控制系统设计实例

开炼机电液伺服阀位置控制系统设计

第1章绪论

1.1设计背景

近年来，随着我国公路、汽车、交通运输事业的迅猛发展和人民物质生活水平的不断提高，轮胎产业一直处于高速发展的状态。轮胎制造企业在扩大生产规模的同时，不断更新生产工艺和配方，大大提高了子午线轮胎的节能、高速行驶安全性、舒适性和使用寿命。由于子午线轮胎胶料的硬度很高，一次炼胶量加大，在生产过程中对设备的承载能力也提出了更高的要求。而开炼机作为整条生产线前端设备，其性能的好坏直接关系到生产的连续性，对设备承载能力起决定因素的就是安全装置，它能保证设备在过载的情况下整机不受到损坏。

目前，在国内橡胶机械企业生产的各种规格开炼机中，大多采用传统的机械调距装置，其安全装置是通过铸铁安全片的破碎来起到安全保护的作用，而这种结构的安全片更换时间较长，严重地影响了生产的连续性，在实际生产中还存在以下缺陷：

(1)调距精度较差。

(2)双侧调距的同步性较差。

(3)设备的安全保护压力值控制不准确。

(4)对操作者的人身安全保护不够。

1.2 液压伺服系统概述[13]

液压伺服控制系统，是一种以液压动力机构作为执行机构并具有反馈控制的系统。它不仅能够自动、准确而快速地复现输入量的变化规律，而且还能够对输入信号实现放大与变换的作用。电液伺服系统是-新兴的科学，发展历史并不太长。它是在20世纪50年代至60年代以后逐步发展起来的，并形成了一门学科，它综合了电气和液压两方面的特长，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、

信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点，其应用已遍及国民经济和军事工业的各个技术领域。远在第一次世界大战前，液压伺服曾用于海军舰艇中作为操舵设备，但是因当时电力系统的迅速发展及其显示出的明显优越性，动摇了液压控制的基础。近几十年来，由于整个工业技术的发展，尤其是在军事航空和宇航技术上所应用的伺服控制系统逐步向快速、大功率、高精度的方向发展，电液伺服控制得到了迅速发展。

今后，液压伺服控制的发展大体有以下几个方面：

(1)高压大功率。高压的目的主要是为了减轻系统的重量及结构尺寸大功率

是为了解决大惯量与重负载的拖动问题。高压与大功率系统的研究与应用对航空与航天技术尤其显得重要。

(2)高的可靠性。液压控制设备一般都是高性能的机器，对油的污染和温度

变化都很敏感，例如把这种机器应用于飞行器上，可靠性就是一个重要课题。为了提高可靠性，除了要对机器本身的研究与改良以及增加检测与诊断技术外，目前正在采用裕度技术和重构技术。

(3)理论解析与特性补偿。液压伺服控制的理论解析近期的研究倾向是利用

计算机对复杂系统(如多变数液压系统)和复杂因素(非线性及时变等)进行仿真分

析的研究，其中大量的研究是围绕动态特性进行的。随着系统应用目的的多样化，控制对象也愈来愈复杂，大惯量、变参数、非线性及外干扰是经常遇到的。要使这些系统具有满意的性能必须研究系统的性能，需要研究系统的性能补偿与控制。

(4)同微型机的结合。目前液压控制已从模拟控制转为以微机控制与数字控

制为主，把微机放入控制回路之内进行实时控制时就有很多问题需要研究，这方面存在着计算机速度问题、电液伺服机构与计算机配置的问题以及离散化带来的一些问题。直接与数字机结合需要发展液压数字技术，目前已产生了各种形式的数字阀、数字缸及高速开关阀等。利用计算机可以进行更复杂的功能控制。电液伺服控制与计算机的结合，提供了计算机技术与大功率压伺服控制之间牢固的、精确的、高性能的联系，产生了各种所谓智能化的电气液压伺服控制系统。

(5)液压伺服控制普遍的工业应用阶段。液压伺服控制元器件的批量及规格

化生产降低成本或开发简易廉价的各种转换元件、数字化元器件以及各种抗污染元器件，仍然是今后液压伺服控制技术研究的课题。

第2章控制系统的设计

2.1 控制系统的技术要求及性能参数

开炼机(由660×2130)液压调距系统的控制技术要求和性能指标为：

(1)调距最大行程L。lOOmm

(2)位置调节时域动态指标：

上升时间t r<0.02s

超调量σp<5%

调整时间t s<0.1s

(3)位置调节频率动态指标：

幅值裕量K s>6.8dB

相位裕量r=400−700

(4)性能指标：

位置控制精度e< ±0.15mm

2.2 液压系统参数及主要元件的选择如下：

（1）选取SHT公司生产伺服油缸，型号：FB335 X 200X 100ST。

（2）选用M00G公司的G761-3003型伺服阀。

ζ=，固有频率ωh=700rad/s

阻尼比0.7

h

(3) 位移传感器选择MTS公司生产的磁致伸缩位移传感器，型号为：

GHM-0100M-D60-1-A0。

2.3 系统的数学模型

（1）液压缸负载的传递函数（由液压缸的参数计算得）

634213.8() 1.3310 4.6210h G s s s s --=⨯+⨯+ （2.3.1）

（2）伺服阀的传递函数

2

222.2510() 1.41700700G s s s ν-⨯=++ （2.3.2）

（3）位移传感器的增益

160/f K mA m = （2.3.3）

（4）伺服放大器的传递函数（由行程位置的最大允许误差可得）

K a ≥0.48 （2.3.4）

2.4 系统仿真分析

Matlab 的构件Simulink 直接对动态系统模型仿真，并且其图形化设计界面使得建立系统模型的工作更直观和方便。它是一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包，它可以完成连续、离散和混合的线性或非线性系统的仿真，也能完成多种采样数率的系统仿真。Simulink 为用户提供了用方块图进行建模的图形接口，与传统仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更大的优势，

它不但可