液压伺服系统课程课件6

第六章电液伺服系统

6.1电液伺服系统的类型

6.2电液位置伺服系统的分析 6.3电液伺服系统的校正 6.4电液速度控制系统 6.5电液力控制系统本章介绍1

1）综合了电气和液压两方面的特长（兼有电信息快速及液压元件大功率高响应）2）控制精度高、响应速度快、输出功率大3）信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈（输入信号是电量，或者在信号传递过程中用了电元件和电信号）4）适用于负载质量大、响应速度快的系统目前已遍及国民经济和军事工业的各个技术领域电液伺服系统概述26.1电液伺服系统的类型控制信号：位置、速度、力控制控制方式：阀控、泵控输入信号：模拟、数字功率大小、开闭环形式

1）重复精度高，分辨能力较低（绝对精度低）（模拟式检测装置的精度低）2）微小信号易受到噪声和零漂的影响所有信号都是连续的模拟量一、模拟伺服系统3二、数字伺服系统全部或部分信号是离散参量1）全数字伺服：数字阀或电液步进马达

2）数字-模拟系统：A/D+D/A；A/D+数字检测器特点：1）得到很高的绝对精度2）受模拟量噪声和零漂的影响很小3）应用计算机进行存贮、结算和控制，可实现多环路、多参量的实时控制4第六章电液伺服系统

6.1电液伺服系统的类型

6.2电液位置伺服系统的分析 6.3电液伺服系统的校正 6.4电液速度控制系统 6.5电液力控制系统本章介绍5电液位置伺服系统概述最基本最常用的一种液压伺服系统

机床工作台的位置板带轧机的板厚带材跑偏控制飞机和船舶的舵机控制雷达和火炮的控制系统振动试验台其它控制系统中的小闭环（机器人柔性力控制）6A双传感器阀控位置控制系统液压执行件电伺服放大器力矩马达eiegef-xp扰动比较样板给定液压放大元件液压能源I位移传感器1电液伺服阀缸位移传感器xi位置比较用电压比较代替7C单传感器阀控位置控制系统液压执行件电伺服放大器力矩马达eiegef-xp扰动比较程序给定液压放大元件液压能源i位移传感器电液伺服阀缸由计算机图形代替样板8

自整角机输出误差信号的幅值与输入输出轴之间的误差角的正弦成比例很小时，因此，自整角机的增益为

V/rad

相敏放大器将交流信号电压转换成直流电压，其动态过程与液压动力元件相比可以忽略并可以看成比例环节，即：

(无因次)9

从直流电压Ug到电液伺服阀的阀芯位移xv间的传递函数可根据伺服阀的频宽和液压固有频率的距离写出。1）相近（二阶振荡）2）3~5倍（惯性环节）3）5~10倍（比例环节）

从伺服阀阀芯位移xv到液压马达轴转角m之间是典型的阀控马达。如果马达没有弹性负载，也不考虑机架刚度，阀控马达液压动力元件的数学模型可写为10电液位置置伺服系系统方块块图1Dm-++-cTLrem11电液位置置系统简简化方块块图将电液伺伺服阀看看成比例环节节-++-LTLim12典型的积积分+振荡环节节波德图图其稳定判据据及稳定定裕量Kg分别为：：二、系统的稳稳定性分析20lg|G|dB0/秒(s－1)1-20dB/dec-60dB/dec电液位置控制制系统开环波波德图13阻尼系数h的计算值一般般要小于系统统的实测值。因为：1）滑阀的径向向间隙实际上上有正开口作作用，也就是是实际阀的压压力-流量系数可能能高于理论计计算值。2）计算时忽略略了各种摩擦擦，而摩擦都都能提高阻尼尼。3）计算时用空空载时的零位位阀系数Kq0及Kc0，实际工作时都都是有载的。。有载时的Kq小于Kq0，Kc大于Kc0。Kq减小有利于稳稳定，Kc增大也提高了了阻尼系数，，也有利于稳稳定。4）只有在工作作频率接近谐谐振频率h时才有稳定性性问题。当工工作频率接近近h时，负载压力力且也将接近近ps了，也就是说说压力趋于饱饱和，Kc变得很大，阻阻尼系数比较较高。一般说来，h的计算值比较较精确。液压系统的的阻尼系数h一般为0.1~0.2，根据稳定条条件，就可以以计算出系统统的开环增益益Kv。由Kv≈c可求出穿越频频率c。穿越频率率高，相当当于频宽高高。14P116页使系统满满足一定稳稳定要求的的参数估算算由于以上几几点原因，，估算时一般般可用电液位置伺伺服系统难难于得到较大的幅值值稳定裕量量Kg，而相位稳定定裕量易于保证。因为稳定性性限制了Kv值，而Kv值小时系统统的精度就就差。如果果又要稳定定性好而裕裕量大，精精度高而Kv大，就必须须采取提高高h的其它措施施或者对系系统校正。。15三、系统响响应特性分分析闭环幅频特特性峰值Mr、闭环振荡荡环节固有有频率nc、闭环频宽宽b以及及闭闭环环阻阻尼尼系系数数nc上升升时时间间tr、峰峰值值时时间间tp、调调节节时时间间ts、超超调调量量%频宽宽近近似似地地正正比比于于响响应应速速度度，，根根据据频频宽宽可可推推算算其其它它指指标标，，所所以以频宽是一一个重要要品质指指标。（一）对对指令输输入的闭闭环频率率响应系统闭环环传递函函数系统的特特征式是是三阶方方程，可可以因式式分解为为一个惯性性环节和和一个二二阶振荡荡环节16闭环惯性性环节转转折频率率的无因因次曲线线bKv当h和Kv/h较小时17当h和Kv/h较小时nch闭环振荡荡环节固固有频率率无因次次曲线18当h和Kv/h较小时2nc2h—Kv/h闭环振振荡环环节阻阻尼系系数无无因次次曲线线19系统频宽主主要受h和h的影响和限限制，应适当提高h和h，但过大的的h会降低nc，影响响应应速度。电液位置控控制系统闭闭环频率特特性曲线20c与TL之间的传递递函数其倒数即为为系统的闭闭环刚度（二）系统统的闭环刚刚度特性21电液位置系系统简化方方块图-++-LTLim22又因为Kv≈h/5；b≈Kv；h≈0.1~0.2。所以，2hh与b很接近，刚度的表达式式可简化为闭环系统的静态刚度为23系统在谐振频频率nc处的刚度最低低/秒(s－1)20lg|G|dB0阀控缸动态刚度幅频特性（P51）20lgAp2Kce20lgkh1）为了提高刚刚度，减少由由刚度引起的的误差，应该该提高开环增益益Kv。2）Kv的提高受稳定性限制制（滞后校正或或局部速度反反馈）位置系统闭环环动态刚度幅幅频特性注：以上仅仅是伺伺服系统本身身的刚度，如如果机械部分分（连接件、、机械传动装装置、机架机机座）的刚刚度更低，则则要设法提高高之241）误差与系统结结构本身（干干扰、零漂、、死区）和输输入信号形式式均有关。a)扰动误差（负载载扰动、零漂漂扰动等）b)跟踪误差（与与系统结构有有关）c)滞环等非线性性因素引起的误差2）对于位置伺服服系统，系统统的结构是I型，I型系统没有位位置误差而有有速度误差，，开环增益愈愈高则误差愈愈小。3）对干扰信号TL来说，系统结结构是0型，有位置误误差，闭环系系统的刚度度愈高，则由由干扰力矩TL引起起的的误误差差就就愈愈小小。。四、、系系统统的的稳稳态态误误差差分分析析25误差差EL与TL之间间的的传传递递函函数数-++-LTLim稳态态负负载载误误差差为：：1）提提高高Kv。可可减减小小速速度度误误差差、、负负载载误误差差。。减减小小由由库库仑仑摩摩擦擦、、滞滞环环、、间间隙隙等等所所引引起起的的非非线线性性2）Kv的提提高高受受稳稳定定性性限限制制（滞滞后后校校正正或或局局部部速速度度反反馈馈））3）减减小小Kce可减减小小负负载载误误差差，，但但同同时时会会减减小小阻阻尼尼比比26I电液伺服阀对象指令元件负载载扰扰动动引引起起的的静静差差27速度度误误差差28速度度误误差差I电液伺服阀对象指令令元元件件29摩擦擦死死区区引引起起静静差差在液液压压马马达达启启动动前前首首先先要要克克服服负负载载及及液液压压马马达达等等运运动动时时的的静摩摩擦擦力力矩矩Tf，此静静摩摩擦擦力力矩矩能能引引起起一一定定量量的的负负载载压压力力。。此此一一定定量量的的负负载载压压力力引起起流流量量损损失失，也也包包括括液液压压马马达达泄泄漏漏流流量量在在内内的的流流量量损损失失，，其其损损失失为为一定定量量的的Qc对应应着阀阀芯芯有有一一定定量量的的位位移移，，对对应应电电液液伺伺服服阀阀有有一一定定量量的的输入入电电流流I1。电液液伺伺服服阀阀虽虽有有一一定定量量的的输输入入电电流流I1，却没没有有流流量量输输出出，，故故电电流流I1代表表了了静静摩摩擦擦引引起起的的系系统统误误差差：：30电液液位位置置伺伺服服系系统统方方块块图图1Dm-++-cTL=Tfrem+-I=I1

+I231零漂漂也也引引起起静静差差，直直流流电电伺伺服服阀阀放放大大器器、、电电液液伺伺服服阀阀以以及及其其它它元元件件或或多多或或少少都都有有零零漂漂。。设各种种主要要漂、、死区区等折折算成成差动动电流流的总偏差差为I，则所所引起起的总负载载误差差角c为检测器器的误误差直接反反映到到输出出端，，与回路路的增增益无无关应注意意反馈馈测量量装置置的选选择P123计算举举例增大除电液伺服服阀流量增增益以外的的各元件增益都可降低系系统的静差差。增大减减速比i也可减少静静差。32第六章电电液伺服服系统6.1电液伺服系系统的类型型6.2电液位置伺伺服系统的的分析6.3电液伺服系系统的校正正6.4电液速度控控制系统6.5电液力控制制系统本章介绍33系统校正概概述1）液压系统统特点：a)性能主要由由液压固有有频率和液液压阻尼比比决定b)液压阻尼比比较小，增增益裕量不不足，相位位裕量有余余c)参数变化范范围大，特特别是阻尼尼比随工作作点变动在在很大范围围内变化2）仅仅提高增增益满足不不了系统的的全部性能能指标校正元件一一般都用电电子元件。。也有机械械、液压和和气动的形形式34一、滞后校校正1）接在相敏放放大与直流流放大元件件之间2）相位稳定定裕量易于保证证，幅值值稳定裕裕量Kg不易保证证，所以以不宜采采用以提提高相位位裕量为主的串串联超前前校正。。3）如果用二二阶超前前校正元元件(反共振回回路)来抵消。。h处的谐振振峰，则则超前校校正元件件的频率率必须与与h相符。由由于工作作过程中中h是有变化化的，所所以也难难于采用用二阶超超前校正正。电液系统统中常用的是是串联滞滞后校正正。35eoeii1(-1)Ri1特点：（图6-15）1）提高低频频段增益益，减小小系统的的稳态误误差2）在保证系系统稳态态精度的的条件下下，通过过降低系系统高频频段的增增益，保保证系统统的稳定定性a)使速度放放大系数数提高了了倍（加加设增益益放大器器，或用用调节器器校正）），提高高了闭环环刚度，，减小了了负载误误差b)减小了元元件参数数变化和和非线性性影响c)降低了穿穿越频率率，特别别是低频频侧相位位滞后较较大，如如果开环环增益减减小，就就有可能能变得不不稳定3）滞后校正是一一个低通滤波波器4）利用的是高频频衰减特性，，而不是相位位滞后36加入校正后系系统的开环传传递函数为：Kvc=Kv+--滞后校正后的的系统方块图图37Kg保证稳定性不不变的前提下下，将低频段段的增益提高高38设计滞后校正正网络主要是选定参参数1）幅值稳定裕量量Kg是判定系统能能否稳定工作作的主要指标标，Kg是在h处判定的。由由于加校正或或不加校正对对h处的幅频特性性无影响，所所以仍可按无无校正时的方方法根据稳定定条件估算Kv及c，一般取Kg=10~20dB。2）校正网络参数数的设计步骤骤参见P125，及控制原理理相关知识391）速度反馈（（测速发电机机）：提高主回路的的静态刚度，，减少速度反反馈回路内的的干扰和非线线性的影响，，提高系统的的静态精度2）加速速度反反馈：提高高系统统阻尼尼二、速速度度和加加速度度反馈馈校正正具有速速度和和加速速度反反馈的的电液液位置置系统统的方方块图图1Dm-+Liem-40速度反反馈：：1）开环增增益下下降2）固有频频率增增大，，阻尼尼比下下降3）固有频频率和和阻尼尼比的的乘积积不变变4）速度反反馈回回路的的开环环增益益比较较高，，被速速度反反馈回回路所所包围围的元元件的的非线线性（（死区区、间间隙、、滞环环、参参数变变化、、零漂漂）都都将受受到抑抑制41加速度度反馈馈：1）Kv，h均不变变；2）h增加；；3）提高高系统统的Kv和b速度度加加速速度度综综合合反反馈馈：：调前前置置放放大大器器增增益益Kd，以以及及Kfv，Kfa，使使系系统统的的动动静静态态指指标标得得到到全全面面改改善善1）根据据稳稳定定裕裕量量确确定定开开环环增增益益2）根据据需需要要的的固固有有频频率率和和阻阻尼尼比比求求出出K1，K2。3）反馈馈系系数数选选取取时时必必须须保保证证局局部部回回路路稳稳定定，，同同时时保保证证中中频频段段以以-20dB/dec穿越越0dB线42三、、压力力反反馈馈和和动动压压反反馈馈校校正正特点点：：1）增加加阻阻尼尼而而又又不不增增大大能能耗耗及及降降低低刚刚度度2）振动动加加剧剧，，负负载载压压力力增增大大，，将将其其反反馈馈，，流流量量减减小小，，振振动动减减弱弱，，起起到到了了增增加加阻阻尼尼的的作作用用P128图6-181）压差差或或压压力力传传感感器器2）对开开环环增增益益和和液液压压固固有有频频率率h无影影响响3）增加加了了总总压压力力流流量量系系数数，，静静刚刚度度下下降降，，系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力下下降降一、压力力反馈校校正43二、动压压反馈校校正特点：1）提高阻尼尼比，同同时不降降低系统统的静刚刚度（稳稳态指标标）2）用压力传传感器把把负载压压力pL转换为电电压信号号，经过过微分电电路取出出比例于于dpL/dt的电压信信号再反反馈到直直流放大大器以组组成动压压负反馈馈校正。。3）反馈回路路包围了了更多的的元件使使精度更更好。参数选取取参见P761）在谐振频频率处产产生需要要的阻尼尼比，同同时阻尼尼相的相相位接近近于02）阻尼的提提高受局局部反馈馈回路稳稳定性的的限制3）Kfp过高，局局部反馈馈回路可可能会不不稳定44在执行元元件的两两腔间并并联瞬态态流量校校正装置置—瞬态流量量稳定器器（蓄能器器+液阻），也能提提高阻尼尼。其传传递函数数推导详详见P75工作原理理：当负载压压力的变变化频率率较低时时，对稳稳态负载载没有阻阻尼作用用，不影影响系统统静特性性。当负载压压力高频频变化，，甚至接接近系统统的谐振振频率时时，1）负载压力力猛增2）起到阻尼尼作用（一部分分流量分分流到流流量稳定定器中，，减少了了液压执执行元件件的瞬时时流量，，减少了了谐振频频率处的的峰值）），缺点：必须增加加元件，，在结构构尺寸有有限制的的场合不不便使用用。45第六章电电液液伺服系系统6.1电液伺服服系统的的类型6.2电液位置置伺服系系统的分分析6.3电液伺服服系统的的校正6.4电液速度度控制系系统6.5电液力控控制系统统本章介绍绍46电液速度度控制系系统应用广泛泛：原动机调调速、机床进给给装置的的速度控控制雷达天线线炮塔转台局部速度度反馈（（提高刚刚度、减减小参数数变化，，提高精精度）直流放大器eiegef-im液压马达测速发电机伺服阀47电液伺服服速度控控制系统统方块图图（未校校正）（（0型有差系系统）+-+-48未校正速速度控制制系统开开环频率率特性未校正系系统特点：1）简化后的的特性刚刚刚稳定定，如果果稍有变变化，系系统将不不稳定2）在伺服阀阀前的电电子放大大器中串串接一个个RC滞后网络络49校正后速速度控制制系统开开环频率率特性校正后系系统特点：1）校正参数数选取2）校正后穿穿越频率率下降（（快速性性与稳定定性不可可兼得））3）采用积分分放大器器提高精精度50电伺服放大器eiegef-vp泵控开环环控制系系统组成成原理框框图比较信号发生伺服阀i位移传感感器液压马达变量泵液压缸二、泵控控马达速速度控制制系统（一）泵泵控开环环速度控控制系统统开环控制制受负载载和温度度变化的的影响较较大，控控制精度度较差51电伺服放大器积分放大器eiegef-vp泵控闭环环速度控控制系统统组成原原理框图图比较信号发生i测速发电电机液压马达变量泵液压缸-位移传感器器伺服阀（二）带位位置环的泵泵控闭环速速度控制系系统变量伺服机机构的惯性性很小，阀控缸可看成是积积分环节，，变量伺服机机构基本上可看看成是比例例环节，动动态由泵控马达决定52泵控闭环速速度控制系系统组成原原理框图比例放大器eiegef-m比较信号发生液压马达变量泵液压缸伺服阀测速发电机（三）不带带位置环的的泵控闭环环速度控制制系统1）变量伺服机机构的液压压缸本身含含有积分环环节，系统统型式不变变（相对型型式（二））而言）2）积分环节在在后面，伺伺服阀零漂漂和斜盘力力等引起的的静差仍然然存在3）变量机构开开环控制，，抗干扰能能力差，易易受零漂、、摩擦等影影响计算举例参参见P13353第六章电电液伺服服系统6.1电液伺服系系统的类型型6.2电液位置伺伺服系统的的分析6.3电液伺服系系