电液系统与建模.ppt

机 电 液 仿 真 系 统,主讲人：曹 健,第1节 绪论,一、液压控制系统工作原理应用及发展简介二、液压控制系统组成三、液压控制系统分类四、液压控制系统特点,1.1 液压控系统的基本工作原理,1.1.1 液压控制系统,（4）小结,液压控制系统具有负反馈回路，它是一个负反馈控制系统。液压控制系统的主要构成包含有控制元件（例如伺服阀、滑阀等），执行元件（例如液压缸）液压动力机构液压动力机构油液压控制元件、执行元件、负载三者构成，称为液压动力机构。液压控制概念包含有液压动力机构的反馈控制系统，称为液压控制系统。,1.2 液压控制系统的组成,指令元件反馈元件比较元件放大元件执行元件被控对象校正装置,1.3 液压控制系统分类,1、按偏差信号的产生与传递介质可分为机械液压控制系统（简称为机液控制系统）电气液压控制系统（简称为电液控制系统）气动液压控制系统（简称为气液控制系统）,2、按液压控制元件可分为阀控系统泵控系统,3、按被控物理量可分为位置控制系统速度控制系统力控制系统压力控制系统其他物理量控制系统（温度、加速度等）,4、按输入信号不同可分为伺服控制系统：输入信号不断变化，输出信号以一定准确度跟随输入信号变化的控制系统。恒值控制系统：输入信号为常值或随时间缓慢变化，系统能克服外界干扰的影响，以一定准确度将输出保持在希望的数值上的控制系统。,1.4 液压控制系统的特点,1.4.1 优点功率重量比大，扭矩惯量比大（力质量）液压执行机构响应速度快，系统频带宽。因液压固有频率高。抗干扰能力强，液压系统刚度大，在外界干扰影响下，其变化小。其他，润滑性好，散热性好。1.4.2 缺点液压元件要求加工精度高，造成制造成本高。要求密封好，、否则引起系统泄漏。液压易受污染，要求过滤精度高。液压能源的获得与输送不向电能那样方便。,第2节电液伺服阀 图2.1电液伺服阀在系统中的位置,1、作用：用于电液控制系统中（1）信号转换：将电信号i变成液压信号QL、PL。（2）功率放大：将小功率电信号放大为大功率液压信号。（3）控制元件：伺服阀液压量强度受输入电信号控制，从而控制进入液压执行机构中的流量、压力，推动负载运动。,1.概述,2、构成：电液伺服阀由以下几部分组成：,（1）力矩马达：将电流i转换为力矩Td（或Fd）；（2）力矩位移转换装置：将力矩Fd转换为挡板位移Xf；（3）中间级液压放大器：推动滑阀阀芯（功率级）；（4）功率级液压放大器：输出QL、PL。,图2.2电液伺服阀基本结构图,若阀中有一个中间液压放大器，为两级阀若阀中有两个中间液压放大器，为三级阀,电液伺服阀工作原理力反馈两级伺服阀,力反馈两级伺服阀结构原理图（b）伺服阀原理图。,1）组成,1）力矩马达：导磁体、永久磁铁、控制线圈及衔铁等（2）力矩位移转换装置：弹簧管，挡板（3）中间液压放大器：固定节流孔、喷嘴、挡板组成的双喷嘴挡板阀，其负载是功率级滑阀。（4）功率液压放大器：阀芯及阀套组成的零开口四通滑阀。（5）衔铁，挡板，反馈杆组件：衔铁，挡板，弹簧管，反馈杆等组成。将力矩马达，中间级及功率放大级联系在一起，形成滑阀位置负反馈。（6）附件、油管等,2)力反馈两级伺服阀工作过程,2）两个控制线圈用法,2、两级滑阀式伺服阀,电液伺服阀分类,伺服阀分类方法很多，按伺服阀中含液压放大器个数分类如下：1、单极伺服阀2、两级伺服阀 1）滑阀位置反馈 力反馈式 直接位置反馈式 平衡弹簧式 机械位置反馈式 电气位置反馈式 2）负载流量反馈 3）负载压力反馈 4）动压反馈3、三级伺服阀,图2.3 力反馈两级伺服阀,图 动铁式单级伺服阀,图 动圈式单级伺服阀,图 力反馈两级伺服阀,图 直接反馈两级伺服阀,图 弹簧对中式两级伺服阀,图 机械反馈两级伺服阀,2 电液伺服阀传递函数,由两种阀传递函数式可知，基本形式相同，仅参数具体表达式不同。即不是一阶环节也不是二阶环节，是三阶动态函数。工程上根据系统工作频宽及伺服阀频宽可将其近似为如下三种：,A)Ksv 比例环节,B）惯性环节,C）振荡环节,4）电液伺服阀静态方程,Ql=Ki,Qon=KiR,额定负载流量,式中：iR-额定电流,-阀压降,额定空载流量,Qln=KiR,3伺服阀选择方法及使用注意事项,伺服阀选择方法,根据执行元件所需最大负载流量Qlm与最大负载压力Plm计算伺服阀的阀压降，再根据已知参数Qlm和PV，折算为伺服阀样本对应参数Qls及Pvs，按样本给出的阀压降Pvs和额定负载流量Qls确定伺服阀型号及规格。,1、根据伺服阀尽可能工作在线形区，一般选择油压力为,Ps=3Plm/2 Ps不能超过额定压力,2、计算阀压降,PV=Ps-Plm,3、根据样本给出的阀压降PVs及参数Qlm、PV求伺服阀流量：,Qls=Qlm,4、选伺服阀电流icm,5、根据已知参数icm、PVs、Qls选择阀型号及参数,第3节 液压动力机构,液压动力机构由液压控制元件、液压执行元件和负载构成，液压控制元件可以是液压控制阀、也可以是变量泵，执行机构有液压伺服缸，液压伺服马达。动力机构控制方式有两种，即1、泵控，又称为容积控制，它是通过改变泵的排量来控制输入执行机构的流量，控制执行机构运动速度。在泵控系统中，系统压力取决于负载。2、阀控，又成为节流控制，它是用伺服阀控制输入执行机构的流量，控制执行机构的运动速度。在阀控系统中，液压源通常是恒压源。,3.1 阀控液压缸图3.1四通阀控液压缸,3.1.1 阀控液压缸动力机构基本方程,1、滑阀流量方程2、液压缸连续性方程3、动力机构力平衡方程,3.1.2 阀控液压缸动力机构方块图、传递函数及状态方程,1、动力机构方块图2、阀控液压缸动力机构的传递函数 3、阀控液压缸动力机构的状态方程,由动力机构传递函数列写状态方程,(2)由动力机构方块图直接列写状态方程,阀控液压缸动力机构的传递函数,3.7,3.8,3.9,图3.2阀控液压缸动力机构方块图,图3.3动力机构方块图直接列写状态方程,2、动力机构传递函数简化形式1）振动台、火炮、雷达天线,因为,在低频区可把阀控液压缸看成是一个阻尼系数为 的粘性阻尼器，表征阀控液压缸作为阻尼缸工作时的特性，并等于稳态速度刚度,2）电液疲劳试验机、轧机液压压下系统,因为,也可以写成另一种形式,液压弹簧刚度与液压阻尼之比,负载刚度与阻尼系数之比,液压弹簧刚度和负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数之比,3.15,阀控液压缸动力机构的频率特性分析负载刚度为零（k=0）时的频率特性,负载刚度为不为零（）时的频率特性,阀控液压缸的动态特性,传递函数Y F表示外加扰动力的变化对输出位移的影响，称为阀控液压缸的动态柔度特性。式中负号表示外扰动增加将引起液压缸速度降低。F/Y的倒数，称为动态刚度，动态刚度表示一个系统的抗干扰能力，动态刚度越大，其抗干扰能力越强。,动态刚度的传递函数为：,=4,当K=0，时，则=，一般。,图3.7 传递函数F/Y双对数图,10,3,180,225,270,315,360,405,Phase(deg),Bode Diagram,Frequency(rad/sec),图5.2系统组成原理,第4节 电液位置伺服系统,4.1 系统的组成与方块图,图4.3系统职能方块图,4.1.2 系统传递函数方块图,液压缸及负载,伺服阀,伺服放大器,电流负反馈,位移传感器,加法器,图5.4系统方块图,4.1.2 系统传递函数方块图,图4.5系统简化方块图,假设：1响应伺服阀,2采用耐高压晶体管输出电流负反馈伺服放大器,1）按第二章动力机构参数选择方法。A、Ksv、Kce、Vt、均为已知。,2）Kf、Ka根据系统性能要求定,4.2 系统动态分析,稳定性分析,根据稳定性要求，Kf、Ka值可定,图4.6系统开环伯德图,闭环频率响应,用图解法求（或用计算机求解）得P171 图4-7、4-8、4-9,图4.7系统闭环伯德图,当，放大系数为100时，其闭环刚度特性曲线如图所示。,图4.8 闭环刚度特性曲线,图4.9 时域特性曲线（瞬态响应）,4.2.3 瞬态响应,由闭环传递函数，当系统输入为单位阶跃输入时，可求出,4.3系统误差分析,系统稳态误差分析,由自动控制原理可知，单位反馈系统德文态误差为,利用终值定理,可求得系统的稳态误差。也可以利用误差系数表示，将误差传递函数用台劳公式展开可得,系统静态误差分析,静态误差分为动力机死区构静态误差、伺服阀死区静态误差、阀和放大器零漂静态误差、检测静态误差等,1、动力机构死区静态误差,设动力机构静摩擦力为,为了克服静摩擦力所需的压差增量为,由于液压缸泄漏和 附加的流量为,为了产生附加流量所需的伺服阀电流为,由于静摩擦力引起的死区，这算为伺服阀输入电流。,开环增益,系统静态刚度,2、伺服阀死区静态误差,阀死区电流设为,静态误差为,3、阀和放大器零漂静态误差,零票电流设为,静态误差为,系统电气部分增益,4、检测元件静态误差,传感器误差直接反映在系统的输出上,则总的静态误差为：,一般误差分配时，要求,1/2系统允许的误差,图4.10具有弹性负载的电液位置伺服系统动力机构数学模型,4.5 具有弹性负载的电液位置伺服系统,动力机构数学模型,图4.11具有弹性负载的电液位置伺服系统职能方块图,系统职能方块图,系统传递函数,1、动力机构传递函数,2、伺服放大器传递函数,3、伺服阀传递函数,4、位移传感器传递函数,5、加法器,图4.12具有弹性负载的电液位置伺服系统方块图,图4.13具有弹性负载的电液位置伺服系统简化方块图,系统方块图的简化,开环传递函数,特点,1、系统为零型系统，最低转角为,2、与无弹性负载的动力机构系统相比较，无弹性负载系统中的积分环节变为低频惯性环节。,3、工作中，由于偏离零位引起的阀系数、变化，造成频率特性的变化,（1）变化、的变化使幅频特性上下移动。,（2）的变化对系统特性有较大的影响，上升，增益下降，=上升，不变，不变，上升。有利于系统的稳定。,图4.14具有弹性负载的电液位置伺服系统开环波德图(幅频特性曲线),（3）弹性负载K的影响,K上升，系统开环增益下降，上升，下降，上升，上升，有利于系统的稳定，但频宽下降，系统快速性变差。,图4.14具有弹性负载的电液位置伺服系统开环波德图(相频特性曲线),