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第 2期 总第 1 5 9 期 2 0 1 0年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG AUT0M AT1 0N No．2 Ap r ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 O 0 2 0 0 6 1 0 3 计算机辅助设计矫直机液压压下控制系统 王 学伟 太原科技大学 材料科学与工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对矫直机液压控制 系统 中压 下液压缸的控制结构． 利用计算机辅助 设计进行建模 ， 建 立该 类型控 制系 统 的动态特性传递 函数 ， 利用 自适应控制方法对模 型进行修 改， 并进 行 了MAT L AB仿真 ， 对此类技术在液压 系统 中的应用进行 了探讨。 关键词 仿真 ；液压系统；矫直机；计算机辅助设计 中图分类号 TP 3 9 1 ． 7 2 T G3 3 3 ． 2 3 文献标识码 A 0 引言 矫直机 的调整 机构 由 4 个 液压 缸驱 动 ，它 们 同时 协调 动作来 控制矫 直辊 的辊缝 和 凸度 ，对钢板 进行 矫 直， 因此压下液压缸及其控制系统是极为重要的部分 。 为了对整个控制系统的可靠度进行验证 ，本文对其进 行 了建模仿 真 。 1 矫直机 液压压 下 系统 建模 1 ． 1 建立 线性流量 方程 四通 阀控 制差 动液压 缸 常用作机 液位 置伺 服系统 的动力 机构 ，如矫 直机 的液压 压下 系统 。 四通 阀控制 差动 液压缸 的工作 原理如 图 1所示 。 图 1 阀 控 非 对 称 缸 工 作 原 理 假定 ①供油压力恒定 ， 回油压力为 0 ； ②非对称 阀口为矩形 阀I 1 ，阀口处流动为紊流 ；③油液温度及 密度均为常数；④不考虑管道的动态损失；⑤忽略库 仑摩擦 力 。图 1中各物理 量 以箭 头所示 为正 向 ，当阀 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 3 ；修 回 日期 2 0 0 9 一 l l 2 O 作者简介 | 三 学伟 1 9 8 4 一 ， 男 ． 湖北随州人 ． 在读 硕士研究生 。 做 正 向移 动时 ，液 压缸 的进 油 、出油 流量 分 别为 Q 、 Q。 ，其 计算公 式 如下 一 Q 】 一 C 砌 √舌 户 一 p 。⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ 1 一 Q 。 一 C ．r √ 户 z 。⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ 2 其中 c 为流量系数 ； 为面积梯度； 为工作时主 阀芯 实际 开 口位 移 ； P 为进 口压力 ； ro为油 液密度 ； 户 、 P 分别 为 液压缸 无杆 腔 、有杆腔 压力 。 由于 液压 系统正 常工作 时 ，活塞 大部 分时 间是在 稳 态 工作 点附 近做微 量运 动 ，进 行线 性化化 简后 可得 其线性流量方程 Q 一K ， 一 Kc PL 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 其 中Q 为流入液压缸与流出液压缸流量的平均值； K 为滑 阀总 的流量 增益 ；Kr 为流 量压 力系数 ；户 为 负载压降，户 一户 --p 。 。 1 ． 2流量连 续 方程 根 据流 体连 续原理 ，可 以写 出流人 、流出液 压缸 的流量 连续 方程 一 P 警。⋯⋯．． 4 其中 为液压缸的总泄漏系数， C 一c ， c ， C 为 内泄漏 系数 ， C 为外 泄漏 系数 ； A。 为 无杆腔 活塞 面 积 ； 为活塞的位移； ． 为等效体积弹性模量；V ， 为 腔 室 中的初始 容积 。 1 ． 3液 压缸 和 负载 的力平衡 方程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年 第 2期 忽略库仑摩擦等非线性负载和油液的质量，根据 牛顿第 二定律 有 F 一 以 P l -- A。 P。 一， F。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 其中 F 为液压缸产生的驱动力 ； ”为活塞及负载的 总质量 ；B 为活 塞和负 载的黏性 阻 尼系数 ； K 为负载 的弹簧刚度；F为作用在活塞上的任意外负载力；A 为有 杆腔 活塞面 积 。 1 ． 4 阀控 液 压 缸 的 传 递 函数 将 阀控 液压 缸 的 3 个 基本 方 程 即式 3 、 式 4 、 式 5 进行 拉普拉 斯变换 ，得 QL K v Kc P， 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 6 QL A1 y c v t 。 ⋯⋯⋯⋯． ． 7 L 一 者 B c S K y 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 8 通 过 联解 式 6 、 式 7 、 式 8 ， 可 得 当输 入 量 为 v ，输 出量 为 y 时 的传递 函数 ， 即活 塞位 移 对 阀 位移 的传递 函数 Kg Y 一 ． 一。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 9 xv ≤ 1 。 其中O h 为液压固有频率； 为液压阻尼比。 2 压 下位 置控 制系统仿 真 伺服阀一般为电液伺服阀。此外 ，在对称伺服阀 的基础 上 ，采 用大小 不等 的局部 开 口即可获得 非对称 伺服阀．可简化为二阶环节，位移传感器可简化为比 例 加惯性 环节 。图 2为伺服 阀控非 对称 液压缸 系统线 性 化 模 型 ，图 2中 G 1 一 1 ； H 一 以】 s 。 I l l S 。 十 B S K 一 图 2 伺 服 阀 控 非对 称 液 压 缸 系统 线 性 化 模 型 仿真过程中将典型的液压位置控制系统并非简单 地看作是二阶环节 ，而是将它们变换成三阶系统 ，由 此做 出它 的开环传 递 函数 为 G s 一 K 历 v o h。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 o 其 闭环传递 函数 为 一 一 K ∞ 2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 1 其 中 Y s 为液压控制系统输 出； U 为液压控制系 统 的控制 输入 ；K 为系统 的开环 增益 。 、 、K 左 右整个 系统 的动态 特性 。为说 明本 设计 自适应控制系统的有效性 ，给定一个具体的液压 控制系统特征参数， 即 一6 0 r a d ／ s ， 一0 ． 2 8 ， K 一 l l 。 将这些参数带入传递 函数中，作出其 S i mu l i n k仿 真模 型图 ，见 图 3 。 图 3 仿真模型图 通过系统仿真可得时域特性仿真曲线及其 B o d e 图，见 图 4 。由图 4可知 ，该液 压控制 系统处 于临界状 态 ， 不是理想 的控 制系统 ， 需创建一个 自适应控 制系统 。 磐 ∞ 、 、 趔 j E 丑 三 、 ＼ 频率／ rod． s 图 4 液压控 制系统 的时域特性 曲线 3自适应控 制器 的设 计 自适应控制系统是一个具 有一定适应能力的系 统 ，它能够认识环境条件的变化 ，并 自动校正控制动 作 ，使系统达到最优或次优的控制效果。由图 3可以 看出这类控制系统包含 2个环路，即内环和外环。内 环是 由被控对象和控制器组成的普通反馈回路 ，而控 制器 的参数 则 由外环 调整 。 设 自适应控制的误差为 e f 一 f 一 y f 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 2 其中 3 ， f 为被控对象 的输 出 3 f 为参考模型输 出 。则 自适应 参数 调节 器为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2 期 王 学伟 计算机辅助设计矫直机液压压下控 制 系统 6 3 r K f 一一I y ， f t d t 0 ， 一1 ， 2 ， 3 。 4 。 t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 3 其 中 K f 为 可 调 参 数 向量 ； e f 为广 义 输 出误 差 ； f 为状态滤波器输出信号。 被控 对象 的控制输 入 为 4 ] “ f 一 2 5K f 。 ⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯ 1 4 1 根据 自适应 控制误 差 的求取 方法 可得 自适 应控 制 的系统 图 ， 如 图 5 所 示 。 根据本文所设计 的 自适 应调节 器 ， 可 以做 出相应 的 自 适应控制系统的 S i mu l i n k仿真示意图， 如图 6 所示。 该仿真模型是 由实际模型与参考模型经 3次积分 所得 ， 即分 别 可得 被 控 系统 及参 考模 型 的位 移 、 速度 、 加速 度 。 4结束 语 本 文通 过对 控 制 系 统 的动 态 特 性 传 递 函 数 的分 析 ， 可知 自适应控制系统 的输出更能代表系统希望的 动态响应。 当被控对象的输出偏离期望的轨迹时， 将产 生误 差 ， 通 过误差 反馈 控制 器 ， 根据 自适应 律 产生的反 馈信 号 去修 正 自适应 控 制参 数 ， 从 而使 被 控对 象 得到 修 正 ， 达到输 入输 出相 一致 的情况后 ， 自适 应控 制误差 趋 向于零 。此模 型可 以推广 到更 多的 大型液压控 制系 统 中， 因此 ， 它具有 较广泛 的应 用前 景 。 图 5 自适 应 控 制 系 统 示 意 图 图 6 自适应控 制 S i mu l i n k仿真 图 参考文献 建模与仿真 E J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 5 3 4 - 5 ． [ 1 ] 李东军． 基 于 MAT I AB S I MUL I NK非对称 阀控非对称 [ 4 ] 黄道平 ． MA TL A B与控制系统 的数 字仿真 及 C ADE M] ． 液压缸控 制 系统 的仿 真 分析 口] ． 机 床与 液 压。 2 0 O 8 ， 3 6 北 京 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 7 1 4 3 1 4 6 ． [ 5 ] 陶永华． 新型 P I D控 制及其应 用[ M] ． 北京 机械工业 出 [ 2 ] 苏 东海 ． 杨京 兰． 基 于 S I MUL I NK 的阀控非对 称液压缸 版社 ， 2 0 0 2 ． 系统的研究[ J ] ． 流体传动与控制． 2 0 0 8 1 3 - 5 ． 英 文摘要 转第 6 6页 [ 3 ] 管东方 ， 黄效 国， 牛巍． 矫直 机液压压下装 置伺服 系统 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年 第 2期 纳滤波降噪方法的去噪效果。 表 1 两种算法峰值信噪 比比较表 峰值信噪比 d B 所采用的方法 口 i 一 0 ． 0 1 时 j 0 ． 0 2时 l 一0 ． 0 3时 基于正交小波的维纳滤波器去噪方法 2 9 ． 6 0 2 7 ． 3 2 2 6 ． 9 6 本 文算法 3 O ． 6 8 2 8 ． 4 3 2 7 ． 6 5 f a 基于正交小波的 维纳滤波去曝 ● ● ● b 本文算法 的 X 射线 图像 去噪过 程 中 ， 研究 了一 种基于 平稳小波 的 x射线图像维纳滤波去噪方法。实验证明该方法 不仅能有效消除 Gi b b s现象 ，而且能够获得很高的视 觉 质量 和很好 的性能 指标 ，在 有效 滤除 噪声 的同时又 能很好地保持射线图像的细节部分信息。 r a 基于正交小波的 维纳滤波去噪 f b 本文算法 图 6 含噪 0 ． 0 3的 X射线图像的去噪 图像 参考 文献 [ 1 ] 桂志 国， 韩焱， 王明泉 ， 等． 射线 图像 自动配 准技术 r J ] ． 无 [ 2 ] E 3 ] 图 5 含噪 0 ． 0 2的 x射线 图像的去噪图像 [ 4 ] 5小结 本文通 过将维 纳滤 波的原 理应用 到基 于平稳 小波 损检测 ， 2 0 0 2 ， 2 l 1 0 1 - 3 ． J u l i e r S J， Uh l ma n n J K． Re d u c e d s i g ma p o i n t f i l t e r s f o r t he pr op a ga t i on of me a ns a n d c ov a r i a n c e s t hr ou gh n o n l i n e a r t r a n s f o r ma t i o n[ G] ／ ／ P r o c e e d j n g s o f t h e 2 0 0 2 Ame r i c a n Con t r ol Con f er e nc e ．An c ho r a g e，AK ，USA ．n ． ] ． 2 0 0 2 8 8 7 8 9 2 ． 谢桂海 ． 王寅龙 ， 明亮 ， 等． 小波分析在医学图像处理中的 应用研究[ J ] ． 核 电子学与探测技术 ， 2 0 0 4 ， 2 4 1 1 - 4 ． S t a r c k J L， C a n d e s E J ，Do n o h o D I ．Th e c u r v e l e t t r a n s f o r m f o r i ma g e d e n o i s i n g[ J ] ． I EE E Tr a n s I ma g e Pr oc es s i ng， 20 0 2， 6 67 0 6 8 4． X Ra y Di g i t a l I m a g e De no i s i ng Ba s e d o n S t a t i o na r y W a v e l e t i n W i e n e r Fi l t e r i n g LI Zhe ng f e i Sc h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d Co mmu n i c a t i o n En g i n e e r i n g， No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a． Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1 ． China Ab s t r a c t Thi s pa pe r a ppl i e s t he pr i n c i pl e o f W i e ne r f i l t e r i ng t o t he pr oc es s of X r a y di gi t a l i ma ge d e no i s i ng b a s e d o n s t a t i on a r y wa ve l et ，pr o vi d es a me t h od o f X r a y di g i t al i ma g e d e n oi s i ng b a s e d on s t a t i on ar y wav e l e t i n W i e ne r f i l t e r i n g． Exp e r i me nt s ho ws t ha t t he me t ho d n ot o nl y c an e l i mi na t e t he Gi b bs ph e no me no n， but al s o c a n r e t ai n de t a i l i nf o r ma t i on of X r a y di gi t a l i ma g e． Ke y wo r dsd i g i t a l r a di o gr ap hy；i ma ge d e n oi s i ng； W i e n er f i l t e r i n g； s t a t i on a r y wa v e l e t 上接 第 6 3页 Co m p u t e r Ai d e d De s i g n o f t he Hy d r a u l i c Pr e s s i n g S y s t e m o f S t r a i g h t e n i n g M a c hi ne W ANG Xue we i Sc h o o l o f M a t e r i a l Sc i e n c e a n d En gi n e e r i n g， Ta i y u a n U n i v e r s i t y o f S c ie n c e a n d Y e c h n o l o g y． Ta i yu a n 0 3 0 0 2 4．Chi n a Ab s t r ac t The ma i n pur po s e o f t hi s a r t i c l e i s t O s t ud y t h e c o nt r o l s ys t em of t he s t r aight e ni ng ma c h i n e’ S hy dr a ul i c c y l i nd e r s ．I t us e d t he c omp ut e r a i de d de s i gn me t ho d t o s e t up t h e mode l a nd t he t r a n s f e r f un c t i on o f t he c ont r ol s ys t e m ， us e d t he a da pt i v e c o nt r o l me t hod t o modi f y t he mo de 1 ．a nd t he n s i mul a t e d t he d yna mi c mo de l by M ATLAB， Ke y wo r d s s i mu l a t i on；hy d r a ul i c s ys t e m ；s t r a i g ht e ni ng ma c hi ne； CAD 羹 ；。 ● 羹 一 ◇ ● 霹 ； ◆ 一 ● 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m