水温控制电路毕业论文

这是一篇完整的，但是知道字数有限制，只能发这么多，应该对你有帮助。基于单片机的智能热水器控制系统 摘要伴随人类的科技发展，人们的物质享受提升到了一个新的档次，现在的家居都在朝着智能化的方向研究发展，热水系统作为人群生活中的不可缺少的家里面使用电器之一，它的使用决定着一个人的生活质量。早在几年前，智能家居便走进了人们的生活，如小爱同学和天猫精灵，它们都走在了智能的前沿。智能系统乃是集机械、电气工程、材料化学、运筹学、数学、哲学之大成的产物。智能化家居也随之逐渐进入我们的生活，而本设计正是应时代需求应运而生的智能化控制的家居的衍生品。本设计的内容为可以不使用长长的视频信号传输线的情况下利用WIFI进行无线传输信号的智能热水器，它经过改进后可以让人们告别单一的加热功能，加载多个模块使得它可以进行音乐播放，加热定时，恒定温度锁定，闪烁灯光等功能。它使用最近比较热门的单片机作为控制单元，并且配合各种传感器以及各种不同功能的模块相互配合进行工作，以实现其功能。硬件的这个方向，本次做完控制模块、定时模块，恒温模块等一系列硬件设备的安装调整；软件方面，本文以52单片机为平台实现了传感器信号的采集和处理，根据传感器信息设计了热水器的基本运行模式，利用单片机接口与Python语言相互配合进行程序设计，实现了无线智能热水器的基本设计要求。 关键词：52单片机，智能，热水器，DS18B20Design of Intelligent Water Heater Control SystemAbstract The content of this design to do not use the long video signal transmission line using WIFI wireless transmission signal under the condition of the intelligent water heater, it passes through the improved can let people bid farewell to the single heating function, and makes it possible to load multiple modules for music playback, heating time, constant temperature locking, flashing lights, and other functions. It USES the recently popular single chip microcomputer as the control unit, and with a variety of sensors and a variety of different functions of the module work with each other, in order to achieve its functions. In this direction of hardware, the installation and adjustment of a series of hardware devices such as control module, timing module and constant temperature module have been completed. In terms of software, this paper takes 52 single-chip microcomputer as the platform to realize the acquisition and processing of sensor signals. According to the sensor information, the basic operation mode of water heater is designed. The interface of single-chip microcomputer and Python language are used to carry out program design, and the basic design requirements of wireless intelligent water heater are realized. Key words: 52 SCM, intelligence, water heater, DS18B201绪论 智能热水器在我们的生活中，热水器慢慢成为城市居民必不可少的电气设备.这么多年的进步和技术沉淀，这个热水器行业也源源不断推出不同功能的产品种类，热水器的种类各种各样，从最开始的燃气热水器，一直到至今的天然气热水器、烧电热水器、太阳光能热水器等。各类的水器都有他自己的市场地位。就以热水器的使用感受来看，产品样式多的真是琳琅满目，当然用着也很舒服。即便智能的家居和物联网的最新概念，智能程度也会大大提高，给人类的生活带来很大的满足感。现在的热水器正向着安全的，节能的，稳定的，高效率的，人性化的方面猛速前进。 单片机MCU是具有编程和外部电路设计,体型不大，功耗特别低的小型计算机，能完成各种智能控制任务。由于单片机技术的飞速发展，那么多的消费电子产品开始使用各种类型的单片机作为控制核心，用完成人类和机器之间沟通互动。并用自己程序和里面操作获取想要知道的内容。更加符合人群和智能化的家用电器操作控制。 热水器之中，单片机被广泛用作控制的中心。 用类似的温度传感器对热水器进行温度控制，可以实现高精度，并且做完了了从最开始旋钮调整到数调整方向的慢慢变化，同样，单片机用不一样的传感器控制和呈示热水器的各类运行状况，并在缺水，过热等的情况以下向用户人群呈示声音光亮以警报防止发生意外事故并阻止人群使用。为了安全所提出的智能热水器操控系统以52系列地单片机为操控核心，可通过温度传感器和水的位置传感器检测热水器的状态，并通过对按钮和显示影像屏与用户进行交互。准时加热和自动恒温特性。同样，也有设置过热和缺水的警报，为了人群提供方便。这个装配成本低，实用感在生活中较好，调控热度高低较好。1 智能热水器控制系统的总体设计方案 此次制作所提到的智能热水器控制系统主要是实现对温度的自行操控、按时加热操控和智能警报的作用，所以智能热水器操控系统主要分为控制、显示、信息输入、加热、声光报警等这部分模块组成。 方案的分析与选择 对于主控制芯片，此解决方案选择了最简单的8位52系列单片机，该单片机可以完全满足该系统的要求，并且性能可靠且成本低廉。此外，由于52系列单片机在电子学领域的基本状况，因此它们在使用和编程方面相对熟练，极大地缩短了开发周期并更有效地完成了设计工作。对于显示模块，LED液晶显示器，LCD1602字符液晶和LCD12864点矩阵液晶都是可以完成显示操作的简单紧凑型显示设备。 LED液晶显示器的里面的构造非常简易，LCD1284更喜欢被用在呈示图片和影像方面，LCD1602特别喜欢被用于呈示较少的图案字样。因此选择LCD1602字符液晶。往内输入的模块一般情况下有用户消息从外部送到内部也有传感器消息从外部送到内部。在输入用户信息方面，使用键盘比使用旋钮更易于控制，并且用户更容易接受。用配置相对映的调整按钮，可很好的正确地做到想要的热度。当然，有各种类型的按钮，例如机械按钮和电容按钮，并且该系统处于试验调试阶段，因此选择了最简单的按钮。传感器信息平时输入通常分两个地方，第一个地方是温度信息输入，热度传感器平时用于通告MCU眼下的水的热度以进行自动温度控制，第二个地方就是水的位置信息输入。是为了告知微控制器缺水警报的目的。由于热度传感器，通常情况能在热敏R和数字热度传感器DS18B20之间来进行选配。由于热敏R可靠性低且输出为模拟量，因此只能在进行相应的A/D转换后才能转换，这很麻烦，因为数字温度传感器的温度测量范围宽广，并且单片机节省了通信。直接输出资源，数字量和外围电路非常简单，并且与此概述一致。同样的时候，引进来专门用的的时钟芯片DS18B20以完成正确的定时加温时，将为微操控器用来给它们俩作参照。为了确保用户安全，增加了声音和视觉警报提示模块，以在加热和供水不足时发出提示。同样的，为完成正确的定时加温，引入了一般专们用的构造时刻芯片DS18B20，为微小控制器呈示日子和时刻基本提示。为了确保用户的安全，增加了声光报警提示模块，在缺水，缺水的情况下显示提示信息。 系统总体设计概述 系统以52这个系列MCU为操控中心，一般用DS18B20单数线数字样式热度传感器得到热度讯息，用DS18B20时钟芯片为单片机呈现数作为参照对象，呈示这部分用LCD1602，用机械钮键的方法供给用戸输入，配置眼下系统时刻、要一些热度定时、水的热度配置等方面，做完对所有控制器的管理。系统所有的构造框图如图 所示。 图 系统整体框图 各功能模块介绍 为了顺顺利利的完成整个单片机系统的设计，有必要对所使用的各个模块的组件举行具体的选择，并对组件的数据手册、操作纲要、认认真真领会各个组件的机能、操作要领、硬件的连接基本情况等。 控制模块本设计使用处理器STC89C52RC，主控制核心是52系列单片机，采用CMOS技术构建的8位处理器，CPU可以正常运行，具有相当稳定的运行性能和低功耗。该命令系统与现有的8052微控制器内核完全兼容，并具有2K + EEPROM存储。要创建主导模块，您需要将最小系统的最外部电路配置为单芯片计算机（主要具有晶体振荡和恢复电路），以使单芯片计算机正常工作。 显示模块 本设计采取LCD1602液晶屏幕上,是一个袖珍和高度集成的液晶显示器,可以显示的字母,数字,符号,等,其特点是低功耗,体积小,光模块,并将自己的字符库,必须根据需要初始化开发显示的实现，设置相关的显示位置和显示内容，并且操作简单。集成显示模块可以参考用户手册中引脚的特定定义，“硬件设计”部分详细介绍了与单个芯片的特定连接。当LCD初始化时，5V电源模块1602显示MCU及其最小系统和电源接口，温度传感器模块，声光报警模块，水位传感器模块，按键输入，时钟电路。在与读写操作有关的编程中，您需要参考时序图并进行必要的调整以选择单晶振荡。LCD1602有属于本身的数字符号库，这样的话简易了人群的开创，平时也节约了MCU程序的存储空间，不用在程序中数字符号呈示。如下方图所呈视 LED1602液晶显示流程图 输入模块对于单片机，用户必须通过执行相关的命令输入进行配置。单片机必须对热水器的热水温度进行测试，观察热水是否少水，并在传感器连接的情况下输入信号。输入模块为客户订单输入、热量输入、缺水信号输入。命令向内输入时，由四个单独的按钮完成，热度输入由DS18B20完成，电子水位开关通知是否有水。命令输入模块由四个独立的键组成。单个按钮的触摸模式对于低级很有用。在正常的系统开放状态下，单片机上相应的端口保持高电平。这个时候触碰键钮，单个键钮的两端连接并接收。这个水平下降到地面，所以微控制器可以捕获主要任务。这四个独立的键是配置功能、键值增加、键值减少和这四个功能定义的确认。这里的四个按钮使用软件算法编程ghost程序来扫描按钮的状态。之后，利用行中相应数量的按钮构造对的应答逻辑，为用户提供完整的参考号配置功能。大多数热输入模块都是单导线数字热传感器。型号是DS18B20。在DS18B20的核心中，序列要求的单线传输协议。在水位置信号传输中，选择装有bz2401电子的水位置传导按钮。电源的电压范围为5v-24v，一般有三根线，即电源线、地线和信号线。这种产品通常在内部装有检测水的位置信号的芯片，并由芯片在内部进行处理。当判断有水存在时，芯片会发射出与电压源电压类似的高电平。如果确定没有水，芯片可以发射零伏。将数字ghost数据线连接到地线。 警报模块在实现设定时间功能时，该系统使用专用的DS1302时钟芯片来准确提供详细的日期和时间概念。同时，配置3个LED灯和一个蜂鸣器以形成声光信号和警报模块。DS1302是DALLAS公司生产的一种慢速充电时钟保持芯片，它可以通过一个简单的串行端口与单个芯片通信，该芯片具有自己的独立时钟电路和31个静态RAM。字节，可以提供单片机的详细时钟信息，例如日期，年，月和日，时，分和秒，可以自动处理每个月的天数和and年，以确保精度日期记录。在硬件中，它使用三根数据线连接到微控制器的相应端口，分别是复位，数据和串行时钟。芯片的平时正常工作功率特别低，并在保存起来和记载日子和时刻数据期间消代的功率根本不到一兆瓦。其封存装形式和管脚定义看下图片 所呈示。图 DS18B20 的封装和管脚定义使用时，必须将芯片连接到 KHz晶体振荡器，这需要简单的外围电路。如下图所示，它是一个经典的用来应用电线路。图 一种典型的 DS1302 应用电路图一般声音和光亮警报模块中用的LED灯和微型蜂鸣器，结构简单且好理解电路的特性。用LED灯的时候，要当心选择的颜色，并要来根据最大地电流限制，再加上能相配的限流R，以用来保护LED灯在平时正常电压电流。蜂鸣器不能由单片机端口直接供电。您需要通过三极管激活蜂鸣器来放大三极管的相应模型，例如9012、8550和其他模型，通常它可能会发出声音。图所示 蜂鸣器2 硬件电路的设计与实现 单片机最小系统硬件电路设计 很小的单个芯片系统包含一个晶体振荡器，一个恢复位电路等。MCU中已经存在时钟振荡电路。我们需要在引脚XTAL1和XTAL2之间添加一个反馈环路，以构建最小的MCU系统，以MCU可以获取时钟信号。通常用反馈环路是一个石英晶体振荡器和2个30μF 并联电容器。电容值根据晶体的频率进行调整。在较小的MCU系统电路中，石英晶体振荡器的频率越高，MCU 内部时钟信号的周期短，速度更快从MCU贯行命令。在此构造中，微控制器的时钟速率设置为12MHz，并且相应的重置按钮设置为微控制器的重置引脚，以便用户可以重置微控制器。必要时。对于系统的每一个传感器接触口，还必须为每个传感器，电源和数据线接口标明。最不大的系统可以构造在所有都有可以用的板子上，也可以用焊接在PCB板子上的完成品模块，其硬件原理图片如下面图片 所呈示。 图 MCU 最小系统和接口电路 显示模块硬件电路设计 在这次实验中，选择字符LCD1602作为呈示设备，将LCD1602的数据引脚一起连到MCU的P0端口。即，至分别对应于以1602展示的8个数据线（DB0至DB0）。 DB7用连上。如图 所示，特殊功能端子RS，RW和E通过网络标签分别连接到，和。模块的VEE地端可以调整呈示模块呈示的数字符号的光亮度和对比度。在现实电线路中，用了十千Ω的蓝白R102。当用手转动，就可以更改字符的样式。 图 显示模块和接口电路 温度传感器 DS18B20 电路设计 DS18B20温度传感器和MCU中间的连接较简。将数据线直接连接到MCU的端口（网络签标DQ），电源和地线也连到MCU主板上，这个时候，数据线所用电源电压通过四点七千电阻上拉。 图 温度传感器和接口电路 电子式水位置开关硬件电路设计 用电子水位置导通按钮做成是否缺水的指示判定，这个电按钮在如果有水的时候输出的高电平，在没有液体情况的时候出口是低微电平。高的电平就是电压源，因此电压源要用为5V，传递数具线和迪线连接到单芯片计算电脑的主电路板上（看下面图）。网络签标水对映MCU的端口。 图电子式水位开关接口电路 时钟芯片电路设计 在时钟芯片DS18B20 的3个端口 RST，SCLK和I/O连到用数据互换的MCU上，看图片呈示 所示，收集标签分开是RST，，分开是连接到微控制器的，和 ，实现与单片机的通讯。请看一看DS18B20 The clock chip的传统电路设计方式来构造该整个的基本电路形态。 图 时钟芯片电路 声光报警电路设计 警报电路分为光警报和声警报，用于响应系统的各种警报，并通过声和光提醒用户。如 声响警报模块的电路的构造，峰鸣器一般用与MCU一样的正5伏电压源，由晶体管9013管控，集电极连接到MCU端口，网络标签为BEEP，与MCU的端口相对应。 图蜂鸣器电路高亮度和长寿命的LED灯用于照明警报和提示，常见的阳极连接方法，单片机提供低水平照明。装配3LED光泡，串联接51ΩR ，D1用于指示增加热度状况，D2用来看水位状况，D3用来看热度状况。这3灯连到MCU的，和端口，实现联代功能。 图 指示灯电路 按键设置模块电路设计 本系统的时钟设置、 其中温度中的设计都是要用按钮来进行的，基本用 四个独立的按钮的设计，将一个端子接地并按下后，降低单片机的端口级别，并完成主动作捕捉。此功能由装配按钮，确认按钮，增值按钮和减值按钮界说，网标签为SELT，ENTER，UP和DOWN，对应接单片机的 、、和 四个端口。 图 键钮模块电路 电源和开关模块设计 这个系统一般在外部接上正五伏电源来进行工作。如果想方便控制，需加一个电源总的开关，并且使用LED指示灯来指示电源。在电源和地线中间并联2个滤波C，过滤出电源纹波。 图 电压源模块电路3 热水器控制系统的软件设计与算法实现 软件设计是整个系统的核心。好的软件设计能使硬件更加出色。软件系统的主要设计思想是：1开系统电源后，将呈示目前系统时刻的讯息和水的热度讯息；当水温低于设定值时，开始加热。当水热度大于预期值或水量不足时会触发声音和视觉警报。2、响应按键操作。如果有一些人群碰到下配置灯按钮时，您可以执行3个选项，第一个是设置运行时间，第二个是配置计时器预热的开始和结束时间，第三个是配置温度。范围内的上升和下降极限。软件程序的设计中，它完全结合了模块化设计的思路。完整的软件系统圈主要包括通用初始化功能，LCD1602基本功能，DS18B20基本功能，DS18B20基本功能，按键扫描配置策略基本功能，然后在主程序中调用相关模块的功能，例如读取传感器状态，智能温度判定，警报处理决策，键盘扫一扫，以完成系统预期的操作功效。 系统总体流程图 图系统总体流程图 显示模块程序设计 呈示模块程序主要包括初始化、命令子函数和写数据子函数，是系统软件编程的基本库里，是系统软件编程的最关键基本函数：图所示 图显示模块程序设计 写命令子函数1602作业要命令输入并具有自己的命令库。要编写这个命令，您更需要编写一个特殊设定的的写命令子功能。 写数据子函数 图子函数流程图另外，必须将在时钟装配流程和热度装配流程呈示的情况与人员输入一起编写，以配置适当的光指示呈示管理。 温度传感器模块程序设计 温度传感器流程图。图所示 图温度传感器模块程序设计 在Temperature sensor的基本功能装配中，它用于热度采集并管理。热度写入功能包含写入成数和不成数那部分，分析DS18B20的数据格局，写下正确的热度和因变量。基本功能开发包含模的块开始化的功能、单独线串行的传递信息延迟功效 、所有线信息的装配、byte数传递、byte数收到等很多局部。从主程序中调用这些功能，并与LCD display功能的配合用来以完成各种各样的效果，例如温度显示和判断。 按键设置程序设计 按钮设置程序主要是按钮扫秒的方法。由于键子的扫秒的逻及更加繁琐，因此不仅需要辨认碰下的键数，哪个键，还需共同LCD呈视功能来展示不一样的按钮数和当时的情况，并控制光标位置和打开和关闭LCD1602 ，提示用户进行设置。按钮扫一扫配置过程里分别成为一个子功效，在主要软件中巡回挪用。在行使按键编排动手活动中，因为用了的是呆板按键，出现在癫动的征像，形成测验不却准或碰下的数的误会，正常来用癫动方法，把过去的时间，确保按钮的数正确。按钮正常是四，配置按下面的按钮、确定正确的按碰键子、键子数增多和键子值变少。用来变化量SELT 表达配置按钮的状况，并设计全面变Select记载的装配按钮被按下的次数，将不同的时间与不同的装配功能进行比较，具有按钮功能的效果。当装配按钮所触摸的按钮的频率为1时，请沿光标方向调整时间功能，并记住要进入调整模式。当按按钮的数为二时，光标指引向调好定时作用.当击按钮数量为三时，光标指引向配置热度作用。当按数为四时，请勿标记调整形式并返回正常模式.当使用更改量ENTER显示确认按钮的状态时，请使用Enter记录按钮被按下的次数。Enter的每次访问，都要先开始检验Select的改动数量，确准Select处于功能设置模式，然后显示不同的内容，并控制光标的移动根据不一样功能模下按动确认按钮的数，判定系统在当前要修正的数据是哪个，要不要不调试了，返回平常良好状态。通过设置按钮和确认按钮按动次数，构造系统在调试模式下的每个固定调试的状态，Select与Enter数并在一起就判定了眼下修正地数。看对于这个按钮数量增大和按钮对的数变的少的按键，两个按钮按动的时候，用假设条件去判Select_nu和 Enter_nu 的数的配合状况，贯行相对照的数增加 一 或是数据减少一 的做法。由于键子盘检测巡回进行，连着按增加或减小按键可以实现连起来调配的作用。同时，要看每个数的范围，位置不超出设置范围内。图所示

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东华理工大学毕业设计(论文)基于单片机的热水器温度控制摘 要温度是日常生活中不可缺少的物理量，温度在各个领域都有积极的意义。很多行业中以及日常生活中都有大量的用电加热设备，如用于加热处理的加热热水器，用于洗浴的电热水器及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅提高被控系统的性能，从而能被大大提高产品的质量。因此，智能化温度控制技术正被广泛地应用。本温度设计采用现在流行的AT89C51单片机为控制器，用PID控制方法，再配以其他电路对热水器的水温进行控制。关键词:89C51; PID; 温度控制I1/41页东华理工大学毕业设计(论文)ABSTRACTTemperature is essential physical in daily life ,and in various fields has positive lot of businesses and daily lives have a lot of electric heating as electric water heater for bathing and variety of different uses of the temperature boxes. MCU to control them with easy to control,simple,flexibility and other characteristics,also can significantly improve the performance of the controlled system,which can be greatly improved product quality. Therefore,intelligent temperature control technology is being widely temperature control design uses the now popular AT89C51 MCU controller,with PID control method, which together with

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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。