動(dòng)又去控制液壓能源流向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量或壓力。力矩馬達(dá)或力馬達(dá)的輸出力矩或力很小,在閥的流量比較大時(shí),無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)功率級(jí)閥的運(yùn)動(dòng),此時(shí)需要增加液壓前置級(jí),將力矩馬達(dá)或力馬達(dá)的輸出加以放大,再去控制功率閥,這就構(gòu)成了二級(jí)或三級(jí)電液伺服閥。第一級(jí)的結(jié)構(gòu)形式有單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥和射流元件等。功率級(jí)幾乎都是采用滑閥。
在二級(jí)或三級(jí)電液伺服閥中,通常采用反饋機(jī)構(gòu)將輸出級(jí)(功率級(jí))的閥芯位移、或輸出流量、或輸出壓力以位移、力或電信號(hào)的形式反饋到第一級(jí)或第二級(jí)的輸入端,也可反饋到力矩馬達(dá)銜鐵組件或力矩馬達(dá)輸入端。平衡機(jī)構(gòu)一般用于單級(jí)伺服閥或二級(jí)彈簧對(duì)中式伺服閥。平衡機(jī)構(gòu)通常采用各種彈性元件,是一個(gè)力-位移轉(zhuǎn)換元件。
伺服閥輸出級(jí)所采用的反饋機(jī)構(gòu)或平 衡機(jī)構(gòu)是為了使伺服閥的輸出流量或輸出壓力獲得與輸入電氣控制信號(hào)成比例的特性,由于反饋機(jī)構(gòu)的存在,使伺服閥本身成為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),提高了伺服閥的控制性能。
3.1.2電液伺服閥的分類
電液伺服閥的結(jié)構(gòu)型式很多,可按不同的分類方法進(jìn)行分類
1) 按液壓放大器的級(jí)數(shù)分類可分為單級(jí)、兩級(jí)和三級(jí)電液伺服閥。
2) 按第一級(jí)閥的結(jié)構(gòu)形式分類可分為:滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥、射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。
3) 按反饋形式可分為滑閥位置反饋、負(fù)載流量反饋和負(fù)載壓力反饋三種。
4) 按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中分為濕式和干式兩種。
3.1.3 電液伺服閥(理想零開口四邊滑閥)的靜態(tài)特性
滑閥的靜態(tài)特性即壓力-流量特性,是指穩(wěn)態(tài)情況下,閥的負(fù)載流量、負(fù)載壓力和閥芯的位移三者之間的關(guān)系,即它表示閥的工作能力和性能,對(duì)電液伺服系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算具有重要意義。
由于是理想的零開口閥,如圖所示,所以當(dāng)閥芯處于閥套的中間位置時(shí),四個(gè)控制節(jié)流口全部關(guān)閉。當(dāng)閥芯左移時(shí),即> 0,此時(shí)節(jié)流口開口面積==0,節(jié)流口的液導(dǎo)==0,則在恒壓源情況下的負(fù)載流量方程為
(3-1)
式中,—流量系數(shù);
—液體密度;
—節(jié)流口的液導(dǎo);
—節(jié)流口開口面積。
圖3-1 典型的閥控液壓缸原理圖
Fig.3-1 The typical valve controls the liquid presses a principle diagram
當(dāng)閥芯右移,即<0時(shí),==0,==0,同樣可得
(3-2)
式中,負(fù)號(hào)表示負(fù)載流量方向。因?yàn)殚y是匹配對(duì)稱的,則,可將上面兩式合并為
(3-3)
若節(jié)流閥口為矩形,其面積梯度為,則
(3-4)
帶入式(3-3)得
(3-5)
令,則壓力—流量方程又可寫作
(3-6)
這就是具有匹配且對(duì)稱的節(jié)流閥口的理想零開口四邊滑閥的壓力—流量特性方程。
3.1.4 電液伺服閥(力反饋伺服閥)的傳遞函數(shù)
在一般情況下,若,力矩馬達(dá)控制線圈的動(dòng)態(tài)和滑閥的動(dòng)態(tài)可以忽略。其中,—控制線圈回路的轉(zhuǎn)折頻率;—滑閥的液壓固有頻率;—銜鐵擋板組件的固有頻率。作用在擋板上的壓力反饋的影響比力反饋小得多,壓力反饋回路也可以忽略。這樣,電液伺服閥的方塊圖可簡(jiǎn)化成如圖3-2所示
圖3-2 電液伺服閥的簡(jiǎn)化方框圖
Fig.3-2 The square frame in simplification diagram of the electricity liquid servovalve
則可得到電液伺服閥的傳遞函數(shù)為
(3-7)
式中,—輸入放大器的信號(hào)電壓
—(伺服閥)力反饋回路開環(huán)放大系數(shù),
—銜鐵擋板組件的固有頻率;
—由機(jī)械阻尼和電磁阻尼產(chǎn)生的阻尼比;
—反饋桿剛度;
—伺服放大器增益;
—電磁力系數(shù);
—反饋桿小球中心到噴嘴中心的距離;
—噴嘴中心至彈簧管回轉(zhuǎn)中心(彈簧管薄壁部分中心)的距離。
或
(3-8)
式中,—伺服閥增益,
伺服閥通常以電流作為輸入?yún)⒘浚钥蛰d流量作為輸出參量。此時(shí),伺服閥的傳遞函數(shù)可表示為
(3-9)
式中,—伺服閥空載流量增益;
—伺服閥的流量增益,
在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中,伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往高于動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析與設(shè)計(jì),伺服閥的傳遞函數(shù)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化,一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動(dòng)力元件的固有頻率,伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示,當(dāng)伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于動(dòng)力元件的固有頻率,伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。
二階近似傳遞函數(shù)可由下式估計(jì)
(3-10)
式中,—伺服閥的流量增益
—伺服閥固有頻率;
—伺服閥阻尼比。
將帶入式(3-10),即
(3-11)
展開得
(3-12)
又由整理得
(3-13)
則式(3-13)即為電液伺服閥輸入電壓與閥芯位移之間的關(guān)系方程。
3.2 液壓執(zhí)行元件液壓缸的分析
3.2.1液壓缸流量連續(xù)性方程
如圖3-1所示,假定電液伺服閥與液壓缸的連接管道對(duì)稱且短而粗,管道中的壓力損失和管道動(dòng)態(tài)可以忽略,液壓缸每個(gè)工作腔內(nèi)各處壓力相等,油溫和體積彈性模量為常數(shù),液壓缸內(nèi)、外泄露均為層流流動(dòng)。
則流入液壓缸進(jìn)油腔的流量為
(3-14)
從液壓缸回油腔留出的流量為
(3-15)
式中,,—伺服閥各橋臂的壓降;
—液壓缸活塞有效面積;
—活塞位移;
—液壓缸內(nèi)泄露系數(shù);
—液壓缸外泄露系數(shù);
—有效體積彈性模量(包括油液、連接管道和缸體的機(jī)械柔度);
—液壓缸進(jìn)油腔的容積(包括閥、連接管道和進(jìn)油腔);
—液壓缸回油腔的容積(包括閥、連接管道和回油腔)。
在式(3-14)和式(3-15)中,等號(hào)右邊第一項(xiàng)是推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)所需的流量,第二項(xiàng)是經(jīng)過(guò)活塞密封的內(nèi)泄露流量,第三項(xiàng)是經(jīng)過(guò)活塞桿密封處的外泄露流量,第四項(xiàng)是油液壓縮和腔體變形所需的流量。
液壓缸工作腔的容積可寫為
(3-16)
(3-17)
式中,—進(jìn)油腔的初始容積;
—回油腔的初始容積。
在上一節(jié)分析伺服閥靜態(tài)特性時(shí),沒(méi)有考慮泄露和油液壓縮性的影響。因此,對(duì)匹配和對(duì)稱的伺服閥來(lái)說(shuō),兩個(gè)控制通道的流量、均等于負(fù)載流量。在動(dòng)態(tài)分析時(shí),需要考慮泄露和油液壓縮性的影響。由于液壓缸外泄露和壓縮性的影響,使流入液壓缸的流量和流出液壓缸的流量不相等,即≠。為了簡(jiǎn)化分析,定義負(fù)載流量為
(3-18)
因此,由式(3-14)—(3-18)可得流量連續(xù)性方程為
(3-19)
式(3-14)和式(3-15)中,外泄露流量和通常很小,可以忽略不計(jì)。如果壓縮流量和相等,則。因?yàn)殚y是匹配和對(duì)稱的,所以通過(guò)伺服閥節(jié)流口1、2的流量相等(通過(guò)對(duì)角線橋臂的流量相等)。這樣,在動(dòng)態(tài)時(shí)仍近似使用。由于,所以,,從而有
(3-20)
要使壓縮流量相等,就應(yīng)使液壓缸兩腔的初始容積和相等,即
(3-21)
式中,—活塞在中間位置時(shí)每一個(gè)工作腔的容積;
—總壓縮容積。
當(dāng)活塞在中間位置時(shí),液體壓縮性影響最大,動(dòng)力元件固有頻率最低,阻尼比最小。因此,系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。所以在分析時(shí),應(yīng)取活塞的中間位置作為初始位置。
由于,,則式(3-19)可簡(jiǎn)化為
(3-22)
式中,—液壓缸總泄露系數(shù),
則式(3-22)是液壓動(dòng)力元件流量連續(xù)性方程式的常用形式。式中,等式右邊第一項(xiàng)是推動(dòng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)所需的流量,第二項(xiàng)是總泄露流量,第三項(xiàng)是總壓縮流量。
3.2.2液壓缸和負(fù)載的力平衡方程
液壓動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)特性受負(fù)載特性的影響。負(fù)載力一般包括慣性力、粘性阻尼力、彈性力和任意外負(fù)載力。
液壓缸的輸出力與負(fù)載力的平衡方程式為
(3-23)
式中,—活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量;
—活塞及負(fù)載的粘性阻尼系數(shù);
—負(fù)載彈簧剛度;
—作用在活塞上的任意外負(fù)載力。
此外,還存在庫(kù)侖摩擦等非線性負(fù)載,但采用線性化的方法分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),必須將這些非線性負(fù)載忽略。
3.3 電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
在電液伺服系統(tǒng)的分析中,可得出四個(gè)基本方程,即
電液伺服閥輸入電壓與閥芯位移關(guān)系方程
(3-24)
理想零開口四邊滑閥的壓力—流量方程
(3-25)
液壓動(dòng)力元件流量連續(xù)性方程
(3-26)
液壓缸的輸出力與負(fù)載力的平衡方程
(3-27)
考慮到通常很高,甚至高于系統(tǒng)采樣頻率,因而根據(jù)香農(nóng)采樣定理在采樣控制系統(tǒng)中,對(duì)油缸位移的采樣信號(hào)不會(huì)包含伺服閥本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程信息。所以在系統(tǒng)辨識(shí)中我們可以忽略伺服本身的動(dòng)特性。于是式(3-24)可近似寫作
(3-28)
則整理式(3-24)—(3-28),可得電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下
(3-29)
式中 。
本章主要就電液伺服系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和特性進(jìn)行了分析,得出電液伺服閥輸入電壓與閥芯位移關(guān)系方程;理想零開口四邊滑閥的壓力—流量方程;液壓動(dòng)力元件流量連續(xù)性方程及液壓缸的輸出力與負(fù)載力的平衡方程四個(gè)電液伺服系統(tǒng)基本方程。結(jié)合這四個(gè)基本方程,經(jīng)過(guò)整理、化簡(jiǎn)而得到最終所需的電液伺服系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型,供后續(xù)章節(jié)控制策略的應(yīng)用。
3.4 電液位置伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)
某些電液位置伺服系統(tǒng)有時(shí)象機(jī)液伺服系統(tǒng)那樣,不采用校正的方法,而是依靠液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)本身固有的特點(diǎn)來(lái)滿足系統(tǒng)的性能要求。充分認(rèn)識(shí)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn),對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng),特別是對(duì)不經(jīng)校正的位置伺服系統(tǒng)是很有益處的。
從開環(huán)頻率特性看:
位置伺服系統(tǒng)的固有部分由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)組成。振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比隨工作點(diǎn)的變動(dòng)而在很大的范圍內(nèi)變化,系統(tǒng)的開環(huán)增益也因伺服閥的流量增益的變動(dòng)而變。因而造成開環(huán)頻率特性的浮動(dòng)。閥在零位區(qū)時(shí)最小,在空載時(shí)最大。所以位置伺服系統(tǒng)通常以零位區(qū)設(shè)計(jì)工況。由于比較小,在比例控制時(shí),主要保證系統(tǒng)具有足夠的幅值穩(wěn)定裕量,為此不得不把增益和穿越頻率壓得較低。系統(tǒng)的相角裕量接近
從閉環(huán)頻率特性看:
當(dāng)較小時(shí),閉環(huán)幅頻特性在轉(zhuǎn)折頻率附近已下降到接近-3dB,因此系統(tǒng)的頻寬僅能達(dá)到附近。而<,故系統(tǒng)的頻寬小于閉環(huán)固有頻率。
從階躍響應(yīng)曲線看:
過(guò)度過(guò)程曲線是典型三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線,與通常的二階系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程有明顯的不同。這主要是由高頻小阻尼振蕩環(huán)節(jié)的影響所致。因此,未經(jīng)校正的液壓位置伺服系統(tǒng)一般不用二階系統(tǒng)近似。
在液壓位置伺服系統(tǒng)中,由于液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的固有特點(diǎn),使系統(tǒng)的剛度很大,對(duì)干擾信號(hào)的誤差系數(shù)比較小,因此,負(fù)載擾動(dòng)的影響相對(duì)較弱。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩慣量比很大,只要保證足夠的尺寸就可以獲得較高的固有頻率。閥控液壓缸特別是泵控液壓馬達(dá)又能提供比較恒定的流量增益。所以系統(tǒng)雖然有阻尼比小、多變等弱點(diǎn),液壓位置伺服系統(tǒng)在比例控制條件下也能滿足某些對(duì)象的需要,并獲得較為滿意的性能。
3.5 電液位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
由上面的分析可知,在比例控制條件下,液壓固有頻率、開環(huán)增益也稱速度放大系數(shù)和液壓阻尼比這三個(gè)量以及它們之間的相互關(guān)系就決定了系統(tǒng)的主要性能。因此設(shè)計(jì)液壓位置伺服系統(tǒng)時(shí),首先應(yīng)解決如何根據(jù)系統(tǒng)的要求,確定這三個(gè)量的數(shù)值和三個(gè)量之間的恰當(dāng)?shù)谋壤P(guān)系。
3.5.1 確定主要性能參數(shù)的原則
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從選擇液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的參數(shù)著手的,所選參數(shù)應(yīng)能滿足驅(qū)動(dòng)負(fù)載和滿足系統(tǒng)性能兩方面的要求。
從提高系統(tǒng)性能角度考慮:
由前面分析可知為提高系統(tǒng)的快速性應(yīng)具有的穿越頻率,為提高系統(tǒng)的精度應(yīng)提高開環(huán)增益,兩者都受的限制。液壓彈簧與負(fù)載質(zhì)量相互作用構(gòu)成一個(gè)液壓彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),該系統(tǒng)的固有頻率(活塞在中間位置時(shí))為
(3-30)
—有效體積彈性模量,單位,一般為700—1400
—活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量
—液壓彈簧剛度
— 總壓縮容積
在計(jì)算液壓固有頻率時(shí),通常取活塞在中間位置時(shí)的值,因?yàn)榇藭r(shí)最低,系統(tǒng)穩(wěn)定性最差??梢?,隨A的增大而增大,所以應(yīng)選擇大的A值。另外,由式
(3-31)
可見外干擾產(chǎn)生的誤差與系統(tǒng)的柔度成正比,即與成反比。所以為提高系統(tǒng)的快速性和跟蹤精度,減小外干擾力的影響,都要求選擇大的A值。此外,由于伺服閥的壓力-流量曲線有非線性特性,閥的流量增益隨著負(fù)載壓降的增大而降低,特別當(dāng)接近時(shí),流量增益的過(guò)分降低會(huì)使伺服系統(tǒng)的性能變差。一般系統(tǒng)允許增益下降的裕量為,對(duì)液壓位置伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō),即相當(dāng)于允許(因時(shí),零開口流量伺服閥的流量增益下降為空載時(shí)的57.7%)。從這個(gè)原則出發(fā)也要求選大的A值。但是大的尺寸要求有大的伺服閥,會(huì)使系統(tǒng)的功率加大,效率降低,經(jīng)濟(jì)性變差。
從滿足驅(qū)動(dòng)負(fù)載要求考慮:
液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)應(yīng)按負(fù)載匹配的原則確定A,使所選動(dòng)力機(jī)構(gòu)功率最小,效率較高。
一些大功率動(dòng)力控制類伺服系統(tǒng),對(duì)動(dòng)特性常常要求不高,而把效率放在首位,這時(shí)應(yīng)按滿足負(fù)載要求確定參數(shù)。反之,對(duì)于中、小功率系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)性常常是次要的,主要考慮能否有足夠的頻寬和精度,應(yīng)按動(dòng)特性要求選擇參數(shù)。
對(duì)于一般系統(tǒng)我們常用的辦法是,首先采用按負(fù)載匹配的原則確定動(dòng)力機(jī)構(gòu)的尺寸,然后根據(jù)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的和值確定系統(tǒng)可能有的最好性能(精度和頻寬),如不滿足系統(tǒng)要求,再回過(guò)頭來(lái)重新選擇固有頻率高的動(dòng)力機(jī)構(gòu),即增大動(dòng)力機(jī)構(gòu)的尺寸,直到滿足性能要求為止。這樣做等于把按負(fù)載匹配的原則所選的尺寸做基準(zhǔn)值(它常常就是位置伺服系統(tǒng)可能的最小尺寸),然后再修正到能滿足系統(tǒng)性能所需要的一個(gè)較大的尺寸為止。即在A大(高性能)與功率最小(高效率)之間取折衷。
3.5.2 確定參數(shù)間適當(dāng)?shù)谋壤P(guān)系
為使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能,應(yīng)要求它的閉環(huán)幅頻特性在盡可能寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)幅值近似等于1,即
(3-32)
容易證明,對(duì)于三階系統(tǒng),如果希望在盡可能寬的頻寬內(nèi)滿足的條件,其閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)具有如下典型形式
(3-33)
根據(jù)此典型閉環(huán)傳遞函數(shù)可以求得相應(yīng)的典型預(yù)期開環(huán)傳遞函數(shù)
(3-34)
令液壓固有頻率
上式可化成
(3-35)
對(duì)比簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)式 (3-36)
可得
(3-37)
—閉環(huán)慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率。
—閉環(huán)振蕩環(huán)節(jié)的固有頻率。
—閉環(huán)振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比。
如果系統(tǒng)參數(shù)具有公式(3-37)所示,即實(shí)現(xiàn)了工程上常用的所謂“三階最佳”,遺憾的是,實(shí)際系統(tǒng)中振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比不可能恰好就是,所以不經(jīng)校正的液壓位置伺服系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)“三階最佳”是困難的。實(shí)際系統(tǒng)的阻尼比通常遠(yuǎn)比0.707為小且多變,為了接近上述指標(biāo),設(shè)計(jì)者首先應(yīng)考慮采取措施提高值和減小的變化。比如采用加速度或壓差反饋校正提高阻尼比,使接近于0.7以后,即可按“三階最佳”的原則調(diào)整參數(shù)間的關(guān)系。
設(shè)計(jì)一般系統(tǒng)時(shí),常以為參考量,來(lái)適當(dāng)?shù)倪x取比值。當(dāng)0.7時(shí),取=,工程上通常去;當(dāng)較小時(shí),則取較小的值,若系統(tǒng)不允許有較大的超調(diào)也取較小的值;若系統(tǒng)允許有較大的超調(diào),則相應(yīng)的取較大的值。
當(dāng)要求更精細(xì)的計(jì)算,或者系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)超過(guò)三階以上時(shí),可以通過(guò)繪制博德圖,并估計(jì)到參數(shù)和工況變動(dòng)引起博德圖浮動(dòng)的情況下,保證系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕量,選擇合適的增益和穿越頻率。也可以通過(guò)模擬機(jī)和數(shù)字仿真尋找最佳參數(shù)見關(guān)系。
3.5.3 應(yīng)考慮的其它因素
由式
(3-38)
知,為了減小系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,在增益分配時(shí),希望提高系統(tǒng)電氣部分的增益,減小液壓部分的增益。從提高系統(tǒng)剛度考慮應(yīng)減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的泄露量和閥的流量-壓力系數(shù)(減?。?。可見適用于液壓位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu),應(yīng)具有高的壓力增益和低的流量增益(在原點(diǎn)處)。零開口流量伺服閥、低泄露量的液壓缸和液壓馬達(dá)具有這樣的特性。但是低泄露量的液壓缸常常有較大的摩擦力和要求較大的啟動(dòng)壓力,若要求系統(tǒng)具有較好的低速平穩(wěn)性,則應(yīng)選擇低摩擦和有較大泄露量的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
綜上所述,液壓位置伺服系統(tǒng),應(yīng)選擇具有高壓力增益和恒定流量增益的流量伺服閥,選擇足夠尺寸的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
4 液壓動(dòng)力元件的靜、動(dòng)態(tài)計(jì)算及分析
4.1 液壓動(dòng)力元件的靜態(tài)計(jì)算
4.1.1 確定供油壓力
選用較高的供油壓力,在相同的輸出功率時(shí),可以減小所需的流量,因而可以減小系統(tǒng)組成的尺寸和重量又獲得快的響應(yīng)速度,這是采用高壓能源的主要好處。但是,當(dāng)壓力超過(guò)時(shí),由于材料強(qiáng)度的限制將使重量增加。提高壓力使泄露增大,增加了功率損失;且要求提高元件的加工精度,從而提高了成本;高壓將使噪聲增大、元件壽命降低、維護(hù)較難。
在一般工業(yè)系統(tǒng)中,通常選取供油壓力為,在軍用伺服系統(tǒng)中或尺寸重量受到限制的情況下,則選用。
通常,如果情況允許的話,總是希望選用較低的供油壓力,因?yàn)檫@有利于延長(zhǎng)元件和系統(tǒng)的壽命,有利于減小泄漏,使功率損失最小。同時(shí),低壓系統(tǒng)容易維護(hù),而且允許系統(tǒng)有較大的污染而不易出事故。供油壓力的最后選定必須與執(zhí)行元件的規(guī)格相配合,與系統(tǒng)組成元件的額定壓力相適應(yīng)。
按同類機(jī)組選=40()。
4.1.2 根據(jù)負(fù)載軌跡或負(fù)載工況確定、
忽略粘性摩擦,動(dòng)力機(jī)構(gòu)的力平衡方程式為
(4-1)
式中 ——庫(kù)侖摩擦力,===17500;
由于卷取機(jī)跟蹤帶鋼邊緣的橫向移動(dòng)而運(yùn)動(dòng),帶鋼的橫向位移實(shí)際是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),可用正弦信號(hào)逼近。因此在求取負(fù)載軌跡方程式時(shí),可用一個(gè)速度幅值為最大工作速度、頻率為系統(tǒng)頻寬的正弦信號(hào)作為卷取機(jī)的典型信號(hào)。即
(4-2)
則力平衡方程為
(4-3)
=15400+17500
慣性負(fù)載或彈性負(fù)載的負(fù)載軌跡是一個(gè)正橢圓,曲線與橫軸的交點(diǎn)即為最大負(fù)載力,用表示。曲線與縱軸的交點(diǎn)為最大負(fù)載速度,用表示。則負(fù)載軌跡的通式可表示為
(4-4)
則
(4-5)
根據(jù)上述的式子可在平面上繪制負(fù)載軌跡如圖4-1。如取縱坐標(biāo)比例尺為0.0044;橫坐標(biāo)比例尺為3080;只畫出Ⅰ-Ⅱ象限的圖形,負(fù)載軌跡是一個(gè)半徑為5的半圓。圓心在橫軸上且距坐標(biāo)原點(diǎn)為5.68,見圖中曲線1。由圖可見,最大負(fù)載力為=32900;最大負(fù)載速度為0.022
圖4-1 跑偏控制系統(tǒng)負(fù)載軌跡
Fig.4-1 Run to be partial to control the system load the track
找一條閥控缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)的輸出特性與該負(fù)載軌跡相切,并使兩者的最大功率點(diǎn)盡量重合或靠近,見圖4-1中曲線2。
負(fù)載功率為
(4-6)
令對(duì)取導(dǎo)數(shù)并令其為零,求得最大功率點(diǎn)的負(fù)載力和速度為
==24860N (4-7)
將其代入(4-5)可得
=0.0193m/s (4-8)
讓圖中兩條曲線的最大功率點(diǎn)重合,見圖中點(diǎn),并認(rèn)為它們?cè)谠擖c(diǎn)相切,則液壓缸的有效面積和伺服閥空載流量值分別為
= (4-9)
取標(biāo)準(zhǔn)直徑后,= 則
==0.0193
=3.15=18.9 (4-10)
若采用工程近似算法求取液壓缸面積,則
==1.27
該值遠(yuǎn)大于按負(fù)載匹配原則求取的的數(shù)值,顯然工程近似算法偏于保守。
4.1.3 選擇電液伺服閥
根據(jù)液壓執(zhí)行元件所需的最大負(fù)載流量及最大負(fù)載壓力,計(jì)算伺服閥的閥壓降,再根據(jù)、,計(jì)算伺服閥樣本對(duì)應(yīng)參數(shù)、,最后按樣本給出的閥壓降和樣本給出的額定負(fù)載流量選伺服閥型號(hào)及規(guī)格,計(jì)算方法如下:
1)計(jì)算伺服閥供油壓力
(4-11)
2)計(jì)算伺服閥壓降
(4-12)
3)根據(jù)伺服閥樣本給出的閥壓降,及、計(jì)算計(jì)算公式如下:
額定負(fù)載流量 (4-13)
4)選定伺服閥電流。最后根據(jù)伺服閥額定電流、閥壓降及額定負(fù)載流量,查伺服閥型號(hào)。
若選取=63的DYC系列兩級(jí)滑閥式電液伺服閥,所選伺服閥在=63時(shí)的空載流量應(yīng)大于
= (4-14)
選擇DYC系列供油壓力為=63時(shí),額定空載流量為25的伺服閥可滿足要求。該閥的額定電流為=300,控制繞組電阻為220。當(dāng)該閥工作在=40時(shí),空載流量為=25=19.9=3.32。此時(shí)伺服閥的流量增益為
===1.11()/ (4-15)
由實(shí)測(cè)的壓力增益曲線查得,其流量-壓力系數(shù)可由已知壓力增益和流量增益換算得到,流量-壓力系數(shù)值為
==6.9 (4-16)
4.2 液壓動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算
4.2.1 求取液壓缸和伺服閥的傳遞函數(shù)
在計(jì)算液壓缸的固有頻率和總?cè)莘e時(shí)應(yīng)考慮到管道容積和液壓缸空行程,則
(4-17)
(4-18)
由于被控質(zhì)量很大,閥的流量-壓力系數(shù)和液壓缸的泄露所能提供的阻尼有限。動(dòng)力機(jī)構(gòu)的阻尼主要由摩擦提供,根據(jù)現(xiàn)有同類機(jī)組測(cè)定,液壓阻尼比為=0.3左右。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)可寫成:
(4-19)
伺服閥的傳遞函數(shù)通常用振蕩環(huán)節(jié)來(lái)近似,由于一般情況下伺服閥的固有頻率要是液壓固有頻率的三倍以上,現(xiàn)取=250,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)暫取伺服閥阻尼比為0.56,即
= (4-20)
式中,—伺服閥的流量增益
—伺服閥固有頻率;
—伺服閥阻尼比。
光電檢測(cè)器和伺服放大器可看成比例環(huán)節(jié)
(4-21)
增益可通過(guò)改變伺服放大器的增益在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整。
4.2.2 繪制系統(tǒng)方塊圖
系統(tǒng)方塊圖如圖4-2所示。
圖4-2 跑偏系統(tǒng)方塊圖
Fig.4-2 Run to be partial to the system the square a diagram
系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為
(4-22)
式中,為速度放大系數(shù)
(4-23)
值待定。
4.2.3 根據(jù)系統(tǒng)精度或頻寬要求初步確定開環(huán)增益
該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差主要是速度和加速度信號(hào)引起的位置誤差,其中速度引起的誤差所占比重較大??紤]到其它因素的影響,進(jìn)行誤差分配并保留有一定余量。所以暫確定允許誤差(對(duì)應(yīng)最大工作速度)為
(4-24)
系統(tǒng)開環(huán)增益應(yīng)為
1/s (4-25)
5 系統(tǒng)的校正
接下去要做的應(yīng)該是繪制博德圖,進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析等。但是,從所得參數(shù)已經(jīng)明顯看出,系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)難以兼顧。如果保持增益為=22 1/s,以滿足精度要求,系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量和動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求將難以滿足,反之,如果降低增益以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量,精度又會(huì)降低。為此,可分別用修改動(dòng)力機(jī)構(gòu)參數(shù)或選擇校正裝置兩種辦法改善系統(tǒng)性能。
本系統(tǒng)要不停地跟蹤軋機(jī)出口板材的橫向運(yùn)動(dòng),由于軋制狀態(tài)的不斷變化,出口板材的橫向位移是隨機(jī)的。所以為了保證跟蹤精度,主要應(yīng)要求系統(tǒng)具有足夠?qū)挼念l帶。因此滯后校正不合適。采用加速度或壓力反饋校正都是可行的,這里根據(jù)條件設(shè)想采用壓力反饋校正。下面分別介紹采用修改動(dòng)力機(jī)構(gòu)參數(shù)和壓力反饋校正兩種辦法。
5.1 修改動(dòng)力機(jī)構(gòu)參數(shù),改善系統(tǒng)性能
5.1.1 確定活塞面積
為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,有,此式表明,為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定,速度放大系數(shù)應(yīng)限制在液壓固有頻率的20%~40%以內(nèi),這是工程計(jì)算中常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)。
設(shè)想系統(tǒng)不加校正,為保證系統(tǒng)具有=22 1/s的增益而又有足夠的穩(wěn)定余量,至少應(yīng)有。由要求的值反求液壓缸尺寸,考慮標(biāo)準(zhǔn)直徑后取=。這樣重新確定一組動(dòng)力機(jī)構(gòu)參數(shù)為
=;=22 1/s;
=88;=0.3
5.1.2 重新選擇伺服閥
按新的值計(jì)算動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出特性在-平面上的頂點(diǎn),其值為=1.6840=67200N。由該點(diǎn)出發(fā)做一條拋物線與負(fù)載軌跡相切,見圖4-1曲線3,該拋物線即為所要求的動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出特性。也可近似在負(fù)載軌跡最大功率點(diǎn)與最大速度點(diǎn)之間預(yù)先找一個(gè)設(shè)定的切點(diǎn),由頂點(diǎn)出發(fā)過(guò)該點(diǎn)作一條拋物線,并找出拋物線與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)以便計(jì)算伺服閥的空載流量,這樣做雖然不精確,但工程上是允許的。比如選定點(diǎn)為b(=20790,=0.0215),則拋物線與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)為
(5-1)
伺服閥空載流量為
=
如選擇=63DYC系列伺服閥,當(dāng)=63時(shí),伺服閥的空載流量應(yīng)有
= (5-2)
選取空載額定流量為40的DYC伺服閥可滿足要求,當(dāng)該伺服閥用在=40時(shí),所具有的空在流量為
=31.87=5.3 (5-3)
以此計(jì)算伺服閥的流量增益為
(5-4)
為保證系統(tǒng)具有 的增益,根據(jù)式
(5-5)
得出 =208.9 (5-6)
伺服閥的動(dòng)態(tài)參數(shù)同前。
5.1.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性核驗(yàn)
按修改后的參數(shù)繪制系統(tǒng)方塊圖,如圖5-1所示
圖5-1 修改參數(shù)后系統(tǒng)的方塊圖
Fig.5-1 Modification parameter empress system of square a diagram
系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
系統(tǒng)的博德圖如圖5-2所示。
圖5-2 修改參數(shù)后系統(tǒng)的博德圖
Fig.5-2 Bode of system after modify
由圖中查得,。 所以該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
其階躍特性見圖5-3。
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伺服
控制系統(tǒng)
設(shè)計(jì)
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0008-電液伺服跑偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),伺服,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)
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