液压伺服系统课程课件一二

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电液位置伺服服系统方块图图1Dm-++-cTLrem11电液位置系统统简化方块图图将电液伺服阀阀看成比例环节-++-LTLim12典型的积分+振荡环节波德德图其稳定判据及稳稳定裕量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。穿越频率高高，相当于频频宽高。14P116页使系统满足足一定稳定要要求的参数估估算由于以上几点点原因，估算时一般可可用电液位置伺服服系统难于得得到较大的幅值稳稳定裕量Kg，而相位稳定裕裕量易于保证。因为稳定性限限制了Kv值，而Kv值小时系统的的精度就差。。如果又要稳稳定性好而裕裕量大，精度度高而Kv大，就必须采采取提高h的其它措施或或者对系统校校正。15三、系统响应应特性分析闭环幅频特性性峰值Mr、闭环振荡环环节固有频率率nc、闭环频宽b以及闭环阻尼尼系数nc上升时间tr、峰值时间tp、调节时间ts、超调量%频宽近似地正正比于响应速速度，根据频频宽可推算其其它指标，所所以频宽是一个重重要品质指标标。（一）对指令令输入的闭环环频率响应系统闭环传递递函数系统的特征式式是三阶方程程，可以因式式分解为一个惯性环节节和一个二阶阶振荡环节16闭环惯性环节节转折频率的的无因次曲线线bKv当h和Kv/h较小时17当h和Kv/h较小时nch闭环振荡环环节固有频频率无因次次曲线18当h和Kv/h较小时2nc2h—Kv/h闭环振荡环环节阻尼系系数无因次次曲线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，刚度的表达达式可简化化为闭环系统的的静态刚度为为23系统在谐振振频率nc处的刚度最最低/秒(s－1)20lg|G|dB0阀控缸动态刚度幅频特性（P51）20lgAp2Kce20lgkh1）为了提高高刚度，减减少由刚度度引起的误误差，应该该提高开环增增益Kv。2）Kv的提高受稳定性限限制（滞后校正正或局部速速度反馈））位置系统闭闭环动态刚刚度幅频特特性注：以上仅仅是是伺服系统统本身的刚刚度，如果果机械部分分（连接件件、机械传传动装置、、机架机座座）的刚刚度更低，，则要设法法提高之241）误差与系统统结构本身身（干扰、、零漂、死死区）和输输入信号形形式均有关关。a)扰动误差（负负载扰动、、零漂扰动动等）b)跟踪误差（（与系统结结构有关））c)滞环等非线线性因素引起的误差差2）对于位置伺伺服系统，，系统的结结构是I型，I型系统没有有位置误差差而有速度度误差，开开环增益愈愈高则误差差愈小。3）对干扰信号号TL来说，系统统结构是0型，有位置置误差，闭闭环系统统的刚度愈愈高，则由由干扰力矩矩TL引起的误差差就愈小。。四、系统的的稳态误差差分析25误差EL与TL之间的传递递函数-++-LTLim稳态负载误误差为：1）提高Kv。可减小速速度误差、、负载误差差。减小由由库仑摩擦擦、滞环、、间隙等所所引起的非非线性2）Kv的提高受稳稳定性限制制（滞后校正正或局部速速度反馈））3）减小Kce可减小负载载误差，但但同时会减减小阻尼比比26I电液伺服阀对象指令元件负载扰动引引起的静差差27速度误差28速度误差I电液伺服阀对象指令元件29摩擦死区引引起静差在液压马达达启动前首首先要克服服负载及液液压马达等等运动时的的静摩擦力矩矩Tf，此静摩擦力力矩能引起起一定量的的负载压力力。此一定定量的负载载压力引起流量损损失，也包括液液压马达泄泄漏流量在在内的流量量损失，其其损失为一定量的Qc对应着阀芯有一一定量的位位移，对应应电液伺服服阀有一定定量的输入电流I1。电液伺服阀阀虽有一定定量的输入入电流I1，却没有流量量输出，故故电流I1代表了静摩摩擦引起的的系统误差差：30电液位置伺伺服系统方方块图1Dm-++-cTL=Tfrem+-I=I1

+I231零漂也引起起静差，直流电伺伺服阀放大大器、电液液伺服阀以以及其它元元件或多或或少都有零零漂。设各种主要要漂、死区区等折算成成差动电流流的总偏差为I，则所引起起的总负载误差差角c为检测器的误误差直接反映到到输出端，，与回路的增增益无关应注意反馈馈测量装置置的选择P123计算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电液伺服系统的的校正6.4电液速度控制系系统6.5电液力控制系统统本章介绍33系统校正概述1）液压系统特点点：a)性能主要由液压压固有频率和液液压阻尼比决定定b)液压阻尼比较小小，增益裕量不不足，相位裕量量有余c)参数变化范围大大，特别是阻尼尼比随工作点变变动在很大范围围内变化2）仅仅提高增益满满足不了系统的的全部性能指标标校正元件一般都都用电子元件。。也有机械、液液压和气动的形形式34一、滞后校正1）接在相敏放大与与直流放大元件件之间2）相位稳定裕量易于保证，幅值值稳定裕量Kg不易保证，所以以不宜采用以提提高相位裕量为主的串联超前前校正。3）如果用二阶超前前校正元件(反共振回路)来抵消。h处的谐振峰，则则超前校正元件件的频率必须与与h相符。由于工作作过程中h是有变化的，所所以也难于采用用二阶超前校正正。电液系统中常用的是串联滞滞后校正。35eoeii1(-1)Ri1特点：（图6-15）1）提高低频段增益益，减小系统的的稳态误差2）在保证系统稳态态精度的条件下下，通过降低系系统高频段的增增益，保证系统统的稳定性a)使速度放大系数数提高了倍（加设增益益放大器，或用用调节器校正）），提高了闭环环刚度，减小了了负载误差b)减小了元件参数数变化和非线性性影响c)降低了穿越频率率，特别是低频频侧相位滞后较较大，如果开环环增益减小，就就有可能变得不不稳定3）滞后校正是一个个低通滤波器4）利用的是高频衰衰减特性，而不不是相位滞后36加入校正后系统统的开环传递函函数为：Kvc=Kv+--滞后校正后的系系统方块图37Kg保证稳定性不变变的前提下，将将低频段的增益益提高38设计滞后校正网网络主要是选定参数数1）幅值稳定裕量Kg是判定系统能否否稳定工作的主主要指标，Kg是在h处判定的。由于于加校正或不加加校正对h处的幅频特性无无影响，所以仍仍可按无校正时时的方法根据稳稳定条件估算Kv及c，一般取Kg=10~20dB。2）校正网络参数的的设计步骤参见见P125，及控制原理相相关知识391）速度反馈（测测速发电机）：：提高主回路的静静态刚度，减少少速度反馈回路路内的干扰和非非线性的影响，，提高系统的静静态精度2）加速度反馈：提高系统阻尼尼二、速度和加加速度反馈校正正具有速度和加速速度反馈的电液液位置系统的方方块图1Dm-+Liem-40速度反馈：1）开环增益下降2）固有频率增大，，阻尼比下降3）固有频率和阻尼尼比的乘积不变变4）速度反馈回路的的开环增益比较较高，被速度反反馈回路所包围围的元件的非线线性（死区、间间隙、滞环、参参数变化、零漂漂）都将受到抑抑制41加速度反馈：1）Kv，h均不变；2）h增加；3）提高系统的Kv和b速度加速度综合合反馈：调前置放大器增增益Kd，以及Kfv，Kfa，使系统的动静静态指标得到全全面改善1）根据稳定裕量确确定开环增益2）根据需要的固有有频率和阻尼比比求出K1，K2。3）反馈系数选取时时必须保证局部部回路稳定，同同时保证中频段段以-20dB/dec穿越0dB线42三、压力反馈和动压压反馈校正特点：1）增加阻尼而又不不增大能耗及降降低刚度2）振动加剧，负载载压力增大，将将其反馈，流量量减小，振动减减弱，起到了增增加阻尼的作用用P128图6-181）压差或压力传感感器2）对开环增益和液液压固有频率h无影响3）增加了总压力流流量系数，静刚刚度下降，系统统的抗干扰能力力下降一、压力反馈校校正43二、动压反馈校校正特点：1）提高阻尼比，同同时不降低系统统的静刚度（稳稳态指标）2）用压力传感器把把负载压力pL转换为电压信号号，经过微分电电路取出比例于于dpL/dt的电压信号再反反馈到直流放大大器以组成动压压负反馈校正。。3）反馈回路包围了了更多的元件使使精度更好。参数选取参见P761）在谐振频率处产产生需要的阻尼尼比，同时阻尼尼相的相位接近近于02）阻尼的提高受局局部反馈回路稳稳定性的限制3）Kfp过高，局部反馈馈回路可能会不不稳定44在执行元件的两两腔间并联瞬态态流量校正装置置—瞬态流量稳定器器（蓄能器+液阻），也能提高阻尼尼。其传递函数数推导详见P75工作原理：当负载压力的变变化频率较低时时，对稳态负载载没有阻尼作用用，不影响系统统静特性。当负载压力高频频变化，甚至接接近系统的谐振振频率时，1）负载压力猛增2）起到阻尼作用（一部分流量分分流到流量稳定定器中，减少了了液压执行元件件的瞬时流量，，减少了谐振频频率处的峰值）），缺点：必须增加元件，，在结构尺寸有有限制的场合不不便使用。45第六章电液液伺服系统6.1电液伺服系统的的类型6.2电液位置伺服系系统的分析6.3电液伺服系统的的校正6.4电液速度控制系系统6.5电液力控制系统统本章介绍46电液速度控制系系统应用广泛：原动机调速、机床进给装置的的速度控制雷达天线炮塔转台局部速度反馈（（提高刚度、减减小参数变化，，提高精度）直流放大器eiegef-im液压马达测速发电机伺服阀47电液伺服速度控控制系统方块图图（未校正）（（0型有差系统）+-+-48未校正速度控制制系统开环频率率特性未校正系统特点：1）简化后的特性刚刚刚稳定，如果果稍有变化，系系统将不稳定2）在伺服阀前的电电子放大器中串串接一个RC滞后网络49校正后速度控制制系统开环频率率特性校正后系统特点：1）校正参数选取2）校正后穿越频率率下降（快速性性与稳定性不可可兼得）3）采用积分放大器器提高精度50电伺服放大器eiegef-vp泵控开环控制系系统组成原理框框图比较信号发生伺服阀i位移传感器液压马达变量泵液压缸二、泵控马达速速度控制系统（一）泵控开环环速度控制系统统开环控制受负载载和温度变化的的影响较大，控控制精度较差51电伺服放大器积分放大器eiegef-vp泵控闭环速度控控制系统组成原原理框图比较信号发生i测速发电机液压马达变量泵液压缸-位移传感器伺服阀（二）带位置环环的泵控闭环速速度控制系统变量伺服机构的的惯性很小，阀控缸可看成是积分环环节，变量伺服机构基本上可看成是是比例环节，动动态由泵控马达决定52泵控闭环速度控控制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）不带位置置环的泵控闭环环速度控制系统统1）变量伺服机构的的液压缸本身含含有积分环节，，系统型式不变变（相对型式（（二）而言）2）积分环节在后面面，伺服阀零漂漂和斜盘力等引引起的静差仍然然存在3）变量机构开环控控制，抗干扰能能力差，易受零零漂、摩擦等影影响计算举例参见P13353第六章电液液伺服系统6.1电液伺服系统的的类型6.2电液位置伺服系系统的分析6.3电液伺服系统的的校正6.4电液速度控制系系统6.5电液力控制系统统本章介绍54力（压力）控制制系统应用：材料试验机、结构疲劳试验机机压力机轧钢机的张力控控制车轮刹车装置如果说在位置控控制及速度控制制方面电液伺服服系统受到电控控制的挑战的话话，在力控制方面电液液控制系统却越越来越取得优势势。55伺服放大器eief伺服阀-xpkBM一、系统组成与与工作原理被控量是力（忽略力传感器器的刚度）56电液力控制系统统方块图Kq-+xppLMts2+Bps+k+-i二、系统组成与与工作原理5758特点：1）零型系统2）开环增增益kv中有压压力增增益kp（说明系系统输输出是是力），因因为流流量伺伺服阀阀中kp很高，，所以以kv很大(为了保保证稳稳定性性要降降低ka及kf，以降降低kv)3）阻尼系系数3很低，，谐振振峰值值会超超过零零分贝贝线。。为了了系统