精密气动压力机控制系统设计

论文摘要

随着工业自动化程度的提高,国际上自动装配与检测技术已广泛应用于各个领域。我国工业底子薄,很多工业生产与发达国家相比,存在着很大的差距。近二十年来,尽管我国发展迅速,并取得了很多成果,但是由于诸多客观因素的限制,我国在高性能火工品生产领域仍然较落后。由于高品质的火工品生产设备涉及敏感的国防工业技术,国外一直都采取严格的封锁措施。火工品的“心脏”是药剂,压药则是火工品生产的关键工艺之一。过去我国火工品的压药主要采用人工操作,或使用自动化程度较低的机械辅助,这很难满足压药工艺的稳定和现代生产需求,也很难保证压药的质量,同时存在许多安全隐患。要解决这个问题,只能自主研发高性能自动化压药设备,以保证压药质量,提高生产效率和安全可靠性。本课题来源于航天部门精密气动压力机研制项目,论文主要完成气动压力机的控制系统设计与研发,该压力机能自动完成加压、保压和缷压的整个压药工艺过程。文章从自动压力机的性能指标、功能要求及整机的安全保障出发,全面考虑控制系统的各个模块,设计控制系统的硬件及软件部分,并以设计完成的自动压力机为实验平台,测试获得大量的实验数据,应用过程系统建模的相关理论,采用实验建模法,计算得到了控制系统的参考数学模型,为自动压力机的控制器设计及参数整定打下了基础。自动压力机的气动回路采用排气节流的平衡回路,使用高精度的电气比例阀进行供气控制;安全控制系统采用了机械电气硬件保护和软件控制的多重安全措施;控制算法以建立的模型为基础,采用反馈加前馈的复合控制系统,分别整定反馈控制器参数和前馈系数,取得令人满意的控制效果,从而成功解决了气动系统气缸运动不平稳,输出压力难控制的问题,提高了自动压力机的安全可靠性。最后通过对自动压力机运行的测试与跟踪,结果表明整个控制系统的设计是成功有效的。系统的压力精度,生产效率,稳定性及安全性都达到了预期目标,系统控制软件界面友好,使用方便。目前设备已有多台投入生产,运行稳定,并带来了可观的经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外技术及理论研究现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 1.4 小结
• 2 控制系统设计理论基础及需求分析
• 2.1 气动技术基本原理及发展
• 2.1.1 气动技术的发展与特点
• 2.1.2 气动系统的组成
• 2.1.3 典型气动系统回路
• 2.2 过程控制理论简介
• 2.2.1 过程控制的形成与发展
• 2.2.2 过程控制系统的组成
• 2.2.3 过程控制系统的性能指标
• 2.3 精密气动压力机的控制及性能要求
• 2.3.1 系统功能及性能指标
• 2.3.2 系统控制对象分析
• 2.4 小结
• 3 压力机控制系统设计
• 3.1 控制系统方案设计
• 3.1.1 控制系统的组成
• 3.1.2 控制系统主要部件选型
• 3.2 控制系统的硬件设计
• 3.2.1 电气转接板电路设计
• 3.2.2 开关量输入输出电路设计
• 3.2.3 传感器放大电路设计
• 3.2.4 操作面板设计
• 3.3 控制系统的软件设计
• 3.3.1 系统工作原理及软件整体结构
• 3.3.2 软件功能设计
• 3.3.3 软件交互界面设计
• 3.3.4 网络化管理设计
• 3.4 安全系统设计
• 3.5 小结
• 4 系统模型的建立
• 4.1 过程系统建模的理论基础
• 4.1.1 系统建模与辨识的基本原理
• 4.1.2 基于开环阶跃响应曲线的建模方法
• 4.1.3 基于闭环阶跃响应曲线的建模方法
• 4.2 实验数据的获取
• 4.3 系统模型的求取
• 4.4 小结
• 5 控制器设计与参数整定
• 5.1 压力精度的影响因素分析
• 5.1.1 电气比例阀的工作特性
• 5.1.2 气缸及负载特性分析
• 5.2 控制器的设计
• 5.2.1 控制算法分析
• 5.2.2 系统控制器的构成
• 5.3 控制参数的整定
• 5.3.1 静态前馈控制系统的工程整定
• 5.3.2 反馈控制参数的整定
• 5.4 系统运行测试结果
• 5.4.1 系统压力精度测试
• 5.4.2 压力控制稳定性测试结果
• 5.4.3 过程压力曲线
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录