自动控制原理课程设计——旋压机电液伺服系统设计

1、自动控制原理课程设计旋压机电液伺服系统设计 第一章绪论 1.1题目概述 由原题目已知数据可画出系统方框图： 已知技术参数和设计要求： （1）p25%;ts0.25s; （2）速度信号V=0.5m/min时，误差e(t)0.05mm; 1 .2旋压机电液伺服系统背景简介 旋压技术是先进制造技术的重要组成部分,是局部连续塑性成形工艺,属于回转成形范畴,主要用于形成薄壁空心回转体零件。该技术广泛应用于航空航天、火箭、导弹、兵器等军事工业和通用机械、汽车等民用工业中。旋压机的仿形系统对旋压加工产品的质量及加工精度的影响至关重要。大型立式强力旋压机采用的是电液仿形技术,其液压系统包含了旋轮座纵向和横向液

2、压系统、辅助系统等主要系统。旋轮座横向电液伺服系统和纵向电液伺服系统组成了旋轮座仿形系统,该系统利用电液比例伺服阀控制液压油缸活塞杆的位移量,并通过按加工精度要求输入预定变化规律的控制信号来实现对位移量的精确控制,从而达到所要求的加工精度。采用电液比例伺服控制技术不仅改善了系统的控制性能,而且大大简化了液压系统,降低了费用,同时还提高了系统的可靠性。 旋压技术，也叫金属旋压成形技术，是通过旋转使工件受力点由点到线由线到面，同时在某个方向给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成形为某一形状的技术。旋压成形过程是将金属板料或空心零件的毛坯固定在旋压机的芯模上，在毛坯随机床转动同时，用旋轮

3、将毛坯逐点压下，使其形状或者壁厚发生局部连续塑性变形，从而制成所需的产品的成形过程。可以生产更接近最终形状(净性)的金属零件。这里，金属材料必须具有塑性变形或流动性能，旋压成形也不等同于塑性变形，它是集塑性变形和流动变形的复杂过程，特别需要指出的是，我们所说的旋压成形技术不是单一的强力旋压或普通旋压，它是两者的结合。强力旋压用于各种筒、锥体异形体的旋压成型壳体的加工技术，是一种比较老的成熟的方法和工艺，也叫滚压法。旋压是综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环压、横轧和滚压等工艺特点的少无切削加工的先进工艺。它通常被认为只能成形轴对称回转体零件，而近年来所开展的三维非轴对称零件旋压技术研究表明，旋压已

4、突破其原有的理论范畴及加工范围。旋压件的基本形状大致可分为圆筒形、圆锥形、凹形、凸形、管形、阶梯形、缩口形等，还有由这些形状组成的复合形状。旋压加工具有设备简单、节省原材料、成本低廉和产品质量高等优点。陶瓷的制坯工艺可能为金属旋压提供工艺雏型。在我国早在三千五百年至四千年前的殷商时代，就会应用陶轮或陶车制作陶坯(例如罐、壶和盘等容器、器皿、装饰品)，后来又在十世纪初期发明金属旋压工艺，并且将有色金属薄板(如金、银、锡和铜等)制成空心件如:精美的银碗、银碟等器皿。一直到十三世纪，金属旋压技术才传播到英国，其后将近五百多年，在1840年左右，才由约旦传播到美国和欧洲各国。强力旋压技术是直到上个世纪

5、五十年代才从普通旋压技术的基础上发展起来的。最早是在瑞典、德国被用于民间工业，到1953年美国的普拉特惠特尼公司和洛奇西普来机床厂合作才制成了三台旋压机床，初次成功将这种技术应用到航空工业中。由于旋压工艺的先进性、经济性和实用性，且该工艺具有变形力小，节约原材料等特点，近四十多年来，国外工业发达国家的金属旋压工艺技术有了飞跃的发展，日趋成熟。其主要标志为:金属旋压设备己经定型，工艺流程比较稳定，产品多种多样，应用日益广泛。目前世界上在强力旋压技术的发展和应用上，美国和德国居于领先水平，其工艺已经成熟，设备己系列化、性能最为先进。近几年西班牙又异军突起，其他国家在强力旋压的探讨和应用上正在发展。

6、 目前，强力旋压技术日趋成熟，己经成为金属压力加工中的一个新的领域我国是在六十年代起步，七十年代进行了大范围推广试用，对强力旋压工艺已有了一定的掌握并有一些创新，也研制了一定数量的旋压机，加入WTO后，国外各企业纷纷到国内寻找商机，将中国视为他们的加工基地和零部件供应的合作者，加上国内积极扩大需求，因此国内旋压产品近两年呈现一片繁荣景象。 大型立式强力旋压机的液压系统包含了，旋轮座纵向和横向液压系统、辅助系统等主要液压系统，其中辅助液压系统包括平衡系统、旋轮自转系统、卸料系统等。由旋轮座横向电液伺服系统和纵向电液伺服系统组成的旋轮座仿形系统对旋压产品的质量、加工精度至关重要，因此本论文重点讨论

7、这两个系统。这两个系统用的是电液比例伺服阀控制液压油缸活塞杆的速度和位移量，通过输入按加工精度要求预定变化规律的控制信号，可以实现对位移量的精确控制，从而达到所要求的加工精度。采用电液比例伺服控制技术不仅改善了系统的控制性能，而且大大简化了液压系统，降低了费用，同时还提高了系统的可靠性。在比例伺服阀问世以前，电液伺服系统的液压缸控制阀采用比例阀或伺服阀。这两种阀都是把来自数控系统的电器控制信号转换成伺服驱动液压缸的油液流量控制信号，从而控制液压缸的移动速度或者位移。比例阀本身没有阀芯位置反馈，是一个开环环节，而伺服阀带有阀芯位置反馈，是一个闭环环节，因而比例阀的控制精度没有伺服阀高，但是比例阀

8、对油液质量的要求比伺服阀低。对于数控旋压机来说，使用比例阀精度不够高，而使用伺服阀又使油液维护困难，故障率高。 第二章人工设计 2.1处理已知数据 2.1.1设计满足稳态误差要求的未校正系统的开环频率特性 已知数据 V=0.5m/min e(t)0.05mm e(t)0.0510?3mV=120m/s1需经过变换，成为国际单位制 若要求 e=kvV1kv0.0510?3m, 则需要满足 kv 按性能指标要求试取kv=200 则： 10?31=166.67 G0(s)=200 s20.51s(+s+1)250250 做出G0(s)的Bode图，如下所示 Bode Diagram Magnitud

9、e (dB)10 1010101010101010Frequency (rad/sec) 由计算得知，原系统剪切频率wc0=217 rads 相角裕度0=15.4。 2.1.2计算系统设计要求的相角裕度 已知系统要求超调量p25% 有两组经验公式可供借鉴： 100 ?1 % 1 ?=0.16+0.4( 1) ; （2）?= sin? 50 ?1 %1 均可求得?=1 sin?=1.25 即=53.13(满足经验公式适用范围) 2.1.3计算系统设计要求的剪切频率? 由于1?1.8， 可以使用下述经验公式： ?=? 2+1.5 ?1 +2.5 ?1 2 =31.81rad/s ? 2.1.4原系

10、统参数及预定要求的参数对比 对比原系统参数及预定要求的参数结果如下： 未经校正的系统 ?0=217 ? ?0=15.4 系统设计要求即校正后系统 ?=31.81rad/s ?=53.13 2.2为系统设计校正环节 2.2.1确定校正方法 对比分析得知，此时的系统是在原系统满足稳态误差的设计要求后，相角裕度不满足设计要求，而剪切频率?远大于设计要求，符合串联迟后校正的使用条件，因此采用串联迟后校正。 注：串联迟后校正的适用条件：系统剪切频率远大于目标剪切频率，而相角裕度远小于目标值甚至出现负值时，使用串联迟后校正会牺牲剪切频率来大幅增大相角裕度使其达到目标相角裕度。 2.2.2对系统进行串联迟后

11、校正 此次校正之后的目标是将剪切频率降低到希望剪切频率，而相角裕度有较大提升，以完成既定任务。 按照串联迟后校正的规定步骤进行校正： （1）在G0jw 的相频特性找出如下频率： G0jw =?180+=?180+53.13+10=?116.87 这一点所对应的频率将作为校正后的剪切频率。 （2）在G0jw 的幅频特性上找到wc所对应的幅值20lg|G0jw |。 在Bode图上找到G0jw =?116.87处，有 wc1=35rads （3）为使校正后在wc的幅频特性为0dB,应有 20log=20lg|G0jc | 20log=15.2 求出校正环节 =5.7544 （4）为了减小串联迟后校

12、正对系统相角裕度的影响，要求校正环节wc处的迟后 相移在5?10以下。确定校正环节参数和T 10=0.2857 c1T=1.644 （5）确定串联迟后环节的传递函数为： Gc s =200（0.2857s+1） （6）画出校正环节的Bode图如下： Bode Diagram Magnitude (dB)10 1010101010101010Frequency (rad/sec) 2.2.3 校正结果分析 经此前一步串联迟后校正，系统整体的Bode图如下： Bode Diagram Magnitude (dB)10 1010101010101010Frequency (rad/sec) 从图中可

13、看出，同时经过手工计算，得知满足系统预定性能指标要求。 第三章计算机设计 3.1 Simulink仿真框图 3.2系统串联校正装置后的Bode图 Bode Diagram Gm = 17.2 dB (at 249 rad/sec) , Pm = 77 deg (at 35.3 rad/sec)100 50 Magnitude (dB) Phase (deg)0-50-100-15010-210-1100101102103104 Frequency (rad/sec) 3.3阶跃响应曲线 Step Response 1.4 1.2 1 Amplitud e0.80.6 0.4 0.2 000.2

14、0.40.6 Time (sec)0.811.2 3.4性能指标要求的其他曲线 3.4.1有关调整时间ts 取达到稳态值?5%范围内的某一点，时间为0.238s,小于规定要求的调整时间0.25s，证明调整时间的设计满足预期要求。 3.4.2有关超调量p Step Response 1.4 1.2 1 Amplitud e0.80.6 0.4 0.2 000.20.40.6 Time (sec)0.811.2 当阶跃响应曲线峰值达到1.25时，p=25%，由此曲线可以看出，峰值高度远不及1.25，其超调量p<25%，满足题目技术要求。 3.4.3有关稳态误差e(t) Linear Simu

15、lation Results 5 4.5 4 3.5 3 Amplitude2.5 2 1.5 1 0.5 000.511.522.5 Time (sec)33.544.55 当速度信号V=0.5m/min时，稳态误差如图所示，放大后取某点进行计算， e(t) = 0.01mm 0.05mm 满足设计技术要求。 综合所有图进行分析，由计算机分析得知，串联校正后的系统满足所有预定性能指标参数。 第四章校正装置电路图 串联迟后校正装置电路的传递函数为： Gc s =Kc 其中=R1C1=0.2857 T=R2C2=1.644 Kc=R2R4?=200 13s+1200（0.2857s+1）= 可绘

16、制串联迟后校正装置电路原理图： 第五章设计总结 5.1设计结论 本系统的校正利用频率特性进行。原性能指标对超调量和调整时间及稳态误差有要求，利用一些经验公式将这些指标变换成相角裕度和剪切频率进行对比。在满足稳态误差的设计要求后，相角裕度不满足设计要求，而剪切频率wc远大于设计要求，采用串联迟后校正方法对系统进行校正。使用一次串联迟后校正即可很好解决原问题，牺牲剪切频率换取了所需的相角裕度， 且两个指标都很圆满 达到了预定要求，经换算，超调量，调整时间和稳态误差也均满足指标要求，且通过MATLAB仿真证实设计的准确合理，不需其他校正环节，省去了其余的工作量，也使系统简单可靠。 5.2设计后的心得

17、体会 其一，温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是温故而知新，重拾上学期的自动控制原理教材，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识方面的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深，使我对抽象的理论有了具体的认识。 其二，思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，条条大路通罗马。顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。 其三，体验“小小工程师”。通过这次课程设计，我浅显的了解了一