电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计0(2).doc

电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计姓名： 李保琳 学号： 101201210 班级： 机械1002班 专业： 机械设计与制造及其自动化 学院： 机械工程学院 目录第一章、设计任务和要求 21.1活塞式液压摆动马达的组成及工作原理 21.2设计并仿真分析电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统 2第二章、元器件选用 32.1液压油源 32.2电液比例方向阀 32.3比例放大器 4第三章、电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统数学模型 53.1系统数学模型的建立 53.2负载的等效处理 93.3系统传递函数参数确定 93.4系统特性分析 13第四章、电液比例阀控马达速度控制系统PID控制 174.1PID控制器基本原理 174.2液压系统PID校正步骤 184.2对校正后的系统仿真 20第五章、调整后系统的稳态误差分析 215.1指令输入引起的稳态误差 215.2负载干扰力矩引起的稳态误差 22第六章、结论与展望 236.1结论 236.2问题与展望 23参考文献 24第一章、设计任务和要求1.1活塞式液压摆动马达的组成及工作原理活塞式液压摆动马达是将直线运动转换为旋转摆动的液压—机械复合传动机构，其结构原理如图所示。

它由滚珠螺旋副、滚珠花键副、滚珠卸荷副、螺旋旋转输出套、导向套、传动轴、以及液压油缸组件等组成摆动马达的工作原理为：液压油进入油缸驱动滚珠螺旋丝杆轴往复直线运动，滚珠螺旋丝杆轴驱动螺旋旋转输出套做往复摆动运动，滚珠花键导轨副防止螺旋丝杆轴转动液压摆动马达有以下结构特点：1）采用滚珠螺旋副将活塞及传动轴的直线运动转换为螺旋套的旋转摆动；2）采用滚珠花键副为传动轴导向，平衡负载力矩，以防传动轴转动；3）采用滚珠卸荷副使直旋驱动关节轴向力封闭卸荷，保证滚珠旋摆新型液压摆动马达有良好的受力特性；4）采用多头滚道、大螺旋升角的螺旋机构，增大新型液压摆动马达的承载能力；5）回珠方式采用同圆柱面回珠结构，减小新型液压摆动马达的径向尺寸，以适应飞机的机翼内特殊空间要求 图1-1液压摆动马达结构原理图1.2设计并仿真分析电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计参数及性能要求：马达的最大旋转摆角为；最大转速，最大角加速度；液压缸以外运动部件受到干摩擦力矩为；液压缸的粘性摩擦系数为；负载转动惯量为，静态误差；相位裕量；增益裕量；液压弹性模量为1）计算液压缸的传递函数，并绘出系统控制方框图；2）建立电液控制系统的数学模型；3）用PID调节器对系统进行性能校正和仿真分析（校正前、后的伯德图、单位阶跃响应及正弦响应）。

第二章、元器件选用2.1液压油源开式泵选用德国力士乐原装进口的轴向柱塞恒压变量泵，特别适合开式回路，具有良好的自吸特性，连续工作压力可达35Mpa，噪声低、使用寿命长、功率重量比高，排量为125mL/r阀控马达实验中，由该泵提供动力源2.2电液比例方向阀泵经此电液比例方向阀控制活塞式液压摆动马达的流量和方向这里采用的是意大利ATOS公司生产的16通径的DPZO-L型三位四通先导式高性能电液比例方向阀，它主要由电-机械转换元件、先导式比例阀两部分组成，可根据输入电信号提供方向控制和无补偿的流量控制这种高性能电液比例方向阀，是普通型电液比例方向阀进一步发展的结果，它的动态和稳态性能指标已达到了传统伺服阀的指标，其中一些指标甚至超过伺服阀DPZO-L型高性能电液比例方向阀具有两个位置传感器一个在先导阀上，用来检测先导阀的阀芯位移，并反馈至比例放大器，从而形成先导级位移电反馈的作用，从而提高阀的运行可靠性以及优化阀的动态特性；而另一个在主阀阀芯上，用来检测主阀的阀芯位移，并反馈至比例放大器，从而形成从比例放大器给定信号至主阀芯位移的闭环位移控制，把比例放大器、电磁铁及先导阀都包含在闭环中了，提高了主阀芯的抗干扰（摩擦力、液动力的变化）能力，快速、正确地跟踪输入电信号的变化。

所以DPZO-L型电液比例阀输入信号以双闭环形式精确地确定了阀芯调节，并且由于具有双传感器，动态性能高，响应快2.3比例放大器比例放大器根据输入信号调整供给比例电磁铁的电流，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀阀芯上的力，以克服弹簧的弹力电流增大，输出的力相应增大，结果压缩复位弹簧使阀芯移动选用与比例阀相配用的E-ME-01型比例放大器，它的工作电源24V它与电液比例阀接线图如图2-1所示图中，W表示比例阀比例电磁铁插头，可将比例电磁铁线圈与比例放大器连接起来；两个S分别表示比例先导阀插头、主阀插头，通过它们，高性能电液比例方向阀的先导级、主级分别与比例放大器相连，进行位置电反馈，提高了阀的动态特性图2-1比例放大器与电液比例阀接线图第三章、电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统数学模型3.1系统数学模型的建立3.1.1比例放大器传递函数高性能电液比例换向阀是电流控制型元件，其比例电磁铁及线圈具有比较大的感抗，比例阀的驱动电路—比例放大器通常为高输出阻抗的电压—电流转换器，其频带比液压固有频率宽得多，在研究频率范围内，通常可视为放大环节，即 (3-1) 式中 — 比例放大器输出电流； — 误差电压； — 比例放大器增益。

3.1.2高性能电液比例方向阀传递函数这里采用的先导式比例方向阀的作用原理，即先导阀控制液动式主滑阀的作用情况，极类似于三位四通阀控制对称液压缸的作用原理只是它比一般的阀控液压缸更为复杂，是一个复杂的闭环系统，它的实际动态响应既不是典型的惯性环节，也不是典型的震荡环节，其传递函数的简化要视具体情况而定若将它简化为二阶震荡环节，则可知比例阀传递函数为： （3-2）式中 — 电液比例阀在稳态工作点附近流量； — 电液比例阀在稳态工作点附近流量增益； — 电液比例阀的等效无阻尼自振频率； — 电液比例阀的等效阻尼系数，无量纲； — 拉普拉斯算子3.1.3阀控活塞式液压摆动马达动力传递函数由电液比例方向阀、活塞式液压摆动马达和负载组成的液压动力机构对系统的品质好坏有很大影响，因此确定阀控活塞式液压摆动马达动力机构的数学模型是分析整个系统的前提首先假设：1）比例阀和活塞式液压摆动马达之间的连接管道很短，可以忽略管道中的压力损失和管道动态的影响；2）活塞式液压摆动马达的内外泄漏流动状态为层流，马达的壳体压力为大气压，忽略低压腔的壳体的外泄漏，液流的密度和温度均为常数；3）比例阀为理想零开口的四通滑阀，节流窗口匹配且对称，且滑阀具有理想的动态特性；4）油源供油压力恒定，回油压力为零；5）工作油液的体积弹性模量为恒值。

在上述假设条件下可列出三个动态方程：1.电液比例阀的线性化流量方程 （3-3）式中 — 电液比例阀的负载流量； — 比例阀阀芯位移； — 比例阀流量-压力系数； — 负载压力对式（3-3）进行拉式变换 （3-4）2.活塞式液压摆动马达的流量连续性方程 （3-5）式中 — 活塞式液压摆动马达的等效弧度排量； — 螺旋旋转输出套的角位移； — 活塞式液压摆动马达的总泄漏系数， ； （其中，分别为马达的内外泄漏系数） — 活塞式液压摆动马达、比例阀腔及连接管道总容积 ； — 工作油液的有效体积弹性模量对式（3-5）作拉氏变换 （3-6）3.活塞式液压摆动马达轴上的力矩平衡方程忽略静摩擦力、库仑摩擦等非线性和油液的质量，根据牛顿第二定律可得马达和负载的力矩平衡方程为： （3-7）式中 — 活塞式液压摆动马达和负载（折算到马达旋转输出套 上）的总转动惯量； — 粘性阻尼系数； — 负载扭矩弹簧刚度； — 作用在马达旋转输出套上的外负载力矩。

对式（3-7）作拉氏变换 （3-8）4.阀控活塞式液压摆动马达动力机构传递函数联立式（3-4）、（3-6）、（3-8）可以得到阀芯位移和外负载干扰作用同时作用于马达的总输出角位移（3-9）式中Kce-总流量-压力系数，Kce=Kc+Ctm（m5/N·s）此阀控液压马达系统中，马达和负载刚性连接，故弹性负载影响可不计，即G=0，又通常＜＜1，则式（3-9）可简化为 （3-10）式中ωh-无阻尼液压固有频率，，（rad/s）；ζh-液压阻尼比，，无量纲又系统稳态工作点附近流量q=Kqxv，则由式（3-10）可得马达输出角位移对流量、外负载的传递函数分别为： （3-11） （3-12）则可知液压马达角速度对流量、外负载的传递函数分别为： （3-13） （3-14）令式（3-14）中3.1.4位移传感器传递函数可将速度传感器视为比例环节，则有 （3-15）Kf-速度传感器的增益3.1.5阀控马达系统传递函数综合图（2-2）和式（3-1）、（3-2）、（3-13）、（3-15）得阀控马达电液速度控制系统传递函数方框图，如图3-1所示：3.2负载的等效处理阀控马达系统中弹性负载可忽略不计，这里主要考虑惯性负载和外负载力矩。

1.惯性负载包括液压马达转动惯量Jm和外负载二次元件转动惯量JL，又马达和负载直接相连，所以马达和负载折算到马达旋转输出套上的总惯量：Jt=Jm+JL2.外负载力矩由加载模块调定加载压力，使承载元件二次元件产生一定量转动力矩，即外负载力矩Mm3.3系统传递函数参数确定1.比例放大器增益Ka这里采用与电液比例方向阀配套使用的E-ME-L-01型比例放大器，其误差电压额定输入值为Uo=10（V），额定输出电流为Io=3A，所以有 （3-16）2.电液比例阀稳态工作点流量增益Kq从所用DPZO-L270型电液比例阀流量特性曲线3-2可以得出：阀压降Δp为10bar时，额定流量qv为200l/min设空载时阀额定流量为qv1，又供油压力为31.5Mpa，则可得（3-17）又知阀额定电流I1=10mA，则有电液比例阀空载稳定工作点附近流量增益为： （3-18）3.电液比例阀压力-流量系数Kc从所用的DPZO-L270型电液比例阀压力-流量特性曲线图3-3可以得出 （3-19）4.活塞式液压摆动马达参数马达的最大旋转摆角为50°=0.8727rad；最大转速ωmax=30°/s=0.5236rad/s，最大角加速度εmax=50°/s2=0.8727rad/s2；液压缸以外运动部件受到干摩擦力矩为Mm=200kg·m=2000N·m；液压缸的粘性摩擦系数为Bp=2×105kg·m²/s；负载转动惯量为J=5.248N·m·s2，液压弹性模量为βe=7000×105N/m2。

忽略负载粘性摩擦系数，。