恒加載水泥強度試驗機電液力控制系統(tǒng)計算機仿真 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文（設(shè)計）題目：恒加載水泥強度試驗機電液力控制系統(tǒng)計算機仿真學(xué) 院：* 專 業(yè)： *班 級： * 學(xué) 號： * 學(xué)生姓名： * 指導(dǎo)教師：* 2009 年6月18日貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所完成。畢業(yè)論文（設(shè)計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計）作者簽名： 日 期： 目 錄摘 要IVThe computer simulation on constant load cement strength testing machine ele

2、ctro-hydraulic force control systemVAbstractV前 言11 設(shè)計目的和意義12 電液伺服控制技術(shù)13 系統(tǒng)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢34 設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題和解決的辦法5第一章 設(shè)計依據(jù)61.1 設(shè)計目的和意義61.2 設(shè)計依據(jù)61.3 設(shè)計參數(shù)71.4 設(shè)計步驟與進程71.5 設(shè)計要求8第二章 液壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)方案的確定92.1 確定系統(tǒng)的被控制物理量92.2 確定系統(tǒng)采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制方式92.3 確定系統(tǒng)采用模擬控制還是數(shù)字控制系統(tǒng)方式92.4 確定液壓控制系統(tǒng)元件的類型及供油方式102.5 確定液壓控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的類型102.6 確定

3、檢測元件的類型及傳動機構(gòu)的形式102.7 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定11第三章 液壓動力元件的設(shè)計與伺服閥、伺服放大器及傳感器的選擇123.1 液壓動力元件的基本尺寸的確定123.1.1 選取供油壓力 123.2 液壓執(zhí)行元件的基本參數(shù)的確定133.3 電液伺服閥的選擇153.4 傳感器的選擇163.5 伺服放大器的選擇17第四章 系統(tǒng)的分析18控制基本方程和開環(huán)傳遞函數(shù)建立184.1.1 控制基本方程建立184.1.2 液壓缸的傳遞函數(shù)建立194.1.3 伺服閥的傳遞函數(shù)建立224.1.4 力傳感器的增益的計算234.1.5 系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立23系統(tǒng)性能分析244.2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析244

4、.2.2 系統(tǒng)快速性的分析274.2.3 系統(tǒng)準(zhǔn)確性的分析30第五章 液壓源的設(shè)計315.1 液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計與說明315.2 系統(tǒng)性能分析325.3 液壓源的形式32液壓源的選擇32標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的選擇計算33過濾器1的選擇34工作主泵2的確定34電動機3的確定34單向閥4的選擇34蓄能器5的選擇35壓力繼電器8的選擇35電磁溢流閥9的選擇355.4.8 冷卻器10的計算的選擇365.4.9 油箱11的選擇365.5 油液溫升驗算375.6 系統(tǒng)壓力損失的驗算40第六章 非標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的設(shè)計計算436.1 液壓缸的設(shè)計計算436.1.1 確定液壓缸的類型及安裝方式436.1.2 關(guān)于缸的相

5、關(guān)參數(shù)的計算436.2 關(guān)于活塞桿的相關(guān)參數(shù)的計算446.3 活塞桿連接活塞部分直徑的確定446.4 非標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的驗算466.4.1 缸筒壁厚的驗算466.4.2 活塞桿穩(wěn)定性驗算486.4.3 缸體與缸蓋的焊縫強度驗算49第七章 結(jié) 論50參考文獻51致 謝52附 錄53恒加載水泥強度試驗機電液力控制系統(tǒng)計算機仿真的設(shè)計摘 要 本設(shè)計結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，按給定條件和要求設(shè)計恒加載水泥強度試驗機電液力控制系統(tǒng)，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過計算機仿真的方法分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，合理設(shè)計參數(shù)和調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使試驗機能自動地、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對試件平穩(wěn)加載。在對液壓控制系統(tǒng)進行深入分析的同時，完成閉環(huán)系統(tǒng)控制回路

6、的設(shè)計和運用Matlab軟件進行系統(tǒng)仿真，繪出系統(tǒng)執(zhí)行元件的裝配圖，并校核其強度。此設(shè)計是一個集機械、電子技術(shù)、液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)和控制技術(shù)等多門學(xué)科為一體的綜合性課題，其著重運用本科所學(xué)的基本理論、專業(yè)知識，并通過控制回路的構(gòu)建和設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，從而提高學(xué)生運用計算機仿真能力和分析與解決工程技術(shù)問題的能力。關(guān)鍵字：電液力控制系統(tǒng) 計算機仿真 動態(tài)性能 閉環(huán)控制回路The computer simulation on constant load cement strength testing machine electro-hydraulic force con

7、trol systemAbstractThis design combines with course content, according to given conditions and design requirements of constant load cement strength testing machine electro-hydraulic force control system, establishes system mathematical model, analyses system dynamic performance with computer simulat

8、ion, designs parameters and adjustment system structure, makes it can automatically, accurately be implemented to specimen stationary loading. When hydraulic control system of deep analysis simultaneous, completes closed-loop system control circuit design and application matlab software of system si

9、mulation, draw system actuator assembly drawing, and check its strength.This design includes mechanical, electronic technology, hydraulic technology, sensor technology, simulation technology, control technology and so on many disciplines to one body comprehensive task, it emphatically application un

10、dergraduate all learning basic theory , professional knowledge, and through control circuit construction and design, training students practical ability and innovation capacity so as to enhance the students of application computer simulation ability and engineering with technology to solve problems.

11、Keywords: Electro-hydraulic force control system, Computer simulation, Dynamic performance, Closed loop control return前 言1 設(shè)計目的和意義恒加載水泥強度試驗機主要用于對水泥試塊作抗壓強度測定，試驗時，往往加到規(guī)定的載荷量值、加載時間或直至結(jié)構(gòu)破壞以測定其強度，驗證產(chǎn)品設(shè)計及參數(shù)計算的正確性，要求加載穩(wěn)定性好，加載精度高。本課題結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，要求設(shè)計一恒加載水泥強度試驗機電液力控制系統(tǒng)，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過計算機仿真的方法分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，合理設(shè)計參數(shù)和調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使

12、試驗機性能自動地、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對試件平穩(wěn)加載。本設(shè)計課題結(jié)合專業(yè)方向和教學(xué)內(nèi)容，對液壓控制系統(tǒng)進行深入分析，按給定條件和要求完成液壓控制回路的設(shè)計和計算機仿真設(shè)計，運用Matlab軟件進行系統(tǒng)仿真。本課題是一個集機械、電子技術(shù)、液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)和控制技術(shù)等多門學(xué)科相結(jié)合的綜合性課題，著重培養(yǎng)學(xué)生運用本科所學(xué)的基本理論、專業(yè)知識，提高分析與解決工程技術(shù)問題的能力。并通過實際回路的構(gòu)建和設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。2 電液伺服控制技術(shù)運動控制起源于早期的伺服控制。簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度或力等進行實時的控制管理，使其按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行

13、運動。運動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。電液伺服控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 電液伺服控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要構(gòu)成。由于它具有線性好、死區(qū)小、靈敏度高，動態(tài)性能好、響應(yīng)快、精度高等顯著優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。電液運動控制主要是以液壓缸、液壓馬達為執(zhí)行機構(gòu)，以比例閥或伺服閥配放大器為功率放大單元，以位置、速度或壓力傳感器組成信號反饋單元，配以必要的控制單元組成閉環(huán)運動控制系統(tǒng)。其廣泛應(yīng)用于包裝、印刷、紡織、鋼鐵和裝配工業(yè)中。      目前廣

14、泛應(yīng)用的運動控制系統(tǒng)中主要由電伺服 步進電機（以下簡稱電電機）、電液二種，以電電機應(yīng)用最為廣泛。目前電電機控制主要由伺服電機和步進電機兩種主要執(zhí)行機構(gòu)（若需直線運動， 可以在機構(gòu)上加一些裝置如滾珠螺桿加以轉(zhuǎn)化），運動控制卡和控制器構(gòu)成。目前此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用較成熟，遍及工業(yè)控制的各方面。相比較而言，電液運動控制系統(tǒng)特點鮮明，善于處理以直線運動為主的位置、力控制，但由于應(yīng)用場合和規(guī)模的限制， 在成熟度及系統(tǒng)應(yīng)用推廣等方面較電電機運動控制系統(tǒng)落后，且系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，對技術(shù)人員要求高，所以，目前國內(nèi)一些大型的電液自動化設(shè)備主要依賴于國外進口。      目前電液運

15、動控制系統(tǒng)大部分器件已經(jīng)產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化。如，比例閥、伺服閥有相應(yīng)的產(chǎn)品系列和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，位移、壓力等傳感器檢測元件各廠家都有通用型可替代產(chǎn)品，伺服缸、液壓馬達等執(zhí)行元件都有相關(guān)產(chǎn)品系列和標(biāo)準(zhǔn)供選型設(shè)計參考。系統(tǒng)設(shè)計中需要設(shè)計人員關(guān)注的是系統(tǒng)的核心液壓運動控制器，目前控制器存在多元化、多樣化和不通用的特點。電液運動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為以下三大類，1） 基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線的運動控制器；2）Soft 型開放式運動控制器；3） 嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器。目前國內(nèi)運動控制系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計電液運動控制系統(tǒng)主要針對特定項目，因規(guī)模不大數(shù)量不多， 系統(tǒng)設(shè)計人員首先滿足的是系統(tǒng)的功能要求，其次才會考慮系統(tǒng)通用性、

16、可靠性、調(diào)試便捷性、操作性能等方面的要求。因此，針對特定項目開發(fā)的運動控制系統(tǒng)可移植性差，沒有通用性，而且無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)約束，不利技術(shù)進步，還會帶來資源浪費。其存在主要問題是：（1）設(shè)計開發(fā)周期長，開發(fā)出的系統(tǒng)不具備通用性，電液運動控制系統(tǒng)性能不一定能夠達到最優(yōu)化。對機電液運動控制技術(shù)的推廣幫助不大。（2）系統(tǒng)可靠性不高，通用性不強，造成資源浪費。因此很有必要設(shè)計模塊化電液運動控制系統(tǒng)，以簡化系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試工作。      電液運動控制系統(tǒng)的未來發(fā)展方向?qū)⒂袀鹘y(tǒng)的放大執(zhí)行單元逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式的模塊化系統(tǒng)，參見圖1?？刂破鲗⒂心K化的專用控制器取代目前的幾大類

17、控制器，該控制器需有總線接口用于和上位機進行信息交互，開放式的軟件結(jié)構(gòu)用于液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和相關(guān)運動參數(shù)設(shè)定，通用電氣接口用于調(diào)制器、傳感器等電氣連接。3 系統(tǒng)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 工程系統(tǒng)的仿真，起源于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。從最初的簡單電子、機械系統(tǒng)，逐步發(fā)展到今天涵蓋機、電、液、熱、氣、電、磁等各個專業(yè)領(lǐng)域，并且在控制器和執(zhí)行機構(gòu)兩個方向上飛速發(fā)展?？刂破鞯姆抡孳浖谘芯靠刂撇呗?、控制算法、控制系統(tǒng)的品質(zhì)方面提供了強大的支持。隨著執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，機、電、液、熱、氣、磁等驅(qū)動技術(shù)的進步，以高可靠性、高精度、高反應(yīng)速度和穩(wěn)定性為代表的先進特征，將工程系統(tǒng)的執(zhí)行品質(zhì)提升到了前所未有的水平。

18、相對控制器本身的發(fā)展，憑借新的加工制造技術(shù)的支持，執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)的發(fā)展更加富于創(chuàng)新和挑戰(zhàn)，而對于設(shè)計、制造和維護高性能執(zhí)行機構(gòu)，以及構(gòu)建一個包括控制器和執(zhí)行機構(gòu)的完整的自動化系統(tǒng)也提出了更高的要求。AMESIM軟件正是能夠提供平臺級仿真技術(shù)的工具。從根據(jù)用戶需求，提供液壓、機械、氣動等設(shè)計分析到復(fù)雜系統(tǒng)的全系統(tǒng)分析，到引領(lǐng)協(xié)同仿真技術(shù)的發(fā)展方向，AMESIM的發(fā)展軌跡和方向代表了工程系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢。系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀：工程系統(tǒng)仿真作為虛擬設(shè)計技術(shù)的一部分，與控制仿真、視景仿真、結(jié)構(gòu)和流體計算仿真、多物理場以及虛擬布置和裝配維修等技術(shù)一起，在貫穿產(chǎn)品的設(shè)計、制造和運行維護改進乃至

19、退役的全壽命周期技術(shù)活動中，發(fā)揮著重要的作用，同時也在滿足越來越高和越來越復(fù)雜的要求。因此，工程系統(tǒng)仿真技術(shù)也就迅速地發(fā)展到了協(xié)同仿真階段。其主要特征表現(xiàn)為：(1)、控制器和被控對象的聯(lián)合仿真：MATLABAMESIM，可以覆蓋整個自動控制系統(tǒng)的全部要求。(2)、 被控對象的多學(xué)科、跨專業(yè)的聯(lián)合仿真：AMESIM機構(gòu)動力學(xué)CFDTHERMAL電磁分析(3)、 實時仿真技術(shù)實時仿真技術(shù)是由仿真軟件與仿真機等半實物仿真系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)的，通過物理系統(tǒng)的實時模型來測試成型或者硬件控制器。(4)、 集成進設(shè)計平臺現(xiàn)代研發(fā)制造單位，尤其是設(shè)計研發(fā)和制造一體化的大型單位，引進PDM/PLM系統(tǒng)已經(jīng)成為信息化建

20、設(shè)的潮流。在復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理流程中，系統(tǒng)仿真作為CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，與上下游工具配合。(5)、 超越仿真技術(shù)本身工程師不必是精通數(shù)值算法和仿真技術(shù)的專家，而只需要關(guān)注自己的專業(yè)對象，其他大量的模型建立、算法選擇和數(shù)據(jù)前后處理等工作都交給軟件自動完成。這一技術(shù)特點極大地提高了仿真的效率，降低了系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用門檻，避免了因為不了解算法造成的仿真失敗。(6)、 構(gòu)建虛擬產(chǎn)品在通過建立虛擬產(chǎn)品進行開發(fā)和優(yōu)化過程中，關(guān)注以各種特征值為代表的系統(tǒng)性能，實現(xiàn)多方案的快速比較。系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢：(1)、屏棄單專業(yè)的仿真單一專業(yè)仿真將退出系統(tǒng)設(shè)計的領(lǐng)域，專注于單一專業(yè)技術(shù)的深入發(fā)展。作為

21、總體優(yōu)化的系統(tǒng)級設(shè)計分析工具，必要條件之一是跨專業(yè)多學(xué)科協(xié)同仿真。(2)、跟隨計算技術(shù)的發(fā)展隨著計算技術(shù)在軟硬件方面的發(fā)展，大型工程軟件系統(tǒng)開始有減少模型的簡化、減少模型解藕的趨勢，力爭從模型和算法上保證仿真的準(zhǔn)確性。更強更優(yōu)化的算法，配合專業(yè)的庫，將提供大型工程對象的系統(tǒng)整體仿真的可能性。在高性能計算方面，將支持包括并行處理、網(wǎng)格計算技術(shù)和高速計算系統(tǒng)等技術(shù)。(3)、 平臺化要求仿真工具能夠提供建模、運算、數(shù)據(jù)處理（包括二次開發(fā)后的集成和封裝）、數(shù)據(jù)傳遞等全部仿真工作流程要求的功能，并且通過數(shù)據(jù)流集成在更大的PDM/PLM平臺上。同時，在時間尺度上支持全開發(fā)流程的仿真要求，在空間尺度上支持不

22、同開發(fā)團隊甚至是交叉型組織架構(gòu)間的協(xié)同工作以及數(shù)據(jù)的管理。(4)、 整合和細分市場整合化：將出現(xiàn)主流的標(biāo)準(zhǔn)工具。其特征是功能涵蓋了現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的主要系統(tǒng)仿真需求，并與其他主流軟件工具通過接口或后臺關(guān)系數(shù)據(jù)庫級別的數(shù)據(jù)交互，有協(xié)同工作的能力；軟件自身的技術(shù)進展迅速，具有強大的發(fā)展后勁。專業(yè)化：隨著市場需求的細分，走專業(yè)化道路，將出現(xiàn)極專業(yè)的工具。這些工具將在某些具體的專業(yè)領(lǐng)域提供深入研究的特殊支持，如開發(fā)特殊的庫或模型，專注于具有鮮明行業(yè)特征的技術(shù)，滿足特殊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將出現(xiàn)整合型工具和專業(yè)化工具互補的局面。(5)、 智能化將引進更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不斷改進GUI，讓軟

23、件使用者直接體驗到數(shù)值計算專家開發(fā)的后臺工具提供的強大功能，同時減少軟件學(xué)習(xí)和使用的困難。提供易學(xué)易用的強大工具。 (6)、 豐富的二次開發(fā)選項提供源代碼級的二次開發(fā)支持，開放的架構(gòu)滿足不同用戶的專業(yè)開發(fā)要求。在強大的工具平臺上，根據(jù)自身的需要，進行二次開發(fā)。這已經(jīng)是目前許多研發(fā)單位開發(fā)專有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方式。今后的系統(tǒng)仿真工具必須支持用戶在進行二次開發(fā)的時候，從源代碼級別開始的創(chuàng)新和工程化定制，并能夠通過封裝集成到原有平臺中去。這種技術(shù)將成為用戶在實現(xiàn)知識和技術(shù)組織內(nèi)共享和傳承的同時，保護自身知識產(chǎn)權(quán)的必然選擇。4 設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題和解決的辦法利用自己設(shè)計的系統(tǒng)建立傳遞函數(shù)，用計算機仿真檢

24、驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。對于有些需要做對比實驗的研究，要列出數(shù)種方法，以便尋找最佳的工作方法。到實驗室做電液伺服系統(tǒng)實驗,初步了解該設(shè)計的來龍去脈以及各種影響制約的因素,再將直觀的感受提高到理論的高度來分析,找到解決問題的關(guān)鍵所在。建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)利用MATLAB對系統(tǒng)進行仿真，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性達到設(shè)計的要求。利用word等辦公軟件對說明書進行編輯、排版。向指導(dǎo)教師請教,從中可以了解電液伺服系統(tǒng)發(fā)展的新動向及發(fā)展水平,對課題的研究提供最新的啟迪和幫助,使思路開闊,有利于引導(dǎo)和借鑒。到圖書館,資料室去查閱有關(guān)的學(xué)術(shù)雜志,圖紙,說明書等國內(nèi)文獻資料,提倡和鼓勵學(xué)生參閱外文文獻

25、,以了解前人的成果和正在進行中的研究,擴大知識面。第一章 設(shè)計依據(jù)1.1 設(shè)計目的和意義恒加載水泥強度試驗機主要用于對水泥試塊作抗壓強度測定，試驗時，往往加到規(guī)定的載荷量值、加載時間或直至結(jié)構(gòu)破壞以測定其強度，驗證產(chǎn)品設(shè)計及參數(shù)計算的正確性，要求加載穩(wěn)定性好，加載精度高。本課題結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，要求設(shè)計一恒加載水泥強度試驗機電液力控制系統(tǒng)，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過計算機仿真的方法分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，合理設(shè)計參數(shù)和調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使試驗機性能自動地、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對試件平穩(wěn)加載。本設(shè)計課題結(jié)合專業(yè)方向和教學(xué)內(nèi)容，對液壓控制系統(tǒng)進行深入分析，按給定條件和要求完成液壓控制回路的設(shè)計和計算機仿真設(shè)計，運用Mat

26、lab軟件進行系統(tǒng)仿真。本課題是一個集機械、電子技術(shù)、液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)和控制技術(shù)等多門學(xué)科相結(jié)合的綜合性課題，著重培養(yǎng)學(xué)生運用本科所學(xué)的基本理論、專業(yè)知識，提高分析與解決工程技術(shù)問題的能力。并通過實際回路的構(gòu)建和設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。1.2 設(shè)計依據(jù)1、設(shè)計一個伺服液壓缸控制系統(tǒng)。2、控制方式采用力控制、時間控制方式。3、電器控制回路設(shè)計要求進行繼電器控制回路設(shè)計和PLC控制回路的設(shè)計。 4、設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)自動控制要求，控制系統(tǒng)和控制方法簡單、可行。5、控制系統(tǒng)分為高壓，其按要求進行設(shè)計。6、設(shè)計的非標(biāo)件有液壓缸，分別按要求進行設(shè)計。1.3 設(shè)計參數(shù)1、運動

27、部件的總質(zhì)量：mt=3000kg2、活塞最大行程：L=500mm3、最大加載力：F=30N4、最大空載速度為：m/s6、靜態(tài)加載誤差：<3000N7、系統(tǒng)頻寬：f5Hz8、其余設(shè)計參數(shù)可類比相關(guān)資料及設(shè)計手冊選取。1.4 設(shè)計步驟與進程一、明確設(shè)計依據(jù)與要求。根據(jù)設(shè)計依據(jù)與要求，先熟悉和了解相關(guān)的設(shè)計內(nèi)容，深入學(xué)習(xí)所學(xué)過的相關(guān)基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)理論知識。二、收集資料與調(diào)研實習(xí)。設(shè)計前應(yīng)了解和掌握液壓控制系統(tǒng)的有關(guān)知識和理論以及電子技術(shù)理論和計算機仿真等的相關(guān)理論知識。實習(xí)中應(yīng)注意觀察液壓控制回路的動作過程和有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)及其連接關(guān)系，仔細觀察并實測所需設(shè)計零部件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并收集有關(guān)圖

28、紙資料。三、計劃進程。1、實習(xí)調(diào)研、收集資料 1周2、撰寫開題報告 1周3、設(shè)計及制圖 11周(1)、系統(tǒng)方案的擬訂 1周(2)、動力元件的參數(shù)設(shè)計 1周(3)、其他元件的選擇 1周(4)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立 1周(5)、計算機仿真 2周(6)、系統(tǒng)性能分析 1周(7)、液壓源的設(shè)計 周(8)、非標(biāo)元件的設(shè)計 周(9)、繪制非標(biāo)元件裝配圖和零件圖 3周 4、整理設(shè)計說明書和圖紙 3周5、評閱設(shè)計說明書 1周6、答辯 1周1.5 設(shè)計要求 1、設(shè)計圖紙10張以上（其中1號圖23張以上），包括液壓控制系統(tǒng)原理圖、液壓缸的裝配圖及零件圖、仿真曲線圖。論文圖紙要求有計算機繪圖。要求制圖正確、圖面整潔、

29、各項標(biāo)注齊全、符合國家標(biāo)準(zhǔn)。2、畢業(yè)論文(設(shè)計)字數(shù)不少于萬字，格式按貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計)規(guī)范化要求書寫。論文摘要要求中英文必備，摘要應(yīng)闡述設(shè)計的概貌、特色及采用新技術(shù)等內(nèi)容，字數(shù)在300500字以內(nèi)，英文摘要應(yīng)注意用詞準(zhǔn)確、語言通順、語法正確。各部分要配必要的簡圖、設(shè)計程序和仿真結(jié)果圖，要求計算正確、文字通順、書寫規(guī)整、條理清楚。設(shè)計內(nèi)容包括電液力控制組成與特點分析、各原件的傳遞函數(shù)的建立分析、系統(tǒng)傳遞函數(shù)的計算機仿真過程及結(jié)果分析、標(biāo)準(zhǔn)件的選擇計算、非標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計及計算等。第二章 液壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)方案的確定擬定系統(tǒng)方案是指設(shè)計中需要確定的 ，其決定系統(tǒng)性質(zhì)或重大性能的，諸如系統(tǒng)類型、

30、控制思想、控制方式、控制元件類型、執(zhí)行元件類型、檢測元件類型、供油油源類型和是否機械減速箱一類大的原則性選擇。確定上述諸項后便可繪出系統(tǒng)原理圖和職能方塊圖。2.1 確定系統(tǒng)的被控制物理量恒加載水泥強度試驗機電液力控制系統(tǒng)所需要被控制的物理量為：力2.2 確定系統(tǒng)采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制方式系統(tǒng)是開環(huán)還是閉環(huán)控制，要根據(jù)控制精度和穩(wěn)定性的要求、指令輸入的性質(zhì)、擾動輸入的大小和成本的限制等來確定。開環(huán)系統(tǒng)不具有抗干擾能力，其精度取決于個元件或環(huán)節(jié)的校準(zhǔn)精度。閉環(huán)系統(tǒng)具有抗干擾能力，對系統(tǒng)的參數(shù)變化不太敏感，只要檢測環(huán)節(jié)的精度和響應(yīng)足夠高，便可以采用精度并不高的控制元件構(gòu)成精確的控制系統(tǒng)，但是要注意

31、系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對研究動態(tài)特性試驗狀況的試驗機，對試驗對象要求進行動態(tài)加載，并且加載要穩(wěn)定，加載精度高，所以系統(tǒng)選擇閉環(huán)控制方式。2.3 確定系統(tǒng)采用模擬控制還是數(shù)字控制系統(tǒng)方式在電液力控制系統(tǒng)中，由于采用電磁控制伺服閥，其大多數(shù)為模擬控制式的，因此與之相配的伺服放大器及檢測元件液是模擬式的。模擬式控制系統(tǒng)較為簡單，因此目前仍普遍采用，但是分辨率和控制精度較低。2.4 確定液壓控制系統(tǒng)元件的類型及供油方式根據(jù)系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度的要求、功率的大小、要求功率的高低及成本等來確定。閥控系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度高，但效率低。泵控系統(tǒng)的效率很高，可用與大功率控制場合，但控制精度和響應(yīng)速度低，并且成本較

32、高。對于閥控系統(tǒng)是采用恒壓油源還是恒流油源供油，取決與系統(tǒng)的功用、使用環(huán)境和系統(tǒng)的要求。恒壓油源的供油壓力恒定，控制閥的壓力流量特性的線性度好，系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度都較高；恒流源的供油流量一定，系統(tǒng)效率較高，但控制閥的P-Q特性的線性度差。綜上所述，系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)精度和相應(yīng)速度高，所以選擇閥控系統(tǒng)，而不選用泵控系統(tǒng)。2.5 確定液壓控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的類型在本設(shè)計的控制系統(tǒng)中，由于直線運動，所以選擇液壓缸為執(zhí)行元件。2.6 確定檢測元件的類型及傳動機構(gòu)的形式檢測元件的類型則采用模擬傳感器，傳感器根據(jù)系統(tǒng)的受力情況，（為拉壓力）所以選擇拉壓力傳感器；伺服放大器選擇ESA型放大器；傳動機構(gòu)的形

33、式選擇液壓傳動。則可以得出系統(tǒng)的原理方框圖:圖2.1 電液力控制系統(tǒng)原理方框圖2.7 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定由于系統(tǒng)為伺服系統(tǒng)，要求系統(tǒng)盡可能簡單，這樣便于維護和安裝，同時也降低生產(chǎn)成本。所以在擬定系統(tǒng)原理圖時需考慮以下因素：1. 由于系統(tǒng)要求的負載力比較大，選擇工作壓力也較大。2. 在較大的工作壓力情況下，需要考慮工作效率的大小，效率過小會產(chǎn)生過高的熱量，從而降低系統(tǒng)的精度和壽命。3. 因為系統(tǒng)為大型高壓系統(tǒng)，操作力比較大，應(yīng)考慮先導(dǎo)控制油路。4. 系統(tǒng)中選擇驅(qū)動力控制。圖 驅(qū)動力控制電液伺服疲勞試驗機原理圖其特點為：在輸入一指令信號，在對該信號進行放大，接入伺服閥中，電流控制閥的開口大小，從

34、而控制流量大小，使液壓缸加載在試件上的力隨著輸入信號變化而變化，由于加載在傳感器上的力和加載在試件上的力相同，在傳感器上輸出的信號經(jīng)過其測量放大器放大后與指令信號相加，從而是輸入的信號滿足人們的要求，讓加載力隨輸入信號變化而變化，傳感器使其變化在一定的范圍里。這樣就實現(xiàn)了閉環(huán)的控制。第三章 液壓動力元件的設(shè)計與伺服閥、伺服放大器及傳感器的選擇液壓動力元件（或稱液壓動力機構(gòu)）是由液壓放大元件（液壓控制元件）和液壓執(zhí)行元件組成的。液壓放大元件一般是液壓控制閥也可以是伺服變量泵。液壓執(zhí)行元件是液壓缸或者液壓馬達。3.1 液壓動力元件的基本尺寸的確定3.1.1 選取供油壓力 由于負載數(shù)值較大，故取系統(tǒng)

35、供油壓力=21MPa.3.1.2 液壓缸的確定根據(jù)力控制系統(tǒng)的控制特性，系統(tǒng)應(yīng)在供油壓力的95%狀態(tài)下工作，故取負載壓力 測液壓缸有效面積Ap為 因液壓缸有效工作面積，取代人得 即 Dm按標(biāo)準(zhǔn)尺寸?。篋=160mm即 D=0.16m=160mm按標(biāo)準(zhǔn)尺寸?。篸=90mm即 d=0.09m=90mm作用面積Ap: Ap= (3-5)代入數(shù)據(jù)得空載流量： (a為系統(tǒng)的泄漏系數(shù)) (3-6) = =42 .6L/min3.2 液壓執(zhí)行元件的基本參數(shù)的確定執(zhí)行元件采用四通閥控對稱液壓缸。液壓固有頻率： (3-7)式中：可按系統(tǒng)要求頻寬的510倍來確定； 為移動質(zhì)量，約3000Kg; 為對稱活塞有效面積

36、，37; 為液壓缸的總壓縮容積，即進油腔容積與回油腔容積之和，=S;=S= 為液體有效彈性摸量，取值范圍：7001400，一般取=700將數(shù)據(jù)代入式（37）中，得液壓缸固有頻率=564rad/s與閥的幅頻寬=628rad/s小，滿足了系統(tǒng)伺服閥的頻率要求。液壓阻尼比： （3-8）式中：為系統(tǒng)總流量系數(shù)，即伺服閥流量壓力系數(shù)和執(zhí)行器總泄漏系數(shù)之和。，執(zhí)行器為液壓缸時，泄漏系數(shù)與缸的結(jié)構(gòu)及密封形式有關(guān)，難以準(zhǔn)確估算。常取，閥的流量壓力系數(shù)取決與閥的類型并隨工作總而變化，一般計算時取零位值，其為工況惡劣。 為液壓缸負載黏性阻尼系數(shù)，其值通常較小，可忽略。則有； （零開口） (3-9)式中：為為閥面積

37、剃度。 為零開口閥徑向間隙，取 為液體動力黏度，其值取決于液體類型及工作溫度，一般取則將數(shù)據(jù)代入(39)式中，得那么由于較小，可忽略，則將數(shù)據(jù)代入(3-8)式中，得動態(tài)柔度系數(shù)：為液壓彈簧剛度：是液壓缸兩腔完全封閉，由于液體的壓縮性形成的液壓彈簧的剛度。 3.3 電液伺服閥的選擇在力控制系統(tǒng)中，大多數(shù)采用雙噴嘴擋板式電液伺服閥，在雙噴嘴擋板式電液伺服閥中型號的主要為QDY系列，其原理圖為：圖3-3 力反饋兩級電液伺服閥原理圖1-固定節(jié)流口 2-反饋桿 3-彈簧管 4-導(dǎo)向套筒 5-永磁體 6-上導(dǎo)磁體 7-銜鐵 8-噴嘴 9-滑閥工作原理是： (1)力矩馬達控制線圈無控制電流時，銜鐵由彈簧管支

38、承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，擋板也處于兩個噴嘴的中間位置，兩噴嘴負載腔壓力相等，輸出的差動壓力為零，即無輸出。(2)當(dāng)力矩馬達兩控制線圈有差動控制電流時， 在銜鐵上產(chǎn)生電磁力矩 (假定為逆時針方向)，使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動中心逆時針方向偏轉(zhuǎn)，彈簧管產(chǎn)生變形，擋板偏離中位。這時，噴嘴擋板閥右間隙減小而左間隙增大，引起右噴嘴負載腔壓力增大，左噴嘴負載腔壓力減小，兩噴嘴負載腔有差動壓力輸出。彈簧管變形產(chǎn)生的力矩與力矩馬達的電磁力矩相平衡，使銜鐵擋板組件停留在與某個控制電流相對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角上，伺服閥輸出一個對應(yīng)的流量。閥的輸出量 (流量及壓力)、銜鐵擋板組件的偏轉(zhuǎn)角均與控制電流成比例。 (3)改變控制

39、電流的方向，上述偏轉(zhuǎn)角與閥的輸出量的方向隨之改變。在根據(jù)壓力和流量可以選擇電液伺服閥，起參數(shù)如下電液伺服閥：QDY8-H6030技術(shù)指標(biāo)：額定流量() 44液壓性能：額定供油壓力（） 21 額定供油范圍（MPa） 1-21電氣特性：額定電流（） 30 線圈電阻（） 500靜態(tài)特性：滯環(huán)（%） <4 壓力增益（%Ps/%In） >30 分辨率（%） 3095 不對稱度 <+10 零位流量（L/min） <+3 零偏（%） <+3 壓力零偏（%） <+2 溫度零偏（%） <+2 沒變化56°C頻率特性：幅頻寬（3dB）/Hz >60 相頻寬

40、：（-）/Hz >60其它： 工作介質(zhì)： 22，透平油，XH10 工作溫度（）： -1080 質(zhì)量 1.3kg3.4 傳感器的選擇根據(jù)系統(tǒng)的受力大有要求選擇傳感器參數(shù)如下所示：傳感器工作原理：本傳感器采用變應(yīng)測力原理，即在半導(dǎo)體基底上擴散出一組應(yīng)變電橋，當(dāng)彈性元件受力發(fā)生形變以后，應(yīng)變電橋因橋臂電阻值之變化而失去平衡，從而輸出電信號。其特點：1、采用柱式結(jié)構(gòu)梁,抗偏載、長期穩(wěn)定性好；2、全部外螺紋連接，方便安裝；3、用于電子衡器、起吊裝備及各類力值的測量與控制。傳感器類型：稱重傳感器LCH。技術(shù)參數(shù)量程5kN500Kn靈敏度  1mV/V±1非線性0.3R.O.（30

41、0kN500kN0.5R.O.）重復(fù)性  0.3R.O.（300kN500kN0.5R.O.）滯后性0.1R.O.推薦激勵電壓10V安全激勵電壓18V輸入阻抗350±1絕緣阻抗2000M以上溫度補償范圍-10+70工作溫度-20+803.5 伺服放大器的選擇中國航空工業(yè)第一集團公司634所研制的ESA型伺服放大器接收430mA的標(biāo)準(zhǔn)工 業(yè)控制信號，配以直流差動變壓器式位移傳感器和各種類型的電液伺服閥可構(gòu)成位置電液伺服系統(tǒng)如果配用速度傳感器、力傳感器或壓力傳感器等可構(gòu)成速度伺服系統(tǒng)和力伺服系統(tǒng)該伺服放大器具有精度高、負載能力強、可靠性高、工作溫度范圍寬、輸人輸出配置完善等特點

42、 。 第四章 系統(tǒng)的分析4.1.1 控制基本方程建立偏差電壓信號為 (4-1)式中：為指令電壓信號；為反饋電壓信號；力傳感器方程為： (4-2)式中：為力傳感器增益； 為液壓缸輸出力；伺服放大器動態(tài)可以忽略，其輸出電流為； (4-3)式中：為伺服放大增益；伺服閥傳遞函數(shù)可表示為： (4-4)式中：為伺服閥芯位移； 為伺服閥增益； 為=1時，伺服閥的傳遞函數(shù)。4.1.2 液壓缸的傳遞函數(shù)建立假定負載為質(zhì)量、彈性和阻尼，則閥控液壓缸的動態(tài)可用下面三個方程描述 （4-5） 式中：為負載質(zhì)量； 為負載阻尼系數(shù)； 為負載彈簧剛度； 為液壓缸總泄漏系數(shù)。則可畫出力控制系統(tǒng)的方塊圖。圖4.1 力控制系統(tǒng)方框

43、圖將三個方程中的中間變量和消去，在簡化后，可以直接得到閥芯位移至液壓缸輸出力的傳遞函數(shù)： (4-6)由于負載阻尼系數(shù)很小，可以忽略不計，則簡化得 (4-7)由于該系統(tǒng)沒彈性負載（K=0）則函數(shù)可以近似寫成： （4-9）式中：為負載的固有頻率，； 為液壓彈簧與負載彈簧串聯(lián)偶合的剛度與阻尼系數(shù)之比，為液壓彈簧與負載彈簧并聯(lián)偶合的剛度與負載質(zhì)量形成的固有頻率，；為阻尼比，為總壓力增益。 根據(jù)上式可得系統(tǒng)方框圖簡化如下圖，有方框圖可以得到系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為圖4.2 力控制系統(tǒng)簡化方框圖可得開環(huán)傳遞函數(shù): （4-10）式中：為系統(tǒng)的開環(huán)增益， （4-11）將各個數(shù)值代入各個參數(shù)，（其中K=0）得負載的固

44、有頻率； =0為液壓彈簧與負載彈簧串聯(lián)偶合的剛度與阻尼系數(shù)之比，為液壓彈簧與負載彈簧并聯(lián)偶合的剛度與負載質(zhì)量形成的固有頻率，為阻尼比，取則有缸的傳遞函數(shù)； （4-12） （4-13）4.1.3 伺服閥的傳遞函數(shù)建立 （4-14）為伺服閥流量增益，為空載流量：為伺服閥額定電流：取30mA代入數(shù)據(jù)，得為伺服閥固有頻率；則有伺服閥傳遞函數(shù)為： （4-15）伺服閥的系數(shù)的計算：為伺服閥的流量增益： （4-16）式中：為節(jié)流口流量系數(shù)，取 為介質(zhì)密度，取數(shù)據(jù)代入（4-16）式中，得為伺服閥的流量增益：為伺服閥的流量增益：（由于f>60HZ,所以選取100HZ）在供油壓力為時這個數(shù)量級容易得到。4.

45、1.4 力傳感器的增益的計算力傳感器的增益： （4-17）式中：為輸入靈敏度，該傳感器為1mV/V；為輸入力， 系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立由上面各個部分函數(shù)可得系統(tǒng)簡化方框圖；圖系統(tǒng)簡化方框圖則開環(huán)傳遞函數(shù)為： （4-18） （4-19） 系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析運用Matlab對系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)進行編程仿真，程序如下：（其中令Ko=1）%系統(tǒng)的參數(shù)條件clfKo=1;Ksv=2.44e-2;Wsv=628;Wm=0;Wo=564;Wr=;zuni=0.8;Hs=e-9%建立系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)num1=Ko*Ksvden1=conv(1/Wr 1,conv(1/Wo2 2*zuni/Wo 1,1/Wsv2 2

46、*zuni/Wsv 1)sys1=tf(num1,den1)%繪制系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖figure(1)margin(sys1)grid程序運行后得到的開環(huán)Bode圖為圖4.4 系統(tǒng)開環(huán)Bode圖（=1）由圖可知道系統(tǒng)不穩(wěn)定，則需要調(diào)節(jié)Ko來使系統(tǒng)穩(wěn)定，所以調(diào)節(jié)Ko后，并且得到最滿意的Ko值。即Ko=130時系統(tǒng)穩(wěn)定，并且也將系統(tǒng)的閉環(huán)Bode圖，時域仿真圖一同仿真，程序如下：%系統(tǒng)的參數(shù)條件clfKo=130;Ksv=2.44e-2;Wsv=628;Wm=0;Wo=564;Wr=;zuni=0.8;Hs=e-9%建立系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)num1=Ko*Ksvden1=conv (1/Wr 1,c

47、onv(1/Wo2 2*zuni/Wo 1,1/Wsv2 2*zuni/Wsv 1)sys1=tf(num1,den1)%繪制系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖figure(1)margin(sys1)grid程序運行后得到的仿真圖為圖4.5 系統(tǒng)開環(huán)Bode圖（=130）由圖可以知道，幅值穿越頻率=166rad/sec時，相位裕量為r=6.75dB，相頻穿越頻率 =318rad/sec，幅值裕量為 Kg=6.75dB，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，所以該系統(tǒng)穩(wěn)定。則，放大系數(shù)的Ka確定Ka=Ko×=130×=208 系統(tǒng)快速性的分析系統(tǒng)滿足了穩(wěn)定性，但是還需要滿足快速性，其主要原因是液壓伺服系統(tǒng)

48、需要快速的相應(yīng)，總是有輸入就有輸出。運用Matlab進行仿真，其程序如下所示：%系統(tǒng)的參數(shù)條件clfKo=130;Ksv=2.44e-2;Wsv=628;Wm=0;Wo=564;Wr=;zuni=0.8;Hs=e-9%建立系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)num1=Ko*Ksvden1=conv(1/Wr 1,conv(1/Wo2 2*zuni/Wo 1,1/Wsv2 2*zuni/Wsv 1)sys1=tf(num1,den1)%建立系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)num2=sys1/Hsden2=1+sys1sys2=num2/den2%繪制系統(tǒng)的閉環(huán)Bode圖figure(1)margin(sys2)grid%繪制系統(tǒng)的

49、時間響應(yīng)圖figure(2)step(sys2)grid程序運行后，可得到下圖，首先由圖4.5可知，在系統(tǒng)幅值下降1dB后，系統(tǒng)的頻率為338red/sec，比設(shè)計要求的f5Hz=31.4 red/sec要大；其次由圖4.6可知，系統(tǒng)的最大超調(diào)量為：圖4.5 系統(tǒng)閉環(huán)Bode圖由圖4.6可知，Mp=(3.06-2.3)/3.06×100%=24.8%最大超調(diào)量在1.5%-25%之間，滿足要求。 系統(tǒng)準(zhǔn)確性的分析伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確性由系統(tǒng)誤差來衡量，所以先計算其穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是輸出量與希望值與它的穩(wěn)態(tài)的實際值之差。它由指令輸入，外負載力（或外負載力矩）干擾和系統(tǒng)中的零漂、死區(qū)等干擾引起

50、的。穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，也與輸入信號有關(guān)。（一） 指令輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差 由指令引起的穩(wěn)態(tài)誤差也叫跟隨誤差，但是由于本系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，而且輸入信號為正弦信號，那么系統(tǒng)跟隨輸入的信號的穩(wěn)態(tài)誤差為零，即（二） 負載干擾力的引起的穩(wěn)態(tài)誤差 由于負載干擾力引起的穩(wěn)態(tài)誤差也稱負載誤差。但由于本系統(tǒng)沒有負載干擾力或者干擾力矩，因此負載誤差為零，即（三） 零漂和死區(qū)等引起的靜態(tài)誤差根據(jù)參考文獻18零漂和死區(qū)等引起的靜態(tài)誤差為 (4-22)式中，為系統(tǒng)開環(huán)增益，=130 N/Am為電磁伺服閥零漂和死區(qū)的電流為=Am為由穩(wěn)定后的開環(huán)波德圖中確定，取=-47dB將數(shù)據(jù)代入4-22式得N那么總的誤差小于3000N，滿足要求。第五章 液壓源的設(shè)計5.1 液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計與說明本系統(tǒng)由單獨一液壓泵。驅(qū)動液壓能源采用定量泵