1、三塊雙層升降舞臺的液壓系統及其電液比例同步控制（Hydraulic System of Three Double-Decked Elevator Stages and Its Electro-Hydraulic Proportional Synchronized Control）【摘要】本文介紹了三塊雙層升降舞臺液壓系統的設計原理,論述了采用計算機和電液比例調速閥控制同步運動的控制原理。實測結果表明:同步運動平穩,同步誤差小于0.2%。This paper introduced the designing principle of the three double-deckedelevator

2、 stages hydraulic system,and discussed the control principle of synchronized motionwith the control of computer and electro-hydraulic proportional flow control valve.The testresults showed that the synchronized motion of the device is smoth and with a synchronizederror less than 0.2% in application.

3、【關鍵詞】升降舞臺; 電液比例控制; 同步;Elevator stage; Electro-hydraulic proportional control; Synchronization;第一章 緒論 液壓傳動技術概述. Z4 B( & e+ H6 B9 C' t, E  y1 p* x4 u在某種意義上，液壓技術的發展是一個元件與工作介質互相適應和協調發展的歷史。液壓介質性能水平的提高對于現代液壓技術的發展功不可沒。現在所謂的液壓元件企圖用液體作為介質，所有技術難點就都集中到了元件本身。液壓元件的發展越來越依賴于材料科學和制造技術的進步，這在液壓元件中體現

4、得尤為突出。當然，由于無法同時改進介質的相關特性，液壓裝置的性能，特別是性價比較之元件和介質都經過多年“磨合”和優化的傳統液壓裝置會大打折扣。 ) r6 ?% h. c$ K+ P: N3 W5 u8 r5 d- k3 h3 s3 6 第二章 電液比例技術的液壓同步系統設2.1、電液比例技術基本概念：電子液壓比例控制是指按電輸入信號調制參數。這是一種理想的液壓系統與電子液壓系統與電子系統的結合，可用于開環或閉環控制系統中，以實現對各種運動進行快速、穩定和精確的控制。這類控制是現代新式機器及工廠所必須的。6 ：t% q#： 1 y5 g7 H2 G' h閉環調節技術使用閉環比例閥(伺服閥

5、)，連續檢測實際值的傳感器，和閉環電控器。程序控制過程(設定值預制)由電子機械控制。在閉環回路中，輸出值通過檢測裝置的在線監控，并與指令信號(設定值)進行比較。這個由設定值-實際值比較得出的調節偏差(誤差)，由調節器處理成控制量后輸入到控制器件。因此，誤差隨時得到糾正。閉合的閉環回路，對控制器件，即伺服閥或閉環控制比例閥，提出的一些要求，大多數是比例閥所不能滿足的。2.2、電液比例技術的發展現狀： 電液比例技術是在電液伺服技術的基礎上，針對用戶需要，降低控制特性，對液壓伺服閥進行簡化而發展起來的。爾后，比例電磁鐵技術的發展，又在三類閥基礎上發展液壓比例閥。由電液伺服比例元件為主而組成的電液伺服

6、比例控制系統，具有響應快、功率比（功率與重量比）大、自動化控制程度高等顯著特點，因此在大慣量，要求快響應，實現自動控制的機床、冶金、礦山、石化、電化、船舶、軍工、建筑、起重、運輸等主機產品中有廣闊應用前景，是這些主機重要的一種控制手段。 在工業發達國家，由電液伺服閥、電液比例閥，以及配用的專用電子控制器和相應的液壓元件，組合集成電流伺服比例控制系統的相互支撐發展，已綜合形成液壓工程技術，它的應用與發展被認為是衡量一個國家工業水平和現代工業發展立玉的重要標志，是液壓工工業又一個新的技術熱點和增長點。在我國同樣有一大批主機產品的發展，需要應用該項技術，因此，將其列為促進我國液壓工業發展的關鍵技術之

7、一。 內外發展趨勢 國外近年來，電液伺服比例技術的發展，較集中地反映在其相關的主要基礎元件的改進和發展上，主要包括: 電液伺服閥向著簡化結構、降低制造成本、提高抗污染能力和高可靠性方向發展，研究開發了大功率永磁直線力馬達，形成了新型的直接驅動式伺服閥產品系列； 電液比例閥向通用化、模塊化、組全化、集成化方向發展，以實現規模經濟生產，降低制造成本； 電子控制器向著專用集成電路方向發展，實現小型化、組合化，并達到高可靠性目的。 電流伺服比例技術的這些主要基礎元件的相互銜接愈來愈密切，另部件通用化程度不斷提高。 我國電液伺服技術始于上世紀六十年代，到七十年代有了實際應用產品，目前約有年產能力2000

8、臺；電液比例技術到七十年代中期開始發展，現有幾十種品種、規格的產品，約形成有年產能力5000臺。總的看，我國電液伺服比例技術與國際水平比有較大差距，主要表現在：缺乏主導系列產品，現有產品型號規格雜亂，品種規格不全，并缺乏足夠的工業性試驗研究，性能水平較低，質量不穩定，可靠性較差，以及存在二次配套件的問題等，都有礙于該項技術進一步地擴大應用，急待盡快提高。2.3 電液比例控制系統的組成： 電液比例控制系統    電液比例控制系統由電子放大及校正單元、電液比例控制元件、執行元件及液壓源、工作負載及信號檢測處理裝置等組成。     最簡單的

9、電液比例控制系統是采用比例壓力閥、比例流量閥來替代普通液壓系統中的多級調壓回路或多級調速回路。              圖所示為電液比例壓力閥用于鋼帶冷軋卷取機的液壓系統。軋機對卷取機構的要求是：當鋼帶不斷從軋輥下軋制出來時，卷取機應以恒定的張力將其卷起來。為了實現這一要求，就必須在鋼帶卷半徑R變化時保證張力F恒定不變，要保證張力不隨鋼帶卷半徑R變化，必須使液壓馬達的進口壓力p隨尺的增大而成比例地增加。為此，在該系統進行軋制工作時，先給定一個張力值儲存于電控制器內，而在軋輥與卷筒之間

10、安裝一張力檢測計，將檢測的實際張力值反饋與給定張力值進行比較，當比較得到的偏差值達到某一限定值時，電控制器輸入比例壓力閥的電流變化一個相應值，使控制壓力戶改變，于是液壓馬達的輸出轉矩T及張力F作相應的改變，使偏差消失或減小。在軋機的實際工作中，隨著鋼帶卷半徑R的增大，實際張力F減小，出現的偏差為負值。這時輸入電流增加一個相應值，液壓馬達的進口壓力戶增加一個相應值，從而使液壓馬達輸出轉矩丁及張力F相應增加，力圖保持張力F等于給定值。顯然，上述調節過程隨著鋼帶卷半徑R的不斷變化而不斷重復。    其自動控制系統方塊圖為：    

11、    2.4 、基于電液比例技術的同步控制系統設計：同步控制系統的研究在國內外一直是熱門課題。與其它同步控制方式相比，液壓同步控制具有結構簡單、組成方便、易于控制和適宜大功率場合等諸多優點，在工業生產中得到了廣泛應用。運用電液比例閥的液壓同步控制系統，建立了非對稱缸及同步控制系統的數學模型，并運用控制理論的原理詳細分析了系統的靜、動態特性。第四章 同步系統靜動態特性分析4.1、 系統的穩定性分析：4.2、系統的穩態誤差分析：第五章三塊雙層升降舞臺電液位置伺服系統的仿真研究1、系統組成及原理:   電液伺服控制系統根據被控物理量（即輸

12、出量）分為電液位置伺服系統，電液速度伺服系統，電液力伺服系統三類。本文主要介紹電液位置伺服系統的仿真研究。其中四通閥伺服比例閥控液壓缸的原理如圖所示。圖1 閥控缸負載原理圖系統組成圖  電液位置伺服控制系統是最為常見的液壓控制系統，實際的伺服系統無論多么復雜，都是由一些基本元件組成的。控制系統結構框圖見圖2所示。圖2 電液伺服控制系統的結構框圖2、液壓系統數學模型建立：    活塞桿內徑（直）d45cm，活塞的行程H40cm，油缸外徑80mm，查手冊知內徑D63mm，從伺服閥到油缸的長度1-2m，管徑22mm，壁厚4mm，供油壓力Ps恒定為7M

13、Pa，MOOGD-633伺服比例閥，d7.9mm 閥額定電流為10mA質量塊（負載）250 Kg液壓缸有效工作面積。    系統總壓縮容積（液壓缸和閥至液壓缸兩側管路總容積）         因為位置系統動態分析經常在零位工作條件下，此時增量和變量相等，所以閥的線性化流量方程為         液壓動力元件流量連續性方程為         Ctp為液壓缸總泄

14、漏系數。    液壓缸的輸出力與負載力的平衡方程為         式中Mt為活塞及負載總質量；BP為活塞及負載的黏性阻尼系數；K為負載彈簧剛度；FL為作用在活塞上的任意外負載力。    式（1）（2）（3）是閥控液壓缸的三個基本方程，它們完全描述了閥控液壓缸的動態特性。對（1）（2）（3）式作拉式變換并消去中間變量得液壓缸活塞的總輸出位移為        式中：Kce總壓力流量系數，Xv為閥芯位

15、移。    由于負載特性為慣性負載（K0），Bp一般很小可簡化為        對指令輸入為v x 的傳遞函數為        則液壓缸-負載的傳遞函數為：    ，其中    總流量壓力系數KceKcCtp，液壓缸總泄露系數Ctp較閥的流量壓力系數KC小得多，所以h主要KC來決定。零位壓力-系數，其中rc閥芯與閥套間隙的行向間隙w閥面積梯度，油液的動粘度，取，對于全

16、開口閥閥Wd閥門。            而根據經驗得知在位置伺服系統中，當伺服閥在零位區域工作時h0.10.2。本論文取可得液壓缸數學模型為：        伺服閥的傳遞函數為         根據D633伺服閥頻率響應特性曲線圖。可知Wsv80 HZ額定流量40 nqL/min的取閥壓降為PLS2/3 PS時的流量增益為  

17、       所以伺服閥的傳遞函數為         確定系統的方框圖：圖3 系統方塊圖3、 基于Simulink的PID仿真：    PID 控制器以其直觀、實現簡單等優點而得到廣泛應用。本文在Matlab 軟件中的動態仿真工具Simulink 環境下采用PID 控制策略進行仿真。圖4 PID 控制系統原理框圖    當取KP0.0002，KI0，KD0時，和當KP0.007，KI0.01，KD0.0005時，得到

18、如圖5、圖6所示液壓缸實際位移曲線。圖5 液壓缸位移與期望值的關系（KP=0.0002，KI =0 KD=0）圖6 液壓缸位移與期望值的關系（KP =0.007，KI =0.01 KD =0.0005）    比較圖5、圖6發現KP 增大值時，系統的響應靈敏度增大，動態跟蹤誤差也減小了，在有靜差的情況下有利于減少靜差。但過大的比例系數會使系統有較大的超調，產生振蕩，使穩定性破壞。增大積分系數KI 有利于減少超調，減少振蕩，使系統更加穩定，但過大的積分系數會使系統變得不穩定。增大微分系數KD 有利于加快系統的響應，使超調量減少。4、 AMESim/Simulink聯

19、合仿真技術的優點：    由于液壓元件本身所包含的非線性，難以建立精確的數學模型。所以本文采用AMESim與Matlab/Simulink 聯合仿真平臺對電液伺服系統中的機械液壓部分和控制部分別進行建模，充分利用兩套軟件各自在液壓系統建模仿真與數據處理能力方面的優勢對電液伺服系統進行聯合仿真分析。    Simulink 借助于MATLAB 強大的數值計算能力，能夠在MATLAB 下建立系統框圖和仿真環境，在各個工程領域發揮著巨大的作用，是當今主流的仿真軟件。但MATLAB 存在不能有效地處理代數環問題等缺點，使得Simulink 仿

20、真效率往往不高。利用AMESim 對Simuhnk 的接口技術，把兩個優秀的專業仿真工具聯合起來使用，就能既發揮AMESim 突出的流體機械的仿真效能，又能借助MATLABlsimulink 強大的數值處理能力，取長補短，取得更加完美的互補效果。這種聯合仿真的技術對多領域系統(如流體與控制結合系統等)的仿真效果更是無與倫比。    本文把位移作為輸出量，在AMESim 中的界面菜單下的創建輸出圖標功能與Simulink中的S 函數實現連接。具體實現過程是在AMESim 中經過系統編譯、參數設置等生成供Simulink 使用的S 函數，在Simulink 環境中，將建好的包含其它Simulink 模塊的AMESim模型當作一個普通的S 函數對待，添加入系統的Simulink 模型中。從而實現AMESim 與Simulink 的聯合建模與仿真。根據物理模型，把系統分為機械系統和控制系兩部分，機械系統模型由AMEsim 建立，控制系模型由Simulink 建立。圖7 聯合仿真AMESim 環境下的液壓系統模型圖8 Simulink 環境下的電液伺服系統模型第六章 結論參考文獻：1 袁坤,熊茂