液压元件与系统设计

液压元件与系统设计——液压系统设计（第四讲）第一页，共四十七页。

电液控制系统设计（回顾）1电液控制系统分类按控制物理量分类（位置、速度、力）按液压控制元件控制方式的不同分类（阀控、泵控）根据输入信号形式和信号处理手段分类（模拟、数字、混合等）2电液位置控制系统电液位置控制系统组成和方块图性能分析

A．稳定性分析Kv＜2hh

＜(0.2~0.4)h B．位置控制系统的闭环频率特性

当h和Kv/h较小时，cbKv，nc

h，2nc2h—Kv/h

C．系统的精度分析 系统闭环静态刚度为 干扰力矩引起位置误差为第二页，共四十七页。

3．校正方法（滞后校正、速度加速度反馈）

4．速度、力控制系统的特点、组成、性能分析及精度分析

第三页，共四十七页。5电液伺服系统的设计步骤

弄清设计要求；

拟定设计方案；

进行负载匹配；

选定电液伺服阀的伺服放大器；

设计液压伺服缸；

设计液压泵站；

分析系统性能；进行必要的补偿；

进行系统调试；

进行技术总结。以上步骤不是单方向的，会有交叉反复。第四页，共四十七页。分析计算步骤1)明确设计要求

(A)负载分析（负载类型、绘制负载特性）

(B)控制性能要求（控制类型、动静态要求）

(C)工作环境要求及其它（环境、能源及其它）2)方案选择

(A)拟定控制方案（泵控？阀控？缸？马达？）

(B)画出系统原理图3)静态计算

(A)负载计算（负载轨迹、最佳匹配、执行元件、阀及泵的主要参数）

(B)根据最大流量和最大压力设计或选择所需各液压元件。

(C)选择系统中其它电放大元件、反馈元件、传感器。（误差分配）4)动态计算

·分析各元件的动态特性，画出系统方块图，求出系统传递函数，画出系统开环频率特性，分析稳定性及稳定裕量，计算闭环频宽。

·计算系统开环增益，静态误差。

·如不满足设计要求，进行校正，直到满足为止。5)选择液压能源及原动机

P、Q、油液的清洁度及空气含量应满足要求第五页，共四十七页。电液位置控制系统设计实例一设有一数控机床工作台的位置需要连接控制，其技术要求为：指令速度信号输入时引起的速度误差为：ev＝5mm

干扰输入引起的位置误差为：epf=0.2mm给定设计参数为：工作台质量 m＝1000kg

最大加速度 amax＝1m/s2

最大行程 S＝50cm

最大速度 v=8cm/s

工作台最大摩擦力 Ff＝2000N

最大切削力 Fc＝500N

供油压力 ps＝6.3MPa反馈传感器增益 Kf＝1V／cm第六页，共四十七页。(1)确定系统方案采用伺服阀控制液压缸的系统结构。第七页，共四十七页。

(2)确定工作台速度和负载力的关系负载力由切削力Fc，摩擦力Ff和惯性力Fa等组成。惯性力Fa按最大加速度考虑Fa＝mamax＝1000N

系统在最恶劣的负载条件下工作时的总负载力F＝3500N。工作台速度和负载力的关系曲线如下图所示。第八页，共四十七页。

(3)确定液压缸有效工作面积A和结构尺寸D，d令负载压力pL=2/3ps，因为F=ApL，所以

A=3F/(2ps)=8.3cm2

现确定液压缸活塞直径D及活塞杆直径d。因为A＝/4(D2—d2)，取d／D＝0.5代入上式得

D＝3.75cm，圆整取D=4cm，d=2.2cm

校核有效工作面积A得A=8.04cm2，取A＝8cm2。(4)确定伺服阀规格最大速度工况时负载压降为pL＝F/A=4.375MPa

伺服阀压降pv＝ps-pL=1.925MPa，负载流量qL=vm×A＝3.84L／min

查伺服阀样本，阀压降7MPa，额定电流IR为30mA时，流量为8l/min的伺服阀就可满足多ps＝1.925MPa，输出流量qL＞3.84L／min的要求。第九页，共四十七页。

(5)确定系统传递函数(A)电液伺服阀的传递函数额定流量81/min的伺服阀在供油压力ps＝6.3MPa时的空载流量为7.6l/min，阀的增益为伺服阀生产厂提供了sv=600rad/s，sv=0.5的数值。电液伺服阀的传递函数第十页，共四十七页。

(B)液压缸的传递函数设取代入h式中得所以得到液压缸的传递函数为：第十一页，共四十七页。

(C)反馈传感器的传递函数

(D)电放大器的传递函数待定

(E)系统的开环增益第十二页，共四十七页。

(6)系统开环频率特性从图中可见，系统频宽f-3dB时，稳定裕量为5dB和90。第十三页，共四十七页。

(7)计算系统稳态误差

·指令输入最大速度v=8cm／s时的误差为·干扰输入引起的误差：干扰有伺服放大器温度零飘、伺服阀的零飘和磁滞及执行元件的不良灵敏度等，将其总和折合成伺服阀输入电流的干扰为f＝0.02IR，对这个干扰来说，系统属于0型，当其在一段时间内为常量时，系统的位置误差为

可见，系统达到了原定设计指标。第十四页，共四十七页。

电液位置控制系统设计实例二1．设计要求假定电液伺服系统需要驱动质量m＝160kg的负载作正弦规律运动，最大振幅为Y＝5mm，最高速度为45cm／s，最大加速度为l0g100m/s2，工作频率范围为1~100Hz。客户指定供油压力为21MPa。快速性要求是100Hz时相位移小于180。

2．设计方案其中信号源由客户自备，其他元件在后面具体选定或设计。第十五页，共四十七页。

3．负载匹配

(1)供油压力pa

客户指定供油压力为21MPa。

(2)活塞有效面积A

负载质量为160kg，活塞质量估计为10kg，因此总移动质量为160十10＝170kg。最大加速度为10g100m/s2，所需最大推力应为

Fm=mY’’m＝170×100＝17000N取活塞直径D＝52mm，活塞杆直径d＝40mm。(3)伺服阀额定流量QR考虑留出10％的余量，取QR＝18L/min。第十六页，共四十七页。

(4)匹配情况假定负载阻尼系数b＝1000N·s/m，负载弹簧刚度k＝20kN/m，针对外特性曲线（最大功能曲线）上的B、M和N三个拐点的参数，算出对应于三个拐点的负载特性曲线。从这三个拐点的负载特性可以看出，以M点为设计工况点进行负载匹配是有道理的。从图中可见，驱动特性以一定的余量包围负载特性，匹配成功。第十七页，共四十七页。

4．伺服阀和放大器选用北京机械工业自动化研究所的DYCF-B16-18型动圈滑阀式电液伺服阀，其额定流量为18L／min，供油压力范围是2.5~31.5MPa，额定电流为150mA，单线圈电阻为560，固有频率为120Hz，阻尼比为0.5。选用与该伺服阀配套的YCF-1型伺服放大器。

5．伺服缸伺服缸行程取为S＝2Y十6＝2(5)十6＝16mm。反馈传感器选用阜新传感器厂FX-71型直流差动变压器，量程士10mm，精度0.2％，供电电压9~15V(DC)，满量程输出电压土2V(DC)。壳体外径20mm，放在直径40mm的活塞杆的空心孔里是没有问题的。伺服阀直接装在缸体上。活塞处采用间隙密封。活塞杆处采用锥形静压轴承。

6．液压泵站采用蓄能器，负载所需流量为2Qm／＝2Y’mA/＝2×0.45×8.67×10-4／＝2.84×10-4m3／s＝14.9L／min，取泵站流量为20L／min。液压缸一次行程所需油液体积为V＝AS＝8.67×10-4×0.01＝8.67×10-6m3＝8.67×10-3L。选用NXQ-L0.63／31.5-A型皮囊式蓄能器。第十八页，共四十七页。

7．性能分析

1）建立传递函数已经确定，差动变压器在工作行程土5mm时的输出电压是土lv。对应最大振幅5mm的指令信号也是1V。输入放大器的误差信号最大为lV，如令此时放大器输出额定电流150mA，则放大器增益KA＝150mA／1V。伺服阀的无载流量QNL＝31.18L／min，所以伺服阀增益KSV＝(31.18L／min)／150mA。液压缸增益为活塞有效面积的倒数，即是KCYL＝1／A＝1／8.67cm2。反馈增益KF＝1V／5mm。于是，环路增益已知伺服阀固有频率0＝120Hz＝2×120rad／s，阻尼比0＝0.5，于是2）稳定性、快速型分析（课后自己进行）第十九页，共四十七页。需要说明的是：当幅频和相频特性绘制在一张图上时的看图方法。从图中可以看出，系统开环对数幅频特性在19.32Hz处穿越0dB轴，相位裕度为80.6；开环对数相频特性在120Hz处达到180，幅值裕度为16dB。系统有足够的稳定裕度，调试时可以适当提高环路增益。第二十页，共四十七页。结束TheEnd第二十一页，共四十七页。电液速度控制系统实例速度控制系统给定设计参数为：负载转动惯量 J＝0.43kgm2

最大负载转矩 T＝49N·m

转速范围 n=34~195r/min

供油压力 ps＝7.84MPa

速度传感器增益 Kfv＝0.19V·s/rad性能指标为：跟踪精度

lr/min

完成准确跟踪的时间 0.9s第二十二页，共四十七页。

(1)决定系统控制方案采用伺服阀控制液压马达的阀控系统。第二十三页，共四十七页。(2)确定马达排量取则马达排量为或选取BMl—10摆线液压马达，其排量为Dm=102×10-6m3/r或Dm=163×10-7m3/rad(3)选择伺服阀规格伺服阀流量为：此时阀的压降为：查伺服阀样本，选用QDY—C63型，额定电流为30mA，供油压力为7.84MPa时的额定空载流量为1.05×10-3m3／s。第二十四页，共四十七页。

(4)确定传递函数(A)电液伺服阀的传递函数伺服阀的增益由样本得：于是电液伺服阀的传递函数为第二十五页，共四十七页。

(B)液压马达的传递函数马达油腔容腔与伺服阀到马达间容积之和为又取则：取：于是液压马达的传递函数为速度传感器的传递函数积分放大器的传递函数第二十六页，共四十七页。

(5)绘制系统开环频率特性由图可见，为了满足系统稳定性的条件，取开环频率特性的相位滞后180点上的幅值裕量为6分贝，此时的角稳定裕量为87

，由于幅值稳定裕量不能减小，所以穿越频率不能再增加。第二十七页，共四十七页。

(6)确定系统开环增益及积分放大器增益开环增益：由系统波德图知，在区间＜c内，L()是一条斜率为-20dB/dec的直线，所以：求得积分放大器的增益为(7)速度控制系统的开环传递函数系统的开环传递函数为第二十八页，共四十七页。

(8)计算系统的稳态误差因为系统是I型系统，对速度指令信号误差为零，满足了跟踪精度为lr/min的要求。

(9)系统的仿真实验由试验结果可见，现有系统是稳定的，没有超调，但上升过程有几次小的振荡。过渡过程在0.1秒以内结束，完全满足在0.9秒内完成准确跟踪的任务。第二十九页，共四十七页。力控制系统设计实例

现要求设计一个如图的力控制系统。其设计参数及性能指标为：第三十页，共四十七页。

(1)液压缸的确定根据力控制系统的控制特性，系统要在供油压力的95％状态下工作取负载压力pL＝0.95ps＝16.625MPa，则液压缸有效工作面积A＝Fm／pL＝54.2cm2，令d／D＝0.5，则D＝9.59cm，取D＝10cm，d＝5.5cm，校核得A＝54.78cm2。对于弹簧刚度为9000N／cm的弹簧力，最大负载力9000N是由10cm的活塞行程产生。则最大行程速度vm是以时间常数为10秒计算的最大流量

(2)选择电液伺服阀为满足输出负载力动态性能的要求，从低负载弹簧状态求出活塞运动最大速度。当无超调的时间常数控制在10秒以内时的特性曲线如图所示。第三十一页，共四十七页。处于最大负载的63％时，负载所需要的压力此外，在活塞小位移时，用极小的压力差即可推动负载，为充分利用伺服阀的流量，现选定压力降为7MPa，输出流量为3.81/min的伺服阀。设阀的流量增益Kq，压力一流量增益Kc分别为压力增益阀的额定电流IR＝150mA，输出位移xv＝0.038cm，增益为第三十二页，共四十七页。

(3)力反馈传感器输入力为Ff＝113000N，输出电压为Vf＝0.01V，其增益为

(4)静态特性为得到

5％静态控制精度，开环增益取K0＝25，电放大器增益第三十三页，共四十七页。

(5)动态特性为了确定l、2，要计算油的压缩性，设油路的阻尼系数其中V是液压缸的总油腔容积，为确保行程充裕，选择工作行程大于10cm行程的液压缸，取行程为x＝15cm的液压缸，计算液压缸容腔V＝Ax=8.22×10-4m3，假设4＝14×108Pa，则此时油路阻尼系数C＝0.146×10-12m3／(N／m2)。根据油的压缩性，计算弹性系数把这个值与k比较，可知控制系统在的情况下工作，负载弹簧k＝180000N／cm时负载弹簧k＝9000N／cm时第三十四页，共四十七页。

取开环增益为25，根据开环放大特性求出穿越频率：负载弹簧k＝180000N／cm时负载弹簧k＝9000N／cm时输入为阶跃函数的系统响应时间(即达到输出最终值的63％的时间)大约等于1／c，即k＝180000N／cm时，Tc＝1／c≈0.083s，而当k=9000N／cm时，Tc＝1／c≈1.67s。和前面规定的指标相比，此响应时间非常短，能够满足要求。对应于3的阻尼比3的共振峰值超过了零分贝轴，这是造成系统不稳定的原因。

频率2、3与负载质量有关，由负载弹簧刚度的最大值决定。k＝180000N／cm时，弹簧的计算频率为第三十五页，共四十七页。，使得系统的超调量减少。为此在2前的一个频率处加入一个校正环节第三十六页，共四十七页。结束TheEnd第三十七页，共四十七页。返回第三十八页，共四十七页。返回第三十九页，共四十七页。返回第四十页，共四十七页。选择电液伺服阀时考虑以下因素：(1)所选伺服阀的供油压力不得低于系统的供油压力。(2)选择伺服阀时要使阀的额定流量有10%的余量。(3)固有频率90

伺服阀的90相移频宽90至少应为系统频宽的3倍。返回第四十一页，共四十七页。1)伺服阀与缸之间的连接管道宜短、宜粗。这是因为管中油液的质量与粘滞效应，将以很大的系数（活塞有效面积与管道过流面积之比的二次方）折算到活塞杆上，而对系统的动态特性产生很大的影响。2)对于非对称缸，为了解决往复速度不等的问题，可采用阀套上有异形窗口的伺服阀。返回第四十二页，共四十七页。恒压油源可以用定量泵溢流阀或者用恒压变量泵组成。伺服系统经常工作在零点附近，所以液压泵站应采用节能方案。安全阀的设定压力应该比供油压力高出1~1.5MPa。液压泵站的输出流量应该包括：1)负载运动所需流量；2)伺服阀零耗流量；3)静压轴承耗油量；4)溢流阀保压时的溢流量；5)阀、缸等的内泄漏量；6)采用旁通阻尼校正时的旁通流量。返回第四十三页，共四十七页。需要分析的性能有稳定性、快速性及控制精度。

1．稳定性列写系统的传递函数，根据系统特征方程的系数运用罗斯判据判定系统的绝对稳定性。绘制系统开环对数频率持性，运用奈奎斯特判据判定系统的相对稳定性。要求系统有10~20dB的幅值裕度和40~65的相位裕度。

2．快速性绘制系统闭环对数频率特性，据此求出系统的频带宽度（-3dB频宽和90相移频宽)，即可查明系统的快速性是否满足设汁要求。3

．控制精度伺服系统的精度大致分为：与输入输出元件有关的精度，包括输入信号的精度，反馈传感器的精度和加法器的精度。与其它内部元件有关的精度，取决于伺服放大器的漂移、电液伺服阀的零漂、反馈机构的传动间隙、负载摩擦力造成的死区等缺陷。干扰引起的误差，是指伺服系统经历负载力、供油压力等的变化时，控制精度所受的影响。控制原理方面的误差，是指系统前向通路中积分环节的阶数所决定的系统无差度。

算出总误差值后，判别所得到的精度是否已满足设计要求。如果不满足，则要返回到前面的步骤，改善元件特性和变更各项参数，甚至要增加补偿元件，或者重新研制系统控制方案。返回第四十四页，共四十七页。伺服系统出厂之前必须进行系统调试。

1）对系统进行彻底的循环冲洗，把制造与安装过程中潜伏的污染物冲到过滤器上滤除。冲洗时暂不装伺服阀，而代之以冲洗板。冲洗期间监视过滤器的堵塞情况，及时更换滤芯。一直冲洗到油液清洁度符合要求为止。伺服系统一般要求油液清洁度为NASl638的4~8级。

2）在调试过程中，逐渐提高系统压力，直到额定工作压力。要保证系统没有外泄漏。

3）在低压下接通放大器的电源开关，这时活塞移到一端。逐渐提高反馈增益，活塞应移到中间位置。如果活塞在一端不动，则可能是接成正反馈了。这时需把反馈信号线的两个线头对调一下，再试。

4）调整颤振信号的频率和振幅，使系统动作灵活。如果平衡位置不在中间位置，可窜动传感器外壳来调整机械零点。如果平衡位置与中