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液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 全面理解设计要求 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及重力和其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。 拟定控制方案、绘制系统原理图 在全面了解设计要求之后，可根据不同的控制对象，按表6所列的基本类型选定控制方案并拟定控制系统的方块图。如对直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案，方块图如图36所示。图36 阀控液压缸位置控制系统方块图表6 液压伺服系统控制方式的基本类型伺服系统 控制信号 控制参数 运动类型 元件组成机液电液气液电气液 模拟量数字量位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、压力 直线运动摆动运动旋转运动 1.阀控制：阀-液压缸，阀-液压马达2.容积控制：变量泵-液压缸；变量泵-液压马达；阀-液压缸-变量泵-液压马达3.其它：步近式力矩马达 动力元件参数选择 动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。 动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。当选定液压马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。 供油压力的选择 选用较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可减小执行元件——液压缸的活塞面积（或液压马达的排量），因而泵和动力元件尺寸小重量轻，设备结构紧凑，同时油腔的容积减小，容积弹性模数增大，有利于提高系统的响应速度。但是随供油压力增加，由于受材料强度的限制，液压元件的尺寸和重量也有增加的趋势，元件的加工精度也要求提高，系统的造价也随之提高。同时，高压时，泄漏大，发热高，系统功率损失增加，噪声加大，元件寿命降低，维护也较困难。所以条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。 常用的供油压力等级为7MPa到28MPa，可根据系统的要求和结构限制条件选择适当的供油压力。 伺服阀流量与执行元件尺寸的确定 如上所述，动力元件参数选择除应满足拖动负载和系统性能两方面的要求外，还应考虑与负载的最佳匹配。下面着重介绍与负载最佳匹配问题。 （1）动力元件的输出特性 将伺服阀的流量——压力曲线经坐标变换绘于υ－FL平面上，所得的抛物线即为动力元件稳态时的输出特性，见图37。 图37 参数变化对动力机构输出特性的影响a）供油压力变化；b）伺服阀容量变化；c）液压缸面积变化 图中 FL——负载力，FL=pLA； pL——伺服阀工作压力； A——液压缸有效面积； υ——液压缸活塞速度， ； qL——伺服阀的流量； q0——伺服阀的空载流量； ps——供油压力。 由图37可见，当伺服阀规格和液压缸面积不变，提高供油压力，曲线向外扩展，最大功率提高，最大功率点右移，如图37a。 当供油压力和液压缸面积不变，加大伺服阀规格，曲线变高，曲线的顶点A ps不变，最大功率提高，最大功率点不变，如图37b。 当供油压力和伺服阀规格不变，加大液压缸面积A，曲线变低，顶点右移，最大功率不变，最大功率点右移，如图37c。 （2）负载最佳匹配图解法 在负载轨迹曲线υ－FL平面上，画出动力元件输出特性曲线，调整参数，使动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线，即可保证动力元件能够拖动负载。在图38中，曲线1、2、3代表三条动力元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹最大功率点c相切，符合负载最佳匹配条件，而曲线1、3上的工作点α和b，虽能拖动负载，但效率都较低。 （3）负载最佳匹配的解析法 参见液压动力元件的负载匹配。 （4）近似计算法在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负载力FLmax选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定 FLmax≤pLA= ，并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时出现的，这样液压缸的有效面积可按下式计算： （37） 图38 动力元件与负载匹配图形 按式37求得A值后，可计算负载流量qL，即可根据阀的压降从伺服阀样本上选择合适的伺服阀。近似计算法应用简便，然而是偏于保守的计算方法。采用这种方法可以保证系统的性能，但传递效率稍低。 （5）按液压固有频率选择动力元件 对功率和负载很小的液压伺服系统来说，功率损耗不是主要问题，可以根据系统要求的液压固有频率来确定动力元件。 四边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （38） 二边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （39） 液压固有频率ωh可以按系统要求频宽的（5～10）倍来确定。对一些干扰力大，负载轨迹形状比较复杂的系统，不能按上述的几种方法计算动力元件，只能通过作图法来确定动力元件。 计算阀控液压马达组合的动力元件时，只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D，负载力FL换成负载力矩TL，负载速度换成液压马达的角速度 ，就可以得到相应的计算公式。当系统采用了减速机构时，应注意把负载惯量、负载力、负载的位移、速度、加速度等参数都转换到液压马达的轴上才能作为计算的参数。减速机构传动比选择的原则是：在满足液压固有频率的要求下，传动比最小，这就是最佳传动比。 伺服阀的选择 根据所确定的供油压力ps和由负载流量qL（即要求伺服阀输出的流量）计算得到的伺服阀空载流量q0，即可由伺服阀样本确定伺服阀的规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，所以伺服阀流量应留有余量。通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。 除了流量参数外，在选择伺服阀时，还应考虑以下因素： 1）伺服阀的流量增益线性好。在位置控制系统中，一般选用零开口的流量阀，因为这类阀具有较高的压力增益，可使动力元件有较大的刚度，并可提高系统的快速性与控制精度。 2）伺服阀的频宽应满足系统频宽的要求。一般伺服阀的频宽应大于系统频宽的5倍，以减小伺服阀对系统响应特性的影响。 3）伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽量小，保证由此引起的系统误差不超出设计要求。 4）其它要求，如对零位泄漏、抗污染能力、电功率、寿命和价格等，都有一定要求。 执行元件的选择 液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键部件，直接影响系统性能的好坏。执行元件的选择与设计，除了按本节所述的方法确定液压缸有效面积A（或液压马达排量D）的最佳值外，还涉及密封、强度、摩擦阻力、安装结构等问题。 反馈传感器的选择 根据所检测的物理量，反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力（或压力）传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统，作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要决定于系统的给定元件和反馈元件的精度，因此合理选择反馈传感器十分重要。 传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5～10倍，这是为了给系统提供被测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求，因此传感器的传递函数可近似按比例环节来考虑。 确定系统方块图 根据系统原理图及系统各环节的传递函数，即可构成系统的方块图。根据系统的方块图可直接写出系统开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统二者的传递函数具有相同的结构形式，只要把相应的符号变换一下即可。 绘制系统开环波德图并确定开环增益 系统的动态计算与分析在这里是采用频率法。首先根据系统的传递函数，求出波德图。在绘制波德图时，需要确定系统的开环增益K。 改变系统的开环增益K时，开环波德图上幅频曲线只升高或降低一个常数，曲线的形状不变，其相频曲线也不变。波德图上幅频曲线的低频段、穿越频率以及幅值增益裕量分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率及系统的稳定性。所以可根据闭环系统所要求的稳态精度、频宽以及相对稳定性，在开环波德图上调整幅频曲线位置的高低，来获得与闭环系统要求相适应的K值。 由系统的稳态精度要求确定K 由控制原理可知，不同类型控制系统的稳态精度决定于系统的开环增益。因此，可以由系统对稳态精度的要求和系统的类型计算得到系统应具有的开环增益K。 由系统的频宽要求确定K 分析二阶或三阶系统特性与波德图的关系知道，当ζh和K/ωh都很小时，可近似认为系统的频宽等于开环对数幅值曲线的穿越频率，即ω-3dB≈ωc，所以可绘制对数幅频曲线，使ωc在数值上等于系统要求的ω-3dB值，如图39所示。由此图可得K值。 图39 由ω-3dB绘制开环对数幅频特性a）0型系统；b）I型系统 由系统相对稳定性确定K 系统相对稳定性可用幅值裕量和相位裕量来表示。根据系统要求的幅值裕量和相位裕量来绘制开环波德图，同样也可以得到K。见图40。 实际上通过作图来确定系统的开环增益K，往往要综合考虑，尽可能同时满足系统的几项主要性能指标。 系统静动态品质分析及确定校正特性 在确定了系统传递函数的各项参数后，可通过闭环波德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算对系统的各项静动态指标和误差进行校核。如设计的系统性能不满足要求，则应调整参数，重复上述计算或采用校正环节对系统进行补偿，改变系统的开环频率特性，直到满足系统的要求。 仿真分析 在系统的传递函数初步确定后，可以通过计算机对该系统进行数字仿真，以求得最佳设计。目前有关于数字仿真的商用软件，如Matlab软件，很适合仿真分析。

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【摘 要】计算机组成与结构实验课程是计算机专业以及相关专业学生要学习的一门必修课程，在这门课程中应用EDA技术进行教学，不仅能加深学生对计算机组成与结构课程的理解，也将有利于提高学生进行自主学习的能力以及创新的综合设计能力。正是符合了该课程的预期目的。 【关键词】计算机组成与结构;EDA技术;实验;应用 计算机及其相关专业的学生在学习过程中，除了要对理论知识加以了解，更重要的是要提升自己的动手能力。计算机组成与结构实验教学，就是计算机专业学生的必修课，通过课程设计把理论知识运用到实践中，可以起到拓展知识的作用。 一、EDA技术概述 EDA也就是电子设计自动化，EDA技术的发展经历了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试以及计算机辅助工程。EDA技术的工具就是计算机，在EDA软件平台上，设计者常常用硬件描述语言HDL来完成具体的课程设计文件，然后再在计算机平台上自动完成逻辑编译、分割、优化、布局、仿真等多个步骤。 EDA技术最大的优势在于用软件的方法来实现硬件的实际功效。一项设计最重要的部分是仿真和调试，采用EDA技术进行设计时，从设计的高层次上对设计进行全局纵览，有助于早期改造结构设计上的毛病，避免工作量的增加，也可以减少进行逻辑功效仿真的工作量，增加设计的成功率。 二、将EDA技术应用于计算机组成与结构课程设计 计算机是一个典型的复杂数字系统，如果在计算机设计系统开发中加入EDA技术的软硬件设计平台，不仅可以提高系统设计与调试的敛率，也可以节约硬件开发成本，缩短设计周期。因此在计算机组成与结构的实践教学中，要不断提高学生利用现代化的电子技术手段进行设计的能力。当然，EDA技术将成为计算机组成与结构实验教学的发展方向。 （一）课程的实施方案 课程设计是要完成模型计算机的设计以及FPGA的实现，而课程实验则是用来验证计算机的各个组成部件以及其具体的逻辑功能的。这两种课程内容都是为了让学生能够掌握计算机的硬件系统中各个部件的具体组成原理、逻辑实现方法及其具体的设计方法，从而建立一种整体的概念，提高学生在学习过程中进行独立分析设计的能力。计算机组成与结构的课程设计中运用了多门课程，比如计算机组成原理、VHDL、汇编语言程序设计等，这些课程都能对学生的自学能力有很好的提高。因为该课程设计不仅在理论上要求学生有扎实的理论基础，在实践上则要求学生具有电路分析与设计、能进行完整实验的能力。 （二）课程设计的内容 计算机组成与结构实验教学中，进行课程设计的内容主要有以下几个方面。首先是进行系统的总体设计，画出模型机的数据通路框图；其次是设计微程序控制器或者硬联线控制器的逻辑结构框图；开始设计机器指令格式和指令系统；由给出的课程题目和设计指令系统来编写相应的汇编语言，进行仿真等。 三、将EDA技术应用于计算机组成与结构课程实验 进行课程设计之后就可以进行具体的课程实践。在进行课程实践之前，要掌握具体的设计方法。计算机的CPU包含基本的功能模块以及与基本功能模块相连的数据通路。在进行课程设计实践时要掌握基本功能模块的具体功能以及各自的特点，再对每个模块进行设计、调试、软件仿真和硬件设计等。计算机组成与结构课程设计实验中采用的CPU采用大多是单总线系统结构的16位CISC CPU，EDA软件大多是可编程逻辑器件设计工具软件。 （一）基本模犁计算机的设计 在具体的课程设计中，为了保证清晰的系统结构，一般在系统的顶层结构采用原理图输入法，而在其他的模块都采用VHDL语言进行设计。对各个模块进行处理时要在文本编辑器中输入每一个单元模块所对应的VHDL源程序，并且要对各个源程序进行编译，可以产生相应的图元，供顶层的电路调用使用。各个模块的图元可以生成图元库，运用EDA技术进行实验课程，很重要的一步就是要进行软件仿真，而仿真的元器件就来源于图元库。在图形编辑器中可以对图元库中的各种图元进行调用，再根据数据通路的总体框架图连接成顶层电路图，就可以进行电路的仿真。计算机组成与结构实验所设计的CISC模型机的顶层电路图中有很多基本器件模块，比如时序信号发生器、程序计数器、算术逻辑运算单元、移位寄存器、指令寄存器、比较器、地址寄存器、一个控制单元等。而这些模块也共用一组16位的三态数据总线。 系统结构中的存储模块是一个重要的组成部分，存储元件由嵌入式阵列块构成，通过调用宏模块并设置模块相关的参数来实现存储功能。系统的各个部分都承担了不同的功能，其中，存储CPU主要是对指令和数据进行执行，具体的过程是处理器从存储元件中读取相应的指令，CPU再执行指令来运行下行的各种程序，整个过程中的指令都被存储在指令寄存器中。译码过程由控制单元完成，控制单元主要是控制相应的信号进行相互作用，并且控制各个处理单元来执行这些指令。 系统结构中的控制模块其实是一个状态机，它主要控制CPU的各项动作之间的顺序，比如取指令、译码、执行指令，控制模块进行操作时要针对各个动作发出具体的时序控制信号，使得计算机内部的各个动作都能进行协调的工作，进而完成各个指令的具体功能。这种方法与微程序设计方法不同，微程序设计法主要在控制存储器中写入微指令，通过控制微程序来执行具体的控制指令。 （二）软件设计 当系统CPU得到一个复位信号后，系统即开始进行复制操作，复位信号是使CPU内部状态复位的一个信号操作。一般说来，系统的每个寄存器都有不同的功能，寄存器1主要存放模块的的起始地址，寄存器2主要存放系统目标区的起始地址，而寄存器6则主要存放被复制模块的末地址。在具体的操作过程中要判断数据模块的复制工作是否已经结束，若已经满足结束条件则可以停止运行，否则要继续记数直至数据模块复制完成。 将设计的程序输入并且进行编译之后，还有一个重要的步骤就是仿真，仿真也是对设计进行验证的一个重要步骤，若在仿真中发现不符合要求的地方，则要及时找出原因进行改正，以保证最终结果的正确性。 结语 计算机组成与结构课程是锻炼学生积极思考以及提升其思维能力的重要课程，不同的设计对象和内容导致设计的具体内容完全不同，这也考验了学生独立思考的能力，由于EDA技术与计算机输入技术、逻辑编程和仿真等方面都有紧密的联系，而且在硬件实验之后有具体的图像可以进行对比，因此在实验教学中具有很好的灵活性和可操作性。也能提高学生进行软件开发的能力，可以达到课程设计的效果。 参考文献 [1]陈智勇.计算机原理课程设计的改革与实践[J].电气电子教学学报,2005,27(5):71—73 [2]周华,王斐.EDA技术的特点与发展趋势[J].西安航空技术高等专科学校学报,2009（03）：98-99 [3]张亮.应用EDA技术改革“计算机组成原理”课程设计[J].计算机教育,2009（19）：:753

大学是干嘛的地方？无论多高的学历和职称，不会设计、制造教具，不会设计、制造教学仪器，不会维修仪器和设备；用你父母的钱进口教学仪器模仿了委托工厂仿制就是佼佼者；用你父母的钱请校外的人来维修设备、从校外采购配件；用你父母的钱请教学仪器生产企业提供教学实验讲义，将作者填上他们的名字就有教学突出成就奖；教你背诵的公式和外语，永远也比不上美国麻省理工学院在网上公开的教材内容。学生也不要埋怨学费贵，除了上面教师的原因，你们自己的基础实验、专业课就上的迷迷糊糊的，高额投资下的创新实验项目、挑战杯、科技竞赛、毕业论文、商业开发，都见不得阳光，将真金白银变成了一堆堆的垃圾！！！！