第八章-液压伺服控制系统

1流体传动与伺服控制—电液伺服阀机电所：李小虎[e-mail]2电液伺服阀是液压伺服系统中的重要元件，它是一种通过改变输入信号，连续的、成比例的控制流量、压力的液压控制阀。根据输入信号的方式不同，又分为电液伺服阀和机液伺服阀两大类。7.电液伺服阀2、电液伺服阀的作用及特点电液伺服阀是将输入的微小模拟电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出，实现电液信号的转换与放大。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。7.1电液伺服阀的作用和特点3、电液伺服阀的组成（1）电—力转换部分：通常为力马达或力矩马达；（2）力—位移转换部分：通常为扭簧、弹簧管或弹簧；（3）液压放大器：通常前置级为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板式液压放大器，而功率放大级均为滑阀式液压放大器。7.2电液伺服阀的组成和工作原理按第一级液压放大器的结构分：滑阀放大器、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、射流管及射流元件7.3电液伺服阀的分类67.4电液伺服阀的特性一、静态特性电液伺服阀的静态性能，可根据测试得到的负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线和性能指标进行评定。1负载流量特性（压力-流量特性）负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性。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。72空载流量特性空载流量特性曲线是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线。它是在给定的伺服阀压降和负载压降为零的条件下，使输入电流在正、负额定电流值之间以阀的动态特性不产生影响的循环速度作一完整循环描绘出来的连续曲线。7.4电液伺服阀的特性83压力特性压力特性曲线是输出流量为零（两个负载油口关闭）时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线，如图所示。负载压力对输入电流的变化就是压力增益，单位为pa/A。7.4电液伺服阀的特性94内泄漏特性当阀处于零位时，内泄漏流量（零位内泄漏流量）最大。对两级伺服阀而言，内泄漏流量由前置级的泄漏流量qp0和功率级泄漏流量q1组成。功率滑阀的零位泄漏流量qc与供油压力ps之比，可作为滑阀的流量--压力系数。零位泄漏流量对新阀可作为滑阀制造质量的指标，对旧阀可反映滑阀的磨损情况。5零漂工作条件或环境变化所导致的零偏变化，以其对额定电流的百分比表示。7.4电液伺服阀的特性10二、动态特性电液伺服阀的动态特性可用频率响应或瞬态响应表示，一般用频率响应表示。电液伺服阀的频率响应是输入电流在某一频率范围内作等幅变频正弦变化时，空载流量与输入电流的复数比，频响特性曲线如图所示。7.4电液伺服阀的特性频宽是伺服阀响应速度的度量。频宽应根据系统实际需要确定，频宽过低会限制系统的响应速度，过高会使高频干扰传到负载上去。111）在结构改进上，目前主要是利用冗余技术对伺服阀的结构进行改造。俄罗斯研制的射流管式伺服阀阀芯两端设计了双冗余位置传感器，用来检测阀芯位置。一旦出现故障信号可立即切换备用伺服阀。美国的Moog公司和俄罗斯的沃斯霍得工厂均已研制出四余度的伺服机构用于航天行业。我国的航天系统有关单位早在90年代就已进行三余度等多余度伺服机构的研制，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套，发生故障可随时切换，保证系统的正常工作。7.5电液伺服阀的发展趋势122）在加工工艺的改进方面，采用新型的加工设备和工艺来提高伺服阀的加工精度及能力。7.5电液伺服阀的发展趋势如在阀芯阀套配磨方法上，国内提出了智能化、全自动的配磨系统。在力矩马达的焊接方面，中船重工第704研究所与德国知名厂家合作采用了世界最先进的焊接工艺取得了良好的效果。提出智能化的伺服阀力矩马达弹性元件测量装置。对弹性元件能高效完成刚度测量、得到完整的测量曲线，且不重复性测量误差不大于1%。133）在材料的更替上方面，除了对某些零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料外。还对特别用途的伺服阀采用了特殊的材料。德国有关公司用红宝石材料制作喷嘴档板，防止因气馈造成档板和喷嘴的损伤、动静态性能降低、工作寿命缩短。机械反馈杆头部的小球也用红宝石制作，防止小球和阀芯小槽之间的磨损，使阀失控，并产生尖叫。航空六O九所、中船重工第七O四研究所等单位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油为介质的耐腐蚀伺服阀。此外对密封圈的材料也进行了更替，使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。7.5电液伺服阀的发展趋势144）在测试方法改进方面，随着计算机技术的高速发展生产单位均采用计算机技术对伺服阀的静、动态性能进行测试与计算。某些单位还对如何提高测量精度，降低测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频干扰对测量结果的影响，作了深入的研究。如采用测频/测周法、寻优信号测试法、小波消噪法、正弦输入法及数字滤波等新技术对伺服阀测试设备及方法进行了研制和改进。7.5电液伺服阀的发展趋势15流体传动与伺服控制机电所：李小虎168.液压伺服控制系统本章主要教学内容8.1液压伺服控制系统的基本原理8.2液压伺服控制系统的分类8.3液压伺服控制系统的优缺点8.4液压伺服控制系统的发展和应用概况17目的任务:1、了解液压伺服控制系统的原理及组成2、了解液压伺服控制系统的特点3、了解液压伺服控制系统的分类重点难点:液压伺服控制系统的原理8.液压伺服控制系统188.1液压伺服控制系统的概述液压伺服控制是以液压伺服阀为核心的高精度控制系统。液压伺服控制系统是一种通过改变输入信号，连续、成比例的控制流量和压力进行液压控制的系统。电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统，来操纵有关的液压控制元件动作，控制液压执行元件使其跟随输入信号动作。198.1液压伺服控制系统的概述液压伺服系统（HydraulicServoSystem）是一种自动控制系统，是由反馈控制技术、电子技术与液压技术相互结合而产生的。执行元件的运动跟随控制元件（或输入信号）运动的改变而变化，所以又称为随动系统，也称为跟踪系统，其输出能自动、快速而准确的复现输入量的变化规律。液压伺服系统具有重量轻，体积小、反应快、系统刚度大和伺服精度高等优点，因而在机械、船舶、航空、冶金和化工部门中得到广泛的应用。208.2液压伺服控制系统的工作原理指令信号与从传感器检测的反馈信号经过比较放大后，输入电液伺服阀，经过阀的转换放大后输出液压能，液压能推动液压缸活塞移动，活塞移动的位置总是按照指令信号给定的规律变化。218.2液压伺服控制系统的工作原理当控制阀芯处于中间位置，阀没有流量流出，液压缸不动，系统的输出量，系统处于静止平衡状态。如果给控制滑阀一个输入位移，阀芯将向右运动而偏离其中间位置，则节流窗口a、b便有一个相应的开口量，液压油经过a口进入液压缸右腔，左腔的液压油经b口回油，缸体向右移动。因为滑阀与缸体是一个整体，则阀的开口减小，直到阀的输出流量为零，阀体停止运动，处于一个新的平衡位置，完成液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。22pSTABXvpSTABXv238.3液压伺服控制系统的特点反馈系统：把输出量的一部分或者全部按照一定方式送回输入端，并和输入信号比较。靠偏差工作：要使执行元件输出一定的位移，滑阀必须具有一定的开口量，因此输出与输入之间必须有偏差信号，执行元件的运动又试图消除这个偏差。但是在伺服系统中任何时间都不能完全消除这个偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。放大系统：执行元件输出的位移远远大于输入信号的位移，其输出的能量是由液压能源供给的。跟踪系统：执行元件的输出量跟踪输入信号的变化。248.4液压伺服控制系统的组成输入元件通过输入元件，给出必要的控制信号；检测反馈元件检测被控制量，产生系统的反馈信号，通常为各种传感器。比较元件将输入信号与反馈信号进行比较．并将其差值作为放大变换元件的输入信号。有些系统没有单独的比较元件，而是由反馈元件、输入元件或放大变换元件的一部分来实现其比较功能。放大元件将偏差信号放大并转换后，控制执行元件，如伺服放大器，液压控制阀，电液伺服阀等。执行元件直接带动控制对象动作的元件或机构，通常为液压缸或液压马达。控制对象机器直接工作的部分，如设备的工作台、刀架等。258.4液压伺服控制系统的类型按控制信号的类别和回路的组成分为：机液伺服控制系统、电液伺服控制系统和气液伺服控制系统等。按控制元件的不同分为：滑阀式、射流管式、喷嘴挡板式、转阀式等。按控制方式不同分为：阀控式和泵控式系统。按所控制的物理量分为：位置伺服控制系统、速度伺服系统和力控制系统。268.4液压伺服控制系统的优缺点优点：系统刚度大、控制精度高、行进速度快、自动化程度高等优点。因而可以组成体积小、重量轻、加速能力强、快速动作和控制精度高的伺服系统，来控制大功率和大负载的系统。缺点：液压伺服系统对油液的污染比较敏感，因此可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活；伺服元件加工精度高，因此价格较贵。2728液压工作台位置控制系统传感器1被控对象比较元件执行元件放大元件指令元件29控制框图控制系统组成：•被控对象•指令元件•比较元件•反馈传感器•动力元件（阀、缸）扰动反馈电位器伺服阀液压能源I液压缸电放大KaIUiE-电压比较UPKa被控工作台XP工作台指令Xi液压动力元件放大元件30电动工作台位置控制系统传感器1被控对象比较元件执行元件放大元件指令元件31电动力元件控制框图扰动指令电位器反馈电位器可控硅电源I电放大KaEUiE-电压比较UPKa被控工作台XP工作台指令Xi电机控制系统组成：•被控对象•指令元件•比较元件•反馈传感器•动力元件（可控硅、电机）将液压动力元件（伺服阀、缸）换成电动力元件（可控硅与电动机）32液压控制系统建模：四通阀控制液压缸基本结构形式33LcvqLpKxKqLqvcLqKxKp111121()ppipepedxVdpqACppCpdtdt122Lqqq一、基本方程：(一)滑阀的流量方程定义负载流量：(二)液压缸流量连续性方程进油腔流量：液压控制系统建模：四通阀控制液压缸34222121()ppipepedxVdpqACppCpdtdt101ppVVAx202ppVVAx12121212120102()()22122pepLpipppeedxCqqqACppppdtAxdpdpdpdpVVdtdtdtdt回油腔流量：液压缸工作腔的容积：综合以上各式得液压缸流量连续性方程：液压控制系统建模：四通阀控制液压缸35根据：V01=V02=V0=Vt/2同时：4ptLLptpLedxVdpqACpdtdt22pppLtppLdxdxApmBKxFdtdt1200ppdpdpAxVdtdt，则液压缸流量连续性方程简化为：(三)液压缸和负载的力平衡方程：液压控制系统建模：四通阀控制液压缸36LqvcLQKXKP4tLpptpLLeVQAsXCPsP2pLtppppLAPmsXBsXKXF二、方框图与传递函数：根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得：根据阀控液压缸的拉氏变换方程式绘出系统方框图。37由方框图求得液压缸输出位移传递函数：232222222141444qcetvLppecepptpcetttcetceeppeppeppKKVXsFAAKXBVBKmVmKKVKKsssAAAAAA式中，分子的第一项是液压缸活塞的空载速度。第二项是外负载力作用引起的速度降低。其分母特征多项式各项意义如下：第一项：是惯性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第二项：是惯性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度；324ttpepmVsXA22tceppmKsXA液压控制系统建模：四通阀控制液压缸38第三项：