液压伺服系统研究生.ppt

液压伺服系统 第1章 绪论,1.1 液压伺服控制系统的工作原理及组成1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理 在这种系统中，输出量(位移、速度、力等)能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时。还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。液压泵是系统的能源，它以恒定的压力向系统供油供油压力由溢流阀调定。液压动力元件由四边滑阀和液压缸组成。滑阀是转换放大元件，它将输入的机械信号(阀芯位移)转换成液压信号(流量、压力)输出，并加以功率放大。液压缸是执行元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度(或伙移)。滑阀阀体与液压缸体刚性连结在一起，构成反馈回路。因此，这是个闭环控制系统。,如图是一个机液位置伺服系统的原理图。液压缸的运动（输出量）自动而准确地复现了阀芯的运动（输入量）变化规律。,1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理,1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理,电液伺服系统：有电液伺服阀存在控制系统。阀控系统：系统主控流量和压力元件是阀。泵控系统：系统主控流量和压力元件是泵。恒压源：系统能源装置输出压力为恒值。恒流源：系统能源装置输出流量为恒值。,1.1.2液压伺服和比例控制系统的组成,输入元件：也称指令元件，给出输入信号(指令信号)加于系 统的输入端。如靠模、指令电位器或计算机等。反馈测量元件：测量系统的输出并转换为反馈信号。如各种传感器。比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。多为减法器。放大转换元件：将偏差信号故大、转换成液压信号。如 机液伺服阀、电液伺服阀等。执行元件 产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸和液压马达等。控制对象 被控制的机器设备或物体，即负载。此外，还可能有各种校正装只，以及不包含在控制回路内的液压能源装置。,1.2 液压伺服控制系统的分类,1、按输入信号介质分：有机液伺服系统、气 液伺服系统、电液伺服系统等。2、按输出物理量分：有位置伺服系统、速度伺服系统、力(或压力)伺服系统等。3、按控制元件分：有阀控系统和泵控系统两类。,1.3 介绍液压伺服控制系统的优缺点,液压伺服系统与电气伺服系统相比有三个优点（1）体积小重量轻惯性小可靠性好输出功率大（2）快速性好（3）刚度大(即输出位移受外负载影响小)定位准确。缺点是加工难度高抗污染能力差维护不易成本较高。,习题和思考题,1、阀控系统和泵控系统的基本工作原理是 什么?它们各有什么优缺点？2、什么是恒压系统？什么是恒流系统？各有什么特点？3、机液伺服系统和电液伺服系统的组成有什么不同？4、为什么液压伺服控制系统的响应速度 快、控制精度高？,按滑阀零位时开口型式：负开口（正遮盖或正重叠）、零开口（零遮盖或零重叠）和正开口（负遮盖或负重叠）。,第2章 液压放大元件2.1圆柱滑阀的结构型式及分类,滑阀按工作边数(起控制作用的阀口数)可分为：单边滑阀、双边滑阀和四边滑阀。,另外按进、出阀的通道数：三通阀，四通阀，例如b为三通阀；按阀芯的凸肩数目划分：a，b为两凸肩阀，c为三凸肩阀,2.2滑阀静态持性的一般分析一、滑阀压力流量方程的一般表达式,QL为负载流量；PL为负载压降；Ps为供油压力；Qs为供油流量;Po为回油压力；xv为阀芯位移；U为开口量；,一、滑阀压力流量方程的一般表达式,以零开口为例U=0假设条件：1、液压能源是理想的。对恒压源供油压力Ps为常数;对恒流源供油流量Qs为常数。回油压力Po为零，如果不为零，则把Ps看成供回油压力差。2、忽略管道和阀腔内的压力损失。3、液体是不可压缩的。4、阀各节流口的流量系数相等，即Cd1=Cd2=Cd3=Cd4=Cd则有：,一、滑阀压力流量方程的一般表达式,PL 称为负载压力；QL称为负载流量。在大多数情况下，阀的窗口都是匹配的和对称的，则有:A1=A3；A2=A4；而且Q1=Q3；Q2=Q4；,一、滑阀压力流量方程的一般表达式,二、滑阀的静态特性曲线,1、流量特性曲线：是指负载压降等于常数时，负载流量与阀的开度之间的关系，当负载压降PL=0时的流量特性称为空载流量特性。,二、滑阀的静态特性曲线,2.压力特性曲线：是指负载流量等于常数时，负载压降与阀的开度之间的关系，重要的是负载流量QL=0时的压力特性，通常所讲的压力特性即指此而言。,二、滑阀的静态特性曲线,3.压力一流量特性曲线：是指阀的开度一定时，负载流量与负载压力间的关系，压力一流量特性曲线族。,三、阀的线性化分析和阀的系数,阀的压力一流量特性是非线性的。采用线性化理论对系统i行动态分析时，必须把这个方程线性化。在某点（PL0,XV0)附近展成台劳级数，通常为零点。,三、阀的线性化分析和阀的系数,阀系数：1、流量增益Kq：它是流量曲线在某一点的切线斜率。流量增益表示负载压降一定时，阀单位输入位移所引起的负载流量变化大小。2、流量一压力系数Kc：它是压力一流量曲线的切线斜率冠以负号。流量一压力系数表示阀开度一定时，负载压降变化所引起的负载流量变化大小。3、压力增益(压力灵敏度)Kp：它是压力特性曲线的切线斜率。,三、阀的线性化分析和阀的系数,应当指出以下几点:(1)阀的三个系数是表征阀静态特性的三个性能参数，这些系数在确定系统的稳定性、响应特性时是非常重要的。流量增益直接影响系统的开环放大系数，因而对系统的稳定 性、响应特性和稳态误差有直接的影响。流量-压力系数直接影响阀一液压马达组合的阻尼系数和速度刚性。压力增益标志着阀-液压马达组合起动大惯量或大摩擦负载的能力，这个参数可达到很高数值，这正是伺服系统所希望的特性。(2)阀的系数的数位随工作点的变化而变化。最重要的工作点是压力一流量曲线的原点，因为系统(位置控制系统)经常在原点附近工作，而此处阀的流量增益最大，因而系统的增益最高，但流量一压力系数最小，所以阻尼最低。因此，从稳定性的观点看，这一点是最关键的。(3)线性化方程式的精确度和适用范围与变量的变化范围和阀特性的线性度有关。阀特性的线性度高，变量的变化范围小，线性化的精确性就高，阀特性的线性度高，所允许的变量变化范围就大。,2-3零开口四边滑阀的静态特性,一、理想零开口因边滑阀的静态特性 理想滑阀是指径向间隙为零、工作边锐利的滑阀。理想滑阀的静态特性可以不考虑径向间隙和工作边圆角的影响。1、理想零开口四边滑阀的压力一流量方程,理想零开口四边滑阀当阀芯离开中间位置时，只有两个节流口通流，其余两个节流口完全关闭。设定阀芯左移为正，Q1=Q3=0；Q1=Q3：,当阀芯右移时：,零开口四边滑阀的无量纲压力一流量曲线,如图所示。因为阀窗孔是匹配和对称的，所以压力一流量曲线对称于原点。图中的，象限是马达工况区，、象限是泵工况区，只有在瞬态过程中才可能出现。例如xV突然减小，液压缸对负载进行制动时，负载压力突然改变符号，但是由于液流和负载惯性的影响，在一定时间内，负载和液流仍将保持原来的运动方向。,2、理想零开口四边滑阀的阀系数,流量增益为,流量-压力系数增益为,压力增益为,零位阀系数（PL=0，xV=0）,理想零开口四边滑阀的零位流量增益决定于供油压力P.和面积梯度，在Ps为常数时，唯一的由面积梯度所决定，因此是阀的最重要的参数。Ps和面积梯度是很容易测量和控制的量，从而零位流量增益也就比较容易准确计算和控制。试验也证明由式计算的 值与实际零开口阀的试验值是相符的，故可以放心地使用。但Kp和 Kc值和实际零开口阀的试验故相差很大，故需寻求其他计算方法,二、实际零开口四边滑阀的零区特性,实际的与理想的零开口滑阀之间的差别就在于零位泄漏特性。理想的阀具有精确的几何形状，因而零位泄漏量为零，造成阀系数计算不准确的结果。实际阀具有径向间隙，往往还有小于0.025 mm的正的或负的微小重叠量，这种阀的零位存在着泄漏量。这种泄漏特性决定了阀在零区的压力一流量特性。在零区以外，由于径向间隙等影响可以忽略，实际阀的特性和理想阀的特性是一致的。,实际阀的零区特性可以通过试验确定。将其负载通道关闭(QL=0)，在负载通道和供油口分别俊上压力表，在回油口接流量计或量杯。在供油压力Ps一定时，改变阀的开度XV，测出相应的负载压力PL.如果使阀处于几何零位不动，改变供油压力Ps，可以测量相应的零位泄漏流量。,二、实际零开口四边滑阀的零区特性,实际零开口四边滑阀阀系数的近似计算J方法。对于间隙为b，周长为的环形锐边节流孔来说，在层流状态其流量可用下式计算：（在零位时各个节流口流量为总流量一半，压降也为总压力一半。）,式说明，实际阀的KC0值与阀的面积沸度和径向间隙有关，并且随着其增加而增加。通常可取b=0.005mm作为典型值来估算。零位压力增益主要取决于阀的径向间隙道，而与阀的面积梯度无关。,为了对零位压力增益有一个数量概念，我们作一个典型计算。取=1.4*10-6Pa.S,=870Kg/m3，Cd=0.62,b=0.005mm则：,当Ps=70MPa时，Kpo=3.375*1011Pa/m，实践证明，此数值很容易达到，但值得注意的是无论如何此阀系数不易取得准确数据，且其变化较大是个“软量”。,2-4、正开口四边滑阀的静态特性,如图当阀在几何零位 时，四个节流窗口有相等的正开口U，并规定阀是在正开口范围内工作的，假定阀口是匹配且对称的，则有：,正开口四边滑阀的零位系数为,2-4、正开口四边滑阀的静态特性,关于零位阀系数的说明：1、正开口四边阀的流量增益是理想零开口四边滑阀的两倍，这是因为负载流量同时 受两个节流窗口的控制。2、正开口阀可以提高零位流量增益并改善压力一流量曲线的线性度。3、流量-压力系数取决于面积梯度。4、压力增益 与面积无关。5、这种阀由于零位泄漏流量比较大，所以不适合大功串控制的场合。3,4说明前面的分析的正确性。在零位附近，实际零开口阀很类似于正开口阀。,2-5滑阀受力分析,一、轴向液动力：稳态液动力（好力利于稳定，但加重驱动力）；瞬态液动力（时好时坏）。二、阀芯与阀套间的摩擦力力三、滑阅的驱动力,2-6、滑阀的功率输出及效率,阀输出或负载功率为：No=PL*QL阀的输入功率为：Ni=Ps*Qs阀的效率为：=PL*QL/Ps*Qs1、仅考虑阀：阀在最大开度和负载压力为2/3 Ps时，能够输出的最大功率，效率为66.7%2、若考虑阀的空载流量为定量泵额定流量，则阀在最大开度和负载压力为2/3 Ps时，能够输出的最大功率，效率为38%。3、若采用恒压变量泵作为能源，泵的输出流量正好满足所要求的负载流量，系统的供油效率100%，则系统的效率就近似等子阀的效率。4、伺服系统中效率不是主要考虑的因素，更重要的是首先满足系统的控制性能，如稳定性、响应速度、精度等。5、在以后的设计中，我们还是经常取，2/3Ps设计为负载压力，因为此时系统效率最阀的输出功率最大。,2-7喷嘴挡板阀的分析与设计,喷嘴挡板阀有以下优点，(1)结构简单，公差要求比较宽，故制造容易、价格低。(2)其压力一流量特性曲线的线性度比较好，特性容易预测，对油液污染不太敏感，工作十分可靠。(3)运动部分(挡板):5惯如位移量小，故动态响应速度高，灵敏度高。(4)但存在泄漏损失，流量增益小。大多数两级电液伺服阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。,2-7喷嘴挡板阀的分析,与滑阀相比，喷嘴挡板阀有以下优点：(1)结构简单，公差要求比较宽，故制造容易、价格低。(2)其压力一流量特性曲线的线性度比较好，特性容易预测，对油液污染不太敏感，工作十分可靠。(3)运动部分(挡板惯性小，位移量小，故动态响应速度高，灵敏度高。但存在泄漏损失，流量增益小，因此这种阀在低功率系统中很受欢迎，大多数两级电液伺服阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。,双喷嘴挡板阀的原理图所示。它由固定节流孔、喷嘴及挡板组成。喷嘴与挡板间的环形面积构成了可变节流口，用来控制固定节流孔与可变节流孔之间的压力P1和P2，该压力差P1-P2与负载腔相连，用来控制如液压缸。当上边挡板与喷嘴端面之间的间隙减小时，由于可变液阻增大，使流量减小，在固定节流孔处的压力P1增大；下边挡板与喷嘴端面之间的间隙增大时，由于可变液阻减小，使流量增大，在固定节流孔处的压力P2减小。因此控制压力差增大，推动负载运动。,2-8射流管阀,滑喷嘴挡板阀特点：抗污染能力强，结构简单，要求加工精度低；缺点是惯性大，相应速度慢，功耗大；用于小功率和低压场合。,习题和思考题,1、什么是理想滑阀?什么是实际滑阀。2、阀的静态特性是什么？说明阀的三个系数的定义和它们对系统性能的影响。3、比较零开口阀、正开口阀 的三个阀系数有什么异同?为什么?4、已知一正开量U=0.05mm的四通阀，在供油压力Ps=7MPa下测得泄漏量为5L/min求阀的三个零位阀系数。,第三章液压动力元件,液压动力元件或称液压动力机构是由液压放大元件和液压执行元件(包括负载)组成的。液压放大元件可以是何服阀或伺服变量泵;液压执行机构是掖压马达或液压油缸。可组成：阀控液压马达、阀控液压缸、泵控液压马达和泵控液压缸。前两种动力元件可以构成阀控系统，后两种动力元件可构成泵控制系统。在液压伺服系统中，液压动力元件是一个关键性的部件，它直接影响到系统的动、静态品质。本章将建立儿种基本的液压动力元件的传递函数，分析它们的动态特性和主要的性能参数，讨论动力元件与负载的匹配，这些是分析和设计液压伺服系统的基础。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,假设：阀与马达的连接管道对称且短而粗，可以忽略管道内的摩擦报失和管路动态；在管道和马达腔内不会出现饱和或空穴现象，在每个管道和马达腔内各点压力相等，温度和密度均为常数;液压马达内、外泄漏均为层流流动。根据流量的连续性，可写出每个马达腔的连续性方程为：,一、基本方程与方块图,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,假定阀为零开口四边滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，由于阀腔的容积很小，所以不考虑液体在阀腔里的压缩性；阀具有理想的响应能力，即阀芯位移和负载压力变化立即引起流量的相应变化，这个假定在几百Hz的范围内是适用的。则：零开口四边滑阀的线性化流量方程为：,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,上式是所有液压执行元件流量连续方程的基本形式。右边第一顶是推动液压马达运动所需的流量，第二项是泄漏流量，第三项是压缩流量。由于液压马达所包含的总压缩性容积比较大，同时负载压力PL的变化率也比较大，所以通常都要考虑压缩性流量的影响，动态连续性方程与静态连续性方程的差别也就在于此。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,液压马达与负载的转矩平衡方程可写为：,做拉氏变换后：,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,系统方块图：,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,二、传递函数与传递函数的简化,分子中的第一项可以看成是无负载时的速度，而第二项则是因负载转矩作用而造成的速度降低。分母中第一项表示惯性转矩变化引起的压缩性流量所产生的马达速度变化，第二项表示惯性转矩引起的泄漏流量所产生的马达速度变化，第三项表示粘性转矩变化引起的压缩流量所产生的马达速度变化，第四项发示马达运动速度的变化，第五项表示表示粘性转矩变化引起的泄漏流量所产生的马达速度变化，第六项表示弹性转矩变化引起的压缩性流量所产生的马达速度变化，第七项表示弹性转矩引起的泄漏流量所产生的马达速度变化。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传递函数的简化,在动态方程式中，考虑了惯性负载、粘性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素，是一个十分通用的形式。实际系统的负载往往比较简单，而且根据具体使用悄况有些影响因素可以忽略，这样传递函数就可以大为简化。,没有弹性负载G=0的情况：伺服系统的负载在很多情况下是以惯性负载为主，而没有弹性负载或弹性负载很小可以忽略。在液压马达作执行元件的伺服系统中，弹性负载更是少见。所以没有弹性负载的情况是比较典型的，也是比较普遍的情况。另外，粘性摩擦系数Bm一般很小，可以忽略不计。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传递函数的简化,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传递函数的简化,在动态方程式中，考虑了惯性负载、粘性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素，是一个十分通用的形式。实际系统的负载往往比较简单，而且根据具体使用悄况有些影响因素可以忽略，这样传递函数就可以大为简化。,有弹性负载G0的情况：在阀控液压马达中弹性负载虽然十分少见，但在阀控液压缸中弹性负载还是比较常见的，例如在两级液压放大器中，当功率级滑阀带对中弹簧时，就属于这种情况。另外，粘性摩擦系数Bm一般很小，可以忽略不计。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传递函数的简化,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,简化条件,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,三、动态特性分析,（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析,速度放大系数Kq/Dm：对慢输入信号来说，液压马达的输出速度与阀的输入位移成比例，比例即为速度放大系数。它表示系统速度控制的灵敏度。此系数直接影响闭环系统的稳定性、响应速度和静态精度。提高此系数可以提高系统的响应速度和静态精度，但使稳定性变坏。因为液压马达排量Dm主要由系统的负载特性决定，所以速度放大系数主要由阀的流量增益Kq决定。随工作点变化，在零位时Kq最大，随负载增大减小。在计算稳定性时，应该采用空载流量增益。而在计算静态特性时应取最小流量增益。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,三、动态特性分析,（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析,液压固有频率n,液压固有频率是负载惯性与液压马达腔中油液压缩性相互作用的结果。由于液体具有压缩性，当液压马达受外转矩作用时，马达轴可转动一个微小的角度m，使一个腔的压力升高，另一个腔压力降低。,液压固有频率常常是系统中最低的频率，其大小也就决定了系统响应的快速性。影响液压固有频率的因素有:负载惯量和管道中油液的惯量JL，但JL是由负载决定的，故减小JL，是有限度的。可以在负载与液压马达之间采用适当的齿轮减速装置来减小负载惯量的影响。可得管道中液体质量折算到液压马达处的等效惯量。管道中油液的惯量在管道比较细长时，这个等效惯量是相当可观的。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,三、动态特性分析,（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析,影响液压固有频率的因素有:总压缩容积Vt，为了提高n，应尽量减小Vt，包括液压马达的工作容积、无效容积和连接管道容积。工作容积由液压马达排量决定，而马达排量主要是由负载决定的，所以减小Vt，主要是减小液压马达的无效容积和连接管道的容积。使阀靠近液压马达，采用短而直的管道，也可以将阀和液压马达装在一起，使价减到最低程度。,液压马达排量Dm。增大Dm可以提高n。但与Dm并不成比例关系，因为随着Dm增大，液压马达惯量和总压缩容积也有所增大。另外，增大Dm还有以下缺点，为了满足同样的负载速度，需要的负载流量增大了，因而需要选用较大的阀、液压能源装置和连接管道，使动力机构本身的尺寸重量也随之增大。,有效体积弹性模数e。是最难确定的。受油液的压缩性、管道及液压马达工作腔的柔性和油液中所含空气的影响，其中以混入油中的空气的影响最为严重。采用高压系统是影响小。避免使用软管。无空气的油液，其体积弹性模数大约为1400-2000MPa，混入空气是不可避免的。另外，还要考虑马达腔和连接管道的结构柔性的影响，在实际计算时，取为700MPa。,液压固有频率和速度放大系数是比较容易确定的量，其变化范围也不大。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,三、动态特性分析,（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析,液压阻尼比n:此值几乎是系统所有参数的函数。但其中除Kce和Bm外，其它参数是由别的因系确定的，通常负载阻尼系数Bm的影响很小。而液压马达的泄漏系数通常都比阀系数Kc小得多，所以n主要取决于Kc。此值随工作点不同会有很大的变化在零位时最小，阻尼比最小。在计算系统的稳定性时，应取零位时的Kc值，因为此时系统稳定性最差。计算得到的零位阻尼比是很小的，而实际测得的零位阻尼比总是比计算值大，至少为0.10.2，经常还要更高一些，这是由于库仑摩擦的影响所至。综上所述，液压阻尼比随工况变化会发生很大变化，在零位附近最小，在马达速度和负载较大时可大于1，其变化范围达20-30倍，是难以准确确定量。提高液庄阻尼比的方法有：设置旁路泄漏通道以增加泄漏系数，其缺点是增大了功率损失，降低了系统的刚度，系统性能受温度变化的影响也比较大。采用正开口阀增大Kc。但也要使系统的刚度降低，而且零位泄漏量引起的功率损失比第一种办法还要大，另外正开口阀还要带来非线性增益、稳态液动力变化等间题。用旁路泄漏比采用正开口阀要好些。除了上述办法外，还可以采用压力反馈、动压反馈和加速度反馈等办法来提高系统的阻尼。,液压固有频率和速度放大系数是比较容易确定的量，其变化范围也不大。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,三、动态特性分析,(二)有弹性负载时的动态特性分析,液压固有频率和速度放大系数是比较容易确定的量，其变化范围也不大。,在有弹性负载时，系统参数的变化对系统动态特性的影响较为复杂，这里仅给出结论：总流量一压力系数Kce对开环增益和惯性环节的转折频率都有影响，但对穿越频率没有影响。Kce值增加时，使开环增益降低，使转折频率增高，总之，在有弹性负载时，Kce变化不但要影响到频率特性的高频段，而且还要影响到低频段，但对中频段没有影响。所以Kce变化只影响系统的稳态误差，而对动态特性影响不大。,3-2四通阀控制对称液压缸,第三章液压动力元件,基本方程,做类似处理，的拉氏变化：,3-2四通阀控制对称液压缸,第三章液压动力元件,传递函数（K=0）,3-2四通阀控制对称液压缸,第三章液压动力元件,传递函数（K0）,四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：1、前者A为定值，而后者Dm有一定的变化。2、前者泄漏系数Kce为定值，后者有变化。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。,3-2四通阀控制对称液压缸,第三章液压动力元件,传递函数（K0）,四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：1、前者A为定值，而后者Dm有一定的变化。2、前者泄漏系数Kce为定值，后者有变化。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。,3-3 结构柔度的影响,第三章液压动力元件,理想状态是液压执行元件与负载之间的机械连接完全是刚性的。实际上机械连接总有一定的弹性变形。在一般情况下，传动机构的刚度设计得比较充裕，弹性变形的影响可以忽略不计。这样就可以把负载看成是集中参数表示的单弹簧一单质量系统。但是在某些特殊情况下必须考虑传动机构结构柔度的影响，这时，负载为二自由度系统;在更复杂的情况下，负载为几个集中质量以柔性结构相连的多自由度系统。当伺服系统对快速性要求较高时，负载系统的结构谐振频率可能在何服系统频带以内，于是绪构谐振频率就左右了动力机构的动特性，限制了系统的频宽，这个问题在系统设计时必须考虑。在大型雷达天线、振动台、重型机床的传动系统等大惯量功率伺服系统中，都会遇到结构谐振间题。,3-3 结构柔度的影响,第三章液压动力元件,一、液压执行元件与负载间的结构柔度的影响,3-3 结构柔度的影响,第三章液压动力元件,一、液压执行元件与负载间的结构柔度的影响,由上式可知，由于负载结构柔度的影响，动力机构出现一个比液压固有频率和负载谐振频率都低的综合频率。如果活塞与负载之间的传动机构刚度很大，则动力机构的频率就近似等于液压固有频率。随着结构刚度的降低动力机构的频率也降低，当结构刚度远小于液压弹簧刚度，动力机沟的频率就近似等于负载系统谐振频率。在结构刚度与液压弹簧刚度接近时，结构柔度的影响就不能忽略了。由式可见，由于结构柔度的影响，动力机构的阻尼比降低了，结构柔度越大，阀所能提供的阻尼也越小。因此结构柔度的影响就经常成一为整个系统响应速度和精度主要限制因素。为了提高系统的性能，应设法提高综合综谐振频率和综合阻尼比。减小结构柔度影响的方法有:(1）采用半闭环系统，即反馈从活塞杆取出，构成闭环位置系统。此时系统的稳定性 和快速性较好。(2）提高综合谐振频率。负载质量由负载特性决定，所以要提高结构刚度，在带有传动链的负载系统中，对等效结构刚度影响最大的是靠近负载处的结构刚度。在此基础上，可以进一步提高液压固有频率。其方法是增大液压执行元件到负载的传动比。（3)提高综合阻尼比：阻尼比主要由阀提供，可以采用增大Kce的办法提高。常用的办法是，在液压缸两腔之间连接一个机液瞬态压力反馈网络，或采用压力反馈或动压反溃伺服阀。在系统内附加电的压力反馈力，微分负反馈网络也可起到同样的作用。,3-4液压动力元件与负载的匹配,第三章液压动力元件,根据负载力和负载运动速度来选择液压动力元件的参数称之为液压动力元件与负载的匹配。,一、负载特性：力及运动速度的关系。二、液压执行元件等效负载的计算：分析计算方便，需要将负载惯量、负载阻尼和负载刚度等折算到液压执行元件的输出端。三、液压动力元件的输出特性：流量和负载压差的关系,四、供油压力的选择：采用高压系统的最主要优点是，结构紧凑、重量轻。在条件允许的情况下，选用较低的工作压力。因为这有利于延长元件和系统的寿命，有利于减小泄漏，使功率损失小温升低，另外低压系统容易维护，对油液的污染也不十分敏感。一般可选7MPa。五、伺服阀规格和执行机构尺寸的确定：1、按最大功率最佳匹配:如果动力元件的输出特性曲线不但包围负软轨迹，而且动力元件的最大输出功率点与负载的最大功率点相重叠，就认为动力元件与负载是最佳匹配。,3-4液压动力元件与负载的匹配,第三章液压动力元件,2.按最大负载力和负载速度匹配：两项都要满足，效率较低。,第四章 机液伺服系统,机液伺服系统主要是位置控制。因为机液伺服系统结构简牟.、工作可靠、使用维护也比较容易，因此广泛地用于飞机舵面操纵系统，汽车动力转向装置以及液压仿形机床等。本章主要对机液位置伺服系统的动、静态特性进行分析，通过分析找出系统参数和主要性能指标间的关系，作为工程设计方法的基础。,4-1机液位置伺服系统,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,一、系统的组成及方块图,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,一、系统的组成及方块图,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,二、系统德定性分析1、开环传递函数与开环频率特性,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,二、系统德定性分析,2、系统的稚定条件,为了使系统稳定，速度放大系数受液压固有频率和阻尼比的限制。液压阻尼比实测值通常在0.10.2左右，因此速度放大系数被限制在液压固有频率的0.20.4倍以下。穿越频率c=KV愈大，系统频带愈宽，系统响应也愈快。一般总是希望c大些，也就是KV大些。其稳态速度误差也小。系统不但要稳定，而且要有适当的稳定裕量，这样才能得到满意的性能。通常相位裕量应在4060度之间，增益裕量Kg应大于6dB。但机液伺服系统阻尼比较小，而 相位裕量比较大，增益裕量比较难以保证，所以可根据增益裕量确定KV值。,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,二、系统德定性分析,三、系统响应特性分析1、系统的闭环传递函数,未校正的机液伺服系统的n小，因受稳定性限制Kv也比较小，符合上述条件的，故此近似关系在系统初步设计时是很有用的，可以估算出系统的动态指标。,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,三、系统响应特性分析2、系统对输入信号的时间响应特性,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,三、系统响应特性分析2、系统对输入信号的时间响应特性,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,三、系统响应特性分析3、系统对负载力干扰的响应,4-1机液位置伺服系统,第四章 机液伺服系统,四、系统稳态误差分析,1、阶跃位置输入：因为系统为型系统，跟踪误差为0.2、等速输入：因为系统为型系统，跟踪误差为有限值.1、加速度输入：因为系统为型系统，跟踪误差为.无论动态性能还是稳态性能，若要提高必须加校正，由于机液系统的本身的构造很难实施校正。,4-2机液位置伺服系统实例,第四章 机液伺服系统,一、液压转矩放大器，,由图可知，在输入轴转过一定角度 传至四通滑阀，由于滑阀端部的螺杆与液压马达轴上的螺母相配合，引起阀芯轴向移动，使阀芯与阀套间形成开口，压力油经阀口进入液压马达，使之旋转。液压马达输出轴的转动又通过螺母使阀芯恢复原位，关闭开口，液压马达停止转动。当输入轴 反向旋转时液压马达也作反向运动。因此，浓压马达总是跟随输入轴运动。,4-2机液位置伺服系统实例,第四章 机液伺服系统,二、车床仿形刀架,由图可知，在触销沿靠模面滑动，而车刀不动，就会驱动伺服阀芯移动，使得缸体移动，跟随 传触销运动，同时将缸体的运动反馈给伺服阀芯。使阀芯恢复原位，关闭开口，缸体停止移动。,液压伺服系统实例,1 车床仿形刀架 仿形刀架是由位置控制机构（液压伺服系统）驱动，按照样件(靠模)的轮廓形状，对工件进行仿形车削加工的装置。用这种方法对工件进行加工时，可先用普通方法加工出一个样件来，然后用这个样件就可以复制出一批零件。,第 五 章 电液伺服阀,电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能(流量与压力)输出。在电液伺服系统中，将电气部分与液压部分逢接起来，实现电液信号的转换与放大。,5-1电液伺服阀的构成及分类,1、按液压放大器级数可分为:单级、二级、三级电液何服阀。2、按第一级的结构型式可分为:单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀和射流元件。3、按反馈形式可分为;滑阀位置反馈、负载流最反馈和负载压力反馈。4、按力矩马达的形式可分为:动铁式和动圈式或干式和湿式。,5-2力矩马达,第 五 章 电液伺服阀,在电液伺服阀中力矩马达的作用是将电信号转换为机械运动，因此是一种电一机械转换装置。它由永久磁铁或激磁线圈产生固定磁场，电控制信号通过控制线圈产生两个磁场相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使运动部分产生直线位移或角位移。,一、永磁动铁式力矩马达,动铁式力矩马达由永久磁铁、导磁体、衔铁、控制线圈和弹性扭轴等组成。衔铁由扭轴支承在两个导磁体的中间置，可绕扭轴作微小转动。控制线圈套在衔铁上。无信号电流时，衔铁在上下导磁体作用下在中问位置，力矩马达无转矩输出。当有信号电流时，两个控制线圈产生控制磁力，其大小与方向由信号电流决定。控制磁力产生电磁力矩，使衔铁绕着扭轴转动。当扭轴反转矩、负,.ax转矩与电磁转矩平衡时，衔铁停止转动。如果信号电流反向，则电磁转矩也反向。,5-2力矩马达,第 五 章 电液伺服阀,一、永磁动铁式力矩马达以电流作输入时的传递函数：以电压作输入信号，力矩马达传递函数与驱动放大器的特性和线圈电感有关。为避免对放大器特性作详细描述和消除线圈电感的影响，通常以电流作输入来确定其性能。,5-2力矩马达,第 五 章 电液伺服阀,二、永滋动圈式力马达,力马达的可动线圈置于工作气隙中，永久磁铁在工作气隙中形成固定磁通，当线圈中有电流通过时，线圈就受到电磁力而运动，线圈运动方向取决于线圈上的电流方向。线圈所受的电磁力克服弹簧力和负载力，使线圈产生一个与控制电流成比例的位移。动铁式马达和动圈式马达比较:1)动铁式马达其非线性严重，为了限制非线性，动铁式马达衔铁位移很小。2)动铁式马达体积小、输出转矩大，工作行程小。3)动铁式马达衔铁惯量小、弹簧管刚度大，故动态响应快。在相同功率条下，它的固有频率大约是动圈式的15倍。4)动铁式马达价格高。,5-3 力反馈二级电液伺服阀,第 五 章 电液伺服阀,伺服阀由永磁式力矩马达，弹簧管、前置级双喷嘴挡板阀，功率是四通滑阀、反馈杆组成。无信号电流时，衔铁由弹簧管支承处于的中间位置，力矩马达无力矩输出。此时，挡板处于两个喷嘴的中间位置，喷嘴挡板阀输出的控制压力P1p=P2p，滑阀在反馈杆小球的约束下也处于中间位置，阀无液压信号输出。若有信号电流时，力矩马达有力矩输出同时，使挡板偏移，喷嘴挡板的一个间隙减小而另一间隙增大，控制压力P1p P2p，推动滑阀移动。同时，使反馈杆产生弹性变形，对衔铁挡板组件产生一个相反方向的反转矩。当作用在衔铁挡板组件土的电磁转矩，弹簧管反转矩、反馈杆反力矩等诸力矩达到平衡时，滑阀停止运动，取得一个平衡位置，并有相应的流量输出。,5-3 力反馈二级电液伺服阀,第 五 章 电液伺服阀,伺服阀 的传递函数,力反该伺服阀的静态方程,5-4 其它反馈二级电液伺服阀,第 五 章 电液伺服阀,一、直接反馈二级滑阀式电液伺服阀：这种伺服阀由动圈式力马达和二级滑阀式液压放大器组成。前置级是带两个固定节流孔的四通阀，功率级是零开口四通阀。功率级阀芯也是前置级.阀套，构成直接位置反馈。二、弹簧对中式二级伺服阀 这种伺服阀力矩马达、喷嘴挡板阀、滑阀式液压放大器组成，功率级为滑阀，前置级是喷嘴挡板阀。滑阀设有对中弹簧，靠对中弹簧与前置级液压放大器愉出压差和平衡来实现阀芯定位。功率级滑阀位移与输养电流成比例，因此也称位置比例式。这种伺服阀是开环控制的。三、直接位置反馈式：这种伺服阀主滑阀直接跟随第一级滑阀阀芯运动，两者组成一个液压跟随器。这种反馈形式结构简单紧凑，如采用双喷嘴挡板阀或射流管阀作前置级很容易构成无接触的反馈形式。另外还有：负载流量反馈伺服阀、动压反馈伺服阀、压力控制伺服阅等,5-5电液伺服阀的实验特性和主要性能参数,第 五 章 电液伺服阀,一、静态特性1、负载流量特性(压力一流量特性)这些曲线主要还是用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力相匹配。,5-5电液伺服阀的实验特性和主要性能参数,第 五 章 电液伺服阀,一、静态特性 2、空载流量特性简称流量曲线额定流量：通常，在空载条件下规定伺服阀的额定流。在流量曲线上对应于额定电流的输出流量就是额定流量。额定流量的公差一般规定为10%石。可用来选择伺服阀。流量增益：流量曲线上某点或某段的斜率就是阀在该点流量增益。伺服阀的额定流量与额定电流之比称为额定流量增益。分辨率：为使伺服阀的输出流量发生变化所需的输入电流的最小变化值与额定电流的百分比，通常为小于1%。3、零区特性零位偏移(零偏)、零位漂移(零漂)、,5-5电液伺服阀的实验特性和主要性能参数,第 五 章 电液伺服阀,二、动态特性（频率响应）电液伺服阀的频率响应是输入电流在作正弦变化时，空载流量与输入电流的复数比。幅值比是某一特定频率下的输出流量幅值与输入电流幅值之比，除以一指定低频(输入电流基准频率，通常为5或10Hz)下的输出流量与同样输入电流幅值之比。,5-5电液伺服阀的实验特性和主要性能参数,第 五 章 电液伺服阀,三、输入特性(电气特性)1、额定电流：伺服阀的额定电流是为产生额定流量，线圈任一极性所规定的输入电流，以A表示。伺服阀有两个线圈，额定电流与线圈连接形式有关。2、线圈接法 单线圈接法、双线圈单独接法，差动接法，串联接法，并联接法 各有千秋,5-5电液伺服阀的实验特性和主要性能参数,第 五 章 电液伺服阀,三、输入特性(电气特性)3、颤振 为了降低系统的分辨率，可以在伺服阀的输入信号上叠加一个高频低幅值的电信号。这可以减小或消除伺服阀中由于摩擦所产生的游隙，同时还可以防止阀的堵塞。,第 六章 电液伺服系统,电液伺服系统是由电的信号处理部分与液压的功率输出部分组成的闭环控制系统。由于电检测器的多样性，因此可以组成许多物理最的闭环控制系统。最常见是电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力或压力控制系统。电液伺服系统综合了电和液压两方而的特点，具有控制精度高，响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑和重量轻等优点。,6-1 电液位置伺服系统的分析一、系统中的电气元件1、位置传感器 对控制对象位置给出连续的信号：电位器，旋转变压器、位移传感器等2、伺服放大器 伺服放大器是驱动电液伺服阀的功率放大器，应满足伺服阀特性的要求，一般采用电流负反馈伺服放大器。,第 六章