第6章电液伺服系统(1)

1、本章摘要 介绍电液伺服系统类型，重点讲述了三种典介绍电液伺服系统类型，重点讲述了三种典型电液伺服系统（位置、速度、力）的分析，型电液伺服系统（位置、速度、力）的分析，并对电液伺服系统的校正方法加以论述。并对电液伺服系统的校正方法加以论述。9.1 电液伺服系统的类型电液伺服系统的类型一、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，模拟伺服系统重复精在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低度高，但分辨能力较低(绝对精度低绝对精度低)。伺服系统的精度在很大程度上取决。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

2、置的精度一般低于数字式检测装于检测装置的精度，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字伺服系统。另外模拟伺服系统中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的影响、因此当输入信号接近或小于输入端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，就不能进行有效的控制了。的噪声和零漂时，就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参量。因此数字伺服系在数字伺服系统中，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

3、统和数字统又分为全数字伺服系统和数字模拟伺服系统两种。模拟伺服系统两种。6.1 电液伺服系统的类型电液伺服系统的类型9.2 9.2 电液位置伺服系统的分析电液位置伺服系统的分析9.2.1系统的组成及其传递函数系统的组成及其传递函数 电液伺服系统的动力元件不外乎阀控式和泵控式两种基本型式，但电液伺服系统的动力元件不外乎阀控式和泵控式两种基本型式，但由于所采用的指令装置、反馈测量装置和相应的放大、校正的电子部件由于所采用的指令装置、反馈测量装置和相应的放大、校正的电子部件不同，就构成了不同的系统。不同，就构成了不同的系统。如果采用电位器如果采用电位器作为指令装置和反馈测量作为指令装置和反馈测量装置

4、，就可以装置，就可以构成直流构成直流电液位置伺服系统电液位置伺服系统（如第一章所介绍的双电位器电液（如第一章所介绍的双电位器电液位置伺服系统）。位置伺服系统）。当当采用自整角机或旋转变压器采用自整角机或旋转变压器作为指令装置和反馈测量作为指令装置和反馈测量装置时，就可装置时，就可构成交流构成交流电液位置伺服系统。电液位置伺服系统。二、系统的稳定性分析角度同步变压器机可以看作为比例环节：交流放大和解调器同样视为比例环节：伺服放大器的输入电压与输出电流近似成比例：伺服阀的传递函数：二、系统的稳定性分析二、系统的稳定性分析式中 i马达轴与负载间齿轮传动比； TL系统输出轴阻力矩；只考虑惯性负载，则阀

5、控马达的滑阀位移对马达输出转角的传递函数为只考虑惯性负载，则阀控马达的滑阀位移对马达输出转角的传递函数为二、系统的稳定性分析 系统的开环传递函数为式中 Kv系统开环增益。 系统的开环传递函数为式中 Kv系统开环增益。 单位反馈时，系统的闭环传递函数为利用劳斯判据可知，欲使系统稳定，需满足： Kv2 h h h值的计算不易准确又不易测定。一般取 h=0.10.2。所以系统稳定条件为 Kv(0.20.4) h 为了防止系统中由于元件参数变化造成的影响，也为了得到满意的性能指标，一般相位裕量在3060 之间，幅值裕量为612分贝。故特征方程为： B位置控制系统的闭环频率特性 系统的闭环传递函数为分母

6、的三次多项式可以分解为一个一阶因式和一个二阶因式的乘积： 闭环惯性环节转折频率的无因次曲线 b Kv 当h和Kv/h较小时， 当h和Kv/h较小时， nc h 当h和Kv/h较小时， 2 nc 2 hKv/ h 简化方框图：系统的闭环刚度特性系统的闭环刚度特性 系统的闭环刚度远远大于系统的开环刚度，系统的闭环刚度与开环放大系数成正比。为了减小由外负载力矩所引起的位置误差，希望提高外环放大系数，但开环放大系数的提高受系统稳定性的限制。为了得到较高的闭环刚度，可以在系统中加入校正装置，如滞后校正或在小回路中加入速度反馈校正等。 6.3 电液伺服系统的校正以上讨论了比例控制的电液位置伺服系统，其性能

7、主要由动力元件参数所决定，对这种系统，单纯靠调整增益往往满足不了系统的全部性能指标，这时就要对系统进行校正，高性能的电液伺服系统一般都要加校正装置。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。 系统对于干扰信号的闭环传递函数为系统对于干扰信号的闭环传递函数为 此式称为系统闭环柔度特性，其倒数即为闭环刚度特性：其倒数即为闭环刚度特性：系统闭环静态刚度为系统闭环静态刚度为对于干扰信号对于干扰信号TL来说，系统的结构是来说，系统的结构是零型，干扰力矩引起位置误差为：零型，干扰力矩引起位置误差为：

8、 伺服阀死区和零飘引起的位置误差伺服阀死区和零飘引起的位置误差 ： 如果伺服阀的死区、液压马达和负载摩擦的死区折合为电流误差如果伺服阀的死区、液压马达和负载摩擦的死区折合为电流误差 il，电液，电液伺服阀的零飘为伺服阀的零飘为 i2，伺服放大器零飘折合到电液伺服阀为，伺服放大器零飘折合到电液伺服阀为 i3；这些因素引；这些因素引起的位置误差为起的位置误差为Ke、Kd、Kf反馈取出点经反馈通路到伺服阀输入的增益。 C) 测量元件的误差 测量元件与负载连接，测量元件的固有误差、安装调试和校准误差会反映到输出轴上，其值假设为a。 总位置误差为：总位置误差为： 位置控制系统的校正位置控制系统的校正A)

9、串联滞后校正串联滞后校正作用：提高开环增益以提高精度，其传递函数为：作用：提高开环增益以提高精度，其传递函数为：式中 1rcRC超前环节的转折频率；滞后超前比 1。典型滞后校正网络 校正后系统的开环传递函数为校正后系统的开环传递函数为加入滞后校正的位置系统开环波德图一般要求：选择不超过1020；Kg1020dB、4060；c 位于rc和h之间的-20dB/dec区间。参数选取方法：当c确定后，取rc(1/41/5) c，调整rc 满足稳定裕量要求。 B) 速度及加速度反馈校正速度及加速度反馈校正反馈校正回路的闭环传递函数为式中 K1单有速度反馈校正时校正回路的开环增益，且 K2单有加速度反馈校

10、正时校正回路的开环增益，且只有速度反馈校正，即K20时，系统的开环增益由Kv下降到Kv / (1+K1)，固有频率由h增加到11hK，阻尼比由 h降低到1/1hK，提高反馈回路外的增益Ke，可以补偿Kv的下降。只有加速度反馈时，Kv、h不变而阻尼比 h提高，提高了稳定性。 整个位置系统开环传递函数整个位置系统开环传递函数有速度反馈后的系统开环波德图 速度反馈校正：主要速度反馈校正：主要提高主回路提高主回路的静态刚度，减少速度反馈回路的静态刚度，减少速度反馈回路内的干扰和非线件的影响，提高内的干扰和非线件的影响，提高系统的静态精度。系统的静态精度。加速度反馈：加速度反馈：主要是提高系统的主要是提

11、高系统的阻尼。低阻尼是限制液压伺服系阻尼。低阻尼是限制液压伺服系统性能指标的主要原因，如果能统性能指标的主要原因，如果能将阻尼比提高到将阻尼比提高到0.4以上，系统以上，系统的性能可以得到显著的改善。的性能可以得到显著的改善。 根据需要速度反馈与加速度反馈根据需要速度反馈与加速度反馈可以单独使用，也可以联合使用。可以单独使用，也可以联合使用。 加速度、速度反馈参数选择原则：加速度、速度反馈参数选择原则：1）根据希望的）根据希望的 h、 h求得求得K1、K2，2）进一步求出）进一步求出Kfa、Kfv，求出，求出Kv可可判定判定Ka的值的值3）通常）通常 h、 h有一定限度。要求有一定限度。要求增

12、大后的增大后的 c以以-20dB/dec穿过零分贝穿过零分贝线。线。 加入速度及加速度反馈的系统开环波德图加入速度，加速度反馈校正后： 加速度反馈的实质是把输出速度变化率超前反馈，以阻止输出量加速度反馈的实质是把输出速度变化率超前反馈，以阻止输出量的变化而形成阻尼。提高了系统等速输入时的平稳性。二阶以上系统的变化而形成阻尼。提高了系统等速输入时的平稳性。二阶以上系统用加速度反馈有利于平稳调速，故常用这种校正。用加速度反馈有利于平稳调速，故常用这种校正。三、压力反馈和动压反馈校正：三、压力反馈和动压反馈校正： 采用压力反馈和动压反馈校正的目的是提高系统的阻尼。负采用压力反馈和动压反馈校正的目的是

13、提高系统的阻尼。负载压力随系统的动态而变化。当系统振动加剧时，负载压力也载压力随系统的动态而变化。当系统振动加剧时，负载压力也增大。如果将负载压力加以反馈，使输入系统的流量减少则增大。如果将负载压力加以反馈，使输入系统的流量减少则系统的振动将减弱。起到了增加系统阻尼的作用。可以来用压系统的振动将减弱。起到了增加系统阻尼的作用。可以来用压力反馈伺服阀或功压反馈伺服阀实现压力反馈和动压反馈。也力反馈伺服阀或功压反馈伺服阀实现压力反馈和动压反馈。也可以采用液压机械网络或电反馈实现压力反馈或动压反馈。可以采用液压机械网络或电反馈实现压力反馈或动压反馈。6.4 电液速度控制系统一、阀控马达速度控制系统速

14、度控制系统是一个不稳定的系统，为了使系统稳定，必须要加校正环节，可以考虑加滞后校正和积分校正。 二、泵控马达速度控制系统泵控马达速度控制系统有开环控制和闭环控制两种。1、泵控开环速度控制系统变量泵的斜盘角由比例放大器、伺服阀、液压缸和位移传感器组成的位置回路控制。通过改变变量泵斜盘角来控制供给液压马达的流量，以此来调节液压马达的转速。因为是开环控制，受负载和温度变化的影响较大，控制精度差。2、带位置环的泵控闭环速度控制系统、带位置环的泵控闭环速度控制系统它是在开环速度控制的基础上，增加速度传感器将液压马达转它是在开环速度控制的基础上，增加速度传感器将液压马达转速进行反馈。构成闭环控制系统。速度

15、反馈信号与速度指令信速进行反馈。构成闭环控制系统。速度反馈信号与速度指令信号的差值经积分放大器加到变量伺服机构的输入端、使泵的流号的差值经积分放大器加到变量伺服机构的输入端、使泵的流量向减小速度误差的方向变化。采用积分放大器是为了使开环量向减小速度误差的方向变化。采用积分放大器是为了使开环系统具有积分特性。构成系统具有积分特性。构成I型无差系统。通常由于变量伺服机型无差系统。通常由于变量伺服机构的惯性很小，液压缸构的惯性很小，液压缸负载的固有频率很高阀控液压缸可负载的固有频率很高阀控液压缸可以看成积分环节，变量伺服机构基本上可以看成是比例环以看成积分环节，变量伺服机构基本上可以看成是比例环节系

16、统的动态特件主要出泵控液压马达的动态所决定。节系统的动态特件主要出泵控液压马达的动态所决定。3、不带位置环的泵控闭环速度控制系统、不带位置环的泵控闭环速度控制系统 如果将变量伺服机构的位置反馈去掉，并将积分放大器改为比如果将变量伺服机构的位置反馈去掉，并将积分放大器改为比例放大器可得到闭环这种速度控制系统。因为变量伺服机构例放大器可得到闭环这种速度控制系统。因为变量伺服机构中的液压缸本身含有积分环节所以放大器应采用比例放大中的液压缸本身含有积分环节所以放大器应采用比例放大器，系统仍是器，系统仍是I型系统。由于积分环节是在伺服阀和变量泵斜盘型系统。由于积分环节是在伺服阀和变量泵斜盘力的后面，所以

17、伺服阀零漂和斜盘力等引起的静差仍然存在。力的后面，所以伺服阀零漂和斜盘力等引起的静差仍然存在。变量机构开环控制，抗干扰能力差易受零漂、摩擦等影响。变量机构开环控制，抗干扰能力差易受零漂、摩擦等影响。5.6 电液力控制系统以力为被调量的液压伺服校制系统称为液压力控制系统。在工以力为被调量的液压伺服校制系统称为液压力控制系统。在工程实际中，力控制系统应用的很多，如材料试验机、结构物疲程实际中，力控制系统应用的很多，如材料试验机、结构物疲劳试验机、轧机张力控制系统、车轮刹车装置等都采用电液力劳试验机、轧机张力控制系统、车轮刹车装置等都采用电液力控制系统。控制系统。系统组成及工作原理系统组成及工作原理

18、电液力控制系统主要由伺服放大器、电液伺服阀、液压电液力控制系统主要由伺服放大器、电液伺服阀、液压缸和力传感器等组成。缸和力传感器等组成。 原理：原理：当指今装置发出的指令电压信号作用于系统时，液压缸便当指今装置发出的指令电压信号作用于系统时，液压缸便有输出力。有输出力。 该力由力传感器检测转换为反馈电压信号与指令电压信号该力由力传感器检测转换为反馈电压信号与指令电压信号相比较，得出偏差电压信号。相比较，得出偏差电压信号。 此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀，使伺服阀此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀，使伺服阀产生负载压差作用于液压缸活塞上，使输出力向减小误差的方产生负载压差作用于液压缸活塞上，使输出力向减小误差的方向变化，直至输出力等于指令信号所规定的值为止。向变化，直至输出力等于指令信号所规定的值为止。在稳态情况下，输出力与偏差信