液压伺服控制3章ppt课件.ppt
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1、1,第三章 液压动力元件,3.1 四通阀控制液压缸 3.2 四通阀控制液压马达 3.3 三通阀控制液压缸 3.4 泵控液压马达 3.5 液压动力元件与负载的匹配,本章介绍,2,概 述,液压动力元件=液压放大元件+液压执行元件 液压放大元件(液压控制元件):液压控制阀、伺服变量泵 液压执行元件:液压缸、液压马达 机-液耦合(换能)元件 四种基本型式的液压动力元件:阀控(节流控制)系统:阀控缸,阀控马达;泵控(容积控制)系统:泵控缸、泵控马达。液压动力元件是一个关键性的部件,它的动态特性在很大程度上决定着整个系统的性能。,3,3.1 四通阀控制液压缸,零开口四边滑阀+对称液压缸,一、基本方程 1)
2、液压控制阀的流量方程 2)液压缸流量连续性方程 3)液压缸与负载的力平衡方程(一)滑阀的流量方程 假设:1)零开口四边滑阀 2)四个节流窗口是匹配对称的 3)供油压力恒定,回油压力为零,4,(二)液压缸流量连续性方程 假设:1)阀与液压缸的连接管道对称且短而粗,管道中的压力损失和管道动态可以忽略 2)液压缸每个工作腔内各处压力相等,油温和体积弹性模量为常数 3)液压缸内外泄漏均为层流流动,总流量=推动活塞运动所需流量+经过活塞密封的内泄漏流量+经过活塞杆密封处的外泄漏流量+油液压缩和腔体变形所需的流量,5,流入液压缸进油腔的流量:,从液压缸回油腔流出的流量:,液体是可压缩的。液体等效容积弹性模
3、数e表示容器中油液的容积变化率与压力增长量之间的关系,6,动态分析时,需要考虑泄漏和油液压缩性的影响,则流入液压缸的流量与流出液压缸的流量不相等,为了简化分析,定义负载流量为:,7,要使压缩流量相等,应使液压缸两腔的初始容积相等,即,活塞在中间位置时,1)液体压缩性影响最大,固有频率最低 2)阻尼比最小因此,系统稳定性最差。所以,分析时,应取活塞的中间位置作为初始位置。,流量方程可整理成:推动液压缸运动所需流量+总泄漏流量+总压缩流量,8,(三)液压缸和负载的力平衡方程,负载力一般包括惯性力、粘性阻尼力、弹性力和任意外负载力。液压缸的输出力与负载力的平衡方程为:,此外,还存在库仑摩擦等非线性负
4、载,但采用线性化的方法分析系统的动态特性时,必须将这些非线性负载忽略。,9,二、方块图与传递函数,阀控液压缸的三个基本方程完全描述了阀控液压缸的动态特性,将其拉式变换,则:,适合于负载惯量小、动态过程较快的场合。,10,适合于负载惯量和泄漏系数都较大,而动态过程比较缓慢的场合。,11,合并三个基本方程,消去中间交量QL及pL,可得到阀芯输入位移和外负载力同时作用时液压缸活塞的总输出位移:,式中,包括泄漏在内的总的压力流量系数。,液压缸活塞的空载速度外负载力作用引起的速度降低,惯性力、粘性力、弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度惯性力、粘性力、弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度活塞运动速度
5、,12,(一)没有弹性负载(K=0)的情况,1)很多情况,以惯性负载为主。2)液压马达伺服系统中,弹性负载很少见。3)粘性阻尼系数Bp一般很小,所以由粘性摩擦力引起的泄漏流量所产生的活塞速度比活塞的运动速度小得多,可忽略不计。,三、传递函数简化,对特征方程的简化。因式分解,化为标准形式。,或,式中 h 液压固有频率 h阻尼比,13,如果粘性摩擦系数Bp可以略去,则,对于指令输入xv的传递函数为:,对于干扰输入FL的传递函数为:,14,(二)有弹性负载(K0)的情况,阀控液压缸中,弹性负载比较常见:1)带对中弹簧的功率级滑阀2)材料试验机的负载是硬弹簧,或,粘性阻尼系数Bp一般很小,所以:,kh
6、 液压弹簧刚度:液压缸完全封闭的两腔由于液体的压缩性而形成的,15,0 综合固有频率 0综合阻尼比,将对应项系数相等,可得:,满足 时,有:,16,Kps 总压力增益 r惯性环节的转折频率,稳态时阀输入位移所引起的液压缸活塞的输出位移外负载力作用所引起的活塞输出位移的减小量,1)弹性负载使积分环节变成惯性环节2)随着负载弹簧刚度减小,转折频率将变低,惯性环节接近积分环节,17,(三)其它的简化情况,K=0时出现积分环节,18,是负载质量与液压缸工作腔中的油也压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结果。假设:液压缸无摩擦、无泄漏由于液体的压缩性,当活塞受到外力作用产生位移时,一腔压力升高,另一腔压力降
7、低,2)液压固有频率,被压缩液体产生的复位力与活塞位移成比例,其作用相当于一个线性液压弹簧,总液压弹簧刚度为:,总液压弹簧刚度是液压缸两腔液压弹簧刚度的并联。,19,当活塞处在中间位置时,液压弹簧刚度最小,当在两端时,V1或V2为零,液压弹簧刚度最大。液压弹簧与负载质量相互作用所构成系统的固有频率,中间位置时,其值为:,液压弹簧刚度是在液压缸两腔完全封闭的情况下推导出来的,实际上由于阀的开度和液压缸的泄漏的影响,液压缸不可能完全封闭,因此在稳态下不存在弹簧刚度。动态时,在一定频率范围内来不及泄漏,相等于一种密封状态,因此液压弹簧是一个动态弹簧。,20,在液压伺服系统中,液压固有频率限制了系统的
8、响应速度。提高液压固有频率的方法:(1)增大液压缸活塞面积Ap(有时,Ap主要由负载决定)h与Ap不成比例关系 压缩容积Vt随之增大 同样的负载速度,所需负载流量增大,阀、连接管道、液压能源装置的尺寸重量也随之增大(2)减小总压缩容积Vt(主要是减少无效容积和连接管道容积)使阀靠近液压缸,最好装在一起 选择合适的执行元件:长行程输出力小时用液压马达,反之用液压缸(3)减小折算到活塞上的总质量Mt(活塞质量+负载折算到活塞上的质量+液压缸两腔的油液质量+阀与液压缸连接管道中的油液折算质量)(4)提高油液的有效体积模量e(7001400MPa,或实测)影响因素:受油液压缩性、管道及刚体机械柔性、油
9、液中所含空气(最严重)要尽量减少混入空气,避免使用软管,21,3)液压阻尼比,决定因素:总流量-压力系数Kce、负载粘性阻尼Bp因为:BpKce,CtpKc,所以h主要由Kc决定。零位时系统的稳定性最差由于库仑摩擦等因素的影响,实际的零位阻尼比要比计算值(按Kc0计算)大,至少为0.10.2,或更高一些。,Kc随工作点不同会有很大的变化。在阀芯位移xv和负载压力pL较大时,由于Kc值增大使液压阻尼比急剧增大,可使h1,其变化范围达2030倍。因此,是一个难以预测的软量。零位阻尼比小,阻尼比变化范围大是液压伺服系统的一个特点,22,液压阻尼比表示系统的相对稳定性。液压伺服系统一般低阻尼,提高的办
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