V138数控立式车床液压系统的设计与研究.pdf

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1、 分类号分类号 密级密级 UDC 学 位 论 文 V138 数控立式车床液压系统的设计与研究 作 者 姓 名：刘国伟 指 导 教 师：张志伟 副教授 东北大学液压与气动技术研究所 申请学位级别：硕 士 学 科 类 别：工 学 学科专业名称：机械设计及理论 论文提交日期：2011 年 6 月 论文答辩日期：2011 年 6 月 学位授予日期：2011 年 7 月 答辩委员会主席：评阅人：东 北 大 学 2011 年 6 月 A Thesis in Mechanical&Electronic Engineering Design And Research of the Hydraulic Syst

2、em of V138 Numerical Control Vertical Lathe by Liu Guowei Supervisor:Associate professor Zhang Zhiwei Northeastern University June 2011 -I-独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书 本学

3、位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年 学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文 摘要-III-V138 数控立式车床液压系统的设计与研究 摘 要 数控立式车床主要用于加工直径大、长度短的大型、重型工件和不易在卧式车床上装夹的工件。本文结合宁波海天有限公司 V138 数控立式车床液压系统设计的实际课题，设计了主机所

4、需要的液压传动系统，不但对其中的元件进行了选型，而且进行了结构设计。并重点针对传统的车床顶尖系统传动效率低与应用液压传动系统冲击大等问题，充分应用现代电液比例技术的成果，对传统的车床顶尖应用电液比例方向阀控制顶尖油缸的输出速度，并应用压力控制顶尖油缸的最终位置，不但最大程度地减小了顶尖与工件接触的冲击力，而且提高了顶尖油缸的传动效率和自动化率。针对阀控液压缸的特点，运用传递函数方法在阀口正负两个方向上分别建立了顶尖油缸液压控制系统的数学模型，该模型不仅能准确地体现系统的动态特性，而且也为获得系统的准确参数提供了理论依据。为进一步改进和完善系统，必须对系统的传递函数进行性能分析。分别利用传统的

5、MATLAB/Simulink 软件和液压仿真专用软件 DSHplus以及以上二者的联合实现系统仿真，仿真后得到了反映系统动态特性的曲线，并分析了仿真结果。针对在系统仿真中发现的系统不稳定等问题，引入了 PID 控制器，分别研究了应用传统方法整定PID参数和基于幅值裕度和相位裕度采用继电反馈算法进行PID参数整定的方法，两种参数整定的方法都满足了使用要求，相比之下，继电反馈算法整定 PID 控制器的控制效果更好。关键词：数控立式车床；速度控制；Matlab/Simulink；DSHplus；PID；继电反馈 东北大学硕士学位论文 Abstract-V-Design And Research o

6、f the Hydraulic System of V138 Numerical Control Vertical Lathe Abstract Numerical control vertical lathe is mainly used for machining the large and heavy workpieces which have features of large diameter and Short length and the workpieces which are difficulty to jacket clip in horizontal lathes.Com

7、bined with the actual project about the design of hydraulic system of the Ningbo Haitian Co.,LTD V138 numerical control vertical lathe,this paper design the hydraulic transmission system which the host need and make the selection among the important components.And focusing on the problems of the low

8、 efficient driving and existing big impact in application of hydraulic drive system,making full use of the achievements in modern electrohydraulic proportional technology,this paper apply electro-hydraulic proportional direction valve to control top oil cylinders output speed,and apply pressure cont

9、rol top oil cylinders final position,not only gaining the best reduced the top and the contact of impact,but also improving the top oil cylinders transmission efficiency and automation rate.According to the characteristics of the valve control hydraulic cylinder,using the method of transfer function

10、 in the mouth plus or minus two direction are built on top of the control system of hydraulic oil cylinder mathematical model,this model not only can accurately reflect the dynamic characteristics of the system,but also can provide the theoretical basis for gaining accurate parameters of the system.

11、To further improve and perfect the system of system,the transfer function of the performance must be analysis.Use of the traditional respectively MATLAB/Simulink software and hydraulic simulation special software DSHplus and above the combined system simulation,simulation results show get the curve

12、reflecting the dynamic property of the system,and analyzes the curve simulation results.Based on the problem of system is unstable in the system simulation results,introducing the PID controller,this paper discuss the traditional method applied setting PID parameters and the PID parameters setting m

13、ethod based on amplitude margin and phase margin relay feedback algorithm.The two parameters setting methods can meet the application requirements,in contrast,relay feedback algorithm,the setting of the PID controller control effect is better.东北大学硕士学位论文 Abstract-VI-Key words:the numerical control ve

14、rtical lathe;Speed control;Matlab/Simulink;DSHplus;PID;Relay feedback 东北大学硕士学位论文 目 录-VII-目 录 独创声明.I 摘 要.III Abstract.V 目 录.VII 第 1 章 绪 论.1 1.1 数控立式车床简介.1 1.1.1 车床的发展历史.1 1.1.2 数控车床国内外发展状况.2 1.2 电液比例技术的研究现状.3 1.2.1 电液比例技术的形成和发展.3 1.2.2 电液比例控制系统的特点.4 1.2.3 电液比例系统建模与仿真的研究状况.5 1.2.4 控制策略在电液比例技术中的应用.6 1.

15、3 课题研究的目的和意义.8 1.4 论文的主要内容.9 第 2 章 液压系统设计及系统构成.11 2.1 V138 数控立式车床简介.11 2.2 V138 数控立式车床液压系统的设计.12 2.2.1 V138 数控立式车床液压站的设计.12 2.2.2 V138 数控立式车床液压系统外置阀组的设计.13 2.3 V138 数控立式车床液压系统主要静态参数估算.18 东北大学硕士学位论文 目 录-VIII-2.3.1 已知技术参数.18 2.3.2 液压系统各支路所需的压力和流量的计算.18 2.4 液压系统主要元件的选型.19 2.4.1 液压泵的选取.19 2.4.2 电机的选取.19

16、 2.4.3 蓄能器的选取.20 2.4.4 比例阀的选取.21 2.4.5 其他液压元件的选取.22 2.5 阀块三维设计.22 2.6 电气控制系统设计.23 2.6.1 顶尖油缸运动分析.23 2.6.2 顶尖油缸控制系统部件的选择.25 第 3 章 液压系统的建模与仿真分析.27 3.1 液压系统建模与仿真简介.27 3.2 系统数学模型的建立.28 3.2.1 液压缸负载系统固有频率的估算.28 3.2.2 确定系统主要环节参数.30 3.2.3 比例阀的传递函数的确定.35 3.2.4 液压缸的传递函数的确定.35 3.2.5 顶尖油缸速度控制系统的开环传递函数.36 3.3 液压

17、系统性能分析.37 3.3.1 衡量系统特性的控制指标.37 3.3.2 稳定性分析.37 东北大学硕士学位论文 目 录-IX-3.3.3 系统的阶跃响应.39 3.4 液压系统在 DSHplus 中建模与分析.40 3.4.1 DSHplus 软件简介.40 3.4.2 在 DSHplus 中建模仿真.41 3.4.3 Matlab/Simulink 与 DSHplus 的联合仿真.42 第 4 章 控制策略的研究.45 4.1 PID 控制.45 4.1.1 PID 控制原理.45 4.1.2 PID 控制器各校正环节对系统性能的影响.46 4.1.3 PID 参数整定理论概述.47 4.

18、1.4 PID 控制器的参数整定.47 4.1.5 PID 控制后系统仿真结果.49 4.2 继电反馈控制.51 4.2.1 继电反馈算法简介.52 4.2.2 继电反馈辨识原理及方法.53 4.2.3 基于幅值裕度和相位裕度的 PID 自整定原理.55 4.2.4 基于继电反馈的系统联合建模.55 4.2.5 基于继电反馈的 PID 参数整定与仿真.56 第 5 章 结论与展望.59 5.1 结论.59 5.2 展望.59 参考文献.61 致 谢.65 东北大学硕士学位论文 目 录-X-附录一 液压系统元件清单.67 附录二 系统参数辨识与 PID 整定 M 函数.69 东北大学硕士学位论文

19、 第 1 章 绪 论-1-第 1 章 绪 论 1.1 数控立式车床简介 车床主要用于加工轴、盘、套等其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的。数控车床与普通车床一样，也是用来加工零件旋转表面的。一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面，如双曲面等。数控车床和普通车床的工件安装方式基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。其外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给

20、箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。数控车床按照主轴位置可分为卧式车床和立式车床两大类。立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，有一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。数控立车主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。本文所介绍的机床就属于车床中的数控立式车床。1.1.1 车床的发展历史 普通车床经历了近两百年的历史。古代的车床是靠手拉或脚踏，通过绳索使工件旋转，并手持刀具而进行切削的。1797 年，英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代车床，并于 1800 年采用交换齿轮，可改变进给

21、速度和被加工螺纹的螺距。1817年，另一位英国人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速。为了提高机械化和自动化程度，1845 年，美国的菲奇发明转塔车床。1848 年，美国又出现回轮车床 1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床，不久他又制成三轴自动车床。20 世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的车床。第一次世界大战以后不久，由于军火、汽车和其他机械工业的需要，各种高效自动车床和专门化车床迅速发展。为了提高小批量工件的生产率，40 年代末，带液压仿形装置的车床得到推广，与此同时，多刀车床也得到发展。50 年代中期，发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制车床。60 年代以后

22、，随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床数控机床。数控机床一经使用就显示出了东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-2-它独特的优越性和强大生命力，使原来不能解决的许多问题，找到了科学解决的途径。数控机床（Numerial Control Machine Tools）是指采用数字控制技术对机床加工过程进行自动控制的一类机床。国际信息处理联盟第五次技术委员会对数控机床作的定义是：“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码或其他编码指令规定的程序。”它是集现代机械制造技术、自动控制技术及计算机信息技术于一体

23、，采用数控装置或计算机来部分或全部地取代一般通用机床在加工零件时的各种动作（如启动、加工顺序、改变切削量、主轴变速、选择刀具、冷却液开停以及停车等）的机床，是高效率、高精度、高柔性和高自动化的光、机、电一体化的数控设备。经过半个世纪的发展，数控机床已是现代制造业的重要标志之一，在我国制造业中，数控车床的应用也越来越广泛，是一个企业综合实力的体现，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床。1.1.2 数控车床国内外发展状况 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，中国于 1958 年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在 19581979 年间为第一阶段，从 1979 年至今为

24、第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套条件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国等国家引进数控机床先进技术并合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004 年国产

25、数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为 39.3%和 34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从 2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。在改革开放后的 30 年间，数控机床的设计

26、和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-3-计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本机电法、机信法那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练

27、技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。2003 年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。目前正在提高机械加工设备的数控化率，1999 年，我们国家机械加工设备数控化率是 58，目前预计是 2030之间。目前，国家制定了一些政策，鼓励国民使用国产数控机床，各厂家也在努力追赶。国内买机床最多的是军工企业，一个购买计划里，80是进口，国产机床满足不了需要。今后五年内，这个趋势不会改变。不过就目前国内的需要来讲，我国的数控机床目前能满足中低档产品的订货1。1.2 电液比例技术的研究现

28、状 1.2.1 电液比例技术的形成和发展 电液比例控制技术是一种将微小的电信号按比例转换为较大的液压功率输出的电液转换技术，是近 20 年发展起来的介于普通开关控制与电液伺服控制之间的新型电液控制技术分支，已成为机电一体化基本构成之一。由于传统的电液伺服阀对液体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较昂贵，系统耗能也比较大，很多用户难以接受，而传统的开关控制又不能满足高质量控制系统的要求。电液比例控制技术就是为适应这种情况而开发的一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制技术的要求，从 60 年代末迅速发展起来的。电液比例控制技术从形成至今，大体上经过了四个阶

29、段23：从 1967 年瑞士 Beringer 公司生产 KL 比例复合阀，到 70 年代初日本油研公司申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的产生。比例控制阀的发展初期阶段，仅仅是将比例电磁铁代替普通液压阀的开关型电磁铁或调节手柄，液压阀部分的结构原理和设计准则没有变化，阀内不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在 15Hz 之间，滞环在 48之间。这种比例阀工作频宽小，滞环比较大，只能用于开环系统。从 1975 年到 1980 年，比例技术的发展进入第二阶段。这是电液比例控制技术快速东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-4-发展的时期。此间，采用各种带内部反馈装置的比例控制元件相继

30、问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上已经相当成熟。比例控制元件的工作频宽已达 515Hz，稳态滞环甚至已经减小到 3%，其应用领域不断扩大。20 世纪 70 年代后期比例变量泵和比例执行器的相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基础。电液比例控制技术的应用领域扩大到闭环控制。到了 20 世纪 80 年代，电液比例控制技术的发展进入到第三阶段。在这一阶段，比例控制元件的设计原理继续完善，采用了压力、流量、位移反馈和动压反馈及电校正等手段，使电液比例阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了制造成本的原因，电液比例阀在中位时仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均已达到和工业伺服阀相

31、当的水平。在这一阶段的另一重大进步是电液比例控制技术开始和插装阀相结合，开发出了具有各种不同功能和规格的二通、三通型的电液比例插装阀，从而形成了完善的电液比例插装技术。这一阶段在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子控制器和相应的液压元件，组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展，已综合形成液压工程技术，它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业发展水平的重要标志，是液压工业又一个新的技术热点和增长点4。从 1990 年至今，是电液比例控制技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项重要的新产品相继问世。其一是推出了电液伺服比例阀（又称高性能电液比例方向阀、比例伺服阀、

32、闭环比例阀、高频响应比例阀）。这种电液伺服比例阀的电-机械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用原有伺服阀的结构和加工工艺（零遮盖阀口，阀芯与阀套之间的配合精度与原有伺服阀水平相当），从而解决了闭环控制要求死区要很小的问题。这种阀的性能和价格介于原有伺服阀和普通电液比例方向阀之间，但它对油液的清洁度的要求低于电液伺服阀，特别适用于各种工业闭环控制。其二就是计算机技术与电液比例控制元件的结合，开发出了数字式电液比例控制元件和数字式电液比例系统，并形成了不同总线标准的数字电液比例控制元件接口。因此，电液比例阀作为联系电子技术与工程功率系统的接口，在冶金、工程机械、加工机械、汽车、农业机械等各领域中日

33、益广泛使用，有广阔的应用前景。1.2.2 电液比例控制系统的特点 电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。与电液伺服阀相比，其优点是抗污染能力强、价格便宜。除了在控制精度及响应快速性方面还不如伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀的相当，其动、静态特性足以满足大多数工东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-5-业应用的要求。因此，比例阀得以更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应等高技术领域传统上是伺服阀的市场。但现在闭环比例阀技术也是一种新的选择。与传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平的地方，

34、传统开关阀就逐渐由比例阀或数字阀来代替。电液比例控制的主要优点有：(1)操作方便，容易实现遥控；(2)自动化程度高，容易实现编程控制；(3)工作平稳，控制精度较高；(4)可以明显的简化液压系统，；电液比例控制的主要缺点是成本较高，技术较复杂。1.2.3 电液比例系统建模与仿真的研究状况 随着微型计算机的普及与性能的不断提高，用于液压系统动态分析的自动建模和通用的仿真软件不断推出，并得到较快的发展。在国外，第一个直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件 HYDSIM 是由俄克拉荷马州立大学的史密斯（C.KSmith）等人研制的。该软件首次采用了液压元件功率口模型方式进行建模，并且所建模型可重复使用

35、。1974年德国亚琛工业大学的贝歇（W.Bache）开始研制液压系统仿真软件包，20 世纪 80 年代是西欧国家和美国在液压系统仿真方面取得初步成效的时代，其中 DSH 和 HASP 软件包的问世，标志着液压技术领域内仿真技术的发展进入了一个新的阶段。到了 20 世纪 90 年代，液压系统仿真软件又有了新的发展。1990 年德国亚琛工业大学推出了 DSH+的测试版软件，对原来的 DSH 进行了较大的改进，增加了人机交互功能，采用 Window 界面，并用 C+语言对软件进行了重写。直到 1994 年由 The MathWorks 公司推出的第一个可以运行于 Microsoft Window 下

36、的版本，首次引入了基于框图的仿真功能的 SimuLAB 环境，其模型的输入方式令人耳目一新，该环境就是我们现在所知的 Simulink。Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它和 MATLAB 的无缝结合使得用户可以利用 MATLAB 的丰富资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果。在系统仿真领域得到广泛的承认和应用。在国内，液压仿真研究是从 20 世纪 70 年代开始的。浙江大学于 80 年引进了德国的 DSH 软件，并配合国家“六五”、“七五”、“八五”科技攻关计划进行二次开发，取得了多项成果，推出了 Simul/ZD 液压仿真专用软件。华中科技大学开发

37、出了复杂液压系统智能仿真软件 CHISP，实现了面向液压系统原理图的自动化建模与仿真。此外，东东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-6-北大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、甘肃交通大学、太原重型机械学院等单位的科研人员也在从事液压系统动态特性研究和液压系统建模与仿真的开发工作。国内外对于液压系统动态特性的研究一直是工程界的一个比较热的课题，从校内和校外调研的文献看，关于这方面的研究，许多学者和工程技术人员已做了不少研究，取得了大量的成果。研究液压系统动态特性的主要内容是液压系统的稳定性和过渡过程品质，主要方法有传递函数法分析法、模拟仿真法、实验研究方法和数字仿真法等。传递函数分析法是用经

38、典的控制理论对液压系统进行动态特性分析，它通常只局限于单输入、单输出的线性系统。用模拟计算机或是模拟电路来进行液压系统动态特性的模拟和分析，也是一种实用的研究手段。该方法具有接近实际情况、系统参数调整和调试简单、以及运算速度快的优点，但最大的缺点是运算精度低。用实验研究法分析液压系统的动态特性也曾是一种行之有效的研究手段，特别在过去还没有数字仿真等实用的理论研究方法时，只能依靠实验方法进行分析。但是用这种方法系统周期长、费用大，且往往不具有通用性。近年来，现代控制理论及计算机的发展给液压系统动态特性的研究开辟了新的途径，数字仿真法便是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种新的方法。此方法首先

39、建立液压系统动态过程的数学模型即状态方方程，然后在计算机上求出系统中各种主要变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接的全面的了解，使得设计人员在设计阶段就可以预测液压系统动态特性，以便及时对涉及结果进行验证和改进，以保证系统的工作特性和可靠性。自从数字仿真技术问世并应用于实践后，便将液压系统动态特性研究带入了一个新阶段。有关液压系统建模理论与方法、仿真方法、仿真软件、仿真精度等论文、成果层出不穷。在建模理论与方法上形成了传递函数法、微分方程法、功率键合图法、状态空间法等建模方法。其中，功率键合图法以澳大利亚的 Dr.Dransfield 教授 1981年所著的液压控制系统其动力学设计与分析一

40、书为代表作。而微分方程模型是液压系统最基本的数学模型，它是在时域内用来描述系统及其输入、输出三者之间的动态关系的数学表达式5。1.2.4 控制策略在电液比例技术中的应用 为使电液比例系统具有一定的自适应能力和较强的抗干扰能力，将现代控制理论的最新成果引入比例系统的控制当中，一直是比例系统研究者们进行的工作之一。目前，现代控制理论的各种新成果己被广泛引入电液比例系统的控制当中，包括PID控制、鲁棒控制、神经网络控制、自适应控制等6，并且不同的控制策略之间还可以相互结合，比如神经网络与自适应结合，模糊控制与PID的结合，这就就可以发挥各种控制方式的东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-7-优点

41、，使控制效果更佳。（1）PID控制 与经典控制理论相应而发展起来的控制策略以 PID 控制为代表。近代控制理论和智能控制理论仍然吸取了 PID 控制的一些基本思想。PID 控制基于系统误差的现实因素(P)、过去因素(I)和未来因素(D)进行线性组合来确定控制量，具有结构简单、易于实现等特点，至今在液压比例控制系统仍有着广泛的应用78。传统的 PID 采用线性定常组合方式，难于协调快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化小和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好。随着对系统性能要求的不断提高，传统的 PID 控制往往不能满足要求 9。在这种情况下吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机技术的优势

42、，对传统的 PID 控制进行改造形成自适应 PID、基于继电反馈的 PID 参数辨识、模糊 PID、智能 PID 和非线性 PID10等，使其适应新的要求。（2）神经网络控制 神经网络控制是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工作原理而工作的。它是一种高度的并行结构，可以同时接受大量信息，并且对它们进行处理，结果也是平行输出的信息。神经网络的功用从大的方面可分为:一是建立系统数学模型，二是直接用作控制器。从使用的场合及作用来看，神经网络可作监督控制、逆动态控制、内模控制、预测控制、模型参考自适应控制及线性控制等。与传统的控制理论不同，基于模型的神经控制方法不是基于对象的数学模型，而是基于对象的神经元模

43、型。近年来，在流体控制界，对神经网络(NN)研究与应用已做了大量的工作，一直处于研究热点地位。神经网络的基本思想是从仿生学的角度对人脑的神经系统进行模拟，使机器具有人脑那样的感知、学习和推理等智能。神经网络有很多优点，它能逼近任意复杂的非线性系统，在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面有巨大的潜力。这些优点与功能正是液压比例系统所迫切需要的11。目前，关于神经网络控制的研究大多停留在仿真阶段。神经网络控制学习算法的收敛性和系统的稳定性还未从理论上全部解决。（3）鲁棒控制 在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，但又希望这时控制系统仍具有良好的性能，这就是鲁棒控制问题。近年来出现了H设

44、计方法，要求频率响应函数的H模的上确界极小。这种方法成功地应用了算子理论和经典函数论。在H模约束下，己成功解决了多变量定常系统的镇定补偿问题。H方法既保留了状态空间方法在计算上的优点，又有频率法的直观性;加上H控制器的全部设计工作可由MATLAB语言实现，东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-8-所以对工程技术人员很有吸引力。但当系统发生不是小振动时，H下的优化是否能保持次优性还不清楚12。（4）自适应控制 如果在设计控制系统时，不完全知道系统的参数或结构，要求一边估计未知参数，一边修正控制作用，这就是所谓的自适应控制问题。自适应控制器可分为三大类，第一类称为增益规划(Gain Sched

45、uling)，第二类自校正控制器(Self Tuning Regulator or Self Tuning Controller)表，第三类是模型参考自适应控制系统(Model Reference Adaptive control system，简称 MRAC)13。液压比例系统采用的 AC 大多为 MARC 或其变形。自适应控制的缺点是存在抖动，同时对被控对象的数学模型仍要求严格，此外例如持续激励、慢时变和波波夫不等式等条件也制约了自适应控制具有更强的鲁棒性。恰当吸取其他控制策略的长处，研究限制条件少、算法简便和鲁棒性强的自适应控制律是近年来发展的方向。另外离散化随着采样频率的提高如何避免最

46、小相位问题也是值得研究的难点。1.3 课题研究的目的和意义 本文结合宁波海天有限公司 V138 数控立式车床液压系统设计的实际课题，针对传统顶尖驱动装置存在的问题，对传统的车床顶尖传动系统进行了改造和研究。传统的车床顶尖运动为通过手动转动手轮，使中心孔顶针移动顶紧工件，这种方式特别是对于一些大批量轴向尺寸较大工件的加工，由于长时间频繁转动手轮，工作强度很高，而且顶针前进和后退速度都很慢，工作效率很低。如果采用传统的以完成执行机构预定动作循环和满足系统静态性能要求的液压传动系统设计，因顶尖油缸与工件接触时冲击力较大等问题，并不能满足实际要求。针对这个问题，充分利用现代电液比例技术的成果，采用电液

47、比例阀控制液压缸，控制液压缸在全程的输出速度，在起始阶段速度较低，逐渐加大到最大允许速度，在将要接近工件时减速运行，直至遇到工件上表面，当油缸运动到所设定的保压压力时，顶尖停止运动并保压。即实现过程速度控制，最终位置为压力控制。通过这个改造不但极大地提高了数控立式车床的自动化率和加工效率，而且电液比例控制与计算机有机融合后，把计算机与大功率液压比例控制的优点联系起来，使得顶尖油缸速度的控制更加平稳、快速、准确，避免了液压冲击可能对主机和液压系统可能造成的破坏。东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论-9-1.4 论文的主要内容 根据课题的要求设计 V138 数控立式车床的液压系统，并对电液比例

48、控制系统顶尖油缸部分进行分析研究，论文的内容包括以下几个方面：（1）简要说明了 V138 数控立式车床的结构和原理，并设计 V138 数控立式车床液压系统原理图，选择合适的液压元件，并进行结构设计；（2）针对立式车床液压系统中的电液控制部分，运用传递函数的建模方法建立其数学模型，并应用 MATLABSinulink 软件对此模型开环系统的频域和闭环系统的时域进行分析；（3）分别应用液压仿真软件 DSHplus 以及 DSHplus 和 Sinulink 的联合仿真功能建立系统的模型，然后对其进行仿真，并分析仿真结果；（4）分别把传统 PID 控制和基于继电反馈的 PID 参数整定算法加入控制系

49、统，加入控制算法后应用 MATLAB/Simulink 与 DSHplus 软件进行联合仿真，对比分析各个控制算法的控制效果。东北大学硕士论文 第 2 章 液压系统设计及系统构成-11-第 2 章 液压系统设计及系统构成 2.1 V138 数控立式车床简介 本文所研究的数控立式车床主要用于加工直径大、长度短的大型、重型工件和不易在卧式车床上装夹的工件。以及由于本身自重，卧车加工对加工精度有影响时，采用立车可以解决上述问题。立式车床一般可分为单柱式和双柱式。小型立式车床一般做成单柱式，大型立式车床做成双柱式。本立车为双柱式。其主要特点是：工作台在水平面内，工件的安装调整比较方便。工作台由导轨支撑

50、，刚性好，切削平稳。有一个刀架，可以实现快速换刀。本立式车床的加工精度可达到 IT9-IT8，表面粗糙度 Ra 可达 3.2-1.6um。此立式车床主要结构由以下几部分组成：工作台、床身、横梁、滑座、刀架、正滑枕拉刀装置、测滑枕拉刀装置、自动测量装置、刀库等，如图 2.1 所示。此立式车床工 1传动丝杠 2横梁滑座 3顶尖油缸 4测滑枕拉刀油缸 5顶尖 6正滑枕拉刀油缸 7横梁 8刀台 9床身 10工作台 图 2.1 V138 数控立式车床结构图 Fig.2.1 Structure of V138 numerical control vertical lathe 作台主轴为短主轴结构，工作台以