步进加热炉速度控制系统建模与动态特性分析,步进式加热炉,步进式加热炉专用模块,步进梁式加热炉,步进式加热炉结构,步进式加热炉开题报告,步进式加热炉设计计算,步进式加热炉结构图,加热炉自动控制系统,加热炉控制系统

　　第29卷第6期2006年l2月武汉科技大学学报(自然科学版)J．ofWuhanUni．ofSci．&Tech．(NaturalScienceEdition)Vo1．29，No．6Dec．2006步进加热炉速度控制系统建模与动态特性分析傅连东，陈奎生，曾良才，李芳，张安龙(武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉，430081)摘要：建立了步进加热炉速度控制系统的方框图，通过方框图求出了该系统的传递函数，并对影响系统动态特性的因素进行了详细分析。关键词：步进加热炉；速度控制；传递函数；动态特性中图分类号：THI37文献标志码：A文章编号：1672—3090(2006)06—0574—03DynamicPropertyAnalysisandSimulationofStepHeating-furnaceSpeedControlSystemFULian—dong，CHENKui—sheng，ZENGLiang—cai．LlFang。ZHANGAn—long(CollegeofMachin—ryandAutomation，WuhanUniversityot_ScienceandTechnology，Wuhan430081，China)Abstract：Theblockdiagramofstepheating—furnacespeedcontrolsystemisdrawn，accordingtowhichthetransferfunctionofthe~ystemisarrivedatandthefactorsthataffectthedynamicpropertyofthesystemareanalyzedindetail．Keywords：stepheating—furnace；speedcontrol；transferfunction；dynamicproperty1步进加热炉速度控制系统建模1．1模型假设为了分析泵控缸动力组件的特性，需要先建立泵控系统的数学模型。为建立泵控缸的传递函数模型，现作如下假设J：①液压泵的角速度(rad／s)是恒定的；②液压泵没有流量脉动；③忽略补油腔压力；④管道压力随负载的变化而变化，不产生压力饱和；⑤管：酋中液流为层流，仅有沿程阻力损失。步进加热炉速度控制系统原理如图1所示。广————__1位移传感器卜————～输入lL_———一咂二：垒图．图1步进加热炉速度控制系统原理图由图1可知，步进加热炉速度控制系统由4部分组成：泵控缸、比例阀控变量油缸、放大器和回馈部分。1．2变数调节机构变量泵的变量机构由比例阀、变量缸、比例放大器和位移传感器组成一个死循环控制系统。位移传感器相当于局部同馈校正装置，能够消除液压缸的积分特性，使其具有比例特性，并能够减小局部回馈环内组件参数变化和非线性特性造成的影响，起到改善系统性能的作用。通常变量缸、比例阀和位移传感器组合一体装在变量泵上，通过改变变量泵的斜盘倾角来控制供给油缸的流量，以此来凋节步进梁的速度。其工作原理如图2所示⋯收稿日期；2006—05—16作者简介：傅连东(1965一)。男，武汉科技火学机械自动化学院，副教授图2比例变量泵工作原理维普资讯年第6期傅连东，等：步进加热炉速度控制系统建模与动态特性分析575App／3oK,~p09o26os㈩。一“J⋯一之+‰+1)¨(+毒)+26os+1)(去+1)rk＼一(+击)(2+26os+1)对于比例方向阀，可以看作比例环节，其阀芯位移与输入信号之间的关系为n=KFi(3)式中：——电流一阀位移增益。1．3．2泵控缸传递函数⋯简化后的泵控缸传递函数为p一(川一I¨J_(4)式中：09——液压固有频率或液压自然频率，简称液压频率；——阻尼系数。根据各部分的传递函数可以得到如罔3所示的步进加热炉速度控制系统方框图。1．3．3图3参数说明图3中，——变量泵流量增益；卜泵的(2)总泄漏系数；c=Ci+C；——液压缸活塞面积，m。；。——升降缸活塞位移，m；——液压缸图3步进加热炉速度控制系统方框图等效总容积，m；C——总泄漏系数；M．——活图3采用了局部速度死循环控制系统，其中塞及由负载折算至活塞上的总品质；B。——活塞是位移传感器的回馈增益，如果不增速度校正及负载等运动件的黏性摩擦系数；F——作用在的开环速度控制系统，则受负载和温度变化的影活塞上的其它负载力，N；后——弹性负载刚度；响较大，速度控制的精度不高。因此为Jr提高速——总泄漏系数；——液体等效容积弹性模度控制的精度，常构成速度死循环，但死循环速度数；A——变数油缸活塞的作用面积，In；——控制系统显然比开环要复杂，对于速度控制要求变数油缸活塞位移，In；——变量油缸两个油不高的场合，一般还是应用开环速度控制腔的总体积，m；K=Ki+．．／2，是变量油缸的据式(1)、(2)、(3)、(4)和图3，得出系统的总泄漏系数；M．——变量油缸活塞及1／3两只对传递函数为中弹簧品质之和；K——比例方向阀流量增益系数；——变量泵变量机构摆角，(。)；K——摆角增益；。——比例阀阀芯位移，m；09——液压控制阀的转折频率，rad／s，09=K／=kK。／A『z． 。 = √ 筹， 为液压弹簧与机械弹簧串联耦合 作用 引 起 的 转 折 频 率 ，rad／s；6。= (卢 M ／ ，1 P ：) ，为综合 阻尼系数 ，无 因次 ；K — — 电流一阀 位移增益。 1．3．4 泵控 缸速 度控 制 系统 传递 函数 。。 [kAk ,~A( +击) +2 6os+1)。 ) s )’ 一 筹( ／ + O9 h s +1)】 (5) 根据步进加热炉速度控制系统方框 图，可求 俎 后 闭 坊 舸 衣 媾 性 的 倍 落 甬 特 维普资讯 武汉科技大学学报( 自然科学版) 2006 年第 6 期 ( 1)控制系统特性传递函数 】。控制 系统特 性 传递 函数反映 了输入变量泵 的速度 控制 信号 U( ) 与 油缸输 出位移 。之间的关 系，通过研究 其传递 函数 ，可 以研究泵控缸 系统 的控制性 能。 其传递函数为 赤 s Kv A Kq ／ [ pS( +剖／蠹2+ +1) s +1)‘ KsuKu1KFKqA；I (6) (2)负载特性传递函数 J。负载特性主要反 映负载力 对油缸输 出位移 的影响。其 传递 函数为 = 筹 A(去 )／ (s)一 ＼ ¨ 』 ／ 毒+ + )] ㈩ 2 速度控制系统动特性分析 2．1 动力机构固有频率 一 般来说 ，希望所设计的控制系统 的频率高 些 ，但系统频率又受系统中各个组件的同有频率 的限制。在系统中 ，液压缸是最接近负载的一个 液压组件 ，液压缸与负载质量组合在一起后，液压 频率 往往是整个系统中频率最低 的一个组件。 如果比例 阀的输入频率超过 ¨ 液压缸凶受 固有 频率 的限制就不能响应 。为了提高工作频率 的范围，就应当提高 _1l2 J。 从 =√4 2可以看到， 液压缸及负载的 质量 越大，则系统固有频率越低。因此，正确 估计负载质量 。的影响，对决定固有频率的下限 很重要。为了提高系统频率，应尽量减小 ．。 减小 回路高压侧 总容积 或增大 油的有效 体积弹性系数 ／ 3 ，也能使 09 提高。也就是说，液 体 中的含气量愈少愈好，但含气量是很难避免的。 减少容积 ，增 强容器及管道 的刚度，对提高 JB 有利。然而 与液压 缸行程及 活塞 面积 有 关 ，在设计时也不易改变 。 A。的影响对系统 的固有频 率 的影响 比较 复杂，增大 ，似乎能显著提高 09 ，但实际并非如 此 ，因为 的增加 ，必然导致油缸结构增大 ，即使 得 等参量增加 ，从而 导致 09 下降。应 该看 到，如果增加 A ，为了满足同样的负载速度 ，需要 的负载流量增大 ，液压能源 、放大组件和管道等组 件 的结构体积均得到增大。因而需要选用较大的 泵 ，使成本提高 ，而较大的连接管道 ，又降低泵控 缸系统的动态响应。因此通过改变 A。来调节 09 的变化范围，其效果不甚理想。 2．2 动 力机构 阻尼 比 系统 的阻尼 比 是液压泵 、油缸的泄漏和摩 擦阻力引起 的 从二阶振荡环节来 说，希望阻尼 系数

　　0．7 ，但一般液压系统 是低阻尼的。从 + Bp 叮以 与许多 一 √ _ + √ 叫以看出 “与讦主}； 系数有关。通常粘性摩擦 系数 B 很小 ，略去后得 ： ， 为了提高阻尼’A 和 宜小 。 这一点恰好与提t高频率 相矛盾 。 高的弹性模 数 IB 也能提高阻尼 ，不过在工作过程巾要防止气 体混入油液也是不 容易的。 与 成正 比，故 增加泄漏 即可提高泄漏系数 c ．，从 而有效地提高 阻尼 以改善系统的稳定性 。但这是用增加能耗换 取稳定的。对于大功率系统来说 ，采用过大能耗 来换取稳定 ，是不经济的。 还与负载工作情况有关。在压力较高 ，A。 和 较小时， 也 可以大于 1。这时振荡环节可 因式分解为两个惯性环节。如果两个惯性环节的 转折频率相差甚大 ，则频率大者可以略去 ，二阶振 荡环节就可近似为一个惯性环节 。 3 结论 从加热炉速度控制系统方框图可 以得到系统 传递函数 和负载特性传递函数 ，通过传递函数来 求得系统 的固有频 率 h和阻尼 比 ，分析 这两 个表达式可知 ：液压缸及负载的质量 ⋯总容积 、活塞面积 A 泄漏 系数 C。等参量对系统 固有 频率 和阻尼 比 h有影响 ，只有合理选取 这些 物理参量 ，才能使该速度控制系统获得较好 的动 特性 。 参 考 文 献 [ 1] 陈垒生 ，液 压 阀与液 控 制 系统 [ M] ．武汉 ：武 汉 工业大学 出版社 ，1997． [2 ] 王英蓉，比例 控 液压 马达 速度 控制 系统 的性 能 研究 [J ]．设计与研究 ，2000 ，( 12) ：11～ l5． [3 ] 胡诚 ，彭 朋 ．步进式加 热炉 电液 比例泵 缸系统仿 真与应川 [J ]．液 气动与密封 ，2006 。(2) ：9一 l1． [ 责 任 编 辑 彭金 旺 ] 维普资讯

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