2018年控制工程毕业论文范文篇一
第1章 绪论
1.1 选题的背景及意义
液压控制系统是出现较早的具有实用价值的控制系统，无论是在工业机械、工程机械领域，还是在航空航天、海洋开发工程领域都得到了广泛应用[1]。上世纪 70 年代末 80 年代初，随着计算机技术的快速发展与普及，电子技术和液压技术的有效结合初露端倪，液压控制系统的稳定性也随之大大提高，机电液一体化技术逐渐应用到各工业领域。计算机的日益完善与普及，也极大的促进了液压元件的发展，各种功能的数字化液压元件不断涌现，液压行业的数字化和微机化已成为潮流[2]。早在 30 年前，人们就已经对数字化控制技术进行了大量研究，并将其应用于机械工业领域。数字化控制技术在液压元件及液压系统方面的广泛应用也极大地促进了液压系统的数字化控制趋势。在传统的液压控制系统中，液压元件主要分为开关式控制和电液比例式控制两大类，而通常采用伺服控制方式或直接数字控制方式来提高液压系统的控制精度和响应速度。其中，伺服控制方式一般采取闭环控制，它主要通过控制伺服阀或比例阀来实现液压系统的数字化控制[3]，其优点是控制精度高、响应频率快，但价格比较昂贵；直接数字化控制是目前国内外研究较多的液压控制方式，也是数字化液压控制系统的发展方向。直接数字化控制主要有两种类型：一种是脉宽调制，它主要通过控制高速开关阀的开启/闭合时间比来控制单位时间内的输出流量，进而控制执行机构(液压缸)的速度和位移，即通过控制数字阀芯的移动来实现对液压缸的有效控制；另一种是通过滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转换成阀芯的直线运动，从而实现直接数字控制，该控制方式重复精度高、无滞后[4]。
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1.2 国内外数字液压缸研究现状
传统的液压系统主要是通过液压阀控制普通液压缸的运动方向、运动速度和位移，为满足各生产需要，液压先驱们经过不断努力，成功研制了各种生产规格的液压元件和液压产品，极大地推动了液压行业的发展，但普通的液压元件组成的液压系统很难实现精确位置控制。随着电子技术及传感技术的快速发展，伺服阀及比例阀的出现把液压系统的精确控制技术应用于工业领域，极大的促进了工业设备尤其是重型设备的自动化趋势[8]。随着计算机技术和数字技术的快速发展，20 世纪中期，第一台数字液压缸在德国奥林匹亚会堂问世[9]在液压行业引起了极大轰动。包括中国在内的各工业大国对数字液压技术的不断研究和完善，使数字液压技术在工业领域逐渐达到实用阶段。21 世纪以来，计算机技术和数字技术已被大量运用到液压系统中，极大地促进了液压技术和控制技术的发展。我国亿美博公司对数字液压缸进行了大量研究，将液压技术和计算机技术集于一体，经过多年的实验测试，成功研制了多种性能先进的数字液压缸，其结构设计巧妙、集成化程度高，在可编程控制器的控制下，可实现液压缸的速度控制和位置控制，定位精度高、响应速度快。数字液压缸将计算机技术、机械技术、电子技术、传感技术和液压技术完美结合，展现出了优良的控制性能，被广泛应用于机械工业各领域，为新型高精度加工设备的设计打下了基础，并促进了整个中国工业的快速发展。
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第2章 数字液压缸系统总体设计方案
2.1 数字液压缸系统工作原理
数字液压缸可以应用于组合机床上推动刀架运动，也可以安装在注塑机上作为注射液压缸，完成注射全过程的速度控制、压力控制、速度——压力转换控制、背压控制，以及用于多缸同步系统控制等各种自动控制系统。本文所研究的数字液压缸是以精密机床碾扩机的伺服进给系统为实验平台，其液压系统工作原理如图 2-1 所示。进、工进、快退三个动作。1 快进过程：为提高工作效率，电磁铁 1Y 通电，同时将数字阀(结构及工作原理如图 2-9 所示)调到最大开口处，两阀同时工作，保证液压缸快速进给。2 工进过程：采用闭环控制，当液压缸快速移动到工进区域后，限位开关 2将液压缸位移信息反馈给控制器，电磁铁 1Y 断电，三位四通换向阀处于关闭状态，只依靠数字阀来实现液压缸的微量进给。在液压缸微进给过程中，步进电机接收到数字脉冲信号，驱动数字阀芯移动，通过改变数字阀阀芯的缝隙值来控制液压缸输入流量，数字阀阀芯位移靠光电编码器来实现精确定位，采用流量传感器对液压缸输入流量进行检测，通过实时比较实际输入流量和理论流量，将差值转换成电信号发送到控制器，PLC 根据反馈的信号实时增加或减小脉冲发送频率和脉冲发送数，来调整数字阀阀芯位移[15]，控制液压缸输入流量，从而实现了对整个系统的闭环控制，从而实现液压缸工进过程的低速平稳。当限位开关 3为低电平时，工进过程结束。3 快退过程：零件加工完毕后，电磁铁 2Y、3Y 通电，液压缸快速退回,限位开关 1 为低电平时，系统断电。
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2.2 数字阀的结构型式及性能分析
高速开关数字阀也被称作是脉宽调制式数字阀，有二位三通和二位二通两种类型，其控制信号是一系列调制脉冲信号，通过改变阀口通断比来控制阀输出的平均流量[16]。高速开关数字阀有常开和常闭两种类型，是一个可以快速切换的开关阀，其控制系统的工作原理如图 2-2 所示。图 2-3 是电磁铁驱动的滑阀式二位三通高速开关数字阀的结构图，其结构原理[17]为：电磁铁通电，阀芯左移，P 口与 A 口相通；电磁铁断电，阀芯处于在T 口和 A 口相通的位置。此种类型的数字阀能够保持较好的液压力平衡，获得液动力补偿，能够适应高压大流量的工作环境。但是这种类型的数字阀是以控制平均流量或平均压力来实现控制目的，其瞬时流量或瞬时压力波动比较大，这种现象在采样周期比较大的情况下更为明显。另外，数字阀口经常处于打开/关闭高速转换状态，将严重影响数字阀的寿命。增量控制方式是在脉冲信号基础上，根据前一个采样周期的步数，适当增加或减少下一个采样周期的步数，来达到所需要的幅值。即微机发出脉冲序列，经驱动器放大后驱动步进电机工作，根据输入脉冲数，步进电机沿给定方向旋转一定角度，然后通过机械转换器将角位移转换成阀芯的轴向位移，将阀口打开，从而获得与输入脉冲成比例的流量[3]。增量式数字阀是国内外研究最多的一种数字阀，步进电机通过机械转换器来驱动阀芯工作。简化了阀的结构，降低了成本，而且步进电机没有累积误差，重复性能好[18]。
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第 3 章 数字液压缸数学建模及仿真分析 .... 23
3.1 数字液压缸数学模型........23
3.2 基于 AMESim 平台的数字液压缸仿真分析......27
3.3 本章小结........36
第 4 章 数字液压缸自动控制系统 ..... 37
4.1 数字液压执行系统运动分析......37
4.2 PLC 控制系统的设计 .......37
4.3 智能计数器的选用.......40
4.3.1 ZN48 智能双显计数器技术参数 .......41
4.3.2 接线端子说明 ......41
4.3.3 屏幕显示说明 ......41
4.4 程序控制流程图......42
4.5 输入输出的 I/O 地址分配 .....44
4.6 控制界面的编写......44
4.7 本章小结........46
第 5 章 实验平台的搭建及实验数据处理 .... 47
5.1 实验平台的搭建......47
5.2 实验结果及数据分析........48
5.3 本章小结........53
第5章 实验平台的搭建及实验数据处理
5.1 实验平台的搭建
考虑到本文所研究的数字液压缸仅仅处于理论实验阶段，还没有真正应用于床身，根据实验室现有条件，本章节只是对液压缸及其控制系统做了测试。搭建数字液压缸自动控制系统实验平台所需要的主要设备由 Kinco 触摸屏、S7-200 可编程控制器、WT-3H2208 驱动器、三相混合式步进电机、减速机、液压站、基于缝隙理论的新型数字阀、光电编码器、位移传感器、行程开关、电磁换向阀等构成。工进行程越长，液压缸阻尼逐渐变大，活塞和缸壁之间的摩擦导致液压油液温度升高，油液动力粘度系数变化；液压缸低速状态下的爬行影响数字液压缸定位精度，因此有效减小液压缸动静摩擦系数也是提高数字液压缸定位精度的一种方法；本文所研究的数字液压缸主要用于设备的微量进给，其快进过程采用三位四通电磁换向阀和数字阀两路同时供油，工进过程采用数字阀单独供油模式。这样，不仅可以保证数字液压系统快进过程的快速性，同时也有效提高了工进过程的精度。
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结论
近年来，数字化控制技术的应用大大推动了液压控制系统的发展，数字液压缸也将广泛应用于机械工业各个领域。本文提出了一种基于缝隙理论的数字液压缸，通过改变数字阀缝隙的长度来改变液压缸输入流量，从而实现对液压缸的速度和位移控制。在撰写论文过程中主要完成的成果如下：
1 参考大量国内外相关资料，深入研究了国内外数字液压缸的工作原理，了解本课题目前研究现状，收集相关资料，结合一些数字液压控制系统的优势提出了一种基于缝隙理论的数字阀。
2 根据数字液压缸在碾扩机中的应用，确定了数字液压缸系统的整体设计方案，并详细介绍了数字液压缸的工作原理及数字阀的结构原理，绘制了数字阀的二维及三维效果图，并按照图纸进行了加工制造。另外，对数字液压系统其他元件如步进电机、滚珠丝杠螺母副、光电编码器、拉
