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电液位置闭环采样控制系统研究

作　者: 卞和营
导　师: 杨承
学　校: 西南林学院
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 采样控制系统离散系统采样周期 Z变换仿真
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在电液伺服控制系统或电液比例控制系统的常规应用中,通常把传感器接入厂家提供的放大器的传感器接口,组成连续时间的闭环控制系统。这种系统的指令输入是模拟信号,传感器输入到放大器接口的信号也是模拟信号,所以这种系统是一种模拟量闭环控制系统,并且这种系统的调整也比较简单,但是现代的各种高级智能控制在这种连接形式下却难以实现。随着计算机技术的迅速发展,计算机控制技术得到逐渐推广应用,特别是PLC,作为控制用计算机中一种,在工业自动化中得到广泛应用。现代的PLC已经具有相当的计算功能,但在现代实际应用中,相当多的PLC只是作为对放大器提供指令信号和进行普通逻辑控制的简单工具,并没有深入开发PLC的潜能。本来在现代PLC中,机内虽然已经提供了能进行闭环PID调整的软件,以子程序的形式调用,就可以灵活地对PID参数进行调整,但这种形式只能局限在PID调整控制中,难以进行高级的智能控制。要在现有的设备基础上,应用现代兴起的各种高级控制方法,提高控制系统的控制精度,只有把传感器反馈接口接入PLC,组成一个实际的计算机控制系统,这种控制系统与连续控制系统相比较,具有明显的优势。但这种计算机控制系统,只能接受和处理二进制代码,用这些二进制代码来表示某一种物理量的大小或某个数值,也即所谓数字信号。所以在这种系统中首先就是对实际系统中的连续量进行采样和离散化处理,成为现代控制中的离散化控制系统,更精确地说是采样控制系统。然而根据应用PLC组成的实际控制系统的模型,怎样对这个采样闭环控制系统进行正确的建模、仿真与分析,尔后用于实际的控制系统是当前自动控制系统研究者们正在进行的工作,并且当对实际的系统进行正确的建模和分析研究后,还可以把各种高级控制方法如智能控制等应用到实际控制系统中。因此,本人的研究工作,不仅为将来相关系统的研究开发奠定了理论基础,而且论文中根据理论求得的采样周期T的范围的方法及其对实践的指导意义也值得在实践中进一步推广和应用。本文在总结前人研究的理论基础上,应用西门子的PLC作为控制器,比例阀与油缸作为被控对象,激光传感器作为反馈元件自行设计了电液位置闭环采样控制系统。该系统中的控制器PLC的CPU226只接受和处理数字形式的信号,所谓数字信号是相对于连续(模拟)信号而言的,其信号复制只取有限多个离散值;系统中的被控对象比例阀与油缸的运行是连续的;所以研究系统实质上是一个闭环采样控制系统。研究过程为:第一、对实际的电液位置闭环采样控制系统的电气部分和液压部分进行认真检查,避免系统中电气部分的短路和液压部分油路的泄漏或堵塞,保证系统的工作性能稳定。第二、认真地分析控制系统中的各个环节,如比例阀、油缸和传感器,并参考相关的理论知识给出了它们各自的传递函数,特别是对系统中的PLC进行了更加详细地分析,不仅分析了PLC对信号的处理过程,而且给出了PLC中零阶保持器的传递函数。第三,画出了实际采样控制系统的框图,由于z算子与时间有更为直接的联系,可以直接应用于计算机采样控制系统的计算,所以采样控制系统理论中是应用z算子来表示传递函数的。因此,本文运用采样控制系统的理论得出了开环与闭环采样控制系统的Z传递函数,作为分析整个采样控制系统的基础数学模型。并在此基础上应用Z传递函数和开环Bode图求出了采样周期T的两个范围。第四,运用SIMULINK对采样控制系统在不同的采样周期时进行仿真,仿真结果是在0＜T＜0.1633s的范围内选取采样周期时能够保证系统稳定且没有振荡产生;而在0＜T＜0.6277s的范围内选取采样周期时,随着采样周期T的增大则系统的振荡加剧,信号失真,将有可能造成系统的不稳定;在所求得的T的范围外进行仿真时系统是发散的,即系统是不稳定的。第五,在仿真的基础上对实际采样控制系统进行实验,实验结论是通过对多种不同采样周期的数据分析,可知系统随着采样周期T的增大超调量增大,系统将振荡趋于稳定或振荡趋于发散。第六,把实验结果与仿真进行了比较,发现实际系统中由于比例阀死区的存在,如果对比例阀的死区不进行补偿,油缸将无法到达预定目标,因此,论文最后给出了补偿的方法并提出了本研究中需要改进的地方。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-18
  1.1 研究背景  13
  1.2 采样控制系统的优势与发展趋势  13-15
    1.2.1 采样控制系统的优势  13-14
    1.2.2 采样控制系统的应用及发展趋势  14-15
  1.3 电液比例控制系统发展概况  15-16
  1.4 SIMULINK简介  16
  1.5 论文研究内容与实际意义  16-18
2 电液位置闭环控制系统  18-30
  2.1 电液位置闭环控制系统的设备  18
  2.2 电液位置闭环控制系统图  18-22
    2.2.1 电液位置闭环液压控制系统原理图及位置控制原理  18-19
    2.2.2 液压控制系统的进、回油路  19-21
    2.2.3 电液位置闭环控制系统中PLC的接线图  21-22
  2.3 电液比例阀的性能简介及其死区实验  22-26
    2.3.1 电液比例阀的性能简介  22-24
    2.3.2 电液比例阀的死区测定试验  24-26
  2.4 比例阀的控制电流与电压的关系  26-27
  2.5 激光传感器在位置闭环控制系统中的应用  27-29
    2.5.1 激光传感器的接线与安装  27-28
    2.5.2 激光传感器的相关参数  28
    2.5.3 长度与PLC中数字当量的关系  28-29
  2.6 小结  29-30
3 电液位置闭环控制系统的数学模型  30-46
  3.1 电液位置闭环控制系统方框图  30
  3.2 动力机构的基本方程  30-34
    3.2.1 电液比例节流阀的负载流量方程  31
    3.2.2 液压缸流量连续性方程  31-34
    3.2.3 液压缸负载的力平衡方程  34
  3.3 阀控液压缸的传递函数方块图及传递函数  34-36
    3.3.1 阀控液压缸方块图  34-35
    3.3.2 传递函数  35-36
    3.3.3 传递函数的简化  36
  3.4 电液位置闭环控制系统中各环节传递函数的确定  36-38
    3.4.1 油缸传递函数的确定  37
    3.4.2 比例放大器与比例流量阀传递函数的确定  37
    3.4.3 激光传感器传递函数的确定  37
    3.4.4 电液位置闭环控制系统方框图  37-38
  3.5 电液位置闭环控制系统中各参数的确定  38-44
    3.5.1 比例放大器与比例阀传递函数K_q的确定  38-39
    3.5.2 比例阀的压力放大系数k_(ce)的确定  39-41
    3.5.3 液压缸的相关参数  41-42
    3.5.4 液压固有频率ω_h  42-44
    3.5.5 液压阻尼比ζ_h  44
  3.6 具体传递函数表达式表示的方框图  44-45
    3.6.1 油缸的具体传递函数表达式  44-45
    3.6.2 闭环控制系统方框图  45
  3.7 小结  45-46
4 电液位置闭环采样控制系统  46-58
  4.1 采样控制系统的定义  46
  4.2 PLC对信号的处理过程分析  46-50
    4.2.1 PLC的控制信号流程  46
    4.2.2 PLC对信号的实际处理过程  46-50
    4.2.3 采样定理  50
  4.3 电液位置闭环采样控制系统方框图  50-51
  4.4 电液位置闭环采样控制系统的Z传递函数  51-54
    4.4.1 采样控制系统Z传递函数的推导过程  51-53
    4.4.2 H_0(s)G(s)的Z变换  53
    4.4.3 采样控制系统的开环与闭环Z传递函数  53-54
  4.5 电液位置闭环采样控制系统的采样周期T的确定  54-57
    4.5.1 根据特征方程确定采样周期 T  54-55
    4.5.2 根据Bode图确定采样周期T  55-57
  4.6 小结  57-58
5 电液位置闭环采样控制系统的仿真与实验  58-79
  5.1 电液位置闭环采样控制系统的仿真  58-63
    5.1.1 电液位置闭环采样控制系统的仿真模型  58-59
    5.1.2 在采样周期0  59-60
    5.1.3 在采样周期0  60-61
    5.1.4 在采样周期0  61
    5.1.5 采样控制系统仿真信号分析  61-63
  5.2 电液位置闭环采样控制系统的实验  63-76
    5.2.1 组建系统  63-64
    5.2.2 设定目标位置  64-65
    5.2.3 PLC控制程序  65-68
    5.2.4 实验操作及实时数据采集  68-69
    5.2.5 实时数据分析  69-76
  5.3 仿真与实验的比较  76
  5.4 位置控制改进措施  76-78
    5.4.1 位置控制改进依据  76-77
    5.4.2 位置控制补偿前、后曲线图  77-78
  5.5 小结  78-79
6 结论与展望  79-81
  6.1 结论  79-80
  6.2 展望  80-81
参考文献  81-86
致谢  86-87
附图A 液压控制系统实物图  87-88
附图B PLC控制面板  88
附图C 控制柜与激光传感器  88-89
攻读学位期间发表的论文  89

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