流体传动作业

1、流体传动与控制技术大作业振动试验台液压控制系统设计振动试验台液压控制系统设计任务书设计参数最大加载力lot,频率15Hz,振幅4mm运动部件等效质量500kg,水平放置设计要求采用电液伺服技术液压系统设计、计算、元器件选型控制算法设计控制系统仿真，时域、频域提交一份不少于20页的设计说明书，并附参考文献（不少于15个）振动试验台液压控制系统设计说明书一、电液振动台的组成及工作原理电液振动台是由油源、溢流阀、伺服阀、液压缸、台面和电控等部分组成； 其中系统的控制特性重要由伺服阀的特性决定，电控部分只是在固有特性的基础 上进行修正和改进。其系统原理图下图所示。控制信号（由信号源发出）经过主加法器、

2、副加法 器，把信号输给功率伺服放大器，功率伺服放大器用放大了的电流信号來控制伺 服阀的开口，的开口大小决定了供给油缸活塞运动的，流量的多少就决定了活塞 的运动大小（伺服阀是把小的电信号放大成需要大的液流，起电液转换和功率放 大的作用），而活塞通过活塞杆带动做相应的振动。这样台面和其上的试件作振 动运动就由信号源发出的信号來控制。速度、加速度、位移等传感器检测振动台 的物理状态，并发出反馈信号给控制部分，以控制伺服阀的输出值。图电液振动装置原理图液压系统包括主动力源、控制动力源、油箱及附件、蓄能过滤部件组和伺服 阀控制液压缸。其结构及工作原理如下图所示。291211139142254318172

3、63019IDT I27 28L 1 234Dv10LU15d6；令；令24251、11、17、22过滤器：2、6、9、18截止阀：3、20电动机：4、21液压泵：5、15单向阀：7 汗力表：8电磁溢流阀；10蒂能器：12伺服阀：13液压缸：14位移传感器：16冷却器：19电磁 水阀；23溢流阀：24、25加热器：26液位计：27、28电接点温度计：29空气滤淸器：30油箱： 图结构及工作原理示意图主油路液压油经单向阀、压力管路滤油器进入四通电液伺服阀。伺服阀在电 信号的控制下，按照要求的频率切换进入液压缸的液流方向，使液压缸活塞带动 运动部件进行振动。从液压缸排出的油液经伺服阀后，再经过单向

4、阀、冷却器和 回油滤油器返回油箱。蓄能器的作用使在执行机构需要较小流量的时候储存多余 的油液，而在需要较大流量时，与液压泵进行同时供油。电磁溢流阀控制系统的最高压力。在电磁铁ZDT断电的时候，液压泵卸荷。 以电动机、液压泵、溢流阀和压力管路滤油器组成的辅助供油系统用于控制伺服 阀主阀。加热器和冷却器是为控制油箱内油液的温度而设置的。在冷却水截至阀 打开，且电磁铁IDT通电的时候，冷却水通过冷却器使油液冷却。压力表用于观测主油路的压力大小，以便调整和控制液压系统各工作点的压 力。空气滤清器的作用是使油箱与大气相通，保证泵的自吸能力，滤除空气中的 灰尘杂物，兼作加油口用。液位计可以检测油面高度，用

5、于低油位报警。 二液压元件选择根据指标设计动力机构，选用伺服阀，建立液压系统，完成电液振动台的设 中都能够拖动负载按预期的速度运动，这是动力元件的一个主要功用。另外，动 力元件也是伺服系统动态响应的基本限制因素。动力元件选定以后，液压固有频 率和阻尼比勺也就确定了。系统的稳定性、快速性和稳态误差都受和乞限 制。因此动力元件的选择不但要满足拖动负载的要求，而且还要考虑它对控制性 能的影响。2. 电液伺服阀及伺服放大器的选用QDY系列电液伺服阀具有零点稳定，灵敏度高，零漂小，频带宽，稳定性 高，长期工作可靠等优点。适用于位置控制，速度控制，加速度控制等自动控制 系统。在本系统中，选用的是QDY4系

6、列电液伺服阀。QDY4系列电液伺服阀为动 圈式双滑阀结构，分为先导级和功率级。先导级为动圈式磁力马达推动的弹赞对中式四凸肩四通滑阀，功率级采用四 凸肩四通滑阀接位移传感器的结构，采用伺服放大器进行位置闭环控制，以保证 伺服阀功率级阀芯位移与伺服放大器输入信号成正比。伺服阀的流量方程为：错误!未找到引用源。，对其进行坐标变换，令错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。，可以得到变换后的流量方程: 畑之冲步Ps-静伺服阀的输出功率：错误!未找到引用源。对PL求偏导数，可以得到伺服阀最大输出功率时的输出压力：鬻=側砖(PS-PLPL QW旺 J(Ps垃/Q令错误!未找到引用源。，所以得到错误!未找

7、到引用源。，带入流量方程后得 错误!未找到引用源。根据最大功率点负载匹配的原则，令负载最大功率点的负载力和负载速度分 别等于伺服阀最大输出功率点的输出力和输出速度，即最大功率点相切。与该伺服阀相配套使用的是SVF 一碑系列伺服控制器，这种控制器可与 QDY系列以及KQDY系列伺服阀配套使用。如果再配上油缸活塞系统或液动机 系统及相应的传感器可以构成各种用途的高精度、快速响应的随动系统。若传感器是检测位置状态的，则为一位置控制系统。若采用的是速度或压力 传感器，则构成相应的速度或压力控制系统。本振动台使用的是位置传感器构成 的位置控制系统。3. 泵站的选择一般的电液振动台不考虑油的可压缩性的影响

8、，液压源的额定流量（油压） 是系统中主要的参数，它直接影响到系统能否满足最大功率的要求。若取之过大, 造成能量设备浪费；若取之过小，则不能满足技术要求。在满足系统的技术要求且不浪费的情况下，供油压力的最后选定，应与伺服 阀及液压缸相匹配，并系统其他组成元件的额定压力相适应。结合资料，最后确 定系统供油压力Ps=31.5MPao液压系统中蓄能器是用于吸收脉动压力和储备液压能的，因此，将蓄能器布 置在振动台台体的附近。为了使蓄能器的容积更有效，一般使充气压力P0为工 作压力的85%90%o故一般压力P0=88%XPs=28 MPa。另外，系统的压力波 动不宜过大，通常使最高工作压力P2与最低工作压

9、力P1之差小于0.5MPao4. 液压系统的密封液压系统良好的密封性能可以提高设备的工作可靠性，延长使用寿命，减少 能量消耗。改善液压系统密封性能的思路就是从液压系统设计、制造、组装、调 试到使用、保养、维修、更新、改造等设备管理过程中提高密封的可靠性，使液 压系统始终保持良好的密封性能。液压缸的泄漏可分内泄漏和外泄漏。通过活塞用密封装置密封副滑移面而引 起的泄漏称为内泄漏，它导致主机效率下降通过活塞杆密封装置密封副滑移面沿 活塞杆引起的泄漏称为外泄漏，外泄漏除影响主机效率外，还污染环境。因为设计的工作压力较大，所以液压系统中各个连接处和相对运动点都需要 可靠的密封。由于伺服缸是由伺服阀來控制

10、其输出位移，对伺服油缸有很高的性能指标要 求；因此，为保证其精度：必须减小系统中非线性因素，减小间隙泄露影响。材料升级：釆用低摩擦系数的聚醴聚胺酯材料取代传统聚酯聚胺酯。无模具加工，尺寸精确，可以实现密封尺寸高精度的要求。密封性能是液压系统的重要性能之一，这项性能的好坏直接影响液压系统的 工作性能、可靠性以及使用寿命。为保证液压系统具有良好的密封性能,在液压 系统设计时应重视密封设计；为使液压系统始终保持良好的密封性能，在液压系 统使用时要及时更换密封圈和密封升级。5. 液压系统油库的要求为了使液压系统达到最佳工作状态，发挥其良好的工作性能，对液压系统作 如下要求：（1）液压油油质液压油的重要

11、性质之一是其化学稳定性，即氧化稳定性。氧化是决定液压油 有效使用寿命的最主要因素，氧化生成的木焦油、油泥和炭渣等不可溶物会污 染液压系统，并增加液压元件的磨损、减少各种间隙、堵塞小孔、最终致使液压 系统发生故障。液压油的氧化速度取决于本身及工作状况等多方面因素，其中温 度是主要因素之一，因此要使用合适的液压油，并定期检查液压油的氧化程度（从 油本身的颜色转深而判断），超过一定数量的工作小时后主动换油是绝对必要的。（2）保证油源清洁滤油器起到洁净液压油的作用，为保证系统稳定工作及延长液压元件与润滑 件的寿命，系统油液的必须清洁，因此油箱加油必须经过过滤后加入系统，滤油 器应每隔三个月清洗一次以保

12、持油泵吸油管畅通，同时检查滤油网有否损坏；通 常过滤网的规格不得大于200目。（3）保证油温恒定液压系统的理想工作温度应介乎45度一50度之间，原因是液压系统是依据 选定的压力油粘度而设计，但粘度会随着油温的高低而变化，进而影响系统中工 作元件，如油缸、液压阀等，使控制精度和响应灵敏度降低。同时温度过高亦会 加速密封件的老化令其硬化、碎裂；温度过低则加工能量消耗大，使运转速度降 低。因此密切注意液压油的工作温度是十分必要的。（4）防止空气进入油量不足会引致油温易升高、空气易于溶入油中，造成容积效率急剧下降， 并出现振动和噪声，使系统不稳定，快速性降低，影响油质和液压系统的正常工 作，油量不足通

13、常是漏油或修理时流失所致，为此为保证良好的控制系统，需添 加油库中对油位的检测，日常应留意检查有没有泄漏的部位，及早更换磨损的密 封件，收紧松动的接头等，维修后要检查油箱的油量，及时补给。附:(5) 油箱型号：自行设计(6) 过滤器型号：ZUA100X20S 数量：4 公称直径：3211U11连接方式：螺纹管式连接(7) 溢流阀型号：Y160B额定流量：160L/mm卸荷压力：0.15 MPa(8) 压力表型号：Y100测量范围：050MPa(9) 单向阀型号：AYH20B公称压力：31.5MPa公称通径：20nun(10) 截止阀型号：Q435A16P工作压力：1.6 MPa(11) 电动机

14、型号：Y250M4额定转速：148(k/min(12) 液压泵型号：63*CY141B额定流量：100L/mm驱动功率:51.75kw(13) 蓄能器型号：NXQ1.6/1.51额定压力：20 MPa(14) 冷却泵型号：CBB100额定流量：50L / mm额定转速：1000】/min(15) 伺服阀型号：自行设计(16) 液压缸型号：自行设计(17) 位移传感器型号：自行设计数量：1额定流量：100L/mm数量：1个额定压力：10 MPa数量：2个开启压力：0.04MPa 公称流量：200L / nun数量：4个数量：2个 额定功率：55kw数量：2个额定压力：40 MPa额定转速:148

15、01 / min数量：1个额定容量:30L / nun数量：1个额定压力：10 MPa额定功率：10kw数量：1个数量：1个数量：1个(18) 冷却器型号：BxO.l额定压力：10 MPa(19) 电磁水阀型号：YFW10 额定流量：50L / mm(20) 加热器型号：自行设计(21) 液位计型号：自行设计(22) 电接点温度计型号：自行设计(23) 空气滤清器型号：QYL250X5 公称压力：2 MPa额定流量：300L/mm(24) 电磁溢流阀 型号：YFDOF32H4S 公称压力:31.5MPa 公称通径：20nun(25) 位移传感器型号：JY9A4000TD量程：20nm数量：1个

16、额定压力：10 MPa数量：1个数量：1个数量：1个数量：1个压力损失：00.35MPa过滤精度：5um数量：1个开启压力：0.04MPa公称流量：200L / nun数量：1个频宽200Hz特性分析及校正系统数学模型的建立首先，根据己知的系统各个部分的参数，对整个液压振动台系统进行建模仿 真來事先分析系统的性能特点和工作情况。该液压振动台是一种伺服系统，在这 种系统种，输出量(机械位移)能够自动地，快速而准确地复现输入量的变化规律。 与此同时还起到信号的功率放大作用，因此也是一个功率放大装置。该系统的基 本组成元件可以由下面的方框图來表示。下图中，输入元件给出输入信号，加于系统的输入端。反馈

17、测量元件测量系 统的输出量，并转换成反馈信号，加于系统的输入端与输入信号进行比较，从而 构成了反馈控制。输入信号和反馈信号应转换成相同形式的物理量，以便进行比 较。在本系统中输入元件和反馈测量元件是电压信号。比较元件将反馈信号与输入信号进行比较，产生偏差信号加于发大装置。比 较元件并不单独存在，而是与输入元件一起由计算机來完成。转换放大装置的功用是将偏差信号的能量形式进行变换并加以放大，输入到 执行机构。本系统的转换放大装置的输出级是液压的，前置级可以说是液压和电 的组合形式。执行机构产生调节作用加于控制对象上，实现调节任务。在本液压 伺服系统种，执行机构是液压缸。液压能源图液压伺服系统的构成

18、下面分别介绍液压振动系统的各个组成部分的数学模型，三级电液伺服阀采 用的是Moog公司的79-200 S04FKP型号，其驱动级也是釆用Moog公司提供的 配套产品，对称液压缸釆用的是Shoiewestein公司的产品。它们的的模型都是参 考关于液压振动系统的经典数学模型，参数由各个部件的厂家提供。(26) 电液伺服阀性能参数电液伺服阀是电液转换元件，也是功率放大元件，它能够将小功率的电信号 输入转换乘为大功率的液压能(流量与压力)输出，在电液伺服系统中，将电气部 分与液压部分连接起來，实现电液信号的转换与放大，因此，电液伺服阀是电液 伺服系统的核心，对与电液伺服阀的数学模型以及其线性模型中参

19、数的准确确定 是十分重要的。电液伺服阀是一个非常精密而乂复杂的伺服控制元件，它的性能对整个系统 的性能影响很大，因此要求也十分严格。在这里我们的主要目的是测定伺服阀的 动态特性，明确其具体参数。确定阀的动态特性：电液伺服阀的动态特性主要可以由频率响应來确定。通常电液伺服阀的频率 响应是输入电流在某一频率范围内做等幅变频正弦变化时，空载流量与输入电流 的复数比。频率响应一般用幅值比(Bd)和相位滞后(dge)与频率的关系表示。幅值比是在某一特定批频率下的输出流量幅值与输入电流之比，除以一指定 低频(输入电流基准频率)下的输出流量与同样输入电流幅值之比。相位滞后是在 某一指定频率之下所测得的输入电

20、流和与其相对应的输出流量变化之间的相位 差，以度表示。当输入电流幅值过小时，由于伺服阀分辨率的影响，将使波形发 生畸变。无论哪一种情况，由于输出波形偏离正弦波形，都会使得所得到得响应 数据失去意义。伺服阀的频宽应根据系统的实际需要加以确定，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。液压伺服控制理论的经验告诉我们，伺服阀一般为一震荡环节。这样，乂可 以根据频率响应曲线的谐振频率与谐振峰值之间的关系。我们可以根据参考资料，容易地写出伺服阀的传递函数：错误!未找到引用源。闭环谐振频率错误!未找到引用源。表示系统的瞬态响应速度，错误!未找到引用 源。的值越大，响应时间便越快。换句话说

21、，上升时间与错误!未找到引用源。 成反比。对于弱阻尼系统，谐振频率错误!未找到引用源。与闭环固有频率错误! 未找到引用源。以及瞬态响应的阻尼振动频率错误!未找到引用源。非常接近， 因此也可以用闭环固有频率错误!未找到引用源。表示系统的瞬态相应速度。与此同时，可用谐振峰值错误!未找到引用源。表示相对稳定性。一般來说, 错误!未找到引用源。越大，系统瞬态响应的超调量越大，震荡的也越厉害。如 果错误味找到引用源。值在1.01.4(03dE)的范围内，即相当于有效阻尼比为 0.40.7的范围，则可以得到满意的瞬态响应。(27) 功率放大器功率放大器起功率放大作用，能够将输入电压转换为输出电流，并进行放

22、大。 釆用的是Moog公司提供的三级伺服阀的配套产品。伺服功率放大器是一个近似 的比例环节，它所起的作用就是将输入的电压信号变化为相应的电流信号來驱动 三级电液伺服阀，它的传递函数为：（28）建立系统数学模型阀控制液压缸的基本方程：QL = KqXv-KcPLat4 ch根据阀控制液圧缸的基本方程推导出阀控制液压缸的传递函数（忽略弹性负载）：乞 Xy_ 孕 1+ V sV小40凡丿（ s2 2e）拔 丿伺服阀的传动函数：错误!未找到引用源。考虑到使用差动变压器的位置传感器的频率带宽比较低，故作为反馈的位置传感器传递函数：G/(s) =Kf75 + 1根据前面给出的传递函数以及它们之间的关系得到

23、系统的组成方框图:图液压伺服系统数学模型二、系统动态特性分析系统的动态特性包括输入信号的动态特性和负载力的动态特性（或称为刚 度）。在一般的系统设计时，通常只计算对输入信号的响应特性，而对负载扰动 力的响应动态特性是不予计算的；在这里我们对两个方面都进行了分析。(dap) 2 壘dmp)o OO 9.3-Bode Diagramio210“104Frequency (rad/s)O27105图系统闭环频率响应曲线从上图的系统闭环频率响应曲线中我们可以看出，系统的频带宽度在9Hz 左右，这正是伺服阀的频宽;由于伺服阀是系统中频率带宽最窄的元件，所以，伺服阀的频宽也就决定了整个系统的频带宽度。当输

24、入信号频率大于10Hz以后,输出将大幅度衰减，无法跟踪输入信号。因此系统的工作频率最高只能达到接近10Hz的水平。液压伺服系统的频宽主要受液压动力元件的限制，即错误味找到引用源。 和错误味找到引用源。所限。所以要提高系统的响应速度，就必须要提高错误! 未找到引用源。和适当地提高错误味找到引用源。过大的错误味找到引用源。 值将使错误味找到引用源。降低，要影响系统的响应速度。三、对系统进行PID校正超前滞后校正具有比PID控制器更加灵活的特点，属于近似PDI校正，根 据系统的动态性能可以采用串连超前校正（近似DP控制）、串连滞后校正（近似PI 控制）或串连超前滞后校正。（1）超前校正网络超前校正的

25、传递函数为：厂 / 1 Ts +11 5 + 1其转折频率分别为;专和专,其超前相角为:T（6?） = arctan769 - arctan co a.其最大超前的相角为:aicsm+1令缪型=0,可以求出产生最大超前相角时的频率为: CICD%此外，在对数坐标中，则有:少2 = 1呂叫n 】呂吗上式表明错误!未找到引用源。是频率特性的两个转折频率错误!未找到引用 源。和错误!未找到引用源。的儿何中心。因此对应于最大超前相角出的幅频超 前的值为：*x201gQ= 201g?把上面得出的结论应用到本例子中就可以计算出超前校正网络的传递函数。 超前校正适用于提高系统的稳定性和增加系统的快速性，但是

26、如果要实现稳定性 和快速性的同时满足，就会减少系统的高频衰减，这样一來对抑止系统高频噪声 是不利的。（2） 滞后校正网络滞后校正的传递函数为：厂（ 匚3 + 1Q込S + 1其转折频率分别为：叱击和処士其超前相角为:(pc (co) = aictan T2co-aictan aj,。其最大滞后的相角为:Of. 1-arcsuia】+1令终 = 0,可以求出产生最大滞后相角时的频率为: dco1此外，在对数坐标中，则有：ga)2-ga)m=ga)m-ga)l表明错误!未找到引用源。是频率特性的两个转折频率错误!未找到引用源。 和错误!未找到引用源。的儿何中心。应该尽量使产生最大滞后相角的频率错误

27、! 未找到引用源。远离校正后系统的幅值穿越频率错误!未找到引用源。，否则会对 系统的动态性能产生不利的影响，一般可取：T2 210(3) 超前滞后校正网络超前滞后校正网络的传递函数为:由图可见,频率特性的前半段使相位滞后部分，由于具有使增益衰减的作用, 所以允许在低频段提高增益，以改善系统的稳态性能。频率特性的后半段使相位 超前部分，故具有提高相位的作用，能使相位裕量增大，幅值穿越频率加大，从而改善系统的动态性能。（4）应用超前校正网络进行系统校正首先，考虑到该系统的稳定裕度不足，拟用超前网络增加其稳定性。根据原 系统开环Bode图，可以了解原系统的剪切频率错误!未找到引用源。，校正的目 的为

28、增加系统的稳定性基础上增加系统的快速性。因此，拟选用超前网络进行校 正。对于一般的液压伺服系统來说，要保证系统的正常工作，相位裕度至少应该 达到40,而幅值裕度在6分贝以上。目前，系统的相位裕度只有16,所以超前 校正应该能够提供至少24的超前相角，再考虑到串连超前校正环节会使系统的 剪切频率再对数幅频特性的对数坐标轴上右移，因此，在考虑相位超前量的时候, 要增加亍左右，以补偿这一移动量。因而，相位超前量：% =40 16 + 5 = 29相位超前校正环节应该能产生这一相位才能使校正后的系统满足设计要求。 根据前面推导出的算式可以计算出错误!未找到引用源。的值：& _l + sin% _l +

29、 sui29 3。1 1-sin 昭 1-SU1293然后计算出对应于此勺的值所产生的幅值增量：厶（Q = 10 lg G = 10 lg 3 a 4.8d3由于最大超前相角应该位于新的剪切频率处，所以再从系统的开环频率特性 曲线上找到对应于-4.8dB的频率，这个频率就是校正后系统的新剪切频率错误味找到引用源。；那么这样就可以计算出对应的错误!未找到引用源。值了。v,ro7 丿&71.732=丄丄=刘 0.031 f 3；600这样，超前校正网络的传递函数为：q(s)=0.0035 + 10.015 + 1根据计算出來的结果，用Matlab进行仿真。如图所示，可以看到其效果并 不理想，其稳定裕度并没有提高，反而有所下降。由于伺服阀部分的振荡环节的作用