液压千斤顶设计说明

液压千斤顶设计目录1. 引言 (3)1.1 选题的依据及课题的意义 (3)1.2 国内外的研究概况 (3)1.3 单片机控制系统的发展概况 (4)1.4 PID控制算法的发展概况 (5)1.5 设计要求及工作内容 (6)1.6 目标、主要特色及工作进度 (6)2．机械结构与液压传动系统设计 (6)2.1系统结构分析 (7)2.2 千斤顶零部件分析 (8)2.3 油缸与螺纹的校验 (10)2.3.1油缸的壁厚校验 (11)2.3.2 锁母螺纹牙剪切强度校验 (11)2.3.3锁母螺纹牙的弯曲强度校验 (12)2.4 液压系统分析 (12)2.5 液压泵与电动机的选择 (13)2.6 超高压泵站简介 (14)3 . 单片机控制系统设计 (14)3.1 单片机的选用及功能介绍 (15)3.2 片外存储器功能简介 (16)3.3 显示部分设计 (18)3.4 键盘部分设计 (21)3.5 交流异步电动机变频调速系统 (23)3.5.1 交流异步电动机变频调速原理 (23)3.5.2主电路和逆变电路工作原理 (24)3.5.3 变频与变压 (27)3.6 位移检测部分的设计 (32)3.6.1 位移检测传感器的选用 (32)3.6.2 光栅位移传感器与单片机的接口设计 (33)3.7 位移传感器部分的设计 (37)3.7.1 A/D转换器的选择 (37)3.7.2 压力传感器与单片机的接口设计 (40)4．系统的PID控制算法 (41)4.1 PID控制原理 (41)4.2 数字PID控制算法 (43)4.2.1 位置式PID控制算法 (43)4.2.2 增量式PID控制算法 (44)4.3 智能自适应PID控制器 (45)5. 系统模拟仿真 (49)5.1 SIMULINK概述 (50)5.2 SIMULINK的窗口和菜单 (50)5.3 用SIMUINK创建模型 (52)5.4 用SIMULINK进行系统仿真与分析 (52)5.4.1 建立控制系统模型 (53)5.4.2 系统模块参数设置与仿真参数设置 (54)5.4.3 系统仿真与分析 (55)6.结论....................................... 错误!未定义书签。

7.致谢..................................... 错误!未定义书签。

8. 参考文献 (58)1. 引言1.1 选题的依据及课题的意义随着现代社会的不断发展，工业化程度的不断深入，大尺寸、大重量、不规则表面的工件越来越多的成为工厂加工的对象。

而在加工过程中如何将这些工件准确的提升至预定位置则成为最难解决的问题，这时传统的千斤顶和起重机等设备就显示出先天不足的缺陷来。

也正是在这种环境下，同步顶升系统应运而生，并在建筑、机械加工、造船等行业扮演着越来越重要的角色。

同步顶升系统是由控制系统协调控制多个千斤顶，使其具备顶升大重量、大体积、复杂工作表面的工件的能力，并具有同步升降、点动升降、连续升降、侧翻仰俯等功能的机电一体化设备。

其控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等；其动力系统有液压式、气电式、汽液两用式等；吨位从几百公斤到几千吨不等，主要由动力方式和千斤顶的个数来决定。

由于其体积小、承载重、精度高、结构简单、控制方便、使用灵活等优点被广泛的用于电力、建筑、机械制造、矿山、铁路桥梁、造船等多种行业中，在设备安装、起顶拆卸、静力压桩、设备校调、基础沉降等工作岗位发挥了重要的作用。

基于单片机控制、液压传动的四顶顶升系统是较常见的，控制算法较简单的一种。

由于其控制简便、吨位适中、价格也很低廉的优点使得其在中小企业、民营单位甚至轻工业领域都有很高的使用度。

其重要性不言而喻，对其进行研究和开发具有很大的市场空间和实用价值。

1.2 国内外的研究概况国外对同步系统的研究起步较早，基于单片机控制、液压传动的四顶顶升系统是较常见的，控制算法较简单的一种。

由于其控制简便、吨位适中、价格也很低廉的优点使得其在中小企业、民营单位甚至轻工业领域都有很高的使用度。

美国实用动力ENERPAC是这一行业的佼佼者，在澳大利亚的昆士兰州，G&S 工程技术服务公司就采用了ENERPAC（恩派克）提供的同步顶升液压系统成功地完成了重达3500 多吨的矿山巨型索斗铲的顶升，误差小于0.5mm。

在上海因广场改造而需要整体平移的上海音乐厅使用了ENERPAC公司开发的一套具有四组共60个高精度顶升点的计算机控制同步顶升和顶推系统，以小于0.2mm的误差将建筑物同步顶升至预定高度并顺利完成平移任务。

我国在这领域起步虽晚，但发展迅速，经过多年的发展也获得了许多曙目的成就，今年（2006年）1月4日，目前世界上最大的闸门——葛洲坝1号船闸重达200吨、面积相当于篮球场大的上游人字闸门安装就位。

此举标志着我国自主研制的第一套大型船闸门同步顶升系统获得成功。

在上海兴建的磁悬浮列车的关键基础部件轨道梁是确保磁悬浮列车快速、平稳、安全的重要保证，其加工精度要求非常高，但每段轨道梁长25米，重16吨，对其进行精确升举困难重重，上海千斤顶厂自主开发的高精度同步顶升装置不负众望，顺利完成任务，其同步顶升精度≤0.03mm，达到国际先进水平。

我国浙江省海盐县有“千斤顶之乡”的美誉。

在千斤顶和同步系统方面形成规模化生产，年生产能力达800万台以上，销量位居世界前列。

1.3 单片机控制系统的发展概况单片机，就是单片微型计算机的简称，又称微控制器。

自上世纪70年代面世以来不过短短30余年的历史，但因嵌入式应用而得到迅猛的发展，各种新颖的单片机层出不穷，令人目不暇接。

它具有因体积小、成本低、控制能力强等优点，又由于现在开发环境的不断改善，正在以空前的速度迅速取代经典电子系统，广泛的应用于家用电器、机器人、工业控制单元、仪器仪表、汽车电子系统、金融电子系统、通讯系统等嵌入式产品中。

目前单片机的种类繁多，世界各国厂商已研制出大约50个系列、30多个品种的单片机产品。

与早期经典的8位单片机MCS－51相比，无论是频率、字宽、寻址范围、集成度等方面都有了巨大的突破。

现代科技的发展使得单片机的功能正日渐完善:1、单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时系统也更加稳定，目前该方向即是发展为SOC(片上系统)。

2、单片机抗干扰能力加强，使的它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景。

3、单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。

4、在线仿真变的容易。

用户一旦开发一个比较大的系统，开发调试变的非常复杂，同时由于单片机资源有限，不能象PC一样直接调试自己的软件，于是出现了品种繁多的专业仿真器，为用户的开发提供了强大功能，加速了开发进程，降低了开发难度。

目前还已经有公司推出了可以在线调试的单片机，使得单片机系统的调试与开发变得更加方便、快速。

随着单片机的发展，人们对事物的要求越来越高，单片机的应用软件技术也发生了巨大的变化，从最初的汇编语言，开始演变到C语言开发，不但增加了语言的可读性，结构性，而且对于跨平台的移植也提供了方便，另外一些复杂的系统开始在单片机上采用操作系统，一些小的嵌入式实时操作系统（RTOS）等，一方面加速了开发人员的开发速度，节约开发成本，另外也为更复杂的实现提供了可能。

当前比较流行的RTOS有:WINCE，uClinux，Linux，uC/OS等等。

本次设计的四顶同步顶升系统再选择控制系统时在综合考虑了微机、单片机和可编程控制器的成本、控制的难易程度和结构化布线等因素后，也拟定采用单片机进行控制。

1.4 PID控制算法的发展概况PID（Proportional-Integral-Derivative）即比例、积分、微分，指的是一项流行的线性控制策略。

由于在工业生产过程的实际控制中，总是存在外界的干扰和系统中各个参数的变化，它们将会使系统性能变差。

为了改善系统的性能，提高控制质量，通常在控制中引入比例（Proportional）环节来提高系统的快速性；为了消除静态误差，提高精度，加强系统对参数变化的适应能力，引入积分(Integral)环节；为了提高系统对动态过程的预知能力，克服惯性的影响，引入微分(Derivative)环节。

这就是通常所说的PID控制。

按照偏差的比例、积分、微分进行控制（PID控制）是连续系统控制理论中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制技术。

它结构简单、参数易于调整、稳定性能好、可靠性高，使它在控制理论和技术飞速发展的今天仍然具有强大的生命力，在长期应用中已经积累了丰富的经验。

特别是工业过程控制中，在决定系统参数的时候往往要借助现场调试和经验，在这种情况下，PID控制就更显示它的威力。

其应用经久不衰，应用范围越来越广泛，改进方法也越来越多。

二十世纪60年代发展、成熟起来的现代控制理论和近几年发展的智能控制理论仍在大量的PID控制的方法和思想。

按照偏差的比例、积分和微分进行控制是过程控制中应用最为广泛的一种控制规律。

实际运行经验和理论分析都充分证明，这种控制规律在相当多的工业对象的控制中是可以得到较满意的控制效果的，在计算机控制系统里首先采用的控制算式也是PID。

1.5 设计要求及工作内容1.由单片机控制四个液压千斤顶以设定的速度同步顶升大重量工件。

要求四顶顶升时必须同步，顶升速度和高度可以人为设定。

2.设计具有位置检测功能的液压千斤顶。

3.设计千斤顶的液压回路。

4.设计单片机控制系统的电路。

5.设计相关控制算法。

6.使用MATLAB进行仿真试验。

1.6 目标、主要特色及工作进度目标：设计一个由液压驱动，单片机控制，使用PID控制算法的四顶同步顶升系统。

特色：该系统具有位置检测和压力检测功能，可适用于不规则工作表面的工件，并且体积小、承载适中、精度高、结构简单、控制方便，具有很高的实用价值和市场空间。

2．机械结构与液压传动系统设计四顶同步顶升系统由千斤顶、超高压泵站、控制系统和操作台四部分组成。

我们所设计的四顶顶升系统的主要参数是每只千斤顶高约1000mm，最大行程为400mm，最大载荷为20t。

因千斤顶载荷较大，位置精度要求较高，故顶升速度不宜过大，最大顶升速度应控制在60mm/min以内。

千斤顶的动力系统有液压式、气电式、汽液两用式等，考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终选用了技术比较成熟的液压系统。

2.1系统结构分析由于千斤顶的外形尺寸较大，需承受的较大的冲击载荷，所以初步拟定采用了法兰型液压缸的结构原型，并在此基础上针对液压千斤顶的使用特性进行调整。

为了适应复杂工作表面的工件，千斤顶的工作台与活塞杆应采用转动连接副相连。