大型模锻液压机动梁驱动及位置控制系统研究

摘要

高精度大型模锻件是飞机制造、航空航天工业生产中的关键零部件,重型精密模锻液压机是保证这些模锻件质量的关键设备,其动梁驱动及位置控制系统的精度直接决定模锻件的品质。大型模锻液压机具有高压力、大流量、多点并联驱动、大惯量等特点,系统在大惯量大行程快速运动中会引起超调振荡,产生强冲击,降低运动的动态精度和工作平稳性。为了实现高精度位置控制,提高装备整体工作能力,本文以动梁驱动及位置控制系统为研究对象,围绕其控制机理、控制总体方案、控制策略进行了研究。论文的主要研究内容如下:
　　 ⑴分析国内外液压机控制技术及控制系统研究等方面的现状及发展,提出动梁驱动及位置控制总体方案。整个系统由驱动液压系统、位置检测系统、电气控制系统三部分组成,构建了基于总线技术的主从站结构的分布式两级计算机动梁位置控制系统和上位机监控系统的方案。
　　 ⑵以模锻液压机液压驱动系统及动梁为对象进行了数学模型的分析研究。在考虑流体的可压缩性、粘性阻力、泄漏等影响因素的基础上,建立活动横梁的驱动系统动态模型,采用传递函数的方法得到系统的数学模型框图,并对系统模型参数进行了确定。通过分析PID控制器的三个参数对系统静态和动态性能的影响及模糊控制理论,设计了模糊自适应PID控制器,重点研究其实现的方法。应用MATLAB中的模糊逻辑工具箱和simulink对PID控制和模糊自适应PID控制算法进行对比分析。
　　 ⑶完成了控制平台的设计,用PLC实现了模糊自适应PID智能控制算法,采用WinCC组态软件设计开发了基于拓扑结构、多视窗分级的上位机监控系统,实现了模锻液压机动梁位置控制系统。
　　 ⑷完成了模锻液压机试验平台的调试工作。对比分析同种工况下不同控制策略以及同种控制策略在不同工况下的控制效果,研究表明,本系统采用模糊自适应PID控制器,响应速度快,位置控制精度高,明显优越于PID控制器,动梁低速运行时的控制效果比高速运行时要好,动梁位置控制精度达到0.1-0.2mm。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 大型模锻液压机基本工作原理及国内外研究概况

1.2.1 大型模锻液压机基本工作原理

1.2.2 大型模锻液压机国内外研究概况及发展趋势

1.3 模锻液压机电液控制技术及其控制方法综述

1.3.1 模锻液压机电液控制技术的发展与现状

1.3.2 模锻液压机控制系统的发展与现状

1.4 课题来源及论文主要内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 论文主要内容

第二章 模锻液压机动梁驱动及位置控制系统总体设计

2.1 模锻液压机结构及功能要求

2.1.1 模锻液压机结构及工作原理

2.1.2 模锻液压机的主要技术参数

2.1.3 模锻液压机控制系统的关键参数及要求

2.2 模锻液压机驱动液压系统设计

2.2.1 液压回路及其工作原理

2.2.2 驱动液压回路分析

2.2.3 动梁位置行程控制原理

2.3 本章小结

第三章 模锻液压机动梁驱动及位置控制系统建模

3.1 动梁驱动及位置控制系统原理分析

3.2 动梁驱动及位置控制系统数学建模

3.2.1 数字控制器环节

3.2.2 比例放大器环节

3.2.3 电液比例流量阀环节

3.2.4 阀控缸环节

3.2.5 活动横梁环节

3.3 动梁驱动及位置控制系统数学模型框图

3.4 本章小结

第四章 模锻液压机动梁位置控制系统控制算法研究与仿真

4.1 动梁位置控制系统控制算法分析

4.1.1 PID控制算法

4.1.2 控制系统算法分析与决策

4.2 模糊自适应PID控制原理

4.2.1 模糊控制概述

4.2.2 模糊控制工作原理

4.2.3 模糊自适应PID控制器

4.3 模糊自适应PID控制算法设计

4.3.1 输入输出变量的模糊化处理

4.3.2 模糊规则的确定及推理

4.3.3 模糊控制器的解模糊判决

4.4 动梁驱动及位置系统动态模型仿真分析

4.4.1 常规PID控制仿真

4.4.2 模糊自适应PID控制仿真

4.4.3 系统仿真结果分析

4.5 本章小结

第五章 模锻液压机动梁位置控制平台的设计与实现

5.1 模锻液压机动梁位置控制平台的总体设计

5.1.1 总体设计思路

5.1.2 检测系统设计方案

5.2 动梁位置控制系统的PLC实现

5.2.1 PLC在位置控制系统中的应用

5.2.2 PLC的选型及配置

5.2.3 PLC系统设计原理与步骤

5.2.4 PLC程序的总体设计

5.3 模糊自适应PID控制算法的PLC实现

5.3.1 输入量的模糊化实现

5.3.2 模糊控制表的PLC实现方法及其查询

5.3.3 控制量的去模糊及输出

5.3.4 PID控制算法的实现

5.4 上位机监控系统的设计与实现

5.4.1 监控系统基本功能要求

5.4.2 上位机及组态软件的选用

5.4.3 WinCC组态软件实现的设计思路

5.4.4 人机界面的实现

5.5 上位机与PLC之间的通讯

5.5.1 通讯总线的选择

5.5.2 WinCC与PLC之间的通讯组态

5.6 本章小结

第六章 模锻液压机动梁位置控制系统实验研究

6.1 实验液压机系统结构及组成

6.1.1 液压机整机结构

6.1.2 液压系统

6.1.3 电气系统

6.2 动梁位置控制系统实验研究

6.2.1 实验目的

6.2.2 实验方法与步骤

6.2.3 实验结果与分析

6.3 本章小结

第七章 全文总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果