基于matlab的電液伺服位置控制系統(tǒng)分析

基于matlab的電液伺服位置控制系統(tǒng)分析,基于,matlab,伺服,位置,控制系統(tǒng),分析 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告 論 文 題 目： 基于 matlab 的電液伺服 位置控制系統(tǒng)分析 學(xué) 院：專 業(yè) 、 班 級(jí)：學(xué) 生 姓 名：（職稱）： 一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計(jì)）題目 基于 matlab 的電液伺服位置控制系統(tǒng)分析 2. 研究領(lǐng)域 液壓控制系統(tǒng) 機(jī)床控制系統(tǒng) 3. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 電液伺服位置系統(tǒng)是控制領(lǐng)域中一個(gè)重要組成部分，也是最基本和最常用的一種液壓伺服系統(tǒng)，如機(jī)床工作臺(tái)的位置、板帶軋機(jī)的板厚、帶材跑偏控制、飛機(jī)和船舶的舵機(jī)控制、雷達(dá)和火炮控制系統(tǒng)以及振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)等。在其他物理量的控制系統(tǒng)中， 如速度控制和力控制等系統(tǒng)中，也常有位置控制小回路作為大回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)。 電液伺服位置控制系統(tǒng)主要是用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務(wù)就是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量對(duì)給定量的及時(shí)和準(zhǔn)確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是衡量一套電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試水平的重要指標(biāo)。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究人員對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工作特性與參數(shù)變化，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出 來的特性，原因主要是由傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中，系統(tǒng)各參變量隨時(shí)間變化性能的好壞，決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性主要表現(xiàn)為穩(wěn)定性（系統(tǒng)中壓力瞬間峰值與波動(dòng)情況）以及過渡過程品質(zhì)（執(zhí)行、控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度）問題。 液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、實(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程，然后在計(jì)算機(jī)上求出系統(tǒng)中主要變量在動(dòng)態(tài)過程的時(shí)域解。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng)，可以模擬出輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各參變量的變化情況，從而獲得對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程直接、全面的了解，使研究人員在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)測(cè)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，以便及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn)，保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性，具有精確、適應(yīng)性強(qiáng)、周期短以及費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 電液伺服系統(tǒng)的研究，一直從兩個(gè)方面來展開：一是電液伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)元件的研 究，包括伺服閥和液壓缸；二是電液伺服系統(tǒng)的控制方法與應(yīng)用技術(shù)的研究。進(jìn)入 21 世紀(jì)，電液伺服系統(tǒng)的研究日益活躍，無論從系統(tǒng)還是基礎(chǔ)元件方面均取得了突出的 研究成果。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，軍事、航空、宇航技術(shù)對(duì)所應(yīng)用的系統(tǒng)有了高精度、快速、大功率的要求。電液伺服系統(tǒng)則以其反應(yīng)快、重量輕、尺寸小及抗負(fù)載剛性大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于以上各個(gè)行業(yè)中，在其控制算法上也有了進(jìn)一步的改進(jìn)，以適應(yīng)系統(tǒng)要求。電液伺服控制系統(tǒng)按對(duì)象是否運(yùn)動(dòng)等有很多種分類方法，按系統(tǒng)輸出量可分為：電液力伺服、電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度伺服系統(tǒng)。 電液位置伺服系統(tǒng)是一種當(dāng)系統(tǒng)中被控制的物理量是位置量，同時(shí)檢測(cè)反饋信號(hào)以及輸入指令信號(hào)也是位置信號(hào)的，由機(jī)構(gòu)和液壓元件組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。信號(hào)的傳輸是機(jī)械液壓方式的，這一類系統(tǒng)稱為機(jī)液位置伺服系統(tǒng)。機(jī)液伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、抗污染能力強(qiáng)、造價(jià)低廉，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、工程機(jī)械、汽車、動(dòng)力工程、機(jī)床控制和農(nóng)業(yè)機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)液伺服系統(tǒng)的缺點(diǎn)是機(jī)械連接件較多，因此不可避免的帶來了間隙、摩擦和剛度的影響。但是，由于它所具有的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用的歷史悠久，而且也廣泛。 電液伺服位置系統(tǒng)因具有很大的潛在價(jià)值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而受到國內(nèi)外眾多液壓及控制領(lǐng)域?qū)W者的高度重視，并一度成為此領(lǐng)域的前沿研究課題。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1. 重點(diǎn)解決的問題 在設(shè)定系統(tǒng)方案和進(jìn)行參數(shù)估算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)建模和各環(huán)節(jié)建模，根據(jù)要求設(shè)計(jì)出某數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)電液位置伺服控制裝置，建立了電液位置伺服控制系的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)，在 MATLAB 環(huán)境下進(jìn)行仿真，并確定出使系統(tǒng)穩(wěn)定的開環(huán)增益。同時(shí)應(yīng)用頻率響應(yīng)法對(duì)電液伺服控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，進(jìn)而得到滿足要求的可靠的電液伺服系統(tǒng)。 2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1） 電液伺服位置控制系統(tǒng)建模和各環(huán)節(jié)建模 （2） 設(shè)計(jì)某數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)電液位置伺服控制裝置 （3） 建立電液位置伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù) （4） 通過 Matlab 軟件的 Simulink 工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析 3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 設(shè)計(jì)出滿足要求的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書，對(duì)電液伺服位置系統(tǒng)建模，并使用 Matlab 軟件進(jìn)行仿真分析，創(chuàng)建人機(jī)交互界面，并將該電液伺服位置系統(tǒng)應(yīng)用到具體工程實(shí)例上。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 建立電液位置伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)，采用 Matlab 軟件的Simulink 仿真工具對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，簡(jiǎn)單、直觀。只需通過 M 文件編寫位置方程，設(shè)定特殊時(shí)刻為初始值就可以得到任意時(shí)刻的位置、速度、加速度的值， 并可以觀察它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化。通過基于 Matlab 的強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，還可以方便得到三者之間的關(guān)系，進(jìn)而得到滿足要求的可靠的電液伺服系統(tǒng)。 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1 周 收集研究方向相關(guān)資料、研究資料第 2 周 閱讀參考文獻(xiàn)，確定研究?jī)?nèi)容 第 3 周 撰寫開題報(bào)告，擬訂總體設(shè)計(jì)方案 第 4 周 完善、修改開題報(bào)告，完成外文翻譯 第 5 周 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃，設(shè)計(jì)總體實(shí)施方案第 6 周 進(jìn)行系統(tǒng)建模，繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 第 7 周 根據(jù)參數(shù)傳遞關(guān)系，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù) 第 8 周 對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)位置參數(shù)的時(shí)域特性第 9 周 由傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)的頻域特性 第 10 周 編寫 M 文件求解位置變化 第 11 周 建立 simulink 仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析第 12 周 整理仿真結(jié)果，撰寫設(shè)計(jì)說明書 第 13 周 完善設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第 14 周 按指導(dǎo)教師及評(píng)閱教師的意見修改設(shè)計(jì)說明書，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 姜洪發(fā). 基于 Labview 和 MATLAB 的機(jī)器人電液伺服設(shè)計(jì)[J]. 智慧工廠. 2017(07) [2] 郭棟,付永領(lǐng),祁曉野. 電液伺服加載控制器的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng). 2011(07) [3] 李宗斌,楊君順. 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由王占林、李培滋主編的《飛機(jī)液壓傳動(dòng)與伺服控制》一書，成為國內(nèi)最早建立了液壓技術(shù)的經(jīng)典理論體系的科學(xué)著作。1981 年李洪人的《液壓控制系統(tǒng)》和王春行的《液壓伺服控制系統(tǒng)》兩部中文科學(xué)著作問世，在 MERRITT 的《液壓控制系統(tǒng)》的基礎(chǔ)上， 系統(tǒng)的論述液壓控制系統(tǒng)的基本理論及應(yīng)用、典型系統(tǒng)和主要元件與設(shè)計(jì)方法。在此之后，該領(lǐng)域的研究人員認(rèn)為由于電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論日臻成熟，在科技領(lǐng)域和工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，似乎電液伺服系統(tǒng)的研究已走到盡頭。20 世紀(jì) 70 年代， 美國 MTS 公司研制出了以電液伺服系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)，將電液伺服系統(tǒng)與復(fù)雜機(jī)構(gòu)結(jié)合起來，開創(chuàng)了基于電液伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的先河。 電液伺服系統(tǒng)的研究，一直從兩個(gè)方面展開：一是電液伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)元件的研究， 包括伺服閥和液壓缸；二是電液伺服系統(tǒng)的控制方法與應(yīng)用技術(shù)的研究。進(jìn)入 21 世紀(jì)，電液伺服系統(tǒng)的研究日益活躍，無論從系統(tǒng)還是基礎(chǔ)元件方面均取得了突出的研究成果。 二．國內(nèi)電液伺服的發(fā)展與現(xiàn)狀 我國的電液伺服發(fā)展水平目前還處在一個(gè)發(fā)展階段，雖然在常規(guī)電液伺服控制技術(shù)方面，我們有了一定的發(fā)展。但在電液伺服高端產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)方面，我們距離國外發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平還有著很大差距。電液伺服技術(shù)是集機(jī)械、液壓和自動(dòng)控制于一體的綜合性技術(shù)，要發(fā)展國內(nèi)的電液伺服技術(shù)必須要從機(jī)械、液壓、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等各技術(shù)領(lǐng)域同步推進(jìn)。 1. 測(cè)量控制系統(tǒng) 測(cè)量控制系統(tǒng)隨著數(shù)字控制理論的成熟以及高速 DSP 技術(shù)的發(fā)展。全數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)成為今后測(cè)量控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。動(dòng)態(tài)電液伺服全數(shù)字測(cè)量控制系統(tǒng)，不僅要求硬件運(yùn)算速度快、運(yùn)算精度高，同時(shí)還要求在軟件和數(shù)字控制理論方面要有新 的突破。這樣才能滿足電液伺服控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、控制精確、穩(wěn)定可靠的要求。目前，美國 MTS 公司的 TeststarII 全數(shù)字控制器，運(yùn)算頻率可以達(dá)到 5000 次/秒，控制特性在傳統(tǒng)的 PID 控制基礎(chǔ)上，還具有前饋控制、頻率反向補(bǔ)償控制、幅度控制和壓差等輔助控制特性。因此數(shù)字控制器由于其豐富的運(yùn)算功能，其控制非常靈活，是模擬控制系統(tǒng)無法比擬的。國內(nèi)目前技術(shù)成熟的全數(shù)字動(dòng)態(tài)控制器還沒有進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，還需要有一個(gè)發(fā)展研究的過程。多通道、數(shù)字化、多自由度協(xié)調(diào)技術(shù)是電液伺服技術(shù)在模擬仿真試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。只有掌握了多通道控制技術(shù)、多自由度協(xié)調(diào)偶合及解偶技術(shù)，才能使我們的電液伺服技術(shù)向更高的臺(tái)階上邁進(jìn)，才能縮小與國外同行之間的差距。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要有一批高素質(zhì)的技術(shù)隊(duì)伍，要從軟件、硬件、數(shù)字控制理論和實(shí)踐等綜合技術(shù)方面同步推進(jìn)。 2. 液壓件 國內(nèi)液壓件的整體水平目前還比較落后，主要采用橡膠密封結(jié)構(gòu)方式，易老化泄漏、體積笨重、集成度低。隨著機(jī)械精密加工技術(shù)的成熟，國外密封大都采用球面和錐面配合密封方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性能可靠。今后改善國內(nèi)液壓件結(jié)構(gòu)還需要在工藝性上下功夫，需要一個(gè)系統(tǒng)的完善過程。另外，作為電液轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件 “電液伺服閥”，是電液伺服控制技術(shù)今后技術(shù)提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電液伺服技術(shù)行業(yè)目前與電液伺服閥生產(chǎn)企業(yè)缺少交流和探討，只能簡(jiǎn)單的應(yīng)用其現(xiàn)成產(chǎn)品。從某種意義上這也限制了國內(nèi)電液伺服技術(shù)的發(fā)展。今后，需要加強(qiáng)與伺服閥生產(chǎn)企業(yè)的合作，共同開發(fā)適宜試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用的伺服閥產(chǎn)品，全面提升國內(nèi)電液伺服技術(shù)水平。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，促進(jìn)了電液伺服技術(shù)的提高。正是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)才使電液伺服系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)仿真模擬試驗(yàn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)多自由度協(xié)調(diào)控制、計(jì)算機(jī)仿真解耦技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)、道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步提高，促進(jìn)了電液伺服系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。可以說電液伺服技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是密切聯(lián)系在一起的。 3. 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 我國的電液伺服發(fā)展水平目前還處在一個(gè)發(fā)展階段，雖然在常規(guī)電液伺服標(biāo)準(zhǔn)材料試驗(yàn)機(jī)技術(shù)方面，我們有了一定的發(fā)展。但在電液伺服高端產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)方面， 我們距離國外發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平還有著很大的差距。電液伺服技術(shù)是集機(jī)械、液壓和自動(dòng)控制于一體的綜合性技術(shù)，要發(fā)展國內(nèi)的電液伺服技術(shù)必須要從機(jī)械、液壓、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等各技術(shù)領(lǐng)域同步推進(jìn)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，促進(jìn)了電液伺服技術(shù)的提高。正是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)才使電液伺服在動(dòng)態(tài)仿真模擬試驗(yàn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)多自由度協(xié)調(diào)控制、計(jì)算機(jī)仿真解耦技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)、道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步提高，促進(jìn)了電液伺服系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用?？傊?，電液伺服技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是密切聯(lián)系在一起的，相互促進(jìn)相互提高。 三．電液位置伺服控制系統(tǒng)的仿真分析 電液位置伺服系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在幾乎所有的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)都采用電液伺服系統(tǒng)，所以對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)進(jìn)行仿真分析一直是動(dòng)感仿真技術(shù)行業(yè)不斷 研究的一個(gè)課題。在常用的實(shí)現(xiàn)方法中一般采用個(gè)人編制計(jì)算機(jī)軟件的方法實(shí)現(xiàn)，使得對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的計(jì)算變得很復(fù)雜，容易出錯(cuò)、通用性差，如果想隨時(shí)觀察系統(tǒng)中某個(gè)參數(shù)的變化更是困難。MATLAB 是一個(gè)面向科學(xué)與工程計(jì)算的高度集成的軟件工具，MATLAB 提供的 Simulink 是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包， 在 Simulink 環(huán)境中利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。Simulink 軟件包的問世給電液位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真分析提供了強(qiáng)大的武器，使人們徹底擺脫了個(gè)人小作坊式的研究模式。 工程上常采用頻率響應(yīng)法設(shè)計(jì)電液伺服系統(tǒng)，這基本上屬于一種試探法。一般包括以下主要步驟：（1）分析整理所需的設(shè)計(jì)參數(shù)，明確設(shè)計(jì)要求；（2）擬定控制方案，構(gòu)成控制系統(tǒng)原理圖；（3）確定動(dòng)力元件參數(shù)（供油壓力、執(zhí)行元件規(guī)格、伺服閥容量）和選擇其他組成元件；（4）分析計(jì)算系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性，確定回路的放大系數(shù)和設(shè)計(jì)校正措施等。在設(shè)計(jì)中結(jié)合 MATLAB 的 Simulink 軟件進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和可靠性做進(jìn)一步驗(yàn)證，最終可以得出比較可靠的電液伺服系統(tǒng)。 Simulink 借助于 MATLAB 強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，能夠在 MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境，在各個(gè)工程領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，是當(dāng)今主流的仿真軟件。根據(jù)電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用 MATLAB 及其可視化建模與仿真工具——Simulink 對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，既可方便地修改被控對(duì)象模型，又可修改輸入輸出變量的量化論域、語言變量、隸屬度函數(shù)及控制規(guī)則等。他與傳統(tǒng)的高級(jí)語言相比大大縮減了編程工作量，且形象直觀，參數(shù)修改方便，不但為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)提供了參考整定數(shù)據(jù)，而且對(duì)控制策略的選擇也提供了有益的幫助。實(shí)踐證明，該方法為電液伺服控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真提供了有效的途徑，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。