論文題目：高空作業(yè)車舉升臂電液控制系統(tǒng)的研究作者姓名:用辰保 入學(xué)時(shí)間:2004年9且專業(yè)名稱：控制理論與控制工程 研究方向：智能機(jī)器人指導(dǎo)教師:戴炬職稱：教授論文提交日期：2007年5月論文答辯日期：2007年6月授予學(xué)位日期：STUDYOFELECTROHYDRAUCONTROLSYSTEMFORRAISE-RISEARMOFHIGHTASKVEHICLEADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeofMASTEROFPHILOSOPHYfromShandongUniversityofScienceandTechnologybyXuZhenbaoSupervisor:ProfessorDaiJuCollegeofInformationandElectricalEngineeringMay2007本人呈交給山東科技大學(xué)的這篇碩士學(xué)位論文，除了所列參考文獻(xiàn)和世所公認(rèn)的文獻(xiàn)外，全部是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交于其它任何學(xué)術(shù)機(jī)關(guān)作鑒定。碩士生簽名：日期：AFFIRMATIONIdeclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.Signature:Date:摘要本論文以山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心承擔(dān)的國(guó)家863課題項(xiàng)目"配電帶電作業(yè)機(jī)器人"為背景，通過分析高空作業(yè)車舉升臂機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，電液比例技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了舉升臂腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和伸縮臂伸縮關(guān)節(jié)的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)部分。主要分為舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，液壓比例控制系統(tǒng)分析，比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，比例閥的PID控制及比例閥死區(qū)分析，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)六個(gè)部分描述。論文首先采用D-H表示法建立高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。針對(duì)腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和伸縮臂伸縮關(guān)節(jié)選擇液壓控制系統(tǒng)方案。液壓系統(tǒng)為舉升臂各關(guān)節(jié)提供驅(qū)動(dòng)力，液壓系統(tǒng)部分性能的好壞直接影響舉升臂機(jī)構(gòu)的性能。經(jīng)過分析選擇以比例閥為核心液壓控制元件的液壓控制系統(tǒng)。通過分析電液比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)各部分功能，建立電液比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。電液比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)選擇PID控制方法。電液比例閥一般具有較大的中位死區(qū)，為減小比例閥中位死區(qū)的影響，文中提出一種線形化補(bǔ)償方法，應(yīng)用于電液比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的PID控制中。輸入電液比例閥的控制電壓采用PWM信號(hào)，單片機(jī)選用能產(chǎn)生五路PWM信號(hào)的SST89E564RD芯片。并詳細(xì)介紹了PWM信號(hào)產(chǎn)生方法，占空比計(jì)算方法以及控制系統(tǒng)部分的軟硬件設(shè)計(jì)。論文最后通過構(gòu)建兩關(guān)節(jié)比例閥-方向閥控馬達(dá)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)性能，驗(yàn)證減小比例閥中位死區(qū)的線性化補(bǔ)償方法，驗(yàn)證比例閥-普通方向閥控兩回路馬達(dá)液壓系統(tǒng)方案的可行性。關(guān)鍵詞：舉升臂，電液比例閥，比例閥死區(qū)，線形化補(bǔ)償，電磁方向閥，PWMABSTRACTThispapertakesthestate863program-hotlinerobotforbackground,whichwasassumedbytherobotcenterofShandongUniversityofScienceandTechnology.ThroughanalyzingtheRaisetorisearmofthehighaltitudevehicle,usingrobottechnology,SCMtechnologyandelectrohydraulicproportionaltechnology,studytheelectrohydraulicsystemandcontrolsystemforwaistturningjointandflexjointoftheraise-risearm.Themaincontentinvolve6parts,kinematicmodeloftheraise-risearm,theanalysisofelectrohydraulicproportionalcontrolsystems,mathematicmodeloftheproportionalvalvecontrolmotorpositionalcloseloopsystem,PIDcontrol&analysisfordeadsectionoftheproportionalvalve,designofthecontrolsystem,experimentation.Thepaperfirstbuildupthekinematicmodelfortheraise-risearmofthehightaskvehiclebytheD-Hnotation.Selecttheelectrohydrauliccontrolsystemprojectforthewaistturningjointandflexjoint.Thehydraulicsystemprovidedrivepowerforeachjointoftheraise-risearm,sothecapabilityofhydraulicsystemdirectlyaffecttheperformanceofthewholesystem,andchoosethehydraulicsystemwhichselectelectrohydraulicproportionalvalveasthemaincontrolcomponent.Throughanalyzingthefunctionofeachcomponentoftheelectrohydraulicproportionalvalvecontrolledhydraulicmotorpositionalclosed-loopsystem,setupitsmathematicmodel.Thecontrolplanofthepositionalclosed-loopproportionalvalvecontrolledmotorsystemselectPIDcontrol.Theproportionalvalveexitzerodeadsection,weshouldmanagetodecreasetheeffectof山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要thedeadsection,Thispaperbringforwardlinearitycompensationmethod.,anduseinPIDcontrolsystem.TheinputcontrolvoltageimportedtothevalvechoosePWMcontrolmode,selectSST89E564RD(oneCMOSchipofSCM)whichcanbringfivePWMsignal,andintroducethemethodabouthowcanbringPWMsignal,meansofcalculatinghigh-lowratio&thesoftwareandhardwareoftheproportionalcontrollerinthispart.Atlastwesetupthehydraulicexperimentsettingofthetwojoints.Throughtheexperimentsetting,wevalidatetheperformanceofthepositionalclosedloopvalvecontrolledhydraulicmotorsystem,validatethelinearizationcompensatemethodandvalidatethefeasibilityofthescalevalve-commondirectionvalvecontrolledtwoloophydraulicmotorsystem.Keywords:raisetorisearm,electrohydraulicproportionalvalve,deadarea,linearitycompensation,electromagnetismdirectionalvalve,PWM摘要山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要目錄TOC\o"1-5"\h\z1緒論 1高空作業(yè)車概況 1電液比例控制技術(shù)概況 3電液比例控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 6課題背景與意義 7論文主要內(nèi)容 72高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 9高空作業(yè)車概述 9\o"CurrentDocument"D-H表示法 9高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 11\o"CurrentDocument"小結(jié) 153液壓比例控制方案分析 16液壓系統(tǒng)方案分析 16液壓比例控制系統(tǒng)方案選擇 21\o"CurrentDocument"小結(jié) 224比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 24比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)工作原理 24比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 28\o"CurrentDocument"小結(jié) 365電液比例閥控馬達(dá)控制系統(tǒng) 37比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)的PID控制 37電液比例閥死區(qū)特性 38減小電液比例閥死區(qū)影響的方法 41\o"CurrentDocument"小結(jié) 486控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 49山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄TOC\o"1-5"\h\z控制系統(tǒng)原理分析 49控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 50PWM控制信號(hào) 53占空比計(jì)算方法 56\o"CurrentDocument"小結(jié) 57實(shí)驗(yàn) 58電液比例閥控液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 59電液比例閥-電磁方向閥控液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 63實(shí)驗(yàn)結(jié)果 66\o"CurrentDocument"小結(jié) 67\o"CurrentDocument"總結(jié)與展望 68致謝 70參考文獻(xiàn) 71ContentsTOC\o"1-5"\h\zIntroduction 1Surveyofthehightaskvehicle 1Surveyoftheelectrohydraulicproportionalcontroltechnology 3Evolutionalactualityandtrendoftheelectrohydraulicproportionalcontroltechnology 6Thebackdropandsignificanceoftheproject 7Maincontents 7Kinematicmodelofthehightaskvehicle'sliftarm 9Surveyofthehightaskvehicle 9D-Hnotationofrobot 9Kinematicmodelofthehightaskvehicle'sliftarm 11Summary 15Analysisoftheprojectforhydraulicproportionalcontrolsystem 16Analysisoftheprojectforhydraulicsystem 16Ascertainoftheprojectforhydraulicsystem 21Summary 22Mathematicmodeloftheproportionalvalvecontrolhydraulicmotorpositionalclosedloopsystem 24Workprincipleoftheproportionalvalvecontrolhydraulicmotorsystem 24Ascertainofthe mathematicmodel 28Summary 36Thecontrolsystemoftheeletrohydraulicproportionalvalvecontrolhydraulicmotorsystem 37ThePIDcontroloftheproportionalvalvecontrolhydraulicmotorsystem 37Characteristicofthedeadsectionoftheelectrohydraulicproportionalvalve 38ThetechniqueofMinishingtheeffectoftheeletrohydraulicproportionalvalve^deadsection 41山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄TOC\o"1-5"\h\zSummary 48Designofthecontrolsystem 49Analysisofcontrolpriciple 49Hardwaredesignofproportionalcontrol1 50PWMcontrolsignal 53Meansofcalculatingthehigh-lowratio 56Summary 57Experimentation 58Experimentationofhydraulicproportionalvalvecontrolhydraulicsystem 69Experimentationofhydraulicproportionalvalve-directionalvalvecontrolhydraulicsystem……63Resultofexperimentation 66Summary 67Conclusionandprospect 68Thanks 70 MainReferenceDocuments 711緒論1.1高空作業(yè)車概述高空作業(yè)車是用來運(yùn)送工作人員和工作裝備到指定高度進(jìn)行作業(yè)的特種車輛，是將高空作業(yè)裝置安裝在汽車底盤上組成的。高空作業(yè)裝置包括工作臂、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、副車架、工作斗、液壓系統(tǒng)和操縱裝置等。現(xiàn)在的高空作業(yè)裝置具有操作平順、工作穩(wěn)定、自動(dòng)調(diào)速、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了空中作業(yè)的工作效率。高空作業(yè)車是利用汽車底盤作為行走機(jī)構(gòu)，機(jī)動(dòng)靈活，行駛速度高，可快速轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移到作業(yè)場(chǎng)地后能迅速投入工作,因此被越來越多的應(yīng)用于工程建設(shè)、工業(yè)安裝、設(shè)備檢修、物業(yè)管理等許多行業(yè)；亦可以在作業(yè)車臂架前端裝置平臺(tái)以實(shí)施人工混凝土噴射作業(yè)；在送變電領(lǐng)域，尤其是在電力維修維護(hù)作業(yè)方面，由作業(yè)車所提供的作業(yè)平臺(tái)，即可以滿足人工高空維修作業(yè)的需要，也能夠通過在有效絕緣的前提下安裝智能機(jī)械手實(shí)現(xiàn)高空帶電作業(yè)維修；在起重和吊裝作業(yè)領(lǐng)域，作業(yè)車可相應(yīng)設(shè)計(jì)成智能起重設(shè)備等。高空作業(yè)車按工作臂的型式分垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式四種Q高空作業(yè)車一般包括舉升臂機(jī)構(gòu)，金屬機(jī)構(gòu)，動(dòng)力裝置與控制系統(tǒng)四部分。1.L1舉升臂機(jī)構(gòu)舉升臂機(jī)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)車不同的運(yùn)動(dòng)要求而設(shè)置的。高空作業(yè)車一般設(shè)有變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。依靠變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載人工作斗在水平和垂直方向的移動(dòng)；依靠平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移工作場(chǎng)所。⑶網(wǎng)高空作業(yè)車變幅是指改變工作斗到回轉(zhuǎn)中心軸線之間的距離，這個(gè)距離稱為幅度。變幅機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了高空車的作業(yè)范圍，由垂直上下的直線作業(yè)范圍擴(kuò)大為一個(gè)面的作業(yè)范圍。高空作業(yè)車變幅機(jī)構(gòu)一般采用液壓油缸變幅。高空作業(yè)車的一部分（一般指上車部分或回轉(zhuǎn)部分）相對(duì)于另一部分（一般指下車部分或^回轉(zhuǎn)部分）做相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為高空作業(yè)車的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)車的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而設(shè)置的機(jī)構(gòu)稱為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。它是由液壓馬達(dá)經(jīng)減速器將動(dòng)力傳遞到回轉(zhuǎn)小齒輪上，小齒輪既作自轉(zhuǎn)又作沿著固定在底架上的回轉(zhuǎn)支承大齒圈公轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)整個(gè)上車部分回轉(zhuǎn)。有了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使高空作業(yè)車從面作業(yè)范圍又?jǐn)U大為一定空間的作業(yè)范圍。高空作業(yè)車在工作臂起伏時(shí)，工作斗與水平面夾角必須保持相對(duì)穩(wěn)定，才能保證工山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論作人員正常工作。平衡機(jī)構(gòu)就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能。對(duì)于伸縮臂或混合臂型式的高空作業(yè)車，通常有自重平衡、液壓伺服缸平衡、電液平衡幾種方式。高空作業(yè)車的行走機(jī)構(gòu)就是通用或?qū)Ｓ闷嚨妆P。金屬結(jié)構(gòu)工作臂、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、副車架（車架大梁，門架、支腿等）金屬結(jié)構(gòu)是高空作業(yè)車的重要組成部分。高空作業(yè)車的各工作機(jī)構(gòu)的零部件都是安裝或支承在這些金屬結(jié)構(gòu)上的。金屬結(jié)構(gòu)是高空作業(yè)車的骨架。它承受高空作業(yè)車的自重以及作業(yè)時(shí)的各種外載荷。組成高空作業(yè)車金屬結(jié)構(gòu)的構(gòu)件較多，其重量通常占整機(jī)重量的一半以上，耗鋼量大。因此高空作業(yè)車金屬結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)減輕高空作業(yè)車自重，提高作業(yè)性能，節(jié)約鋼材，提高高空作業(yè)車的可靠性都有重要意義。動(dòng)力裝置動(dòng)力裝置是高空作業(yè)車的動(dòng)力源。由于高空作業(yè)車采用汽車底盤作為行走機(jī)構(gòu)，通常不再另外設(shè)置動(dòng)力源，而是直接采用汽車底盤發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的動(dòng)力源。高空作業(yè)裝置需要的功率不大，一般約10kw到20kw,而載重汽車底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的功率根據(jù)載重量不同從50kw一直到150kw以上，且高空作業(yè)裝置工作時(shí)不允許底盤行駛，因此底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力足以保證高空作業(yè)裝置工作。因?yàn)楦呖兆鳂I(yè)裝置需要功率不大，通常高空作業(yè)車采用變速箱取力方式，通過安裝在底盤變速箱側(cè)面的取力器取出發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)液壓油泵向高空作業(yè)裝置供油。取力系統(tǒng)中還設(shè)置控制裝置，在底盤行駛時(shí)，取力器沒有輸出，液壓油泵不工作，需要進(jìn)行高空作業(yè)時(shí)，取力器輸出，油泵工作。控制系統(tǒng)高空作業(yè)車控制系統(tǒng)解決各機(jī)構(gòu)怎樣運(yùn)動(dòng)的問題。如動(dòng)力傳遞的方向，各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的快慢，以及使機(jī)構(gòu)啟動(dòng)停止等?？刂葡到y(tǒng)包括操縱裝置、執(zhí)行元件和安全裝置。當(dāng)今的高空作業(yè)車全部采用電氣液壓操縱，因此控制裝置包括各種液壓操作閥，電控裝置等，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的起動(dòng)、調(diào)速、換向、制動(dòng)和停止。執(zhí)行元件包括變幅用的液壓油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、油泵等，用來推動(dòng)結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。安全裝置包括各種傳感器、行程開關(guān)、報(bào)警器、液壓鎖止閥，用來檢測(cè)危險(xiǎn)工況，保證工作安全。高空作業(yè)車舉升臂機(jī)構(gòu)是高空作業(yè)車的工作機(jī)構(gòu),對(duì)舉升臂各個(gè)關(guān)節(jié)的控制目前一般采用液壓控制系統(tǒng)。其中對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)頻繁且需要速度可調(diào)的舉升臂關(guān)節(jié)，可采用伺服閥控制的液壓馬達(dá)或油缸系統(tǒng)，以及比例閥控制的液壓馬達(dá)或油缸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)舉升臂速度的調(diào)節(jié)。但由于電液伺服器件價(jià)格過于昂貴，對(duì)油質(zhì)要求十分嚴(yán)格，控制損失（閥壓降）山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論較大，使伺服閥很難在舉升臂液壓控制系統(tǒng)中應(yīng)用。由于比例閥相對(duì)于伺服閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、廉價(jià)、節(jié)能、抗污染、適應(yīng)大功率控制及具有一定控制精度的優(yōu)點(diǎn)，另一方面，開關(guān)型換向閥如電磁閥等雖然更為簡(jiǎn)單便宜，但其控制精度太低，不能調(diào)速，因而比例閥在舉升臂速度控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。1.2電液比例控制技術(shù)概況電液比例技術(shù)的發(fā)展背景及特點(diǎn)現(xiàn)代電液控制技術(shù)的發(fā)展追溯到二次大戰(zhàn)時(shí)期。由于軍事需要，對(duì)武器和飛機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究取得了很大的進(jìn)步。戰(zhàn)爭(zhēng)后期，噴氣技術(shù)取得突破性進(jìn)展。由于噴氣式飛行器速度很高，因此對(duì)控制系統(tǒng)的快速性、動(dòng)態(tài)精度和功率一重量比都提出了更高的要求。工程需要是現(xiàn)代電液控制技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。1940年底在飛機(jī)上首先出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)，其滑閥由伺服電機(jī)拖動(dòng)，慣量很大，限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。50年代初出現(xiàn)了高速響應(yīng)的永磁式力矩馬達(dá)。50年代后期又出現(xiàn)了以噴嘴擋板閥作為先導(dǎo)級(jí)的電液伺服閥，使電液伺服系統(tǒng)成為當(dāng)時(shí)響應(yīng)最快、控制精度最高的伺服系統(tǒng)。60年代各種結(jié)構(gòu)的伺服閥相繼問世，電液伺服閥技術(shù)已日臻成熟。60年代后期人們對(duì)工藝過程控制提出了更高的要求?，F(xiàn)代電子技術(shù)特別是微電子集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為工程控制系統(tǒng)提供了充分而且廉價(jià)的現(xiàn)代電子裝置，各類民用工程對(duì)電液控制技術(shù)的需求更加迫切和廣泛。傳統(tǒng)的電液伺服閥對(duì)流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻，制造成本和維修費(fèi)用較高，系統(tǒng)能耗也較大，難以為各工業(yè)用戶所接受，而傳統(tǒng)的開關(guān)控制又不能滿足高質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求。因此，人們希望開發(fā)出一種可靠、廉價(jià)、控制精度和響應(yīng)特性均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際需要的電液控制技術(shù)【支從1967年瑞士布林格爾公司生產(chǎn)KL比例復(fù)合閥起，到70年代初日本油研公司申請(qǐng)了壓力和流量比例閥二項(xiàng)專利為止，是比例閥的誕生時(shí)期。這一階段的比例閥，僅是將比例型的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器（如比例電磁鐵）用于工業(yè)液壓閥，以代替開關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則幾乎沒有變化，大多不含受控反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在1?5Hz之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在4?7%之間，多用于開環(huán)控制。1975-1980年間，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第二階段。采用各種內(nèi)反饋原理的比例元件大量問世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上也日趨成熟，比例元件的工作頻寬已達(dá)5-15HZ,穩(wěn)態(tài)滯環(huán)也減小到3%左右。其應(yīng)用領(lǐng)域日漸擴(kuò)大，開環(huán)閉環(huán)均可適山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論用叫80年代以來，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第三階段。比例元件的設(shè)計(jì)原理進(jìn)一步完善，采用了壓力、流量、位移內(nèi)反饋及電校正等手段。在80年代末、90年代初，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，比例技術(shù)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。除了因制造成本所限，比例閥在中位仍保留死區(qū)以外，它的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥無異。另一項(xiàng)重大進(jìn)展是，比例技術(shù)開始和插裝閥相結(jié)合，形成了80年代電液比例插裝技術(shù)。同時(shí)，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了電液一體化的比例元件，電液比例技術(shù)逐步形成了80年代的集成化趨勢(shì)。同時(shí)電液比例容積元件，各類比例控制泵和執(zhí)行元件也相繼出現(xiàn)。因此，從電液比例技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，電液比例技術(shù)發(fā)展到目前階段，己經(jīng)能用伺服比例閥替代傳統(tǒng)的伺服閥，用于大多數(shù)的工業(yè)控制中。由于伺服比例閥在使用時(shí)對(duì)油液清潔度的要求只需NAS7~9級(jí)⑸，而價(jià)格又遠(yuǎn)低于相同參數(shù)的伺服閥，使其進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力很強(qiáng)。從而采用新的伺服比例閥替代噴嘴擋板閥在工業(yè)領(lǐng)域是理所當(dāng)然的事情，在國(guó)內(nèi)推廣也只是時(shí)間的問題，這將給用戶帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。L2.2電液比例系統(tǒng)及其組成電液比例控制的核心是比例閥。電子放大器根據(jù)一個(gè)輸入電信號(hào)電壓值的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)，這個(gè)電流信號(hào)作為輸入量被送入比例電磁鐵，電磁鐵將此電流轉(zhuǎn)換為作用于滑閥芯/錐閥芯上的力，以克服彈簧的彈力。電流增大，輸出的力相應(yīng)增大，該力或位移又作為輸入量加給液壓閥，后者產(chǎn)生一個(gè)與前者成比例的流量或壓力。電磁鐵斷電后，復(fù)位彈簧使閥芯返回中位。通過這樣的轉(zhuǎn)換，輸入電信號(hào)的變化，不但可以控制執(zhí)行器和工作部件的運(yùn)動(dòng)方向，而且可對(duì)其作用力和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行無級(jí)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的輸出量與給定值保持在允許的范圍之內(nèi)，與此同時(shí)輸出功率被大幅度的放大。其控制系統(tǒng)框圖見圖1.1⑹。由圖1.1可知組成電液比例控制系統(tǒng)的基本元件有：指令元件、比較元件、比例放大器、比例閥、液壓執(zhí)行元件及檢測(cè)反饋元件等。以上各組成部分中，液壓控制元件（如比例閥）、執(zhí)行元件和負(fù)載的作用是密切相關(guān)的，把三者的關(guān)系稱之為液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)。此外，系統(tǒng)中還可能含有各種校正裝置，用來改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。圖1.1電液比例控制系統(tǒng)Fig.1.1Electrohydraulicproportionalcontrolsystem1.2.3電液比例控制系統(tǒng)的特點(diǎn)電液比例控制是指用輸入的電信號(hào)來調(diào)制液壓參數(shù)，使之連續(xù)成比例的變化?？捎糜陂_環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行快速、穩(wěn)定和精確的控制團(tuán)。比例控制技術(shù)是在開關(guān)技術(shù)和伺服控制技術(shù)之間的過渡技術(shù)。從控制特性看，更接近伺服控制系統(tǒng)；從抗污染、可靠性和經(jīng)濟(jì)性看，更接近開關(guān)控制系統(tǒng)。因此它兼有二者的許多優(yōu)點(diǎn)。具有控制原理簡(jiǎn)單、控制精度高、抗污染能力強(qiáng)、價(jià)格適中等特點(diǎn)，受到人們的普遍重視。它是在普通液壓閥基礎(chǔ)上，用比例電磁鐵取代閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或普通電磁鐵，采用比例放大器控制比例電磁鐵，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥連續(xù)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力、流量及方向的無級(jí)調(diào)節(jié)。它的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：）可明顯地簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)，減少液壓元件的使用，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程序控制；）利用電信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)自控、程控、遙控；）工作平穩(wěn)，利用反饋可以提高控制精度或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標(biāo)；）能按輸入電信號(hào)的正負(fù)和數(shù)值大小同時(shí)實(shí)現(xiàn)液流的流量、壓力的比例控制，從而對(duì)執(zhí)行器件實(shí)現(xiàn)方向、速度和力的連續(xù)控制，并易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少，維護(hù)和保養(yǎng)方便；6）便于機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論電液比例控制的主要缺點(diǎn)是：與開關(guān)控制相比，其成本較高，技術(shù)較復(fù)雜；與伺服系統(tǒng)相比，其控制精度低，組成的閉環(huán)系統(tǒng)易產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)。1.3電液比例控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)電液比例控制技術(shù)的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外電液比例技術(shù)的研究始于本世紀(jì)四十年代到七十年代投入了廣泛的工業(yè)應(yīng)用，至今己形成完整的產(chǎn)品品種、規(guī)格系列，并對(duì)己成熟的產(chǎn)品，為進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用，在保持原基本性能與技術(shù)指標(biāo)的前提下，向著簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性、降低制造成本的方向發(fā)展網(wǎng)。國(guó)外電液比例技術(shù)己經(jīng)成熟，并有了推廣運(yùn)用，比如波克蘭叉車使用了電液比例控制系統(tǒng)，又如德國(guó)博世公司開發(fā)的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)液壓提升器電子控制系統(tǒng)，引入了比例閥等。液壓工業(yè)己成了全球性的工業(yè)，國(guó)際液壓界一些著名公司如美國(guó)的派克漢尼汾公司、德國(guó)的力士樂公司等居世界領(lǐng)先地位。電液比例控制的理論研究和技術(shù)的發(fā)展是液壓工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的大趨勢(shì)，是液壓工業(yè)又一個(gè)新的技術(shù)熱點(diǎn)和增長(zhǎng)點(diǎn)。電液比例控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)于電液比例控制技術(shù)，國(guó)內(nèi)不僅己開展研究而且己經(jīng)達(dá)到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，但目前國(guó)內(nèi)的制造和技術(shù)還落后于國(guó)際水平。我國(guó)電液比例技術(shù)到七十年代中期開始發(fā)展，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用、尤其在工程機(jī)械上的開發(fā)應(yīng)用才剛起步。總的來看，我國(guó)電液伺服比例技術(shù)與國(guó)際水平相比有較大差距，主要表現(xiàn)在：缺乏主導(dǎo)系列產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格雜亂，品種規(guī)格不全，各類比例泵、比例閥等，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的品種少，并缺乏足夠的工業(yè)性試驗(yàn)研究；在控制技術(shù)方面，自動(dòng)化程度不高，性能水平較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，可靠性較差等，都有礙于該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大應(yīng)用，急待盡快提高。電液比例控制技術(shù)的國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)陰口?！繃?guó)外近年來，電液比例技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：(1)提高控制性能，適應(yīng)機(jī)電液一體化主機(jī)的發(fā)展。提高電液比例閥及遠(yuǎn)控多路閥的性能使之適應(yīng)野外工作條件，并發(fā)展低成本比例閥。(2)比例技術(shù)與二通和三通插裝技術(shù)相結(jié)合，形成了比例插裝技術(shù)，此外出現(xiàn)比例容積控制，為中、大功率控制系統(tǒng)節(jié)能提供新手段。⑶電子控制器向著專用集成電路方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)小型化、組合化，并達(dá)到高可靠性目的。⑷電液比例閥向通用化、模塊化、組合化、集成化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，降低制造成本，開發(fā)變量泵控制專用電液比例閥，以及閥與泵的結(jié)構(gòu)性能匹配設(shè)計(jì)。（5）電液比例技術(shù)的主要基礎(chǔ)元件的相互銜接愈來愈密切，零部件通用化程度不斷提高。課題背景與意義山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心承擔(dān)了國(guó)家863計(jì)劃課題"配電作業(yè)帶電作業(yè)機(jī)器人”和山東省重大科技項(xiàng)目"新型帶電作業(yè)機(jī)器人”的研究與設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目是為了克服當(dāng)今電力行業(yè)人工帶電作業(yè)危險(xiǎn)性大、經(jīng)濟(jì)效益損失較大等缺陷，提高帶電作業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平而設(shè)計(jì)的。本論文以此為背景，通過對(duì)提供配電帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)的高空作業(yè)車舉升臂系統(tǒng)的分析與研究，結(jié)合電液比例技術(shù)，設(shè)計(jì)一套電液比例控制系統(tǒng)，適應(yīng)于高空作業(yè)車舉升臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本論文根據(jù)高空作業(yè)車舉升臂各關(guān)節(jié)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以電液比例閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及負(fù)載的特性，構(gòu)建系統(tǒng)傳遞函數(shù)，分析其動(dòng)態(tài)特性，分析減小比例閥中位死區(qū)的方法，達(dá)到改善高空作業(yè)車舉升臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的目的。論文主要內(nèi)容針對(duì)高空作業(yè)車舉升臂的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并就比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，減小比例閥中位死區(qū)的方法，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾個(gè)問題做以下工作。1）對(duì)高空作業(yè)車舉升臂的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，電液比例控制系統(tǒng)發(fā)展背景、特點(diǎn)、現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)研；2）建立高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，這是分析和研究舉升臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。3）根據(jù)需要頻繁操作的高空作業(yè)車舉升臂腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和伸縮臂伸縮關(guān)節(jié)動(dòng)作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。4）建立比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。5）分析比例閥的死區(qū)特性，研究減小比例閥中位死區(qū)影響的方法。并將減小中位死區(qū)影響的線性化方法應(yīng)用于比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。6）比例閥控馬達(dá)閉環(huán)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。7）對(duì)設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案及液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。8）總結(jié)及展望。2高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模高空作業(yè)車概述本論文所涉及的高空作業(yè)車整機(jī)包括汽車底盤在內(nèi)，共有七個(gè)系統(tǒng)部件組成（如圖2-1）:移動(dòng)行走系統(tǒng)部件（含汽車底盤）、腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部件、伸縮臂機(jī)構(gòu)部件、俯仰機(jī)構(gòu)部件、作業(yè)支撐平臺(tái)部件、液壓控制系統(tǒng)部件、電器控制及操作系統(tǒng)部件。作業(yè)支梯平臺(tái)圖2.1升降系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組成作業(yè)支梯平臺(tái)圖2.1升降系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組成Fig.2.1Structureofrise-dropsystem其中舉升臂機(jī)構(gòu)共有五個(gè)自由度。下面我們根據(jù)分析關(guān)節(jié)式機(jī)器人的方法來分析舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究機(jī)器人相對(duì)于機(jī)座坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的關(guān)系，重點(diǎn)研究關(guān)節(jié)變量與機(jī)器人末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)的關(guān)系。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和研究的基礎(chǔ)。D-H表示法在諸多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型采用的對(duì)機(jī)器人連桿進(jìn)行幾何描述的方法中， Denavit-Hartenburg表示方法（簡(jiǎn)稱D-H法）皿是一種應(yīng)用比較廣泛的方法。D-H模型表示了對(duì)山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種常用方法，可用于任何機(jī)器人構(gòu)型，而不管機(jī)器人的結(jié)構(gòu)順序和復(fù)雜程度如何，而且D-H表示法有其附加的好處，使用它已經(jīng)開發(fā)了許多技7^[12][13][14][15][16]0D-H表示法中D-H坐標(biāo)系的建立是關(guān)健。D-H坐標(biāo)系是一種建立桿坐標(biāo)系的方法卬】。以轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)聯(lián)接的桿系為例，如圖2.2所示。定義an為關(guān)節(jié)n的軸線與關(guān)節(jié)n+1的軸線間公垂線的長(zhǎng)度；“為垂直于an的平面內(nèi)上述兩軸線間的夾角；dn為關(guān)節(jié)軸n與n+1的公垂線及軸n與n-1的公垂線之間沿軸n的距離；仇為垂直于關(guān)節(jié)軸n的平面內(nèi)上述兩公垂線的夾角。按D-H法，取坐標(biāo)系n的乙軸與關(guān)節(jié)軸n+1重合；Xn軸沿an從關(guān)節(jié)n指向關(guān)節(jié)n+1;Yn軸可按右手法則確定，圖中一般不畫出；n系的原點(diǎn)位于an與關(guān)節(jié)軸n十1的交點(diǎn)處。圖2.2DH方;卻§述機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連桿示意圖Fig.2.2SketchmapofDHmethoddepictstheturningjoints如果定義上述坐標(biāo)系〃相對(duì)于坐標(biāo)系〃1的變換矩陣為連桿變換矩陣4,則4等于四個(gè)坐標(biāo)變換對(duì)應(yīng)的齊次矩陣乘積，即：oo4Q1Qflooo4Q1QfloOX-1助naQoon^1oooqoons-

c

o00 0 001 0001 00 0 11 0n-Sn S爐〃an。nCn -C0fn(2.1)Cn。〃 ,"0Cnd”s 0100從上面D-H坐標(biāo)系的描述中知道，在D-H表示法中，采用四個(gè)參量來描述機(jī)械手的連桿，其中兩個(gè)參數(shù)描述一個(gè)連桿，即公共法線距離an,和垂直于an所在平面內(nèi)兩軸的夾角“；另外兩個(gè)參數(shù)來表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對(duì)位置dn和兩連桿法線的夾角*即坳。D-H表示法通過四個(gè)參數(shù)an, ,4,“，就把連桿以及連桿之間的空間關(guān)系進(jìn)行了清楚表達(dá)，因而是一種方便實(shí)用的方法。2.3高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型高空作業(yè)車舉升臂共有五個(gè)自由度（如圖2.3）:偏仰對(duì)柏 縱向般缸圖2.3升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理Fig.2.3Athleticstheoryofrise-dropsystem(1)腰部機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；承擔(dān)整個(gè)高空作業(yè)車機(jī)械臂水平范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，它決定機(jī)械臂前端作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)寬度。(2)伸縮臂的俯仰運(yùn)動(dòng)；(3)伸縮臂的伸縮運(yùn)動(dòng);伸縮臂的俯仰運(yùn)動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)共同決定作業(yè)平臺(tái)的高度 .(4)俯仰機(jī)構(gòu)在垂直面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)；保證實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)工作時(shí)的水平姿態(tài)，并同時(shí)提供作業(yè)平臺(tái)在垂直面內(nèi)的小角度微調(diào)。(5)作業(yè)平臺(tái)在水平面內(nèi)的左右轉(zhuǎn)動(dòng);為用戶在操作平臺(tái)上提供一個(gè)自由度的操作空間。下面根據(jù)建立機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的方法建立高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。當(dāng)然，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不是唯一的，我們只是建立了其中的一種。從關(guān)節(jié)1開始，馬表示第一個(gè)關(guān)節(jié)，它是一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。選擇M與參考坐標(biāo)系的x軸平行，這樣做僅僅是為了方便，毛是一個(gè)固定的坐標(biāo)系，表示機(jī)器人的基座，它是不動(dòng)的。第一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是圍繞著4毛軸進(jìn)行的，但這兩個(gè)軸并不運(yùn)動(dòng)。接下來，在關(guān)節(jié)2處設(shè)定為,彳垂直于4和為。電在4和馬之間的公垂線方向上，國(guó)在馬和馬之間的公垂線方向上，類似地，々在馬和馬之間的公垂線上。最后馬和毛是平行且共線的?！┍硎娟P(guān)節(jié)5的運(yùn)動(dòng)，而為表示末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。圖2.4是當(dāng)基臂和伸縮臂兩關(guān)節(jié)與水平面平行時(shí)畫出的舉升臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型圖例。圖中相應(yīng)也標(biāo)出了各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的關(guān)節(jié)變量。圖2.4舉升臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.2.4KinematicalModelofRise-dropArm接下來，我們將根據(jù)已建立的坐標(biāo)系來填寫表2.1中的參數(shù)。從4七開始，有一山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 高空作業(yè)車舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模個(gè)繞4軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將用轉(zhuǎn)到了可，為使得M與為軸重合，需要沿4軸平移4，使得電和古共線，沿％平移q使得而和4的原點(diǎn)重合，還需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)將4轉(zhuǎn)到4,旋轉(zhuǎn)是根據(jù)右手規(guī)則進(jìn)行的，即將右手手指按旋轉(zhuǎn)的方向彎曲，大拇指的方向則為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的方向。這樣就將4飛變換到了個(gè)私接下來，繞4旋轉(zhuǎn)2，將4轉(zhuǎn)到了.，然后沿4軸移動(dòng)距離0,使得通電軸共線，沿七軸平移距離為0,使得肝口毛的原點(diǎn)重合，繞電軸旋轉(zhuǎn)90度使得口軸與馬軸對(duì)準(zhǔn)。按照這樣的步驟繼續(xù)做下去，就能得到所需要的結(jié)果。根據(jù)圖2.4舉升臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析出各個(gè)關(guān)節(jié)的D-H參數(shù)，見表2.1。表2.1D-H參數(shù)Table2.1D-HparameterGdaa19i0al90202009030d30-904040a4-90505000根據(jù)表中的參數(shù)和公式2.1可以求出連桿變換矩陣：c1 0s[a]c1(2.2)(2.3)TOC\o"1-5"\h\zac0 -a(2.2)(2.3)4sle 1?c10 1 0 d10 0 0 1c20s2042 s2。-C2 °A2 010000 0 1000TOC\o"1-5"\h\z4 :;二 (2.4)*1ud?

001C40 -S4a4c4as40fos4 (2.5)4 0-1 0 Q00 0 1c5-s00s5 500 (2.6)A5QC5100 0010作業(yè)平臺(tái)到機(jī)器人基座的變換為：4Ox Pxo 勺OyHyPy5TA4AAA (Z7)nzOzazp2000 1在實(shí)際操作過程中，腰部機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和伸縮臂的伸縮運(yùn)動(dòng)兩個(gè)關(guān)節(jié)臂動(dòng)作比較頻繁，而且要求速度可調(diào)，因而我們主要針對(duì)這兩個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)及其對(duì)這兩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究。(2.8)腰部機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)到機(jī)器人基座之間的變換為：(2.8)c1 0a.s*°TA10-S1Cf?1 101 0di00 01從腰部機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)到機(jī)器人基座之間的變換矩陣可以看出該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)只與該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變量?有關(guān)。伸縮臂的伸縮運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)到汽車基座的總變換矩陣為：

4Oxa*Px0°yayPy3TAAA7QaP0001c1 0s1a￡1c2S0 1000S, °一as0 ( 00010-c010di010-1000d0001001001C[C2 - Sc152S2 -C[C2 - Sc152S2 -d3ca〔cds31Sas11(2.9)式中的1Px4cls210 ■d3c2 40 1(2.10)Py4s1$2鄧ip：4c24從上面三個(gè)式子可以看出，伸縮臂的伸縮運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)相對(duì)于基座的運(yùn)動(dòng)不僅與該關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量4有關(guān)而且還與前兩個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量?和2相關(guān)。在后面電液比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)分析及控制系統(tǒng)部分，?和4一般作為控制量，在位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋量也是由1和4的大小確定。2.4小結(jié)本章對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模過程進(jìn)行了分析，主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述：Q）D-H表示法是一種方便、實(shí)用的機(jī)器人連桿表示方法。（2）建立了高空作業(yè)車

舉升臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。本章內(nèi)容是分析機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是進(jìn)行高空作業(yè)車舉升臂系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)方案選擇和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容。3液壓比例控制方案分析液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部分主要是為高空作業(yè)車舉升臂各關(guān)節(jié)提供驅(qū)動(dòng)力。由于腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和伸縮臂伸縮運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)需要頻繁操作，而且在操作過程中要求速度可調(diào)，因而我們主要針對(duì)這兩個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)是本控制平臺(tái)的動(dòng)力部分，液壓部分性能的好壞決定了整個(gè)系統(tǒng)的基本性能。在確定最終方案以前，提出了幾種方案與導(dǎo)師進(jìn)行討論。在確定各種方案時(shí)，閥的選擇對(duì)于液壓系統(tǒng)而言是關(guān)鍵，它又決定著整個(gè)液壓部分的基本性能，故在方案論證時(shí)，閥的選用是討論的主體。3.1液壓系統(tǒng)方案分析方案一：普通電磁換向閥和調(diào)速閥的組合。電磁方向閥電磁方向閥2圖3.1普通電磁方向閥和調(diào)速閥組合液壓原理圖directionalvalve&Timingvalvesystem液壓系統(tǒng)回路組成如圖3.1所示。在此方案中，采用三位四通電磁換向閥控制馬達(dá)山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文液壓比例控制方案分析的轉(zhuǎn)向，而馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)依靠普通調(diào)速閥進(jìn)行。該液壓回路可實(shí)現(xiàn)的功能是:通過馬達(dá)軸與機(jī)器人關(guān)節(jié)軸相連，機(jī)器人關(guān)節(jié)在馬達(dá)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。依靠三位四通方向閥調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向，依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)的調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度的改變。該系統(tǒng)的缺點(diǎn):由于該方案中采用的調(diào)速閥只能用手動(dòng)調(diào)節(jié)，這種方式不符合計(jì)算機(jī)自動(dòng)化數(shù)字控制所要求的基本條件一用電流或者電壓調(diào)控受控元件的各種參數(shù)12叫所以表面上，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，但是，其中各種無級(jí)調(diào)速參數(shù)的調(diào)節(jié)必須人為參與，即在需要速度改變時(shí)，由操作工人用手工進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不是在計(jì)算機(jī)的程序指令控制下進(jìn)行。方案二：電液伺服閥液壓系統(tǒng)［21圖3.2電液伺服閥液壓系統(tǒng)原理圖Electrohydraulicservovalvesystem液壓回路如圖3.2所示。電磁伺服閥是一種高性能、高精度、高頻響應(yīng)的電液轉(zhuǎn)換部件，也是電液伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和良好的靜態(tài)特性。電液山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 液壓比例控制方案分析伺服閥的頻寬通常在50Hz以上，有些高頻響應(yīng)伺服閥其頻寬可達(dá)幾KHZ,它多用于要求響應(yīng)速度快、控制精度高的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。電磁伺服系統(tǒng)就是用電液伺服閥作電液轉(zhuǎn)換及控制組件，用液壓執(zhí)行組件作驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)位置、速度和力（壓力）等機(jī)械量進(jìn)行閉環(huán)控制。電液伺服系統(tǒng)的工作原理是把輸入信號(hào)與被控制量的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，將其差值（及控制偏差）傳送給控制裝置，以改變液壓執(zhí)行組件的輸入壓力或流量，使負(fù)載向著減小信號(hào)偏差的方向動(dòng)作。電液伺服系統(tǒng)按輸入信號(hào)形式的不同，可以分為模擬型伺服系統(tǒng)，數(shù)字型伺服系統(tǒng)。由于電液伺服閥器件的價(jià)格過于昂貴，對(duì)油質(zhì)要求十分嚴(yán)格【22】，控制損失（閥壓降）較大，而且為配合伺服閥的高精度，高靈敏性，在伺服液壓系統(tǒng)中必須采用高性能伺服馬達(dá),此種伺服馬達(dá)應(yīng)具有啟動(dòng)壓力低，低速平穩(wěn)，密封件壽命長(zhǎng)，無滲漏等特點(diǎn)。因而伺服技術(shù)一般應(yīng)用在高精度，快速響應(yīng)的領(lǐng)域中，如航空，航天，軋鋼等領(lǐng)域。由于高空作業(yè)車舉升臂并不要求較高的控制精度和響應(yīng)特性，而比例方向閥相對(duì)于伺服閥具有結(jié)構(gòu)緊湊，廉價(jià)，節(jié)能，抗污染，適合大功率控制及具有一定控制精度的優(yōu)點(diǎn)，因而很自然的想到用比例方向閥代替伺服閥即方案三。方案三：用比例方向閥組成液壓系統(tǒng)。液壓回路畫［24］如圖3.3所示。直接控制式比例方向閥能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)方向控制和流量比例控制的復(fù)合功能，這類閥具有三個(gè)或三個(gè)以上的通口，主閥大多采用三位四通閥，輸入信號(hào)可以是電信號(hào)，也可以是機(jī)械信號(hào)或氣動(dòng)信號(hào)，本方案采用電信號(hào)作為輸入信號(hào)。比例控制技術(shù)是在開關(guān)控制技術(shù)和伺服控制技術(shù)之間的過度技術(shù)，具有控制原理簡(jiǎn)單、控制精度高、抗污染能力強(qiáng)、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的重視，使該技術(shù)得到飛速發(fā)展。比例閥的技術(shù)特點(diǎn)有：比例閥的換向過程是可控的，設(shè)定值可無級(jí)調(diào)節(jié)，達(dá)到一定控制要求所需的液壓組件少，從而降低了液壓回路的材料消耗。使用比例閥可迅速、精確地實(shí)現(xiàn)工作過程，滿足切換過程要求。通過控制切換過渡過程，可避免尖峰壓力，延長(zhǎng)機(jī)械和液壓組件的壽命。用來控制方向、流量和壓力的電信號(hào)，通過比例器件直接加給執(zhí)行組件，使液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善［251［26）。圖3.3電液比例閥液壓原理圖

Fig.3.3Electrohydraulicproportionalvalvesystem

比例控制技術(shù)基本工作原理是:根據(jù)輸入電信號(hào)電壓值的大小，通過放大器，將該輸

入電壓信號(hào)（0~±5V之間）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)。這個(gè)電流信號(hào)作為輸入量被送入比

例電磁鐵的電磁線圈，從而產(chǎn)生和輸入信號(hào)成比例的輸出量一力或位移。該力或位移又作

為輸入量加給比例閥，后者產(chǎn)生一個(gè)與前者成比例的流量或壓力。通過這樣的轉(zhuǎn)換，

一個(gè)輸入電壓信號(hào)的變化，不但能控制執(zhí)行組件和機(jī)械設(shè)備上工作部件的運(yùn)動(dòng)方向，而

且可對(duì)其作用力和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。此外，還可以對(duì)相應(yīng)的時(shí)間過程，例如在一

段時(shí)間內(nèi)流量的變化，加速度的變化或減速度的變化等進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。比例方向閥選用額定工作壓差一般比電液伺服閥低一個(gè)數(shù)量級(jí)，單閥口壓降約在0.25Mp~0.8Mp之間，采用電液比例方向閥的系統(tǒng)能耗和溫升遠(yuǎn)比采用電液伺服閥的系統(tǒng)低。另外可以根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，象普通換向閥那樣，采用不同的滑閥中位機(jī)能。電液比例方向閥滯環(huán)、重復(fù)精度、分辨能力以及線性度等同電液伺服閥相當(dāng)，但動(dòng)山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文態(tài)響應(yīng)要比高性能伺服閥稍低，-3dB頻寬一般在3~25Hz。此外電液比例方向流量閥可用于開環(huán)，也可用于閉環(huán)。它和電液伺服閥的使用要求不同，往往在較大的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)運(yùn)行。故控制回路中的非線性因素不能忽略，需要同時(shí)考慮其時(shí)域和頻域的動(dòng)態(tài)特性。雖然比例閥價(jià)格相對(duì)于伺服閥價(jià)格低很多，但相對(duì)于開關(guān)閥來說價(jià)格仍然比較高。特別是對(duì)于多自由度機(jī)器入關(guān)節(jié)，如果一個(gè)關(guān)節(jié)采用一個(gè)比例閥，就需要多個(gè)比例閥，為進(jìn)一步降低成本，如果能夠在液壓總回路采用一個(gè)二位四通比例閥調(diào)節(jié)速度，各支路上采用三位四通方向閥調(diào)節(jié)方向，那么就可以減少比例閥的使用數(shù)量。而且由于比例閥只調(diào)節(jié)速度不調(diào)方向，因而可以避免中位死區(qū)的影響。根據(jù)這種想法提出了方案四。方案四：比例流量控制閥和普通換向閥組成的液壓系統(tǒng)圖3-4電液比例閥，電磁方向閥液壓原理圖Fig.3.4Proportionalvalve&directionalvalvesystem液壓回路如圖3.4所示。在此方案中，應(yīng)用比例調(diào)速閥進(jìn)行速度（流量）控制，這種閥可以由電流或電壓控制。用普通電磁方向閥控制換向，以期同時(shí)實(shí)現(xiàn)流量和方向控制,山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 液壓比例控制方案分析實(shí)現(xiàn)精密控制。本系統(tǒng)中通過計(jì)算機(jī)指令的配合，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的隨動(dòng)定位。該方案中，采用二位四通比例閥連接在液壓油路的總回路上，通過對(duì)該閥閥口開度大小的控制可以控制液壓回路總回路上的流量，從而控制流過各支路流量的大小，達(dá)到控制執(zhí)行器速度大小的目的。執(zhí)行器方向的控制是通過控制連接在各液壓支路上的三位四通方向閥實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的操作過程中，高空作業(yè)車舉升臂各個(gè)關(guān)節(jié)一般是分時(shí)動(dòng)作，因而通過一個(gè)比例閥多個(gè)方向閥可實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)方向和速度的控制。液壓比例控制系統(tǒng)方案選擇從表3.1中可以看出:電液比例元件的性能已經(jīng)有了顯著的提高，除電液比例元件具有中位死區(qū)之外，在穩(wěn)態(tài)滯環(huán)、重復(fù)精度等主要穩(wěn)態(tài)性能上己與伺服閥相當(dāng)，工作頻寬又具有足以滿足大部分工業(yè)系統(tǒng)控制要求的相當(dāng)水平；而介質(zhì)過濾精度要求、閥內(nèi)壓力損失和價(jià)格方面接近于開關(guān)閥。表3.1比例閥，普通開關(guān)閥和伺服閥性能比較Table3.1Theperformanceofproportionalvalve,switchvalve&servovalve特性比例閥普通開關(guān)閥伺股閥介質(zhì)過濾精度/um20253閥內(nèi)壓降/MPa0.5-20.25-57穩(wěn)態(tài)滯環(huán)（％）1-3—1重復(fù)精度（%）0.5-1—0.5頻寬(Hz/-3Db)25—20-200中位死區(qū)有有無價(jià)格因子10.53綜合上述信息，方案一首先被否定，雖然這個(gè)方案最經(jīng)濟(jì)，但是因?yàn)檫@個(gè)方案不符合計(jì)算機(jī)控制的基本要求，其參數(shù)（流量）需要人工進(jìn)行調(diào)節(jié)。方案二在上述四種方案中材料消耗最小，液壓回路最簡(jiǎn)潔，而且控制性能最佳，控制精度最高，但是，電液伺服系統(tǒng)造價(jià)也極為昂貴（至少為比例控制系統(tǒng)的3倍以上），山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文液壓比例控制方案分析同時(shí)，在使用條件的很多方面受到不同程度的限制（如介質(zhì)，過濾精度要求十分嚴(yán)格，液壓執(zhí)行器件性能也必須與其相適應(yīng)，必須選用高精度，高靈敏度的伺服馬達(dá)等才能真正發(fā)揮出伺服閥的優(yōu)勢(shì)來，同時(shí)根據(jù)高空作業(yè)車舉升臂的要求，實(shí)際不需要達(dá)到伺服閥實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)精度。方案三和方案四同為比例控制方案，比例閥控制的液壓系統(tǒng)中，中位死區(qū)較大，線性度不如伺服閥好，控制起來，靈敏度不如伺服閥高，同時(shí)閉環(huán)控制容易產(chǎn)生震蕩。但是比例方向閥的額定工作壓差比電液伺服閥低一個(gè)數(shù)量級(jí)，單閥口壓降約在0.25MPa到8Mpa之間，采用電液比例方向閥的系統(tǒng)能耗和溫升遠(yuǎn)比采用電液伺服閥的系統(tǒng)低。當(dāng)然，不足之處在于閥的幾何尺寸較電液伺服閥大。整體就性價(jià)比來說，比例液壓系統(tǒng)能滿足通常的工業(yè)需要。方案三利用三位四通比例方向閥既能通過換向來控制馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向，也能通過電流的大小來比例的控制流量（速度），屬于復(fù)合性控制。一個(gè)比例方向閥就可以替代比例調(diào)速閥和普通換向閥的組合，液壓回路相對(duì)簡(jiǎn)潔，閥的壓降小，能耗低。但該方案采用的比例閥的數(shù)量要隨關(guān)節(jié)數(shù)量的增加而增加，而且三位四通比例方向閥的中位死區(qū)影響不可避免。方案四采用二位四通比例閥作為整個(gè)液壓回路的調(diào)速元件，而在各個(gè)液壓支路上利用普通三位四通方向閥實(shí)現(xiàn)各個(gè)支路的換向動(dòng)作?？梢詼p少一個(gè)比例流量閥，而普通電磁換向閥比三位四通比例方向閥便宜，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。另外根據(jù)高空作業(yè)車舉升臂的操作特點(diǎn)，對(duì)比例閥的控制可以采用開環(huán)控制方式，即提高了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，而且也使得控制器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單化。同時(shí)比例閥由于采用二位四通閥只調(diào)節(jié)速度不調(diào)節(jié)方向因而可以避免比例閥中位死區(qū)的影響。這也是該方案最有意義的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于方案三的比例方向閥在一個(gè)回路中既能控制方向又能控制流量大小，因而在研究過程中可以簡(jiǎn)化單回路液壓系統(tǒng)，試驗(yàn)平臺(tái)上也具有兩路比例方向閥液壓回路，因而在研究過程中我們將通過對(duì)方案三和方案四的分別研究，比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，從而選出適合本課題的最佳方案。小結(jié)在本章中，根據(jù)實(shí)際工程中液壓回路的設(shè)計(jì)情況，在基于本課題的研究目的基礎(chǔ)上，提出了四個(gè)由不同核心液壓元件、不同回路組成的液壓系統(tǒng)，這四個(gè)系統(tǒng)由于核心液壓元件選擇的不同而具有不同的性能。山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文液壓比例控制方案分析因?yàn)楹诵脑男阅軈?shù)和不同功能決定了各個(gè)系統(tǒng)性能的差異以及回路構(gòu)成不同，所以以不同性能的液壓元件為討論的核心和出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而詳細(xì)的分析各液壓系統(tǒng)所具有的不同優(yōu)點(diǎn)和弊端。結(jié)合實(shí)際的要求和課題情況，在四種提交討論的液壓系統(tǒng)中選出最為合理的方案——比例閥和普通換向閥組成的液壓比例系統(tǒng)作為實(shí)際構(gòu)建的方案。4 比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型從上章比例閥控馬達(dá)液壓系統(tǒng)圖3.3中可以看出，系統(tǒng)是由兩路相同的比例閥控液壓馬達(dá)回路組成。本論文所研究的電液比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)是由比例放大器、電液比例方向閥、液壓馬達(dá)、角位移傳感器及負(fù)載組成。下面將通過電液比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)工作原理的分析來建立其數(shù)學(xué)模型［2力。比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)工作原理圖4.1所示為電液比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)框圖。圖4.1電液比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)框圖Fig.4.1Theframechartofelectrohydaulicproportionalvalvecontrolmotorsystem由圖4.1可知，組成閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的各基本元件及其作用如下：1）指令元件也稱輸入元件。它是給定位置控制信號(hào)（輸入信號(hào)）的產(chǎn)生元件。指令信號(hào)可以手動(dòng)設(shè)定或程序設(shè)定。在我們研究的控制系統(tǒng)中，指令元件是電位器，由電位器的輸出決XE汩 o2）比較元件它的作用是把給定輸入和反饋信號(hào)進(jìn)行比較彳導(dǎo)出偏差信號(hào)作為比例放大器的輸入。進(jìn)行比較的信號(hào)必須是同類型的，比例放大器的輸入量為電學(xué)量，因此反饋量也應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換為同類型的電學(xué)量。3）電液比例閥在比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)中關(guān)鍵的元件是電液比例閥。比例閥內(nèi)部可分為兩大部分，即電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器和液壓放大元件，還可能帶有閥內(nèi)的檢測(cè)反饋元件。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液的接口元件，它把經(jīng)過放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其電學(xué)量成正比的力或位移。這個(gè)輸出量改變了液壓放大級(jí)的控制液阻，經(jīng)過液壓放大作用，把不大的電氣控制信號(hào)放大到足以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載。這是整個(gè)系統(tǒng)的功率放大部分。電液控制的核心是電液比例閥。電液比例閥分直動(dòng)式和先導(dǎo)式兩種。由于本課題采用的是直動(dòng)式電液比例閥，下面簡(jiǎn)單介紹直動(dòng)式比例閥的工作原理。直動(dòng)式比例方向閥由比例電磁鐵直接推動(dòng)閥芯左右移動(dòng)來工作。如圖4.2所示，閥內(nèi)有兩只比例電磁鐵，由兩個(gè)對(duì)中彈簧定位。當(dāng)任一只電磁鐵通電后，電磁力直接作用在閥芯上,并與對(duì)中彈簧力平衡而定位在與信號(hào)成正比的位置上。對(duì)于三位閥，兩個(gè)電磁鐵同時(shí)通電是禁止?fàn)顟B(tài)。而兩個(gè)電磁鐵同時(shí)失電時(shí)，在對(duì)中彈簧的作用下處于中位，當(dāng)左面的電磁鐵收到信號(hào)時(shí)，信號(hào)使閥芯右移，其位移量比例于輸入信號(hào)，這時(shí)允許油液從P孔流向B孔以及從A孔流向T孔，如果節(jié)流口前后壓差保持不變，則通過的流量?jī)H與輸入信號(hào)有關(guān)。如果另一側(cè)的比例電磁鐵通電，油孔導(dǎo)通的情況正好相反。2、5一對(duì)中復(fù)位彈簧3—閥芯4—閥體直動(dòng)式比例方向閥Directproportionaldirectionalvalve比例電磁鐵在工作時(shí)要保證銜鐵處于電磁吸力與負(fù)載反力平衡，即使其吸力特性要與負(fù)載特性有良好的配合。圖4.3是電磁鐵在工作過程中，電磁力與負(fù)載力（這里是彈簧力）平衡相交的狀態(tài)。電磁鐵吸力電磁鐵吸力Fe圖4.3Xv與FeXv&Fe圖4.3中對(duì)于不同的輸入電流，電磁鐵的吸力特性上下平移，參與工作的吸力特性曲線與彈簧負(fù)載特性曲線的相交點(diǎn)便是所對(duì)應(yīng)電流下的工作點(diǎn)。當(dāng)電流I改變時(shí)工作點(diǎn)也相應(yīng)改變。比例電磁鐵正是利用這一特性來實(shí)現(xiàn)電一機(jī)械信號(hào)的比例轉(zhuǎn)換。根據(jù)比例電磁鐵是否帶有內(nèi)置的位移傳感器而區(qū)分為力控制型和行程控制型兩種。由于所用的比例閥為力控制型比例電磁鐵，因而下面以力控制型比例電磁鐵來說明比例閥的輸入信號(hào)與比例閥的閥口開度成正比關(guān)系。設(shè)Xv為閥芯位移，Ug為輸入電壓，則此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是皈碉/項(xiàng)) ⑷)現(xiàn)只考慮銜鐵組件的質(zhì)量，不考慮作用于這些零件上的液流力、摩擦力以及電磁鐵滯環(huán)的影響，可寫出動(dòng)力學(xué)方程如下：“%嚙… ”式中 m一銜鐵組件的質(zhì)量；D——阻尼系數(shù)；Ks——銜鐵組件的彈簧剛度。由電磁鐵吸力特性和負(fù)載特性(見圖4.3),電磁鐵吸力方程在工作行程段為：Fe&IK,%(4.3)式中K,——比例電磁鐵的電流增益；K,——比例電磁鐵的位移增益。而控制電壓與工作電流的關(guān)系，可描述為比例關(guān)系：TOC\o"1-5"\h\z/44 (4.4)式中 (一控制電壓與工作電流的比例系數(shù)。將以上三式進(jìn)行拉氏變換，合并為：m-Xv(s)。s3(長(zhǎng)胸雙s)Kt% (4.5)小格也于是可得傳遞函數(shù)：[6(@ . 一K& 4 _ (4.6)%U83mDs - 2ms[s氏 /二由于銜鐵主件系統(tǒng)的固有頻率『凡遠(yuǎn)大于比例閥液壓部分的固有頻率，所以Vm我們可以把這一部分看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即有：G(s) 4. (4.7)46)((令電壓-電流-閥位移的增益為K,則上式可寫為：K=63 3_(4.8)因而閥口的開口大小與輸入信號(hào)成正比。4)比例放大器由于比例電磁鐵需要的控制電流較大，而偏差控制電流較小，且偏差信號(hào)的類型或形狀不一定能滿足高性能控制的要求，比例放大器的作用就是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行加工、整形和放大，使達(dá)到電一機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置的控制要求。5)液壓馬達(dá)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用加于控制對(duì)象上，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)任務(wù)。它是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載6)傳感器它檢測(cè)被控量或中間變量的實(shí)際值，得出系統(tǒng)的反饋信號(hào)，用于滿足比較的要求。從職能圖中可知，檢測(cè)元件有內(nèi)、外環(huán)之分。內(nèi)環(huán)位移傳感器是對(duì)閥位移的反饋檢山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型測(cè)，通常用于改善閥的動(dòng)、靜特性。外環(huán)角位移傳感器直接檢測(cè)輸出量，是對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際輸出量的反饋，用于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和控制精度。比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立比例放大器傳遞函數(shù)由于控制器能夠與各種壓力流量比例閥匹配，完好地重現(xiàn)輸入信號(hào)，故其頻寬應(yīng)遠(yuǎn)大于比例閥的頻寬，與液壓系統(tǒng)相比有著很高的響應(yīng)頻率。因此可將該控制器視為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)：即購- (4.9)U(s)式中 /(s)——比例放大器輸出電流((A);U@——誤差電壓(V);M——比例放大器系數(shù)或增益((A/V)。電磁比例方向閥的傳遞函數(shù)比例閥的傳遞函數(shù)一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)128)表示為：2 I匕叫式中 Q.V)——電液比例閥在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近流量(/Is)；胸——電液比例閥在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近流量增益(點(diǎn)/SA)(控制閥輸出流量與輸入電流之比);叫——電液比例閥的等效無阻尼自振頻率(rad/s);v——電液比例閥的等效阻尼系數(shù)，無量綱；S一拉普拉斯算子。閥控液壓馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)在液壓控制系統(tǒng)中，由液壓控制元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和負(fù)載組合而成的部分稱為液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)。本論文所研究的閥控馬達(dá)系統(tǒng)，其液壓控制元件是電液比例方向閥，執(zhí)行元件為電液比例馬達(dá)。本節(jié)建立該液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性和主要的性能參數(shù)進(jìn)行分析。閥控馬達(dá)系統(tǒng)是一種常見的液壓動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，尤其適用于負(fù)載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。由比例方向閥、馬達(dá)和負(fù)載組成的液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)對(duì)所研究的閥控系統(tǒng)的品質(zhì)好壞有很大影響，因此確定閥控馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型是分析整個(gè)系統(tǒng)的前提。.3.1動(dòng)態(tài)方程的建立下面采用類似于三位四通比例閥控液壓缸的線性化分析方法，建立和分析其動(dòng)態(tài)特性。在分析中做如下假設(shè)網(wǎng)3。1：1)比例閥和液壓馬達(dá)之間的連接管道短而粗，可以忽略管道和閥腔中的壓力損失和管道動(dòng)態(tài)的影響；2)液壓馬達(dá)的內(nèi)外泄漏流動(dòng)狀態(tài)為層流，馬達(dá)的殼體壓力為大氣壓，忽略低壓腔的殼體的外泄漏，每個(gè)腔室的壓力是均勻相等的，液流的密度和溫度均為常數(shù)；3)比例閥為理想零開口四通滑閥，四個(gè)節(jié)流窗口匹配且對(duì)稱，且滑閥具有理想的動(dòng)態(tài)特性；4)恒壓油源供油，即Ps恒定，并且回油壓力Po=0;5)工作油液的體積彈性模量為恒值；6)馬達(dá)和負(fù)載之間為剛性連接，忽略結(jié)構(gòu)柔度的影響。在上述假設(shè)條件下，由液壓理論對(duì)閥控液壓馬達(dá)進(jìn)行分析可列出三個(gè)動(dòng)態(tài)方程：(1)電液比例閥的線性化流量方程：5公氏Pl (4.11)式中 qL——電液比例閥的負(fù)載流量(病/s)；——電液比例閥穩(wěn)定工作點(diǎn)流量增益(病/s)；A——比例閥閥芯位移(m);K- 比例閥流量一壓力系數(shù)(病INs)；支—負(fù)載壓力(Pa);(2)液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)流量連續(xù)性方程液壓馬達(dá)的負(fù)載流量由三部分組成:馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)流量Q、馬達(dá)內(nèi)外泄漏損失流量&及因油液壓縮產(chǎn)生的附加流量Q。故方程式應(yīng)為：%"" ,〃AW （412） edt…式中 Din——液壓馬達(dá)的弧度排量（病/<ad）；——液壓馬達(dá)角位移（rad）;Q 液壓馬達(dá)的總泄漏系數(shù)（m/N5）,QQ“（其中a,。分別為馬達(dá)的內(nèi)、外泄漏系數(shù)）；V,——液壓馬達(dá)、比例閥腔及連接管道總?cè)莘e（病）；,——工作油液的有效體積彈性模量（Pa）;（3）馬達(dá)軸上的力矩平衡方程液壓動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)特性受負(fù)載特性的影響。負(fù)載力一般包括慣性力、粘性阻尼力、彈性力和任意外負(fù)載力。由于本論文所研究的電液比例閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)其負(fù)載主要為慣性負(fù)載，忽略靜摩擦、庫侖摩擦等非線性力和油液的質(zhì)量，因此根據(jù)牛頓第二定律可得馬達(dá)與負(fù)載的力矩平衡方程為：2PL4 Gm （4.13）濟(jì)珠』式中 J,——液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)芯和負(fù)載（不包括油液）折算到馬達(dá)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（依病）；里——負(fù)載和液壓馬達(dá)粘性阻尼系數(shù)（Nms）；G——負(fù)載扭轉(zhuǎn)彈簧剛度（NmJxd）；?一^作用在馬達(dá)軸上的外負(fù)載扭矩（Nni）0注：參數(shù)。及a會(huì)隨馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)角位置的改變而改變。為簡(jiǎn)化分析，取平均理論排量％和平均泄漏系數(shù)Q.對(duì)以上三式分別進(jìn)行拉氏變換，得到葛才頁域中表示的基本方程分別為：Ql(s)KgX’(S)K,R(s)(4.14)cP(s)tnLDs(@ -(s)mm 4 L(4.15)DP(s)ntL(Js2Bt(s)T(5)m m L(4.16)聯(lián)立式（4.14）、（4.15）.（4.16）可得閥控液壓馬達(dá)在閥芯位移X和外負(fù)載力矩肝擾式中 K,為總流量一壓力系數(shù)，K,Ke與（點(diǎn)/Ns）。4.2.3.2方程式的簡(jiǎn)化在綜合響應(yīng)方程式（4.17）中，考慮了慣性負(fù)載、彈性負(fù)載、油的壓縮性以及馬達(dá)的泄漏等因素，是一個(gè)非常通用的形式。而在實(shí)際中，系統(tǒng)的負(fù)載類型比較簡(jiǎn)單，為了簡(jiǎn)化分析，在特定使用條件下往往可忽略一些因素，使傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化。針對(duì)本論文所研究的電液比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)是以慣性負(fù)載為主的，且由于馬達(dá)與負(fù)載剛性連接，故彈性負(fù)載影響可不計(jì)，在總傳遞函數(shù)中，G=0o此外，總的流量一壓力系數(shù)《很小，負(fù)載粘性阻尼系數(shù)耳,，一般也很小，兩者的藕合效應(yīng)后就更小，即當(dāng)G=0,一”.<<1時(shí)，式（4.17）可簡(jiǎn)化成:Q?

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\ 2 3叫1)崛式中w,——無阻尼液壓固有頻率叱Yj2a^V7~，(rad/s);(4.19)h——液壓阻尼比無量綱；(4.20)上一速度放大系數(shù)，無量綱。D叱Yj2a^V7~，(rad/s);(4.19)h——液壓阻尼比無量綱；(4.20)上一速度放大系數(shù)，無量綱。Dm由式（4.18）可得馬達(dá)輸出角位移對(duì)閥芯位移的傳遞函數(shù)為:”,(禮K“2%S2fDhh馬達(dá)輸出角位移對(duì)外負(fù)載力矩的傳遞函數(shù)為:3上「）e(e2 <1)式中負(fù)號(hào)的含義是任意外負(fù)載力矩作用時(shí)，將引起馬達(dá)轉(zhuǎn)角的減小。由轉(zhuǎn)角，”6）與轉(zhuǎn)遢一,“之間的關(guān)系：(4.23)對(duì)其拉氏變換即有:，相 （424）將其代入（4.21）和（4.22）式即可得到馬達(dá)軸輸出轉(zhuǎn)速對(duì)閥位移和外負(fù)載力矩的傳遞函數(shù)為：42hS122hS12hh(4.26)(4.27)令（4.26）式中4 (4.27)D?,2 4X傳遞函數(shù)反映了液壓馬達(dá)對(duì)不同的輸入所產(chǎn)生的響應(yīng)特性，根據(jù)研究重點(diǎn)不同，可以用類似的方法推出以其他物理量作為輸入時(shí)的傳遞函數(shù)。4.2.33動(dòng)態(tài)特性分析現(xiàn)對(duì)上節(jié)中式（4.25）（4.26）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析閔［32］網(wǎng)：1）閥輸入位移的動(dòng)特性閥位移的傳遞函數(shù)式（4.25）由速度放大系數(shù)、液壓固有頻率和阻尼比3個(gè)綜合參數(shù)所決定。因此，這3個(gè)參數(shù)決定了液壓馬達(dá)的固有特性。下面分析這些參數(shù)的意義和他們對(duì)液壓馬達(dá)性能的影響。（1）速度放大系數(shù)支Dm液壓馬達(dá)的輸出速度與閥的輸入位移成正比，比例系數(shù)即為速度放大系數(shù)，它表明閥對(duì)液壓馬達(dá)的速度控制的靈敏度。速度放大系數(shù)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。提高速度放大系數(shù)可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。實(shí)際上速度放大系數(shù)還受液壓馬達(dá)泄漏和摩擦的影響。（2）液壓系統(tǒng)固有頻率液壓系統(tǒng)固有頻率是慣性負(fù)載與液壓馬達(dá)腔中油液壓縮性相互作用的結(jié)果其值為實(shí)際上，液壓馬達(dá)腔并不封閉，只能把封閉時(shí)的液壓剛度看成是與動(dòng)態(tài)過程的液壓剛度等效，液壓固有頻率表示馬達(dá)響應(yīng)的快速性，固有頻率高，響應(yīng)速度快。由式（4.28）可見,影響液壓固有頻率的因素有:液壓馬達(dá)輸出軸上的負(fù)載慣量 J,、總壓縮容積以液壓馬達(dá)排量&,和系統(tǒng)的有效容積彈性模量要提高h(yuǎn)，就要減少I、V，增大2和一通常I由負(fù)載本身決定。所以減少I是有限度的，但可以在負(fù)載與液壓馬達(dá)之間采用適當(dāng)?shù)凝X輪減速裝置來減小負(fù)載慣量的影響。為減小V，閥應(yīng)靠近液壓馬達(dá)，采用短而直的連接管道，也可以將閥和馬達(dá)裝在一起，以使W減小到最低程度。增大人可以提高一但效果不顯著，因?yàn)殡S功增大，液壓馬達(dá)慣量和總壓縮容積v也要增大，從而對(duì)提高“帶來不利的影響。（3）阻尼比在式.幺產(chǎn)中，確定的物相除K外都是常值力會(huì)隨閥的行程的不同會(huì)有很大的變化，這可以通過對(duì)滑閥的特性進(jìn)行推導(dǎo)。（在零位時(shí)最小，從而給出最低的/10當(dāng)閥的行程增大時(shí)，馬達(dá)的速度加大，于是阻尼比系數(shù)增大到一個(gè)大于1的值。當(dāng)馬達(dá)的速度和負(fù)載較大時(shí)，可以得到較大的阻尼系數(shù)，這是電液比例控制系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)。阻尼比表示比例液壓馬達(dá)的相對(duì)穩(wěn)定性，并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)產(chǎn)生影響，而液壓系統(tǒng)固有頻率表示響應(yīng)的快速性。因此，比例液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性可以用液壓固有頻率和阻尼比這2個(gè)參數(shù)來描述。2）負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)的動(dòng)特性式（4.26）給出了負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)的動(dòng)特性（動(dòng)態(tài)響應(yīng)），它表明了