液压伺服系统课程课件三

第四章机液伺服系统P664.1机液位置伺服系统4.2结构柔度对系统稳定性的影响4.3液压校正与动压反馈4.4机液扭矩放大器1液压动力元件是一个开环控制系统。

4.1机液位置伺服系统如果将液压执行元件的输出位移反馈到放大元件的输入位移，就可构成闭环机液位置控制系统。闭环机液位置控制系统主要用于输出功率不大于10kW的场合：小型飞机的舵面、火炮瞄准机构、车辆转向、仿型机床等控制场合。P662bxipSxp3MLApa（一）工作原理3bxipSxp3MLApaxixv1

4bxipSxp3ApaML5xixv1

xvxv2

xpba(4-1)(4-2)6+BKqAp-+-xixpxvaa+bba+bFLKiKf图4-27(4-3)8(二)稳定性分析用Routh判据判别稳定最为方便。闭环特征式为由Routh判据得系统的稳定条件为(4-6)94.2结构柔度对系统稳定性的影响101112131415161718192021224.3液压校正与动压压反馈设计控制系统的的主要问题是设设法满足系统的的动态和静态要要求。为了提高静态精精度，希望系统统的增益高，但但高增益的系统统又不易稳定。。如果既要有高高增益而又希望望保证稳定，须须在模型中添加加一些其它环节节，为此目的而而在系统中添加加的元件就是校校正元件。234.3液压校正与动压压反馈4.3.1基本液压校正元元件4.3.2液压超前校正4.3.3液压滞后校正4.3.4反馈校正4.3.5静压反馈校正4.3.6动压反馈校正24校正元件一般都都用电子元件。。因电子元件的信信号的传输、运运算都较简单、、成熟，且使用用方便、可靠、、精度高。在电液控制系统统中广泛应用电电校正，但是在在机液系统中本本来就没有电元元件，若要采用用电校正反而不不方便，也有采采用非电校正方方式的。如机械械的、气功的或或液压的校正元元件。由于液压系统中中本来就有液压压能源，再附加加一些液压元件件作校正是很方方便的。不过，，机械元件都是是有惯性的，时时间常数大于电电校正元件。254.3.1基本液压校正元元件校正元件主要由由耗能、储能和和放大等元件组组成。26(一)储能元件最简单可靠的机机械储能元件就就是弹簧。它受受力变形储存能能量，力撤消后后复元而放出能能量。另外，机机械弹簧还是力力-位移转换元件，，其线性好，工工作可靠。27(二)放大元件阀缸组合就是最最简单的放大元元件。作为校正元件，，它所需要的功功事必然远小于于系统负载运动动时的功率，也也就是作校正元元件用的小液压压缸必然远小于于作执行元件用用的液压缸。因此，小液压缸缸的质量可忽略略不计。这样，，阀控缸的传递递函数式(3-18)中，因h很高而略去振荡荡环节，就成为为式中:Kq——阀的流量增益，，Ap——小液压缸的活塞塞面积。由此可见，用阀阀-缸组成的元件，，不仅是放大元元件，而且还是是一个积分元件件。28(三)耗能元件——阻尼器流量通过节流口口，就消耗能量量。所以用小液液压缸及节流器器就组成液压阻阻尼器。如图5.1(a)，在活塞运动过程程中，活塞一侧侧的液体将通过过节流孔流入另另一侧，流量通通过节流孔而产产生压力降p，p=p1p2，p作用在活塞面积积A上就形成阻滞活活塞运动的阻尼尼力。图5.1阻尼器结构原理理图(a)内阻尼器xp2p129(三)耗能元件——阻尼器流量通过节流口口，就消耗能量量。所以用小液液压缸及节流器器就组成液压阻阻尼器。图5.1(b)中的节流孔安置置在缸外油路中中，称外阻尼器器，其工作原理理与活塞上开节节流孔的内阻尼尼器完全一样。。图5.1阻尼器结构原理理图(b)外阻尼器xp2p130令阻尼活塞的位位移为x，阻尼活塞的面为为A，通过节流小孔的的流量为Q，略去活塞径向间间隙中的泄漏，，就有式中p1——阻尼活塞运动前前方油腔压力；；p2——阻尼活塞运动背背面油腔压力；；Re——雷诺数，Re=vd/，其中，=/，为液体动力粘度，，液体运动粘度，，为液体密度；——液体重度，=g。取节流小孔的直直径为d，长度为l，液体流过小孔时时的平均流速为为v，节流小孔层流沿沿程阻力损失的的计算式为(5-2)31因为所以式中，R——节流小孔液阻，，计算式为活塞运动时的阻阻尼力F为(5-4)(5-5)(5-6)式中B为阻尼器的阻尼尼系数，计算式式为32图5.1所示是阻尼器原原理图，液压缸缸两侧充满油液液而没有泄漏。。实际中必然有有泄漏，因此必必须为阻尼缸充充油。如图5.2所示，阻尼缸可可接通高压能源源，也可接通回回油油路。图5.2有源阻尼器原理理图a)接能源，b)接油箱xp2p1xp2p1ps33图5.3所示为液压超前前校正元件的结结构原理图。它由阻尼器及弹弹簧组成。输入入信号xi加在阻尼活塞上上，在阻尼缸体体上取出输出信信号xo。图5.3液压超前校正元元件xokxiB4.3.2液压超前校正34阻尼系数B，力方程为经过整理，可得得(5-8)时间常数(5-9)如果时间常数很很小，惯性环节节项可略去，则则(5-8)可近似为纯微分分环节。354.3.3液压滞后校正图5.4液压滞后校正元件xokxiBba36图5.4液压滞后校正元件xokxiB根据力平衡方程程经整理，上式可可写为(5-10)时间常数(5-11)由式(5-10)可见，这是惯性性环节。即图5.4所示元件为惯性性元件，也就是是滞后元件。37图5.5所示是一个外反反馈机液伺服系系统。系统中无无电元件存在，，无法使用电校校正。采用在主主控信号的前向向通道中串接液液压校正元件，，液压校正元件件的输入量是位位移y，输出量是阀芯位位移xv。液压校正元件的的力方程为整理后38由式(5-12)可见，图5.5所示元件为惯性性加微分。由于于>1，惯性环节的转转折频率低而微微分环节的转折折频率高，从而而低频段滞后，，高频段又超前前。(5-12)(5-13)(5-14)39-+xixpyba+baa+b+xixpxvaa+bKq/Ap图5.6液压滞后校正的的机液伺服系统统方块图合理选用校正元元件的时间常数数T，系数，并使(1/T)<c，就可使校正后的的系统在低频时时有较大的增益益，从而提高了了系统精度，又又不影响稳定性性及系统的频宽宽。4020lg|G|dB0/秒(s－1)1-20dB/dec-20dB/dec图5.7系统开开环波波德图图4120lg|G|dB0/秒(s－1)1-20dB/dec-20dB/dec图5.7系统开环波德图42校正元件，既可以以串联在前向通路路中(如图5.5所示)，也可以加在反馈馈回路中，即并联联校正。4.3.4反馈校正图5.8所示的结构是在外外反馈机液伺服系系统的反馈回路中中设置了简单的滞滞后校正元件。43根据图5.4及式(5-10)，可知这种液压校校正元件的传递函函数为由于阀控缸的传递递函数式(3.18)早已求得，再根据据图5.8(a)的结构原理图，就就可以直接画出这这种系统的方块图图如图5.8(b)，由图可见，在反馈馈回路中有一个惯惯性环节。44BkxpMpSyabxvxi图5.8反馈回路中有液压压滞后校正元件(a)结构原理图Recent45-+xixpba+bxixpxvaa+bKq/Ap图5.8反馈回路中有液压压滞后校正元件(b)框图464.3.5静压反馈校正在第三章中讨论各各种液压动力元件件时，已经知道液液压系统本身的阻阻尼系数比较小，，容易出现欠阻尼尼而使系统不稳定定。为了使系统稳稳定，可以用故意意增加能耗和降低低刚度的办法，使使漏损加大和Kc提高。实践证明这这个办法也确实有有效。如果既希望望增加阻尼而又不不希望增大能耗及及降低刚度，可采采用压力反馈校正正。47现在，仍以第三章章中着重讨论过的的四通阀控缸为例例来说明。为简单单起见，假设没有有弹性负载。根据据基本方程(3-2)、(3-8)及(3-9)式，可直接画出阀阀控缸方块图于图图5.9(a)。若取Kce=Kc+Ctp，令时间常数T1及T2为(5-15)(5-16)再通过方块图结构构变换，图5.9(a)可以画成图5.9(b)。48已知阀缸系统的液液压固有频率h及阻尼系数h为(3-14)(3-15)图5.9四通阀控缸系统加加静压反馈(a)四通阀控缸系统方方块图；(b)方块图变换；(c)增加静压反馈后的的方块图；(d)有静压反馈后的系系统方块图变换；；(e)有静压反馈的系统统方块图变换49(a)Kq-+++xvxpQLFLMts2+Bps+KcKq-++xvxpQLFL+pLpL(b)50增大Kce，可以增大h，从而使系统易于稳稳定。为此，可以在图5.9(b)中的Kce(T1s+1)环节旁并联二个压压力负反馈的比例例环节K1，如图5.9(c)所示，将静压力pL反馈回去。图5.9(c)经过结构变换可画画成图5.9(d)。比较图5.9(b)与5.9(d)可见，增加了压力力负反馈环节K1后，使原来的Kce项变成(Kce+K1)项。令增加了压力力反馈后的阻尼系系数为’h，并与无压力反馈的的阻尼系数h(3-15)式对比，可知51(5-17)阻尼系数为’h>h，有利于稳定。增加加K1有利于稳定的结论论是在方块图上处处分析得到的。环节K1的机能是把转化为为流量，在实际结结构中不容易设计计出能将压力转换换为流量的具体装装置。如果将图5.9(c)变换成图5.9(e)，即将压力pL通过比例环节K1/Kq转换为位移量xf。这种把压力转化为为位移的装置是不不难实现的。52增加压力反馈后对对系统的液压固有有频率h无影响。因为总压压力流量系数与动动力元件刚度成反反比，见(3-24)式，增加压力反馈馈后使Kce项变成(Kce+K1)项，因而刚度下降降，系统的抗干扰扰能力下降，这是是静压反馈校正的的不足之处。534.3.6动压反馈校正如前所述，在系统统中加入静压反馈馈后，稳定性改善善而刚度下降。稳稳定性是动态指标标，当系统已经稳稳定，阻尼系数的的大小也就没有什什么意义了，刚度度主要是稳态指标标，在干扰力的作作用下，系统的稳稳态误差小，就是是刚度好；瞬态时时，刚度大点或小小点关系不大。所所以，希望瞬态时时具有压力反馈以以提高阻尼系数，，虽刚度有所降低低但关系不大。稳稳态时用不着提高高阻尼系数，不需需要压力反馈，刚刚度也不致降低。。这样，可将静压压反馈改为动压反反馈，亦即将压力力的变化率反馈回回去。瞬态时，压压力的变化大，反反馈作用大；稳态态时，变化率为零零，即没有反馈。。54图5.9(c)中所加的静压反馈馈元件几乎是一个个比例环节。如果果将此反馈元件改改为能反映压力瞬瞬变情况的微分元元件，就是动压反反馈了。一般所用用动态反馈元件的的传递函数为Ts/(Ts+1)。将图5.9(e)中的静压反馈元件件K1/Kq改为如图5.10(a)所示的动压反馈元元件；其数学模型型为式中xf——动压反馈元件的输输出位移；K1——动压反馈元件的比比例常数；T3——动压反馈元件的时时间常数。(5-18)55结构变换后，图5.10(a)即成图5.10(b)，比较图5.9(b)和5.10(b)，可以看到影响静态态刚度的因素都是是Kce，就是说加了动态压压力反馈后的刚度度与未加压力反馈馈的刚度是一样的的。再看图5.10(b)的闭环特征式。为为分析简便，取动动压反馈元件的时时间常数T3≈T2，略去KceBp/Ap2项，取前向传递函函数为G及反馈传递函数为为H，则闭环特征