自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)——旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第一章 緒論1.1題目概述由原題目數(shù)據(jù)可畫出系統(tǒng)方框圖：技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：1 p25%; ts0.25s; 2速度信號(hào)V=0.5m/min時(shí)，誤差e(t)0.05mm; 1 .2旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)背景簡(jiǎn)介旋壓技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成局部,是局部連續(xù)塑性成形工藝,屬于回轉(zhuǎn)成形范疇,主要用于形成薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、火箭、導(dǎo)彈、兵器等軍事工業(yè)和通用機(jī)械、汽車等民用工業(yè)中。旋壓機(jī)的仿形系統(tǒng)對(duì)旋壓加工產(chǎn)品的質(zhì)量及加工精度的影響至關(guān)重要。大型立式強(qiáng)力旋壓機(jī)采用的是電液仿形技術(shù),其液壓系統(tǒng)包含了旋輪座縱向和橫向液壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等主要系統(tǒng)。旋輪座橫向電液伺服系統(tǒng)和縱向電液伺服

2、系統(tǒng)組成了旋輪座仿形系統(tǒng),該系統(tǒng)利用電液比例伺服閥控制液壓油缸活塞桿的位移量,并通過(guò)按加工精度要求輸入預(yù)定變化規(guī)律的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的精確控制,從而到達(dá)所要求的加工精度。采用電液比例伺服控制技術(shù)不僅改善了系統(tǒng)的控制性能,而且大大簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng),降低了費(fèi)用,同時(shí)還提高了系統(tǒng)的可靠性。 旋壓技術(shù)，也叫金屬旋壓成形技術(shù)，是通過(guò)旋轉(zhuǎn)使工件受力點(diǎn)由點(diǎn)到線由線到面，同時(shí)在某個(gè)方向給予一定的壓力使金屬材料沿著這一方向變形和流動(dòng)而成形為某一形狀的技術(shù)。旋壓成形過(guò)程是將金屬板料或空心零件的毛坯固定在旋壓機(jī)的芯模上，在毛坯隨機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)，用旋輪將毛坯逐點(diǎn)壓下，使其形狀或者壁厚發(fā)生局部連續(xù)塑性變形，從而制成所

3、需的產(chǎn)品的成形過(guò)程?？梢陨a(chǎn)更接近最終形狀(凈性)的金屬零件。這里，金屬材料必須具有塑性變形或流動(dòng)性能，旋壓成形也不等同于塑性變形，它是集塑性變形和流動(dòng)變形的復(fù)雜過(guò)程，特別需要指出的是，我們所說(shuō)的旋壓成形技術(shù)不是單一的強(qiáng)力旋壓或普通旋壓，它是兩者的結(jié)合。強(qiáng)力旋壓用于各種筒、錐體異形體的旋壓成型殼體的加工技術(shù)，是一種比擬老的成熟的方法和工藝，也叫滾壓法。旋壓是綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)壓、橫軋和滾壓等工藝特點(diǎn)的少無(wú)切削加工的先進(jìn)工藝。它通常被認(rèn)為只能成形軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體零件，而近年來(lái)所開展的三維非軸對(duì)稱零件旋壓技術(shù)研究說(shuō)明，旋壓已突破其原有的理論范疇及加工范圍。旋壓件的根本形狀大致可分為圓筒形

4、、圓錐形、凹形、凸形、管形、階梯形、縮口形等，還有由這些形狀組成的復(fù)合形狀。旋壓加工具有設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)省原材料、本錢低廉和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷的制坯工藝可能為金屬旋壓提供工藝雛型。在我國(guó)早在三千五百年至四千年前的殷商時(shí)代，就會(huì)應(yīng)用陶輪或陶車制作陶坯(例如罐、壺和盤等容器、器皿、裝飾品)，后來(lái)又在十世紀(jì)初期創(chuàng)造金屬旋壓工藝，并且將有色金屬薄板(如金、銀、錫和銅等)制成空心件如:精美的銀碗、銀碟等器皿。一直到十三世紀(jì)，金屬旋壓技術(shù)才傳播到英國(guó)，其后將近五百多年，在1840年左右，才由約旦傳播到美國(guó)和歐洲各國(guó)。強(qiáng)力旋壓技術(shù)是直到上個(gè)世紀(jì)五十年代才從普通旋壓技術(shù)的根底上開展起來(lái)的。最早是在瑞典、德國(guó)被

5、用于民間工業(yè)，到1953年美國(guó)的普拉特惠特尼公司和洛奇西普來(lái)機(jī)床廠合作才制成了三臺(tái)旋壓機(jī)床，初次成功將這種技術(shù)應(yīng)用到航空工業(yè)中。由于旋壓工藝的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，且該工藝具有變形力小，節(jié)約原材料等特點(diǎn)，近四十多年來(lái)，國(guó)外工業(yè)興旺國(guó)家的金屬旋壓工藝技術(shù)有了飛躍的開展，日趨成熟。其主要標(biāo)志為:金屬旋壓設(shè)備己經(jīng)定型，工藝流程比擬穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣，應(yīng)用日益廣泛。目前世界上在強(qiáng)力旋壓技術(shù)的開展和應(yīng)用上，美國(guó)和德國(guó)居于領(lǐng)先水平，其工藝已經(jīng)成熟，設(shè)備己系列化、性能最為先進(jìn)。近幾年西班牙又異軍突起，其他國(guó)家在強(qiáng)力旋壓的探討和應(yīng)用上正在開展。目前，強(qiáng)力旋壓技術(shù)日趨成熟，己經(jīng)成為金屬壓力加工中的一個(gè)新的領(lǐng)域

6、我國(guó)是在六十年代起步，七十年代進(jìn)行了大范圍推廣試用，對(duì)強(qiáng)力旋壓工藝已有了一定的掌握并有一些創(chuàng)新，也研制了一定數(shù)量的旋壓機(jī)，參加WTO后，國(guó)外各企業(yè)紛紛到國(guó)內(nèi)尋找商機(jī)，將中國(guó)視為他們的加工基地和零部件供給的合作者，加上國(guó)內(nèi)積極擴(kuò)大需求，因此國(guó)內(nèi)旋壓產(chǎn)品近兩年呈現(xiàn)一片繁榮景象。大型立式強(qiáng)力旋壓機(jī)的液壓系統(tǒng)包含了，旋輪座縱向和橫向液壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等主要液壓系統(tǒng)，其中輔助液壓系統(tǒng)包括平衡系統(tǒng)、旋輪自轉(zhuǎn)系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)等。由旋輪座橫向電液伺服系統(tǒng)和縱向電液伺服系統(tǒng)組成的旋輪座仿形系統(tǒng)對(duì)旋壓產(chǎn)品的質(zhì)量、加工精度至關(guān)重要，因此本論文重點(diǎn)討論這兩個(gè)系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)用的是電液比例伺服閥控制液壓油缸活塞桿的速度和

7、位移量，通過(guò)輸入按加工精度要求預(yù)定變化規(guī)律的控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的精確控制，從而到達(dá)所要求的加工精度。采用電液比例伺服控制技術(shù)不僅改善了系統(tǒng)的控制性能，而且大大簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)，降低了費(fèi)用，同時(shí)還提高了系統(tǒng)的可靠性。在比例伺服閥問(wèn)世以前，電液伺服系統(tǒng)的液壓缸控制閥采用比例閥或伺服閥。這兩種閥都是把來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)的電器控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動(dòng)液壓缸的油液流量控制信號(hào)，從而控制液壓缸的移動(dòng)速度或者位移。比例閥本身沒(méi)有閥芯位置反應(yīng)，是一個(gè)開環(huán)環(huán)節(jié)，而伺服閥帶有閥芯位置反應(yīng)，是一個(gè)閉環(huán)環(huán)節(jié)，因而比例閥的控制精度沒(méi)有伺服閥高，但是比例閥對(duì)油液質(zhì)量的要求比伺服閥低。對(duì)于數(shù)控旋壓機(jī)來(lái)說(shuō)，使用比例閥精度不夠高

8、，而使用伺服閥又使油液維護(hù)困難，故障率高。第二章 人工設(shè)計(jì)2.1處理數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性數(shù)據(jù) V=0.5m/mine(t)0.05mm需經(jīng)過(guò)變換，成為國(guó)際單位制V=1120m/se(t)0.05×10-3m假設(shè)要求e= Vkv = 1120kv0.05×10-3m,那么需要滿足kv1120120×10-3=166.67按性能指標(biāo)要求試取 kv=200那么： G0(s)=200s(s22502+2×0.51250s+1)做出G0(s)的Bode圖，如下所示由計(jì)算得知，原系統(tǒng)剪切頻率wc0=217 rads 相角裕度0=15.4

9、。計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的相角裕度系統(tǒng)要求超調(diào)量 p25%有兩組經(jīng)驗(yàn)公式可供借鑒：1 p=0.16+0.4(1sin 1) ; 2p=100Mr-1%50Mr-1%均可求得 Mr=1sin=1.25即 =53.13°(滿足經(jīng)驗(yàn)公式適用范圍)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的剪切頻率wc由于 1Mr1.8，可以使用下述經(jīng)驗(yàn)公式： wc=ts2+1.5Mr-1+2.5Mr-12=31.81rad/s原系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)定要求的參數(shù)比照比照原系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)定要求的參數(shù)結(jié)果如下：未經(jīng)校正的系統(tǒng)wc0=217 rads0=15.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求即校正后系統(tǒng)wc=31.81rad/s=53.13°2.2為系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正

10、環(huán)節(jié)確定校正方法比照分析得知，此時(shí)的系統(tǒng)是在原系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求后，相角裕度不滿足設(shè)計(jì)要求，而剪切頻率wc遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，符合串聯(lián)遲后校正的使用條件，因此采用串聯(lián)遲后校正。注：串聯(lián)遲后校正的適用條件：系統(tǒng)剪切頻率遠(yuǎn)大于目標(biāo)剪切頻率，而相角裕度遠(yuǎn)小于目標(biāo)值甚至出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，使用串聯(lián)遲后校正會(huì)犧牲剪切頻率來(lái)大幅增大相角裕度使其到達(dá)目標(biāo)相角裕度。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)遲后校正此次校正之后的目標(biāo)是將剪切頻率降低到希望剪切頻率，而相角裕度有較大提升，以完成既定任務(wù)。按照串聯(lián)遲后校正的規(guī)定步驟進(jìn)行校正： 1在G0'jw的相頻特性找出如下頻率：G0'jw=-180+=-180+53.13+10

11、=-116.87°這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率將作為校正后的剪切頻率。 2在G0'jw的幅頻特性上找到wc所對(duì)應(yīng)的幅值20lg|G0'jw|。在Bode圖上找到G0'jw=-116.87°處，有wc1'=35rads3為使校正后在wc的幅頻特性為0dB,應(yīng)有20log=20lg|G0'jc|20log=15.2求出校正環(huán)節(jié)=5.7544 4為了減小串聯(lián)遲后校正對(duì)系統(tǒng)相角裕度的影響，要求校正環(huán)節(jié)wc處的遲后相移在5°-10°以下。確定校正環(huán)節(jié)參數(shù)和T=10wc1'=0.2857T=1.6445確定串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

12、為：Gcs=200×（0.2857s+1）1.644s+16畫出校正環(huán)節(jié)的Bode圖如下：2.2.3 校正結(jié)果分析經(jīng)此前一步串聯(lián)遲后校正，系統(tǒng)整體的Bode圖如下：從圖中可看出，同時(shí)經(jīng)過(guò)手工計(jì)算，得知滿足系統(tǒng)預(yù)定性能指標(biāo)要求。第三章 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)3.1 Simulink仿真框圖3.2系統(tǒng)串聯(lián)校正裝置后的Bode圖3.3階躍響應(yīng)曲線3.4性能指標(biāo)要求的其他曲線有關(guān)調(diào)整時(shí)間ts取到達(dá)穩(wěn)態(tài)值5%范圍內(nèi)的某一點(diǎn)，時(shí)間為0.238s,小于規(guī)定要求的調(diào)整時(shí)間0.25s，證明調(diào)整時(shí)間的設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求。有關(guān)超調(diào)量p當(dāng)階躍響應(yīng)曲線峰值到達(dá)1.25時(shí)，p=25%，由此曲線可以看出，峰值高度遠(yuǎn)不及1.25

13、，其超調(diào)量p<25%，滿足題目技術(shù)要求。有關(guān)穩(wěn)態(tài)誤差e(t)當(dāng)速度信號(hào)V=0.5m/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差如下圖，放大后取某點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算， e(t) = 0.01mm 0.05mm滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。綜合所有圖進(jìn)行分析，由計(jì)算機(jī)分析得知，串聯(lián)校正后的系統(tǒng)滿足所有預(yù)定性能指標(biāo)參數(shù)。第四章 校正裝置電路圖串聯(lián)遲后校正裝置電路的傳遞函數(shù)為：Gcs=Kcs+1Ts+1=200×（0.2857s+1）1.644s+1其中 =R1C1=0.2857 T=R2C2=1.644Kc=R2R1R4R3=200可繪制串聯(lián)遲后校正裝置電路原理圖： 第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)5.1設(shè)計(jì)結(jié)論本系統(tǒng)的校正利用頻率特性進(jìn)行。

14、原性能指標(biāo)對(duì)超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間及穩(wěn)態(tài)誤差有要求，利用一些經(jīng)驗(yàn)公式將這些指標(biāo)變換成相角裕度和剪切頻率進(jìn)行比照。在滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求后，相角裕度不滿足設(shè)計(jì)要求，而剪切頻率wc遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，采用串聯(lián)遲后校正方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。使用一次串聯(lián)遲后校正即可很好解決原問(wèn)題，犧牲剪切頻率換取了所需的相角裕度，且兩個(gè)指標(biāo)都很圓滿到達(dá)了預(yù)定要求，經(jīng)換算，超調(diào)量，調(diào)整時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差也均滿足指標(biāo)要求，且通過(guò)MATLAB仿真證實(shí)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確合理，不需其他校正環(huán)節(jié)，省去了其余的工作量，也使系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。5.2設(shè)計(jì)后的心得體會(huì)其一，溫故而知新。課程設(shè)計(jì)發(fā)端之始，思緒全無(wú)，舉步維艱，對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感“書到用

15、時(shí)方恨少，于是溫故而知新，重拾上學(xué)期的自動(dòng)控制原理教材，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了根本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感。課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識(shí)方面的提升，同時(shí)又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深，使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。 其二，思路即出路。當(dāng)初沒(méi)有思路，誠(chéng)如舉步維艱，茫茫大地，不見(jiàn)道路。在對(duì)理論知識(shí)梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，條條大路通羅馬。頓悟，沒(méi)有思路便無(wú)出路，原來(lái)思路即出路。 其三，體驗(yàn)“小小工程師。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我淺顯的了解了一個(gè)工程師在面對(duì)某個(gè)工程上的一些簡(jiǎn)單的處理思路。正是這些簡(jiǎn)單的接觸