定点倾转式电炉及阀控缸角位移控制系统研发

论文摘要

铸造是机械制造过程链中的第一道环节,铸造质量的好坏直接影响零件的最终性能,在机械制造中占有极重要的位置。浇注是铸造生产的关键工序,对于铸件的产量、质量有着重大的影响。到目前为止,我国大部分工厂仍然采用手工操作浇包的工艺完成金属熔液的浇注,不仅工作条件差,劳动强度大,存在较大的安全隐患,浇注工烧伤事故时有发生,而且铸件废品率高,生产效率低下。为此,提高铸件质量,对浇注过程实施有效的控制,提高浇注过程的自动化水平及控制精度是一个急待解决的问题。论文以倾转式电炉为例,对常规的倾转式电炉浇注进行了深入分析研究发现：常规的倾转式电炉,浇注口与转动轴中心不重合,在浇注过程中浇注口高度不断降低,并伴有水平方向的移动。这种浇注系统必须同时控制三个方向的运动,不仅结构复杂,控制困难,浇注口位置变化仍比较大,浇注平稳性差,影响了浇注质量,而且系统整体的稳定性较差,存在较大的安全隐患。现行的倾转式电炉浇注机构无法满足铸件生产工艺和安全要求。在查阅大量国内外有关文献的基础上分析了目前国内外倾转式浇注机构的应用现状,论文提出定点浇注概念,并设计了新的倾转式定点浇注机构,解决了常规倾转式电炉因浇注口与转动轴中心不重合出现的浇注平稳性问题。在液压控制系统中,由于电液比例控制抗污染能力强、价格便宜、控制精度可满足大多数工业实际要求,论文采用电液比例阀控液压缸直线位移来间接控制电炉的倾转角度,从传动和控制的角度都是一种新的尝试,对于液压控制系统的理论和实际应用都有很大的价值。论文针对非对称缸来回运动控制参数及控制性能不同,分别建立了两种进油方式下阀控非对称缸的数学模型。分析研究了炉体倾转机构,建立了炉体倾动机构数学模型,把炉体倾动角度控制和阀控缸模型的控制参数有机的结合起来,完成了角位移控制系统的数学建模。该模型有一定理论价值。论文结合控制理论的思想对系统进行了特性分析研究,推导了参数设计计算公式,建立了系统性能指标参数化表达式。通过对系统校正、补偿使系统有足够的稳定裕度储备。利用MATLAB程序和SUMLINK工具对系统的主要性能进行了初步估算。论文还建立PID控制器数学模型,参数在线整定法确定了PID控制的最佳参数组合,大大提高了系统的动态性能。仿真结果充分说明了倾转式浇注系统具有较高的位置控制精度,良好的动态特性,满足预期的设计要求。论文对内胆的结构进行了分析研究,建立了炉体内胆的结构模型,推导了浇注体积或质量与电炉倾转角度的函数关系,提出区间控制和增量数控制两种定量浇注控制方法,在控制观念及方法上都有创新,能大大提高生产率,有很大的实用价值。论文所做的工作,具有较大的理论价值及广阔的工业应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 浇注过程及其控制
• 1.2 倾转式浇注设备的工作原理及应用现状
• 1.2.1 倾转式电炉的结构
• 1.2.2 倾转式电炉的驱动方式
• 1.3 论文选题的意义与主要研究内容
• 1.3.1 论文选题及主要研究内容
• 1.3.2 论文选题的意义
• 1.4 本章小结
• 第二章 定点倾转式电炉浇注机构设计
• 2.1 炉体外形布局及设计
• 2.1.1 电炉工作原理及炉体结构设计
• 2.1.2 炉体转轴位置确定
• 2.1.3 活塞杆铰位确定
• 2.2 电炉机架结构设计
• 2.3 定点倾转式浇注虚拟样机
• 2.3.1 油缸体铰位确定
• 2.3.2 整机设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 阀控缸角位移液压控制系统设计研究
• 3.1 主控阀的选型
• 3.2 电液比例控制技术概述
• 3.3 电液比例角位移液压控制系统设计
• 3.3.1 对液压系统基本要求
• 3.3.2 系统子回路设计
• 3.4 系统原理图拟定及工作原理
• 3.4.1 系统的液压原理图
• 3.4.2 液压系统的工作原理
• 3.5 油缸主参数计算
• 3.5.1 等效静负载估算
• 3.5.2 油缸行程确定
• 3.5.3 油缸主参数计算
• 3.6 液压元件选择计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 系统数学建模研究
• 4.1 电液比例调速阀数学模型的建立
• 4.2 阀控非对称液压缸数学模型
• 4.2.1 无杆腔进油模型
• 4.2.2 有杆腔进油模型
• 4.3 炉体驱动机构分析及数学模型建立
• 4.3.1 炉体驱动机构分析
• 4.3.2 炉体驱动机构动力学数学模型
• 4.3.3 角位移控制系统运动学数学模型
• 4.4 角位移传感器的模型
• 4.5 角位移控制系统数学模型
• 4.5.1 无杆腔进油角位移控制系统模型
• 4.5.2 有杆腔进油角位移控制系统模型
• 4.6 本章小结
• 第五章 角位移控制系统特性分析研究
• 5.1 系统稳定性分析
• 5.1.1 无杆腔进油稳定性分析
• 5.1.2 有杆腔进油稳定性分析
• 5.2 浇注系统稳态位置误差分析
• 5.2.1 无杆腔进油稳态位置误差分析
• 5.2.2 有杆腔进油稳态位置误差分析
• 5.2.3 稳态位置误差的讨论
• 5.3 电液调速阀总放大系数设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统参数设计及性能指标计算
• 6.1 系统参数设置及计算
• 6.1.1 主要技术参数
• 6.1.2 系统参数设置
• 6.1.3 角位移传感器系数确定
• 6.1.4 容积系数计算
• 6.2 比例流量阀总放大系数K值确定
• 6.2.1 按稳定性要求计算
• 6.2.2 按稳态误差要求计算
• 6.3 稳态误差计算
• 6.4 本章小结
• 第七章 系统校正及数字仿真研究
• 7.1 仿真环境简介
• 7.2 系统频率特性仿真分析
• 7.2.1 开环频率特性分析
• 7.2.2 相位滞后校正设计
• 7.2.3 相位超前补偿设计
• 7.2.4 动态性能指标估算
• 7.3 PID校正
• 7.3.1 PID控制器模型
• 7.3.2 参数整定及仿真
• 7.4 本章小结
• 第八章 定量浇注控制策略研究
• 8.1 定量浇注模型
• 8.1.1 炉体内胆设计计算模型
• 8.1.2 浇注体积V与倾转角度θ的数学模型
• 8.2 定量浇注控制方法
• 8.2.1 定量浇注控制策略与自然控制法
• 8.2.2 区间控制法
• 8.2.3 增量控制法
• 8.2.4 两方法的异同点
• 8.3 本章小结
• 第九章 结论及展望
• 9.1 结论及研究成果
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士学位期间发表的论文目录）
• 附录B 论文中应用的MATLAB程序