50kg高速冲击试验机液压控制系统设计与研究

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随着科技水平提高,船舰在海战中受到的冲击破坏问题越来越严重。当船舰受到鱼雷、导弹等强冲击时,船体本身并无大碍,但舰用设备却可能已被冲击损坏。因此,在船舰研制过程中,必须对舰用设备进行冲击试验,确保其具有足够的抗冲击性能。为准确模拟舰用设备受到的高速冲击,根据海军某部队冲击试验要求,对最大冲击速度4.157m/s、冲击加速度1200g、被试载荷50kg的高速冲击试验机液压控制系统进行了设计与研究。通过查阅相关文献及调研分析,对国内外各类冲击试验机的技术指标、结构特点及工作原理等方面进行了概述,明确了本文的研究目的及主要研究内容。根据军用冲击试验机技术指标选择控制方案,并设计出试验机液压系统,再通过选型计算,最终确定出液压元件型号及技术参数。为确定最佳控制方案,分别建立了冲击台闭环位置控制模式及闭环速度控制模式数学模型,通过研究开环传递函数Bode图判断系统稳定性,并对比两种控制模式的幅值裕度和相频裕度,得出结论:冲击台闭环位置控制模式具有更好的稳定性。根据三级电液伺服阀工作原理,利用AMESim软件搭建了先导级伺服阀仿真模型,在确保先导级伺服阀动、静态特性曲线与样本参数一致后,搭建出三级电液伺服阀整体仿真模型,通过绘制其动、静态特性曲线与样本特性曲线对比,证明了三级阀建模的正确性。为验证冲击台闭环位置控制系统稳定性,在此基础上,建立出冲击台闭环位置控制系统AMESim动态响应仿真模型和冲击系统整体仿真模型,并对前者进行仿真分析,仿真结果表明:控制系统可达到稳定,且与推导的数学模型相呼应,证明所建模型正确。在未采用任何校正措施的前提下,对冲击台闭环位置控制系统进行仿真,仿真结果表明:冲击台速度无法达到目标值且稳定性不好。针对这一问题,采用PID控制算法进行校正,并使用Ziegler-Nichols法确定PID系数,仿真结果表明:校正后系统仍达不到技术指标要求。进而采用基于前馈补偿(速度前馈、加速度前馈)及加速度反馈的PID复合控制算法进行校正,仿真结果表明:冲击台速度可达到技术指标要求,且具有较好的稳定性。除此之外,以速度控制精度是否达到技术指标要求为衡量标准,采用控制变量法,对采样时间、供油压力及蓄能器容积等影响因素进行研究,确定最佳控制参数分别为1ms、250bar及50L。搭建半实物仿真平台,由STM32F407ZGT6主控芯片、AD7606采样模块和DAC8656信号发送模块等构成实物端液压轴控制器,由Simulink软件搭建液压系统仿真模型构成半实物端,并通过计算机配合采集卡完成数据交互,验证了控制算法和控制方案的可行性,为试验机的研究提供了新的思路。
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