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巨型液压机同步平衡系统特性分析及控制策略研究

作　者: 李江波
导　师: 黄明辉
学　校: 中南大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 模锻液压机同步平衡系统比例流量阀模型预测控制
分类号: TG315.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

巨型模锻液压机是生产航空航天用大型零部件的关键设备,在国民经济迅速发展、工业水平迅速提升的今天,对大型模锻件的尺度、精度和质量提出了更高的要求,现有的巨型模锻装备的功能已经不能满足这种迫切需求。因而,巨型模锻液压机的开发与研制已经成为重型机械行业关注的焦点,也成为了国家势在必行的攻关项目。在巨型液压机加载过程中,由于多缸驱动系统各个子回路的流量无法保证严格一致,工件形心与加载中心不重合以及工件内部组织也不均匀,这些不可控因素导致偏心力矩的产生,从而使活动横梁在锻造过程中产生偏转,活动横梁的偏转会直接影响锻件精度,甚至还会影响到压机本体和模具的安全。因此,研究巨型液压机的同步平衡系统对保证活动横梁的角度位置精度具有重要意义。本论文旨在研究巨型液压机的系统动态特性与控制策略。首先,根据巨型模锻液压机的结构特征与运动特性,建立平衡系统的数学模型,在此基础上对系统进行分析,着重考虑泄漏系数、摩擦系数、油液体积弹性模量及平衡缸初始容积等参数对系统动态特性的影响。其次,研究巨型液压机的同步平衡控制策略,由于巨型液压机是一种典型的非线性及强耦合系统,并存在多种不确定性因素的影响,因而传统PID控制方法难以达到满意的控制效果。为此,提出了基于模型预测控制的控制策略,它能有效地控制非线性系统及抑制不确定性因素的影响,进而获得满意的控制效果。论文的主要研究内容如下：1、动力学建模及分析：分析了同步平衡系统活动横梁与活塞缸的受力状况,在此基础上建立了同步平衡系统多输入多输出、相互耦合的数学模型,基于所建立的模型,研究了系统受到偏心载荷作用时的动态响应,结果表明偏心载荷使活动横梁产生远远超出容许范围的偏转角,造成极差的同步性能。2、液压系统动态特性分析：根据同步平衡系统的性能要求,确定了比例流量阀的选型,构建了基于AMEsim的仿真平台并在其上进行了阀的动态性能分析,同时建立了同步平衡系统阀控缸数学模型,在此基础上研究了系统的动态特性。3、基于模型预测控制的同步平衡系统控制策略研究：针对巨型液压机的特点,提出了基于状态空间的模型预测控制方法,并与传统PID控制方法进行了对比分析,结果表明,所提出的控制方法比传统PID控制方法具有更高的控制精度与更快的响应速度且稳定性好。4、实验及控制算法对比研究：搭建了中南大学315T试验测试性液压机实验平台,在该实验平台上对比分析了所提出的模型预测控制与传统PID控制方法。结果表明模型预测控制方法优于传统PID控制方法,同时也表明理论仿真结果与实验结果基本吻合。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-24
  1.1 课题研究背景和意义  10
  1.2 液压机概述  10-14
    1.2.1 液压机的基本原理  10-11
    1.2.2 液压机的基本结构  11-12
    1.2.3 液压机的基本参数  12-13
    1.2.4 液压机的特点  13-14
  1.3 液压机同步平衡系统的发展现状  14-16
    1.3.1 同步节流系统  15
    1.3.2 同步调节系统  15
    1.3.3 同步调节与回程缸节流系统  15-16
  1.4 液压机同步平衡系统的类型  16-18
  1.5 液压机电液控制技术及其控制方法  18-21
    1.5.1 液压机电液控制技术的发展现状  18-19
    1.5.2 液压机同步控制技术的研究现状  19-20
    1.5.3 电液控制阀技术的应用现状  20-21
  1.6 课题来源及论文研究内容  21-24
    1.6.1 课题来源  21-22
    1.6.2 课题的研究意义  22
    1.6.3 本文的研究内容  22-24
第二章巨型液压机同步平衡系统动力学建模及分析  24-34
  2.1 巨型液压机同步平衡系统工作原理  24-25
  2.2 系统受力分析及其数学模型  25-30
    2.2.1 活动横梁受力分析及其力学平衡方程  25-27
    2.2.2 平衡缸受力分析  27-28
    2.2.3 系统参数确定与估计  28
    2.2.4 系统状态方程与传递函数  28-30
  2.3 偏心载荷作用下系统动态特性分析  30-33
    2.3.1 偏心载荷分析  30-31
    2.3.2 系统动态特性分析  31-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章同步平衡液压系统特性分析  34-49
  3.1 电液比例技术概况  34-37
    3.1.1 电液比例控制系统的组成  35-36
    3.1.2 电液比例控制系统的特点  36-37
    3.1.3 电液比例控制阀的分类  37
  3.2 电液比例流量阀特性分析  37-40
    3.2.1 北例流量阀结构选型  37-38
    3.2.2 北例流量阀AMEsim模型及特性分析  38-40
  3.3 同步平衡液压系统特性分析  40-48
    3.3.1 阀控缸原理图  40
    3.3.2 阀控缸静态特性分析  40-42
    3.3.3 阀控缸动态特性分析  42-48
  3.4 本章小结  48-49
第四章基于模型预测控制的同步平衡系统控制策略研究  49-61
  4.1 模型预测控制简介  49-53
    4.1.1 模型预测控制的发展历史  49-50
    4.1.2 模型预测控制的基本原理  50-51
    4.1.3 模型预测控制的基本特征  51-52
    4.1.4 模型预测控制的应用与发展趋势  52-53
  4.2 基于状态空间的模型预测控制理论  53-55
    4.2.1 在线优化问题  53-54
    4.2.2 二次规划问题  54-55
  4.3 基于模型预测控制的同步平衡控制系统  55-56
  4.4 仿真研究  56-59
    4.4.1 传统PID控制器  56-57
    4.4.2 模型预测控制与PID控制对比研究  57-59
  4.5 本章小结  59-61
第五章同步平衡系统实验研究  61-69
  5.1 实验液压机系统组成  61-65
    5.1.1 结构本体  61-62
    5.1.2 液压系统  62-63
    5.1.3 电气控制部分  63-65
  5.2 PLC软件设计  65-66
  5.3 人机界面设计  66-67
  5.4 同步平衡控制系统实验研究  67-68
    5.4.1 实验目的  67
    5.4.2 模型预测控制与PID控制的实验对比  67-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章全文总结与展望  69-71
  6.1 主要研究内容及结论  69-70
  6.2 工作展望  70-71
参考文献  71-77
致谢  77-78
主要研究成果  78

巨型液压机同步平衡系统特性分析及控制策略研究

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