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1、基于电气补偿的双液压缸同步位置控制,姓 名：布丹、高乾、陆聪玲、阚一杰 指导教师一：权凌霄 职 称：讲 师 指导教师二：俞斌,项目考查知识点,1.在理解反馈控制原理的基础上，初步了解工业设备中常用校正装置PID控制器中各环节的作用。2.典型液压伺服系统的基本组成原理的计算和CAD原理图绘制。3.SOLIDWORKS的简单应用阀块设计。4.MATLAB的基本编程与仿真设计，AMESim仿真系统的搭建。,项目要求及设计参数,双液压缸同步采用电气补偿实现，误差不超过0.5mm。加载系统额定工作压力：25MPa加载系统最高工作压力：35MPa加载系统最高流量：100150L/min输出推力：100KN
2、250KN速度：150mm/1s系统频宽：1 0Hz位置精度：0.5mm,基本要求,本实验台主要用于模拟简单工况，实现线性输出，所以其加载通道设计为双通道；考虑到可能需要实现主动和被动两种形式的加载，所以要求实验台具有模拟主动加载和被动加载的能力；要求两个通道的输出参数(力、位移和速度)均可控，便于加载，而且各个通道的运动能够分别控制；被动加载要求两个通道的输出参数可由上位机控制，模拟多种输出形式；液压缸能够实现双向加载，即可压可拉。由于比例控制系统和伺服控制系统各有优劣，为了能够满足不同要求，应该两种系统都加上。但是本着经济节约的目的，应该在两个系统公用的部分节省。,双通道加载装置拟安装在一
3、固定支架上，位置和方位可调。这样的话既可完成双通道主动加载实验，也可完成对顶缸被动加载实验。液压缸头部需特殊加工，要求能够方便的安装各种加载模具。位移传感器要求安装到液压钢内部。,系统设计方案的确定,闭环同步控制有两种形式：（1）一个执行缸跟踪另一个执行缸（2）两个缸同时跟踪理想输入。我们要实现的是前者：一个液压缸跟随另一个动作。我们小组成员经过讨论，比较，研究，最终确定的方案是电液比例换向阀，电液伺服阀控制非对称液压缸同步回路。,设计系统原理图,系统工作原理,首先给定左侧的比例阀信号，使其进入左位工作，左侧液压缸伸出，连在左缸的位移传感器和右侧位移传感器比较后产生偏差，此偏差信号经放大器后，
4、反馈给伺服阀，控制伺服阀左位得电，使右侧液压缸动作伸出，使两杆位移差减小，直到偏差接近零。,计算与选型,a.计算缸径 选取液压缸 推力做功时 D=0.116m 取D=125mm，d=63mm 根据缸径及系统最高工作压力选择CDH2型伺服缸两个，其行程为1000mm。,b流量计算 选取变量泵，电动机和溢流阀,1）单缸快进伸出：Q=Av=考虑到系统中两个伺服缸同时工作，所以系统流量应按220L/min。又考虑到系统泄漏问题 其中，K为系统泄漏系数，一般取1.1到1.3，我们取 1.1，则液压泵流量250L/min足够。系统最高工作压力为35MPa，选取液压泵的额定压力时应比系统最高压力大25%到6
5、0%，使液压泵有一定的压力储备，高压系统的压力储备宜取小值，我们取25%，则液压泵额定工作压力50MPa足够。选择型号为A4VS G180的变量泵，其额定流量可达250L/min，足够，另外其额定工作压力50MPa，也足够。,2）系统最高流量220L/min，最高工作压力35MPa，据此 可计算出系统最大功率 P=pq=127Kw 电动机选择型号为JS2400S14，其额定转速为1500r/min，额定功率158Kw。3）根据系统最高工作压力和最高流量，在进油路上选择直动式溢流阀DBDS30G1X315（力士乐）。,c计算管径 选择单向阀 高压软管管径应按 主油路上：q按220L/min，则
6、标准化 取31.5mm 分油路上：q按110L/min,则 标准化 取25mm 根据管径和流量确定分油路上使用S25A1.0/螺纹连接式单向阀。在泵站出口的直控式单向阀选择1S10A-B-3X1V型。伺服阀前的液控单向阀选择SV25GA4-L4X/2V型（均为力士乐产品）。,e选取伺服阀 对照样本，依据系统流量和压力，伺服阀的流量负载特性曲线，选取通径是16的SV25GA4-L4X/2V三位四通电液伺服阀。它是二级机械和电反馈，最高工作压力210/315bar，最大流量320L/min。f选取比例阀 对照样本，依据系统流量和压力，比例阀的流量负载曲线，选取通径为10的直控式带电位置反馈电液比例
7、方向阀4WREE10E1-2X/G24K4/F1/V，最高工作压力315bar，最大流量180L/min。,g油箱的设计,油箱的容量 其中，为经验系数，一般取5到7，我们取6，取250L/min。油箱的高，宽，长之比为1：1：1到1：2：3，我们取1:2:2 计算得油箱的高，宽，长分别为720mm，1440mm，1440mm。,三维设计及仿真建模,我们主要对伺服阀，比例阀，以及进油路上的两个单向阀所使用的阀块进行了设计。,阀块内油路走向分析,高压油由P口进入阀块，分两路，由A3和A4进入两个单向阀，再由T31和T41流回阀块，再由P1口进入比例阀，比例阀工作在不同的位置，P1口与不同的阀口通，
8、现假设P1与A5通，T1与B5通，则油经A5进入阀块，再由P3进入系统控制液压缸，回油经T3进入阀块，再由B5，比例阀，T1，流回阀块，经N口流回油箱；若P1与B5通，T1与A5通，则油经B5进入阀块，再由T3进入系统控制液压缸，回油经P3进入阀块，再由A5，比例阀，T1，流回阀块，经N口流回油箱。由A4进入单向阀，T41流回阀块，在进入伺服阀的油路走向与比例阀相似。,主视图：进油口P（左下），回油口N（左上），回油口T（右下）,侧视图：周围四个是固定单向阀的螺纹孔，中间两个分别连单向阀入口（下）和出口（上）,后视图：左侧两个从上到下依次是从伺服阀流出油的出口P4和回油口T4；右侧两个从下到上
9、依次是从比例阀流出油的出口P3及回油口T3,俯视图：左侧四个与比例阀四个口相通；右侧四个与伺服阀四个口相通。周围是固定阀的螺纹孔。,以下是阀块的三维图,以下是伺服阀的三维外形图,以下是比例阀的三维外形图,以下是阀块装配上比例阀，伺服阀，单向阀，管接头，油管（局部）后的三维图,仿真建模,本次仿真建模所用软件是AMESimAMESim软件简介擅长于解决液压、机械、气动、电磁以及控制等复杂系统的问题。已经被用于设计和分析车辆、航空航天、工程机械、船舶、能源、铁路等行业的作动系统和元件、泵、马达、伺服阀、矢量推进器、传动系统、机器人、数字实验平台 AMESim使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注
10、于物理系统本身的设计。基本元素的概念，即从所有模型中提取出的构成工程系统的最小单元使得用户可以在模型中描述所有系统和零部件的功能，而不需要书写任何程序代码。,经过分析，在老师的指导之下，我们搭建的仿真模型如图,给定比例阀正弦信号时：sine wave frequency：1hz；mean level：0；sine wave amplitude：0.01；phase shift：0,给定阶跃信号时：value before step：0；value after step：-0.05；step time：0s,给定阶跃信号时：step time：1s,斜坡信号：value before ramp：
11、0；slope：-0.5；start time：1,通过对给定信号和PID各参数反复调解比较，我们有很多收获:,PID控制是应用最广泛的一种控制规律，PID控制表示比例-积分-微分控制。PID控制中，比例作用加大将会减小稳态误差，提高系统的动态响应速度。PID控制中，积分控制可用来消除系统的稳态误差，因为只要存在偏差，它的积分所产生的信号总是用来消除稳态误差的，直到偏差为零，积分作用才停止。,微分控制的作用，实质上是跟偏差的变化速度有关，也就是微分的控制作用跟偏差的变化率有关系。微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，因此，微分控制可以较好的改善动态性能，使调节时间缩短，超调量减小。,实验方
12、案,实际上，一个液压系统不是一个单一回路的系统，通常由几个回路组成，多个回路之间会有相互影响，即使在一个回路中通常设有溢流阀调压，安全阀保护，节流阀或调速阀调速及换向阀换向等，它们对执行器的同步均会产生静态或动态的影响。同时由于不同工况下负载的扰动，执行器的摩擦阻力，系统的泄漏，控制元件间的性能差异，空气的混入量以及系统各组成部分的制造和安装误差等因素的影响，都会影响执行器同步运行的精度。,当采用开环控制的液压同步回路，同步精度较低；当采用液压同步闭环控制系统，可对执行器的输出进行检测与反馈来构成闭环控制，尽管该系统组成复杂，成本高，但能消除和抑制对高精度同步控制的不利因素的影响，可获得高精度
13、的同步驱动控制。特别是随着现代控制理论，智能控制理论以及计算机控制技术的发展，这种控制形式在高精度的，自动的液压同步控制回路中得到广泛的应用。,闭环同步控制有两种形式：（1）一个执行缸跟踪另一个执行缸（2）两个缸同时跟踪理想输入。,实验过程思路：,通过Matlab建模再将Matlab里建立好的模型传到dspace软件中进行数据处理并且进一步输出控制信号和采集传感器传回来的信号，进行数据分析处理。,本次试验，采用的是第一种，一个液压缸跟随另一个，拟采用计算机控制。,由于实验设备有限，伺服阀放大器不能用，我们并未准确按照系统原理图进行试验，我们设计的实验方案为：计算机控制，给定比例阀信号，给定预期
14、位移，位移传感器采集到的信号只要与给定预期位移有偏差，即杆未伸到给定位置，此偏差信号经放大器后，再反馈给比例阀，比例阀通过自身调节，控制液压缸继续伸出，直到到达给定位置为止。我们实现的是单缸控制。,计算机的输出信号经放大板后将电信号给电磁铁，使比例阀左位或右位得电工作，比例阀控制的缸动作，活塞杆伸出，位移传感器检测到杆的位移，与预定信号比较，有偏差（还未伸出到预定位置），此偏差信号经模数转换后，反馈传送给计算机，计算机调解，输出信号给比例阀，构成闭环控制，直到杆伸出到预定位置。,实验过程,由于我们所使用的实验台，阀块内部结构未知，只能先按照曾经草稿图纸作参考，连接油路。在老师的指导下，参照样本
15、将放大器与计算机辅件，比例阀，电源等连接。我们实验的客观条件给我们的实验带来了很多困难。实验一开始，液压缸确实能伸出动作，但不能缩回。,1.我们猜测可能是放大器线比较多，连接 可能有误，有对照说明书将线路排查了两遍，发现没有连错。2.我们第二次猜想是比例阀接头出现故障，又拿万用表检测比例阀，将比例阀从阀块上卸下，计算机控制其左或右位得电，发现比例阀阀芯只能工作在左位和中位，不能换到右位。,3.比例阀阀芯损坏的可能性较小，我们为缩小排查范围，又将油路检查了一遍，试图将缸两个口的管子对调，以使缸退回，对调后并未实现缸的退回，于是我们猜测进油口和回油口连接有误，将缸两侧的管子换回后，又将阀块入口处的
16、管子换位，拆卸过程中，有液压油喷出，更证实了我们的猜测，进油口和回油口连接有误。,4.将油路改正后，缸依然不能缩回，于是我们开始检修比例阀，阀芯依然不能工作在右位，我们猜测是线接头有问题，将线接头拆开，用万用表检测，发现线接头处的线没有问题。5.比例阀接头和线接头都没问题，但比例阀右位就是不能得电工作，于是我们猜测是两者接触不良，于是我们将其中一个线接头拆开，将线金属丝直接接到比例阀的金属接头上，用透明胶固定绝缘，再次通电后，缸依然不动。,6.虽然经过种种猜测和排查，耗时两个下午一个晚上，实验还未成功，我们依然没有放弃，继续工作，将另一个线接头也拆开直接接到比例阀金属接头上，再次通电，令人激动
17、的情景终于出现了：缸终于缩回了。7.我们马不停蹄在12月10号晚上进行试验。实验很成功，这都要归功于老师的耐心指导和同学们的积极努力。,输入阶跃信号,步进时间-仿真时间0.2秒，时间分成200份，以0.001秒为单位累加,给定输入,位移传感器检测值,偏差,输入正弦信号,步进时间-仿真时间3秒，时间分成3000份，以0.001秒为单位累加,给定输入,输出，位移传感器检测值,偏差,输入斜坡信号,步进时间-仿真时间7秒，时间分成7000份，以0.001秒为单位累加,给定输入,输出，位移传感器检测值,偏差,实验结果分析,有以上几个图可知：缸的活塞杆能够准确停在指定位置，实验测试比较成功。输入阶跃信号时
18、：给定值0.5，位移传感器检测值在0.495上下波动，偏差值在-0.005附近波动输入正弦信号时：输出滞后比较明显，但偏差值最后接近零，准确性较好输入斜坡信号时：给定斜坡信号斜率较小，输出对给定信号跟随较好,以下是我们工作的时候一些照片：,同学们在连接线路：,连接好的油路：进油口和回油口,侧面的单向阀,出油口：伺服阀和比例阀各控制两个,阀和缸相连,杆端连上力传感器,比例阀电磁铁电路连接,缸端连接位移传感器,放大板,模数转换器,检修，排查故障,以下是我们计算机控制的画面,心得,课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程“千里之行始于足下”，通过
19、这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础 通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：有2次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来但一想起老师平时对我们耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯,这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练短短四周的课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用想到这里，我真的心急了，这说明课程设计确实使我有收获了老师的亲切鼓励使我更加自信 最后，我要感谢我的老师们，是您的敬业精神感动了我，是您的教诲启发了我，是您的期望鼓励了我，我一定会更加努力提高自己。,谢谢观看！,
