考试版——液压比例与伺服控制系统(2013)

1、液压传动传动系统与液压控制控制系统的关系 液压控制技术是在液压传动技术的基础上发展起来的（介质相同、元件大部分相同、遵循的物理规律相同、融合了控制理论） 目的不同（传递动力；对运动量进行精确的控制） 组成不同（5个组成部分、开环；7个组成部分、闭环） 设计理念不同（以静态参数设计为主；静动态结合，动态性能为主） 特点不同（有的缺点被放大（对污染的敏感度），有点缺点被消除（传动比）液压比例比例控制与伺服控制控制的关系 产生的背景不同 定位不同 性能不同 应用范围不同 经过不同的发展道路，出现了交叉点 比例方向流量复合阀与伺服阀的异同点液压控制的发展历程液压控制的发展历程液压控制系统的基本要点 含

2、有负反馈的闭环控制系统 液压技术、流体力学、控制理论、计算机技术、传感器技术的结合 采用阀控或泵控两种方式 阀控：液压放大及控制元件-圆柱滑阀 泵控：控制元件-变量机构 机电液一体化为特征 大量采用新技术 核心控制元件：伺服阀、比例阀1.2液压控制系统的构成及工作原理指令元件中枢元件执行元件被控对象反馈元件液压油源液压控制系统的组成： 输入元件：（指令元件）给出输入信号(指令信号)加于系统的输入端，是机械的、电气的、气动的等。如靠模、指令电位器或计算机等。 反馈测量元件：测量系统的输出并转换为反馈信号。这类元件也是多种形式的。各种传感器常作为反馈测量元件。 比较元件：将反馈信号与输入信号进行比

3、较，给出偏差信号。 放大转换元件（中枢元件）：将偏差信号故大、转换成液压信号(流量或压力)。如伺服放大器、机液伺服阀、电液伺服阀、电液比例方向流量阀等。 执行元件：产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸和液压马达等。 控制对象：被控制的机器设备或物体，即负载。 液压能源装置：定压源1.3 液压控制系统的分类一、按系统输入信号的变化规律分类 定值控制系统：当系统输入信号为定值时称为定值控制系统。 程序控制系统：系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统 伺服控制系统：也称随动系统，其输入信号是时间的未知函数，而输出量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。 比例控制系统二、

4、按被控物理量的名称分类 位置伺服控制系统、速度伺服控制系统、其它物理量的控制系统。三、按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类 节流式控制(阀控式)系统：阀控液压缸系统和阀控液压马达系统 容积式控制系统：伺服变量泵系统和伺服变量马达系统。四、按信号传递介质的形式分类 机械液压伺服系统、电气液压伺服系统和气动液压伺服系统等。1.4 1.4 液压控制系统的特点液压控制系统的特点 优点： (1)液压元件的功率重量比和力矩-惯量比大 可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的控制系统。 (2)液压动力元件快速性好，系统响应快。 (3)液压控制系统抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，

5、定位准确，控制精度高。缺点： (1) 液压元件，特别是精密的液压控制元件(如电液伺服阀)抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。 (2) 油温变化时对系统的性能有很大的影响。 (3) 当液压元件的密封设计、制造相使用维护不当时容易引起外漏，造成环境污染。 (4) 液压元件制造精度要求高，成本高。 (5) 液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便1.5 1.5 液压控制系统的发展概况液压控制系统的发展概况 液压控制是一 门新兴的科学技术。它不但是液压技术的一个重要分支而且也是控制领域中的一个重要组成部分。 在第一次和第二次世界大战期间及以后，由于军事工业的刺激，液压伺服控制因响应快、精度高、

6、功率重量比大等特点而受到特别的重视，特别是近几十年，随着整个工业技术的发展，促使液压控制得到迅速发展，使这门技术无论在元件和系统分面，还是在评论与应用方面都日趋完善和成熟，形成一门新兴的科学技术。 目前，液压控制系统已成为工业自动化的一个重要方面。在工业领域得到了广泛应用。什么是液压放大元件 圆柱滑阀 双喷嘴挡板阀 射流管阀液压放大元件的分类 也称液压放大器 一种以机械运动来控制流体动力的元件 将输入的位移或转角转化为流量或压力输出 既是能量转换元件，又是功率放大元件滑阀的结构分类及其特点 通道数（4、3、2） 工作边数（4、2、1） 凸肩数（2、3、4） 预开口型式（+、0、-） 液压动力元

7、件(或称液压动力机构)是由液压放大元件(液压比控制元件)、液压执行元件以及负载组成。有四种基本型式的液压动力元件：阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控液压马达。液压动力元件的基本概念及其分类阀控缸动力机构主要性能参数为阀控液压缸的增益Kq/Ap、液压固有频率、液压阻尼比 动力机构的增益Kq/Ap直接影响系统的稳定性、响应速度和精度。提高增益可以提高系统的响应速度和精度，但使系统的稳定性变坏。 液压固有频率表示液压动力元件的响应速度。在液压伺服系统中，液压固有频率往往是整个系统中最低的频率，它限制了系统的响应速度。为了提高系统的响应速度，应提高液压固有频率。 液压阻尼比表示系统的相对稳定性

8、。为了获得满意的性能，液压阻尼比应具有适当的值。提高液压阻尼比对改变系统的性能是十分重要的 如何提高如何提高“阀控缸阀控缸”动力机构的液压固动力机构的液压固有频率有频率 液压固有频率表示液压动力元件的响应速度。在液压伺服系统中，液压固有频率往往是整个系统中最低的频率，它限制了系统的响应速度。为了提高系统的响应速度，应提高液压固有频率。提高液压固有频率的方法主要有： （1）提高油液的体积弹性模量；（可通过提高供油压力来实现） （2）使阀与液压缸尽量靠近，采用直而短的管路，尽量缩小无效容积； （3）尽量缩短管路，减小管路中油液的附加质量 3.4三种动力机构的性能特点比较 控制元件相同，执行元件不同

9、（阀控缸与阀控马达）时的比较：两者的动态特性完全相同完全相同（只需做变量替换，数学模型即完全一致） 控制元件不同，执行元件相同（阀控马达与泵控马达）时的比较：两者的动态特性类似类似（数学模型结构一致，但参数特征不同）4.1 电液伺服阀的组成及用途 电液伺服阀通常由力矩马达（或力马达）、液压放大器（先导级和功率级）、反馈机构三部分组成。 电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出。 电液伺服阀控制精度高、响应速度快，是一种高性能的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。4.2 电液伺服阀的分类按液压放大级数分为： 单级

10、伺服阀 此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或力马达输出力矩或力小、定位刚度低，使阀的输出流量有限，对负裁动态变化敏感，阀的稳定性在很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定状态。只适用于低压、小流量和负载动态变化不大的场合。 两级伺服阀 此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。 三级伺服阀 此类阀通常是由一个两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀功率级滑阀阀芯位移通过电气反馈形成闭环控制，实现功率级滑阀阀芯的定位。三级伺服阀通常只用在大流量的场合。按第一级阀的结构形式可分为： 滑阀 喷嘴挡板阀（双喷嘴挡板阀） 射流管阀 偏转板射流阀按反馈形式可分为： 滑阀位置反馈 负载流量反馈 负载压力

11、反馈按力矩马达是否浸泡在油中可分为： 湿式 可使力矩马达受到油液的冷却，但油液中存在的铁污物使力短马达持性变坏 干式 可使力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采用干式的 4.4 电液伺服阀的性能参数一、静态特性 电液流量伺服阀的静态性能，可根据测试所得到负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线等性能指标加以评定。包括1、压力-流量特性2、空载流量特性流量曲线非常有用，它不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，而且从中还可以得到阀的线件度、对称度、滞环、分辨率，并揭示阀的零区特性。3、压力特性 压力特性曲线是输出流量为零(两个负载油门关闭)时，负载压降与输入电流呈回环状

12、的函数曲线。4、内泄漏特性5、零漂五、电液比例阀 电液比例阀的概念及分类 电液比例阀的结构及特点 电液比例控制系统5.1 电液比例阀的概念及分类 电液比例控制阀简称比例阀，它是一种按输入电讯号的强弱连续地、按比例地控制系统流量和压力的阀。 根据用途的不同可分为四类： 电液比例压力阀 电液比例流量阀 电液比例换向阀 电液比例复合阀5.2 电液比例阀的结构及特点 在结构上，比例阀是在普通液压控制阀的基础上，引入比例电磁铁用以代替原来的手调部分，以实现其输出的压力或流量按输入的电流或电压成比例地变化的控制。 由于比例阀一般都有压力补偿性能，所以它的输出压力和流量可以不受负载变化的影响。与手动调节的普

13、通液压阀相比，它能提高系统参数的控制水平；由于比例电磁铁的功率较大，能够直接对阀进行控制，因此结构比较简单； 比例电磁铁的尺寸和惯性较大，使得阀的动态特性较差，只能满足一般机械的要求，因此从控制方式和使用性能来讲，比例阀是介于普通液压阀与电液伺服阀之间的液压元件。(a) 结构原理图 (b) 吸力特性图 比例电磁铁及其吸力特性图1-端盖；2线圈；3限位环；4隔磁环；5壳体；6内盖；7-外盖；8调节螺栓；9弹簧；10衔铁；11支撑环；12导向管 电液比例阀控制原理框图 先导式电液比例方向阀1-弹簧；2手动应急按钮；3-比例电磁铁4先导阀；5、8测压阀芯；6-先导阀阀芯；7-阻尼孔；9-液动换向阀；

14、10-控制腔；11-主阀芯12345比例方向閥直控式閥芯不帶位移電反饋4/3比例方向閥，直動式，帶集成電控器，位移電反饋並閥芯位置監控 由帶中心螺紋和可更換線圈的比例電磁鐵驅動，集成在閥中的電控器用來控制電磁鐵並檢測閥芯位移。 擁有對稱的閥芯遮蓋，可對運行方向和閥芯中位進行檢測。此外，该閥可產生階躍函數用來補償遮蓋的影響，也就是說，閥芯可以快速通過遮蓋區域。 閥主要應用於對安全性要求比較高的機器上，例如對壓機進行控制。 比例电磁铁结构比例电磁铁与普通电磁铁吸力比较六、电液控制系统 电液控制系统的组成及工作原理 电液控制系统的分类 电液控制系统的设计（设计步骤、机电液一体化的设计思路、伺服油源的

15、特点）6.1 电液伺服系统的组成及工作原理阀控式电液位置伺服控制系统工作原理 滑阀是转换放大元件，它将输入的机械信号(阀芯位移)转换成液压信号(流量、压力)输出，并加以功率放大。液压缸是执行元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度(或位移)。滑阀阀体与液压缸体刚性连结在一起，构成反馈回路。因此，这是个闭环控制闭环控制系统。系统。阀控式电液位置伺服控制系统的工作原理方块图泵控式电液速度伺服控制系统工作原理泵控式电液速度控制系统的工作原理方块图6.2 电液伺服系统的分类电液伺服系统的分类一、模拟伺服系统一、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，模拟伺服系在模拟伺服系统中，全部信号

16、都是连续的模拟量，模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低统重复精度高，但分辨能力较低(绝对精度低绝对精度低)。伺服系统的精度。伺服系统的精度在很大程度上取决于检测装置的精度，另外模拟式检测装置的精在很大程度上取决于检测装置的精度，另外模拟式检测装置的精度一般低于数字式检测装置所以模拟伺服系统分辨能力低于数度一般低于数字式检测装置所以模拟伺服系统分辨能力低于数字伺服系统。另外模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂字伺服系统。另外模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响、因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就的影响、因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行有效的控

17、制了。不能进行有效的控制了。二、二、 数字伺服系统数字伺服系统 在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。因此数字伺服系统又分为全数字伺服系统和数参量。因此数字伺服系统又分为全数字伺服系统和数字字模拟伺服系统两种。模拟伺服系统两种。数模混合式电液控制系统 指令器、比较器：计算机、单片机、PLC、专用控制器等。 控制元件：常规伺服阀或比例阀。 反馈元件：常规传感器或总线传感器。 采用总线控制技术。6.3 电液控制系统的设计 电液控制系统的设计思路 电液控制系统与液压传动系统在设计上的区别 电液控制系统的设计步骤液压控制系统的设计步骤液压控制系统的设计步骤 明确设计要求。 拟定控制方案，画出系统图。 静态计算，确定动力元件参数，选择系统的组成元件。 动态计算，确定系统组成元件的动态参数，画出方框图，计算系统的稳定性、快速性和精度。 校验系统的动、静态品质，如有需要，对系统进行校正。 伺服油源设计。“明确设计要求明确设计要求”都包括