电液伺服海浪模拟系统设计与实践
|
摘要
由于电液伺服系统具有响应速度快、控制精度高、刚度大、控制方式灵活等优点,在环境模拟试验领域的应用十分广泛。本课题研制的电液伺服海浪模拟系统,用来模拟海浪的上下颠簸运动,可以在实验室环境中为船舶性能测试提供逼真的海浪运动环境,是电液伺服系统在模拟仿真领域的一个新的应用。
该系统和一般的电液伺服系统的设计相比,有其显著的特色和难度。主要体现在:伺服油缸的运动幅度大(达到1.8m)、运动速度大(达到2.51m/s)、运动加速度大(达到12.7m/s2)。
论文的主要内容如下:
(1)根据系统技术指标要求,对系统结构和工作原理进行了详细分析,对伺服油缸进行了详细的设计计算,并利用有限元软件对伺服油缸进行了力学性能分析计算。
(2)运用可靠性理论对液压系统建立了可靠性模型并对可靠度进行分析计算,及对控制系统进行了可靠性设计以及可靠性预测来论证了整个系统使用的可靠性。
(3)基于可编程控制器(PLC)研制开发了油源电控系统;
(4)对伺服控制系统进行了建模,确定了各个控制环节的传递函数。依据传递函数在Simulink环境下对模型进行了仿真,根据仿真结果设计了复合PID控制器。
(5)对设计的电液伺服控制系统进行了试验研究。工程现场的实测数据表明,系统达到了设计指标要求。
As for electro-hydraulic servo system’s advantages, such as quick response, high control precision and fixable control mode, it is used widely in condition-simulation examination. The electro-hydraulic servo simulation system developed by this paper is used to simulation surf, so as to provide living movement environment of ocean wave for tests of ship’s performance. It’s a new use of electro-hydraulic surf in simulation domain.
Compared with design of general electro-hydraulic servo system, this system has notable characteristics and difficulty. Mostly in flowing aspects, high movement range (reach to 1.8m), high movement speed (reach to 2.51m/s), high acceleration (reach to 12.7m/s2 ).
The main content of the paper is as follows:
(1)Particular analyzed configuration and work principle of the system according to technology index, particular designed and calculate how to choose element and servo cylinder, using 3D modeling software to calculate the mechanics capability of servo cylinder.
(2)Using reliability theory to model the reliability of hydraulic system and count the reliability. Through reliability designing and forecasting of the control system , testify the using reliability of the whole system.
(3)Developed electric control system based on PLC.
(4)Modeled the servo control system and specified pass functions of every control tache. Modeled by Simulink based on pass functions and designed composite PID controller.
(5)Tested the electric hydraulic servo system. According to the date, the system reaches to the required index.
该系统和一般的电液伺服系统的设计相比,有其显著的特色和难度。主要体现在:伺服油缸的运动幅度大(达到1.8m)、运动速度大(达到2.51m/s)、运动加速度大(达到12.7m/s2)。
论文的主要内容如下:
(1)根据系统技术指标要求,对系统结构和工作原理进行了详细分析,对伺服油缸进行了详细的设计计算,并利用有限元软件对伺服油缸进行了力学性能分析计算。
(2)运用可靠性理论对液压系统建立了可靠性模型并对可靠度进行分析计算,及对控制系统进行了可靠性设计以及可靠性预测来论证了整个系统使用的可靠性。
(3)基于可编程控制器(PLC)研制开发了油源电控系统;
(4)对伺服控制系统进行了建模,确定了各个控制环节的传递函数。依据传递函数在Simulink环境下对模型进行了仿真,根据仿真结果设计了复合PID控制器。
(5)对设计的电液伺服控制系统进行了试验研究。工程现场的实测数据表明,系统达到了设计指标要求。
As for electro-hydraulic servo system’s advantages, such as quick response, high control precision and fixable control mode, it is used widely in condition-simulation examination. The electro-hydraulic servo simulation system developed by this paper is used to simulation surf, so as to provide living movement environment of ocean wave for tests of ship’s performance. It’s a new use of electro-hydraulic surf in simulation domain.
Compared with design of general electro-hydraulic servo system, this system has notable characteristics and difficulty. Mostly in flowing aspects, high movement range (reach to 1.8m), high movement speed (reach to 2.51m/s), high acceleration (reach to 12.7m/s2 ).
The main content of the paper is as follows:
(1)Particular analyzed configuration and work principle of the system according to technology index, particular designed and calculate how to choose element and servo cylinder, using 3D modeling software to calculate the mechanics capability of servo cylinder.
(2)Using reliability theory to model the reliability of hydraulic system and count the reliability. Through reliability designing and forecasting of the control system , testify the using reliability of the whole system.
(3)Developed electric control system based on PLC.
(4)Modeled the servo control system and specified pass functions of every control tache. Modeled by Simulink based on pass functions and designed composite PID controller.
(5)Tested the electric hydraulic servo system. According to the date, the system reaches to the required index.
引文
1王占林.电气液压伺服控制.北京:航空航天大学出版社,2005:1-5
2王春行.液压控制系统.北京:机械工业出版社,2004:1-7
3汤志勇.神经网络变结构控制及其在电液伺服结构实验中的应用.[西安交通大学学位论文].1997:30-61
4王孙安,林延,史维祥.液压伺服控制的新发展.机床与液压,1991,(1):8-14
5骆涵秀.液压振动台的发展趋势,试验机与材料实验,1995,(6):1-6
6骆涵秀.试验机的电液伺服系统.北京:机械工业出版社,1991:261-274
7何玉彬,刘燕秋,徐立勤,等.电液伺服系统的神经网络在线自学习自适应控制.中国电机工程学报,1998,18(6):434-437
8王淑莲,璐,维祥.于代数黎卡提方程的H∞控制器及在气动系统中的应用.机床与液压,1999(1):32-37
9 P.M.Fitz Simous,JPalazzolo.Part1:modeling of a one-Degree-of-Freedom Active ydraulic Mount,ASMEJournalf Dynamic Systems,Measurement,andControl,1996, 118(3): 439-442
10刘燕秋.参数自校正Fuzzy-PI控制器及其在电液伺服结构试验系统中的应用.[西安交通大学学位论文].1997:23-45
11何玉彬,李新忠.神经网络控制技术及其应用.北京:科技出版社,2000:11-25
12王砡,李祖枢.一种多模态智能控制方法及其在电液伺服系统中的应用.[重庆大学学位论文].1990:34-50
13冯国南.现代伺服理论的分析与设计.北京:机械工业出版社,1990:13-17
14胡佑德,马东升,张莉松.伺服理论原理与设计.北京:理工大学出版社,1999:6-9
15 P M FITZSIMONS, J J PALAZZOLO, PartⅠ: Modeling of a one-freedom active hydraulic mount[J]. ASME Journal of Dynamic System, Measurement,and Control,1996,118(4): 439-448
16 V POMMIER, J SABATIER, PLANUSS,et al.Crone control of a nonlinear hydraulic actuator[J].Control Engineering Practice,2002,10(4): 391-402
17 A BONCHIS, PI CORKE,D C RYE, et al. Variable structure methods in servo systemcontrol[J].Automatica,2001,37(4):589-595.
18李文磊,蒋刚毅.确定电液位置伺服系统的动态面跟踪控制.光电工程,2007,34(2):55-58
19陈哲浩,谷立臣,贺利乐.并联电液伺服平台的神经网络PID控制方法研究.液压与气动,2004,(11):55-60
20许梁,杨前明.现代电液控制技术的应用与发展.现代技术制造与装备,2007,(3):72-74
21林建亚等.电液位置伺服系统自适应控制律.信息与控制,1985:115-130
22丁宗生.模型跟踪自适应控制的方法及工程应用.西安交通大学学报,1991, 24(4):51-57
23李光,曾克俭.基于反演法的电液位置伺服系统的自适应鲁棒控制[J].机床与液压,2003(6):151-155
24 Piche R,Ponjolaineus.Design of Robust Tow-Degree-of Freedom Controllers for servos using H∞Theory.Pros,Instn.Mech.Engrs.Part 1.1991,205(14):299-306
25 Hsia T C.A New Technique for Robust Control of Servo System.IEEE Trans.on Indeustrial Electronics,1989,36(1):1-7
26 Jen Y,Lee C.Robust Speed Control of a Pump-Controlled Motor System.IEEE Proceeding D,1992,139(6):503-510
27 Li Chang-Qi.Application of the State Observer to Improve the Characteristics of an Electro-Hydranlic Servo System.First JHPS International Symposium on Fluid Power. 1989,9(1):169-172
28叶军,娄建国.电液伺服系统在非线性干扰下的神经网络控制.液压与气动,2005,(4):41-43
29 Athans M,Falb P L.Optimal Control .McGraw-Hill Book Comp,1996:25-33
30 Ryan E P Tim-Optimal Feedback Control of Certain Forth-Order System,Int.J.Contorl, 26(5):675-688
31李运华.离散变结构控制的新方法及其在伺服系统中的应用.控制理论与应用,1994,11(5):60-65
32小山纪.空气压の口ボティケヘの应用にす研究的现状と展望.油压と气动,1990,21(4):78-81
33则次俊郎.气压シカニタ系的现状と展望手法.油压と空气压ゐ,1990,21(3):35-37
34 Lai J Y.Penumatic Pressure and Position Control Using Learning Law.The Journal of Fluid Control, 1988,18(3):99-101
35中村,田中.电子油压PCM制御にすゐ研究.昭和61年春季油压论文集,1986:21-24
36 Hirohisa Tanaka.Electro-Hydranlic PCM Control.IEEE Proceeding D,1996,17(2):34- 36
37王宣银,郑学明,谷云彪,等.PCM控制气动位置的研究.中国航空学会控制与应用第
六界学术会议论文集.北京,1994:156-157
38 Zheng Xueming,Wang Anmin,Liu Qinghe.A Fussy Control to Pneumatic Position Servo System Using On/Off Value.The 2nd Internatioanal Symposium on Fluuid tranission and Contorls of Shanghai,1995:99-112
39 Saridis G N.Toward the Realization of Intelligence Control.IEEE Pro,1979,67(68): 55-58
40袁曾任.智能控制研究的新进展.信息与控制,1994,23(5):88-92
41王秋敏.模拟仿真技术及其在液压系统中的应用.应用技术,2005(5):122-130
42王锴,王占林,裘丽华,等.三轴电液仿真测试转台测控系统分析与设计.机床与液压,2006(5):144-145
43冯勇健,杨银柱.电-模拟抽油机运动试验系统.石油机械,1998(9):23-26
44张立勋,王令军,贺伟,等.液压摇摆台控制系统仿真研究.机电一体化,2007(5):26-29
45王燕华,程文瓖,路飞,等.地震模拟振动台的发展.工程抗震与加固改造,2007,10(5): 53-57
46许贤良,液压传动.北京:国防工业出版社,2007:110-128
47 H. S. Blanks. Quality and Reliability Research into Next Century. Quality and Reliability Engineering International,1994,10(3):179-184
48王智勇.315吨卧式轮轴压装机液压控制系统改造及可靠性实践:[燕山大学学位论文],2003:10-12
49高社生,张玲霞.可靠性理论与工程应用.北京:国防工业出版社,2002:86-99
50李清河,谭青,林光霞.25t轮胎起重机液压系统的可靠性分析.液压与气动, 2007(5):43-46
51赵静一,陈卓如,王益群,等.水压机液压系统主缸无力的FTA分析[J].燕山大学学报,1999,23(1):7210
52赵静一,姚成玉.液压系统的可靠性研究进展.液压与气动, 2006,(3):50-54
53陈明,张京妹.控制系统可靠性设计.西安:西北工业大学出版社,2006:9-20
54李东飞,郭景峰,王志松.PMAC运动控制器在控制伺服比例阀中的应用.机电产品开发与创新,2006,(1):120-126
55彭思平,赵立,张维则.基于有限元的连杆变形分析.制导与引信,2007,(9):55-58
56陆建浙.液压启闭机液压系统可靠性的设计计算.水利电力机械,2000,(1):5-8
57李淑娟,王坤.耗损型产品的可靠性评估方法.数学的实践与认识,2002,(6):30-32
58赵静一,王智勇,覃艳明,等.TLC900型运梁车电液转向控制系统的仿真与试验分析.机械工程学报,2007,(9):65-68
59游张平,王卫锋.基于SIMULINK的液压伺服系统动态仿真.机床与液压,2004,(6):47-49
60宋志安.基于MATLAB的液压伺服控制系统分析与设计.北京:国防工业出版社,2007:5-6
61赵保亚.基于PMAC的数控系统PID参数调节研究.机械设计与制造,2007,(10):146-148
62朱立达,朱春霞,蔡光起.PD调节PMAC运动控制器中的应用.组合机床与自动化加工技术,2007,(2):50-53
2王春行.液压控制系统.北京:机械工业出版社,2004:1-7
3汤志勇.神经网络变结构控制及其在电液伺服结构实验中的应用.[西安交通大学学位论文].1997:30-61
4王孙安,林延,史维祥.液压伺服控制的新发展.机床与液压,1991,(1):8-14
5骆涵秀.液压振动台的发展趋势,试验机与材料实验,1995,(6):1-6
6骆涵秀.试验机的电液伺服系统.北京:机械工业出版社,1991:261-274
7何玉彬,刘燕秋,徐立勤,等.电液伺服系统的神经网络在线自学习自适应控制.中国电机工程学报,1998,18(6):434-437
8王淑莲,璐,维祥.于代数黎卡提方程的H∞控制器及在气动系统中的应用.机床与液压,1999(1):32-37
9 P.M.Fitz Simous,JPalazzolo.Part1:modeling of a one-Degree-of-Freedom Active ydraulic Mount,ASMEJournalf Dynamic Systems,Measurement,andControl,1996, 118(3): 439-442
10刘燕秋.参数自校正Fuzzy-PI控制器及其在电液伺服结构试验系统中的应用.[西安交通大学学位论文].1997:23-45
11何玉彬,李新忠.神经网络控制技术及其应用.北京:科技出版社,2000:11-25
12王砡,李祖枢.一种多模态智能控制方法及其在电液伺服系统中的应用.[重庆大学学位论文].1990:34-50
13冯国南.现代伺服理论的分析与设计.北京:机械工业出版社,1990:13-17
14胡佑德,马东升,张莉松.伺服理论原理与设计.北京:理工大学出版社,1999:6-9
15 P M FITZSIMONS, J J PALAZZOLO, PartⅠ: Modeling of a one-freedom active hydraulic mount[J]. ASME Journal of Dynamic System, Measurement,and Control,1996,118(4): 439-448
16 V POMMIER, J SABATIER, PLANUSS,et al.Crone control of a nonlinear hydraulic actuator[J].Control Engineering Practice,2002,10(4): 391-402
17 A BONCHIS, PI CORKE,D C RYE, et al. Variable structure methods in servo systemcontrol[J].Automatica,2001,37(4):589-595.
18李文磊,蒋刚毅.确定电液位置伺服系统的动态面跟踪控制.光电工程,2007,34(2):55-58
19陈哲浩,谷立臣,贺利乐.并联电液伺服平台的神经网络PID控制方法研究.液压与气动,2004,(11):55-60
20许梁,杨前明.现代电液控制技术的应用与发展.现代技术制造与装备,2007,(3):72-74
21林建亚等.电液位置伺服系统自适应控制律.信息与控制,1985:115-130
22丁宗生.模型跟踪自适应控制的方法及工程应用.西安交通大学学报,1991, 24(4):51-57
23李光,曾克俭.基于反演法的电液位置伺服系统的自适应鲁棒控制[J].机床与液压,2003(6):151-155
24 Piche R,Ponjolaineus.Design of Robust Tow-Degree-of Freedom Controllers for servos using H∞Theory.Pros,Instn.Mech.Engrs.Part 1.1991,205(14):299-306
25 Hsia T C.A New Technique for Robust Control of Servo System.IEEE Trans.on Indeustrial Electronics,1989,36(1):1-7
26 Jen Y,Lee C.Robust Speed Control of a Pump-Controlled Motor System.IEEE Proceeding D,1992,139(6):503-510
27 Li Chang-Qi.Application of the State Observer to Improve the Characteristics of an Electro-Hydranlic Servo System.First JHPS International Symposium on Fluid Power. 1989,9(1):169-172
28叶军,娄建国.电液伺服系统在非线性干扰下的神经网络控制.液压与气动,2005,(4):41-43
29 Athans M,Falb P L.Optimal Control .McGraw-Hill Book Comp,1996:25-33
30 Ryan E P Tim-Optimal Feedback Control of Certain Forth-Order System,Int.J.Contorl, 26(5):675-688
31李运华.离散变结构控制的新方法及其在伺服系统中的应用.控制理论与应用,1994,11(5):60-65
32小山纪.空气压の口ボティケヘの应用にす研究的现状と展望.油压と气动,1990,21(4):78-81
33则次俊郎.气压シカニタ系的现状と展望手法.油压と空气压ゐ,1990,21(3):35-37
34 Lai J Y.Penumatic Pressure and Position Control Using Learning Law.The Journal of Fluid Control, 1988,18(3):99-101
35中村,田中.电子油压PCM制御にすゐ研究.昭和61年春季油压论文集,1986:21-24
36 Hirohisa Tanaka.Electro-Hydranlic PCM Control.IEEE Proceeding D,1996,17(2):34- 36
37王宣银,郑学明,谷云彪,等.PCM控制气动位置的研究.中国航空学会控制与应用第
六界学术会议论文集.北京,1994:156-157
38 Zheng Xueming,Wang Anmin,Liu Qinghe.A Fussy Control to Pneumatic Position Servo System Using On/Off Value.The 2nd Internatioanal Symposium on Fluuid tranission and Contorls of Shanghai,1995:99-112
39 Saridis G N.Toward the Realization of Intelligence Control.IEEE Pro,1979,67(68): 55-58
40袁曾任.智能控制研究的新进展.信息与控制,1994,23(5):88-92
41王秋敏.模拟仿真技术及其在液压系统中的应用.应用技术,2005(5):122-130
42王锴,王占林,裘丽华,等.三轴电液仿真测试转台测控系统分析与设计.机床与液压,2006(5):144-145
43冯勇健,杨银柱.电-模拟抽油机运动试验系统.石油机械,1998(9):23-26
44张立勋,王令军,贺伟,等.液压摇摆台控制系统仿真研究.机电一体化,2007(5):26-29
45王燕华,程文瓖,路飞,等.地震模拟振动台的发展.工程抗震与加固改造,2007,10(5): 53-57
46许贤良,液压传动.北京:国防工业出版社,2007:110-128
47 H. S. Blanks. Quality and Reliability Research into Next Century. Quality and Reliability Engineering International,1994,10(3):179-184
48王智勇.315吨卧式轮轴压装机液压控制系统改造及可靠性实践:[燕山大学学位论文],2003:10-12
49高社生,张玲霞.可靠性理论与工程应用.北京:国防工业出版社,2002:86-99
50李清河,谭青,林光霞.25t轮胎起重机液压系统的可靠性分析.液压与气动, 2007(5):43-46
51赵静一,陈卓如,王益群,等.水压机液压系统主缸无力的FTA分析[J].燕山大学学报,1999,23(1):7210
52赵静一,姚成玉.液压系统的可靠性研究进展.液压与气动, 2006,(3):50-54
53陈明,张京妹.控制系统可靠性设计.西安:西北工业大学出版社,2006:9-20
54李东飞,郭景峰,王志松.PMAC运动控制器在控制伺服比例阀中的应用.机电产品开发与创新,2006,(1):120-126
55彭思平,赵立,张维则.基于有限元的连杆变形分析.制导与引信,2007,(9):55-58
56陆建浙.液压启闭机液压系统可靠性的设计计算.水利电力机械,2000,(1):5-8
57李淑娟,王坤.耗损型产品的可靠性评估方法.数学的实践与认识,2002,(6):30-32
58赵静一,王智勇,覃艳明,等.TLC900型运梁车电液转向控制系统的仿真与试验分析.机械工程学报,2007,(9):65-68
59游张平,王卫锋.基于SIMULINK的液压伺服系统动态仿真.机床与液压,2004,(6):47-49
60宋志安.基于MATLAB的液压伺服控制系统分析与设计.北京:国防工业出版社,2007:5-6
61赵保亚.基于PMAC的数控系统PID参数调节研究.机械设计与制造,2007,(10):146-148
62朱立达,朱春霞,蔡光起.PD调节PMAC运动控制器中的应用.组合机床与自动化加工技术,2007,(2):50-53