电液伺服控制系统

电液伺服控制系统1.1电液控制系统的发展历史概述液压控制技术的历史最早可以追溯到公元前240年,一位古埃及人发明的液压伺服机构———水钟。而液压控制技术的快速发展则是在18世纪欧洲工业革命时期,在此期间,许多非常实用的发明涌现出来,多种液压机械装置特别是液压阀得到开发和利用,使液压技术的影响力大增。18世纪出现了泵、水压机及水压缸等。19世纪初液压技术取得了一些重大的进展,其中包括采用油作为工作流体及首次用电来驱动方向控制阀等。第二次世界大战期间及战后,电液技术的发展加快。出现了两级电液伺服阀、喷嘴挡板元件以及反馈装置等。20世纪50～60年代则是电液元件和技术发展的高峰期,电液伺服阀控制技术在军事应用中大显身手,特别是在航空航天上的应用。这些应用最初包括雷达驱动、制导平台驱动及导弹发射架控制等,后来又扩展到导弹的飞行控制、雷达天线的定位、飞机飞行控制系统的增强稳定性、雷达磁控管腔的动态调节以及飞行器的推力矢量控制等。电液伺服驱动器也被用于空间运载火箭的导航和控制。电液控制技术在非军事工业上的应用也越来越多,最主要的是机床工业。在早些时候,数控机床的工作台定位伺服装置中多采用电液系统(通常是液压伺服马达)来代替人工操作,其次是工程机械。在以后的几十年中,电液控制技术的工业应用又进一步扩展到工业机器人控制、塑料加工、地质和矿藏探测、燃气或蒸汽涡轮控制及可移动设备的自动化等领域。电液比例控制技术及比例阀在20世纪60年代末70年代初出现。70年代,随着集成电路的问世及其后微处理器的诞生,基于集成电路的控制电子器件和装置广泛应用于电液控制技术领域。现代飞机上的操纵系统。如驼机、助力器、人感系统，发动机与电源系统的恒速与恒频调节，火力系统中的雷达与炮塔的跟踪控制等大都采用了电液伺服控制系统。飞行器的地面模拟设备，包括飞行模拟台、负载模拟器大功率模拟振动台、大功率材料实验加载等大多采用了电液控制，因此电液伺服控制的发展关系到航空与宇航事业的发展，在其他的国防工业中如机器人也大量使用了电液控制系统。1.2电液伺服控制系统的特点和构成电液伺服控制系统特点:均为闭环系统;输出为位置、速度、力等各种物理量;控制元件为伺服阀(零遮盖、死区极小、滞环小、动态响应高、清洁度要求高)；控制精度高;响应速度快；用于高性能场合。此系统的一般构成如图1.1所示。hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下天下hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh图1.1电液伺服系统的一般构成1.3电液伺服控制系统的a发展趋势电液伺服控制已经开始向数字化发展,液压技术同电子技术、控制技术的结合日益紧密,电液元件和系统的性能有了进一步的提高。电液伺服控制将在电子设备、控制策略、软件和材料方面取得更大的突破,主要包括以下几个方面。(1)与电子技术、计算机技术融为一体。随着电子组件系统的集成,相应的电子组件接口和现场总线技术开始应用于电液系统的控制中,从而实现高水平的信息系统,该系统简化了控制环节、易于维护,提高液压系统的可控性能和诊断性能。(2)更加注重节能增效。负荷传感系统和变频技术等新技术的应用将使效率大大提高。(3)新型电液元件和一体化敏感元件将得到广泛研究和应用,如具有耐污染、高精度、高频响的直动型电液控制阀,液压变换器及电子油泵等的研究。(4)计算机技术将广泛应用于电液控制系统的设计、建模、仿真试验和控制中。2带钢纠偏控制系统设计2.1带钢纠偏控制系统原理课题背景近年来，随着科学技术的发展、制造技术的进步，产品质量和品种多样化的要求日益提高。其中，汽车工业及装备制造业的迅猛发展大大增加了对钢材的需求。然而，我国的很多钢铁企业由于设备使用年限过长，电气控制系统和液压传动系统损坏严重，控制精度达不到要求，不能满足当前生产的需求。为保证带钢的质量，需要根据机组运行情况设计安装相应的自动纠偏控制系统，整齐带钢边部，从而提高钢材的产量、成品率和生产效率。带钢纠偏控制系统简介伺服放大器检测反馈元件伺服阀控制对象液压执行元件被控制量被控制对象液压源ugufQueI带钢纠偏系统EPC(EdgePositionControl)即边缘位置控制，广泛应用于钢带、铝带、铜带等金属带材轧机、纵剪机列、清洗机列等生产中，用来对带材连续生产进行跑偏控制。常见的跑偏控制系统有气液和光电液伺服控制系统。两者工作原理相同，其区别仅在于检测器和伺服阀不同，前者为气动检测器和气液伺服阀;后者为光电检测器和电液伺服阀，并各有所长。电液伺服控制系统的优点是信号传输快;电反馈和校正方便:光电检测器的开口(即发射与接受器间距)可达一米左右，因此可直接方便的装于卷取机旁，但系统较复杂。气液伺服系统的最大优点是简单可靠且不怕干扰;气液伺服阀中的膜片不仅起气压-位移转换作用，还起力放大作用，因此系统中省去了放大器，简化了系统。但气动信号传输速度较慢，传输距离有限，且气动检测器开口较小，检测器务必由支架伸出，装于距卷筒较远处，综合各种因素本系统运用电液伺服控制。带钢纠偏控制系统工作原理如图2.1所示，典型的带钢卷取纠编控制系统，主要由光电传感器，控制器，液压伺服系统(液压站、伺服阀)，卷取机所组成。图2.1带钢纠偏控制系统带钢正常运行时，带边处于光电传感器中央，将光源的光照遮去一半。带钢跑偏时，带边偏离光电传感器中央，光电传感器检测出带材的位置偏差，将信号送给电控装置，而后经过放大等一系列动作送至伺服阀，由伺服阀控制液压缸驱动卷筒，使卷筒向跑偏方向跟踪。当跟踪位移与跑偏位移相等时，偏差信号为零，卷筒处于新的平衡位置，使卷筒上的带钢边缘实现自动卷齐。带钢纠偏控制系统设计控制系统参数及基本要求1.控制对象有关参数1）机组速度：V=2m/s2）负载情况：以惯性负载为主，卷取机移动部件总重量M1=23t，最大钢卷重量M2=20t3）带钢宽度变化范围：75cm-125cm4）工作行程：H=300mm5）工作条件：因活套内行走,小车运行不稳，易引起带钢横向摆动2.控制系统要求1)最大调节速度Vs=30mm/s，系统频宽0.7f3Hz2)卷齐精度e≤2mm控制系统设计方案本论文研究的对象位于轧钢生产线。由于生产线工况条件恶劣，振动大、噪声强、温度高、污染严重，所以对控制系统的要求必须有非常高的可靠性和处理速度。为此我们在系统设计中需采用特殊的光电传感器检测带钢偏移信号，控制器采用计算机控制系统和智能PI控制算法，以减小和消除超调，加快系统的动态响应；执行机构采用电液伺服阀控制液压缸，推动卷取机跟随钢带。具体控制方案如下:1.控制算法采用智能PI算法，优化控制性能，这是该控制系统的关键部分。2.光电传感器采用特殊频率电源，提高抗干扰性能，有利于提高控制精度。3.硬件电路用由MCS-51单片机构建的计算机控制系统，扩展A/D及D/A模块，用LED及键盘达到参数显示、修改及工作方式的切换，构成友好的操作界面。4.该系统实现键盘自给定系统，在带钢宽度变化时自动调节光电传感器的光电头可以实现带钢边缘位置的准确定位。带材纠偏控制系统硬件原理图如图2.2所示计算机给定值传动装置卷筒带钢检测信号V光电检测器伺服放大器伺服阀液压缸图2.2带材纠偏控制系统硬件原理图纠偏液压站原理图设计液压系统设计要完成两部分功能:①实现卷取机的自动和手动跟踪带钢;②实现光电传感器位置的手动调节，并且调节速度可调。根据功能要求，设计纠偏液压站原理图如图2.3所示:图中元件为:1.吸油过滤器2.电动机3.弹性连轴器4.叶片泵5.水冷器6.单向阀7.压力表开关8.压力表9.溢流阀10.高压滤油器11.水阀12.电液伺服阀13.电磁换向阀14.电磁换向阀15.电磁换向阀16.叠加式单向节流阀17.油缸I(推动卷取辊)18.油缸II(光电传感器)19.液位计油温计20.液压空气滤清器。油路原理分析:油液经4（叶片泵）向上进入6(单向阀)：①当系统在自动控制状态下时，13(电磁换向阀)处于右位，14(电磁换向阀)处于中位(关闭)。油液经过12(电液伺服阀)和13(电磁换向阀)进入17(油缸)工作，此时流量由微机控制的12(电液伺服阀)决定。②当系统在手动控制状态下时，13(电磁换向阀)处于左位(关闭)，14(电磁换向阀)处于左位或右位。油液经过14(电磁换向阀)进入17(油缸)工作，此时流量由人工通过14(电磁换向阀)控制。③不管系统处于自动状态还是手动状态，油液都可经过15(电磁换向阀)和16（叠加式单向节流阀)进入18〔油缸II〕，控制光电传感器的位置。一般光电传感器只在带钢宽度发生变化的情况下才由人工重新定位，所以15(电磁换向阀)一般处于中位(关闭)。16(叠加式单向节流阀)是为了调整定位速度，保证18(油缸II)稳定准确定位。9(溢流阀)是为了确定系统最高压力。图2.3纠偏液压站原理图2.2带钢纠偏控制系统元件设计选型系统由计算机、伺服放大器、伺服阀、卷取机及光电传感器等环节组成。控制器给出控制信号，经伺服放大器放大后驱动伺服阀，控制油缸活塞杆运动来推动卷取机跟随带钢，带钢位移信号经传感器反馈回控制器构成闭环控制系统。系统原理框图如图2.4所示(其中给定值为数字给定)图2.4系统原理框图在系统中光电传感器、伺服阀、卷取机及与其配套的油缸等液压器件是系统的主体部分。系统的主要控制性能是由光电传感器和液压系统(包括伺服阀、卷取机及与其配套的油缸等液压器件)决定的，所以首先来设计光电传感器和液压系统。光电传感器包括光源的设计、转换、滤波等。液压系统的设计主要是确定决定系统控制性能的关键元件—伺服阀。光电传感器设计在检测的反馈回路上光电传感器的精度