第六章--电液伺服系统

第六章电液伺服系统第一节电液伺服系统的类型一、模拟伺服系统在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，在此系统中，输入信号、反馈信号、偏差信号及其放大、校正都是连续的模拟量模拟输入信号伺服放大器伺服阀液压马达模拟检测器模拟反馈信号（电压）（电压）二、数字伺服系统在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。数字检测装置有很高的分辨能力，所以数字伺服系统可以得到很高的绝对精度。数字伺服系统的输入信号是很强的脉冲电压，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。所以当要求较高的绝对精度，而不是重复精度时，常采用数字伺服系统。指令脉冲脉冲加减回路（比较）数-模变换器数字检测器数字偏差反馈脉冲模拟偏差电压伺服放大器伺服阀液压马达滚珠丝杠工作台数控装置第二节电液位置伺服系统的分析一、系统的组成及其传递函数自整角机测量装置输出的误差信号电压当很小时，自整角机的增益为相敏放大器，将其看成比例环节，其增益伺服放大器传递函数可用伺服放大器增益表示，)sin(KUcreecrcrsincrecreKUdegKUUagKUI电液伺服阀的传递函数当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时当伺服阀的频宽大于液压固有频率(3—5倍)时当伺服阀的频宽大于液压固有频率(5—10倍)时12220ssKIQ)s(GKsvsvsvsvsvsv10sTKIQ)s(GKsvsvsvsvsvsvsvKIQ)s(GK0在没有弹性负载和不考虑结构柔度的影响时,阀控液压马达的动态方程为齿轮减速器的传动比为12412220sssTsKViDKDQhhhLceetmcemmcmiimc112)14(222sssTsKVDKXDKhhhLceetmcevmqm系统的开环传递函数为1222sss)s(GK)s(H)s(GhhhsvvmsvadeviDKKKKK)(sGKsvsvmD1)12(122hhhsss-reeu)14(2sKViDKceetmceeKLTi1aKdKguI0Qc电液伺服阀的响应速度较快，与液压动力元件相比，其动态特性可以忽略不计，把它看成比例环节。二、系统的稳定性分析系统的稳定条件通常相位裕量应在之间，增益裕量20lg应大于6dB(或)。1222sssK)s(H)s(GhhhvhhvK26030gK2Kg取增益裕量在相位裕量时，其对应的相位为2112ghhvKK20lg6dbgK2gKhhvK45431222hchchcarctg)(因为只能取正值．故解得c12hhhc如果取相位裕量，则所对应的对数幅值45c02120222hchhccvKlg22122hhhvhKhvKhvKhvK三、系统响应特性分析系统闭环响应特性包括对指令信号和对外负载力矩干扰的闭环响应两个方面。(一)对指令输入的闭环频率响应其特征方程可用一个一阶因式和一个二阶因式表示，即121223223hvhhvhhhvhvhhhvrcsKsKsKKsssK121122sssncncbrcnchvKvbKhhvKhnc当和值都较小时，闭环参数与开环参数有如下的近似关系hhv/KvbKhnchvhnc/K21hvKnc(二)系统的闭环刚度特性系统对外负载力矩的传递函数为考虑到时，，则闭环刚度可写成121412222ncncncbceetmvceLcsssKVDiKKT0BmtceehhVK42121212222hhncncncbcemvcLsssKDiKT一阶滞后环节和一阶超前环节可近似抵消，则刚度的表达式简化为122222ncncnccemvcLsKDiKT在谐振频率处闭环刚度最小，其值为令s＝0，可得系统的闭环静态刚度为nccemvnccLKDiKT22min2cemvcLKDiKT220四、系统的稳态误差分析(一)指令输入引起的稳态误差系统对指令输入的误差传递函数为利用拉氏变换的终值定理，求得稳态误差为)s()s(H)s()s(EcrrvhhhhrrerKssssss)s(G)s()s(E)s(hh1212112222)s()s(slim)s(sElimerersrsr001．阶跃输入2.等速输入3.等加速输入)s(Ksssssslimervhhhhsrhh1212222220s)s(rr0re2s)s(rrvrrKe3s)s(rrre(二)负载干扰力矩引起的稳态误差系统对外负载力矩的误差传递函数为稳态负载误差为对恒值外负载力矩，则有vhhceetmceLcLLeLKssssKVDiK)s(T)s()s(T)s(E)s(h12412222)s(T)s(slimeLeLsL0sT)s(TLL0022LmvceLTDiKK)(e(三)零漂和死区等引起的静态误差将零漂、死区等在系统中造成的误差．称为系统的静差。静摩擦力矩引起的静态位置误差为mvfcecDiKTK21svKmD1s1-re2mceiDKeKfLTTi1aKdKDdfIIIc静摩擦力矩折算到伺服阀输入端的死区电流为电液伺服阀的零漂和死区所引起的位置误差为静态位置误差为iKTKIsvfceD1adeDdcKKKII2adecKKKI五、计算举例电液位置伺服系统。巳知:液压缸有效面积，系统总流量—压力系数，最大工作速度Vm＝2.2×10-2m/s，最大静摩擦力Ff=1.75×104N，伺服阀零漂和死区电流总计为15mA。取增益裕量为6dB，试确定放大器增益、穿越频率和相位裕量；求系统的跟随误差和静态误差。2410168mApPas/m.Kce311102111577.021571096.1223ss)1883.0288(10168/1224sss-ruIeupXaK0q系统的开环传递函数为开环放大系数1883.028811577.02157)()(2222sssssKsHsGvapsvavK.AKKK431016810961光电检测器与伺服放大器增益m/A...KKva8211559109613系统的跟随误差为m.m..KV)(evmr32108907241022静摩擦力引起的死区电流为AFAKKIfpsvceD43111101681096.1102.1零漂和死区引起的总静态误差为系统的总误差为跟随误差和总静态误差之和，即(0.89+0.1)*10-3=0.99*10-3mmKIxap310*1.0第三节电液伺服系统的校正一、滞后校正滞后校正的主要作用是通过提高低频段增益，减小系统的稳态误差，或者在保证系统稳态精度的条件下，通过降低系统高频段的增益，以保证系统的稳定性。传递函数为1110rcrccss)s(u)s(u)s(G121122sssssK)s(H)s(Ghhrcrccvh加入滞后校正后，系统的开环传递函数为串联校正控制器对象反馈校正--设计步骤如下：1)根据稳态误差的要求，确定系统的速度放大系数Kvc2)利用已确定的速度放大系数，画出末校正系统的伯德图．检查未校正系统的相位裕量和增益裕量，看是否满足要求。3)如果不满足要求，则应根据相位裕量和增益裕量的要求确定新的增益穿越频率。4)选择转折频率。为了减小滞后网络对处相位滞后的影响，应使低于新增益交界频率的1到10倍频程。5)确定滞后超前比a，由可确定出a值,一般在10-20之间，通常取a=10)125(r)(00cc0180cvvcKKrccrccrc5141121122sssssK)s(H)s(Ghhrcrccvh滞后校正使速度放大系数提a高倍，因此使速度误差减小a倍。提高了闭环刚度，减小了负载误差。由于回路增益提高，减小了元件参数变化和非线性影响。但滞后校正降低了穿越频率，使穿越频率两侧的相位滞后增大，特别是低频侧相位滞后较大。如果低频相位小于-180。在开环增益减小时，系统稳定性就要变坏，甚至变得不稳定。也就是说，系统变成了有条件稳定的系统，对系统参数变化和非线性影响比较敏感。例1.已知阀控缸电液位置控制系统如图所示，负载质量M作直线运动，已知负载工况为行程xpmax=0.5m；M=1000kg;干摩擦力Ff=2000N；负载最大速度Vmax=0.1m/s。负载最大加速度a=2.2m/s2。能源压力为Ps=63bar；最大输入信号电压ei=5V；油液容积弹性模数βe=10*108。选用的电液伺服阀的数据为：频率，阻尼系数；阀的流量增益；压力流量系数。再取反馈增益为Kf=10V/m，(1)试设计液压缸的活塞面积，进而确定液压缸的传递函数，并设计伺服放大器的增益Ka，使系统的相角裕度大于45度；幅值裕度大于6dB。slmf/6005.0mfAsmKqs/)/(10*44.433)/(10*4512sNmKc2.若希望由于干摩擦所引起的误差下降到原来的1/4，采用滞后校正，试设计滞后校正装置的参数，并调整直流放大器增益以保持系统的幅值裕度不变。放大器直流伺服伺服阀电液液压缸-iegefe电位计MfF1222mfmfmfqsssKpA1)12(122hhhsss-iegefeKf)14(2sKVAKceetpcepxaKfF当Ka=0.2时输入端误差输出端误差若要误差减小为原来的1/4，则增益应增大为原来的4倍，即Ka=0.8A，mmmAAKKKFKAKFKeppfqsafcepvfcessf9.0109/422mmmAAKKKKFKAKFKKeppfqsaffcepvffcessf9109/322若不改变原系统的截至频率则，滞后校正元件的分度系数应为4，取滞后校正元件的传递函数为：185.114.7)(sssGc二、速度与加速度反馈校正速度反馈校正的主要作用是提高主回路的静态刚度，减少速度反馈回路内的干扰和非线性的影响，提高系统的静态精度。加速度反馈主要是提高系统的阻尼。低阻尼是限制液压伺服系统性能指标的主要原因、如果能将阻尼比提高到0.4以上，系统的性能可以得到显著的改善。速度与加速度反馈校正回路的闭环传递函数为1121112121sKKKssKD/KKUhhhhms