液压伺服与比例控制系统

第1章绪论本章摘要液压伺服与比例控制系统的工作原理及组成液压伺服与比例控制的分类介绍液压伺服与比例控制系统的优缺点液压伺服与比例控制系统的发展与应用一、采用电压比较的液压工作台位置控制系统传感器1被控对象传感器2比较元件执行元件放大元件指令元件电压比较KaKaUi-UPDUKa控制框图控制系统组成：被控对象指令元件比较元件指令传感器反馈传感器动力元件（阀、缸）扰动指令电位器反馈电位器伺服阀液压能源I液压缸电放大KaIUiE-电压比较UPKa被控工作台XP工作台指令Xi液压动力元件放大元件二、采用电压比较的电动工作台位置控制系统传感器1被控对象传感器2比较元件执行元件放大元件指令元件电动力元件控制框图扰动指令电位器反馈电位器可控硅电源I电放大KaEUiE-电压比较UPKa被控工作台XP工作台指令Xi电机控制系统组成：被控对象指令元件比较元件指令传感器反馈传感器动力元件（可控硅、电机）将液压动力元件（伺服阀、缸）换成电动力元件（可控硅与电动机）三、采用力比较的液压工作台位置控制系统指令传感器K1反馈传感器K2F1F2F1=Xi*K1F2=Xp*K2比较元件1K1+K2力比较XiK1指令传感器K2反馈传感器xvDFF1F1-F2F2伺服阀XP液压动力元件控制框图

采用力比较方式，用弹簧作为位移-力传感器，以阀芯作为力比较元件。扰动液压缸1K1+K2DF-力比较Ka被控工作台XP工作台指令XiF1F1F2F2指令传感器K1指令传感器反馈传感器K2反馈传感器伺服阀液压能源xv四、采用直接位置比较的液压工作台位置控制系统指令元件与阀芯相连受控对象与阀套相连Xi=X芯Xp=X套阀芯与阀套阀芯阀套直接位置比较Xv-位置比较XiX芯X套1指令与阀连1对象与阀套连伺服阀XP阀芯与阀套控制框图采用阀芯阀套直较方式扰动液压缸Xv-位置比较Ka被控工作台XP工作台指令XiX芯X套1指令传感器1反馈传感器伺服阀五、液压伺服与比例控制系统的组成液压伺服与比例控制系统由以下一些基本元件组成：输入元件：也称指令元件，它给出输入信号(指令信号)加于系统的输入端，是机械的、电气的、气动的等。如靠模、指令电位器或计算机等。反馈测量元件：测量系统的输出并转换为反馈信号。这类元件也是多种形式的。各种传感器常作为反馈测量元件。比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。放大转换元件：将偏差信号故大、转换成液压信号(流量或压力)。如伺服放大器、机液伺服阀、电液伺服阀、电液比例阀等。执行元件：产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸与液压马达等。控制对象：被控制的机器设备或物体，即负载。其它：各种校正装置，以及不包含在控制回路内的液压能源装置。1.2液压伺服与比例控制的分类一、按系统输入信号的变化规律分类定值控制系统：当系统输入信号为定值时称为定值控制系统。程序控制系统：系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统伺服系统：也称随动系统，其输入信号是时间的未知函数，而输出量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。二、按被控物理量的名称分类

位置伺服控制系统、速度伺服控制系统、其它物理量的控制系统。

三、按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类

节流式控制(阀控式)系统：阀控液压缸系统与阀控液压马达系统

容积式控制系统：伺服变量泵系统与伺服变量马达系统。

四、按信号传递介质的形式分类

机械液压伺服系统、电气液压伺服系统与气动液压伺服系统等。1.3液压伺服与比例控制系统的优缺点

（一）、液压伺服控制的优点

(1)液压元件的功率—重量比与力矩-惯量比大可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。

(2)液压动力元件快速性好，系统响应快。

(3)液压伺服系统抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，定位准确，控制精度高。

（二）、液压伺服控制的缺点

(1)液压元件，特别是精密的液压控制元件(如电液伺服阀)抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。

(2)油温变化时对系统的性能有很大的影响。

(3)当液压元件的密封设计、制造相使用维护不当时．容易引起外漏，造成环境污染。

(4)液压元件制造精度要求高，成本高。

(5)液压能源的获得与远距离传输都不如电气系统方便。1.4液压伺服与比例控制系统的发展与应用

液压伺服控制是一门新兴的科学技术。它不但是液压技术的一个重要分支．而且也是控制领域中的一个重要组成部分。

在第一次与第二次世界大战期间及以后，由于军事工业的刺激，液压伺服控制因响应快、精度高、功率—重量比大等特点而受到特别的重视，特别是近几十年，随着整个工业技术的发展，促使液压伺服与比例控制得到迅速发展，使这门技术元论在元件与系统分面，还是在评论与应用方面都日趋完善与成熟，形成一门新兴的科学技术。

目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化与工业自动化的一个重要方面。在国防工业与一般工业领域都得到了广泛应用。第2章液压放大元件本章摘要

圆柱滑阀结构型式、工作原理、静态特性喷嘴挡板阀结构型式、工作原理、静态特性射流管阀结构型式、工作原理、静态特性一、按进、出阀的通道数划分四通阀(图2-1a、b、c、d)三通阀(图2-1e)二通阀(图2-1f)二、按滑阀的工作边数划分四边滑阀(图2-1a、b、c)双边滑阀(图2-1d、e)单边滑阀(图2-1f)三、按阀套窗口的形状划分矩形、圆形、三角形等多种四、按阀芯的凸肩数目划分二凸肩、三凸肩、四凸肩2.1圆柱滑阀的结构型式及分类五、按滑阀的预开口型式划分正开口(负重叠)、零开口(零重叠)和负开口(正重叠)2.2滑阀分析滑阀有正开口、零开口、负开口三种。滑阀的开口型式

正开口零开口负开口正开口、零开口、负开口

滑阀的面积梯度及部分开口，可全周开口、开方孔、开园孔开园孔展开图开方孔全周开口一、零开口四边阀的压力-流量特性方程2.2.1零开口四通滑阀的静特性

x>0时

x<0时二、零开口四边阀的阀系数三、零开口四边阀的特性曲线四、实际零开口四边阀的零位阀系数零位时存在径向泄漏零位时压力不是无穷大KqKcKqKc等价动态物理模型动态数学模型一、正开口四边阀的压力-流量特性方程2.2.2正开口四通滑阀的静特性

一、正开口四边阀的压力-流量特性方程2.2.2正开口四通滑阀的静特性

可分解成2个流量的叠加二、正开口四边阀的阀系数三、正开口四边阀的特性曲线KqKc动态数学模型液压放大元件能将输入位移(机械量)转换并放大为具有一定压力的液体流量。

上一次课小结流量与压力的乘积即功率，因此也可以说液压放大元件所输出的就是具有一定功率的液压信号。液压放大元件也是控制液体流量的大小及方向的控制元件，通常称为(液压)阀，如：滑阀、挡板阀等。机械功率FV液压功率pQ小大阀芯阀体（阀套）凸肩沉割槽棱边阀芯孔阀芯与阀体land棱边图2.2滑阀典型结构原理图沉割槽通油槽零开口正开口负开口ZEROLIPUNDERLIPOVERLIP零重叠负重叠正重叠图2.2滑阀典型结构原理图ABpST（a）两凸肩四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图(a)为两凸肩四通滑阀，它有一个进油口P，两个通向液压执行元件的控制口A及B，另外还有两个回油口。因为两个回油口合并成一个O口流出滑阀，故整个滑阀共有P、T、A、B四个通油口，称四通阀。这种结构中回油压力作用于凸肩，因油压力不会为零，当阀芯不在零位时，总有一个使阀芯继续打开的力作用于阀芯。pSTABXv（a）两凸肩四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABXv（a）两凸肩四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图(b)两凸肩三通滑阀两个凸肩里侧的两个棱边是工作棱边，只有一个通向液压执行元件的控制口c，所以称三通阀。如果阀芯向右微动，P口的油液经过右凸肩棱边的节流作用后通向C口，如果阀芯向左移动，则C口的油液经左凸肩棱边节流后由T口流出滑阀。由于只有一个控制口C，通向液压缸的无杆腔，液压缸的有杆腔是不可控的。为使液压缸能双向运动，必须采取其它办法让液压缸活塞回程，图示结构pc（b）两凸肩三通滑阀

cPTpspspc（b）两凸肩三通滑阀

图2.2滑阀典型结构原理图cPTpspspcXv（b）两凸肩三通滑阀

图2.2滑阀典型结构原理图cPTpspspcXv（b）两凸肩三通滑阀

图2.2滑阀典型结构原理图cPTpsps（C）四凸肩零开口四通滑阀BPTAps

(c)四凸肩零开口四通滑阀图中两个通油槽处有四个工作棱边。由于凸肩的宽度和不同凸肩间的距离，与相对应的油槽尺寸是配制得完全一致的，所以当阀芯处于中位时，凸肩的棱边与油糟的棱边，一一对齐，从而把油槽完全封住。这种完全理想化的滑阀，称理想滑阀。（C）四凸肩零开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图BPTAps（C）四凸肩零开口四通滑阀Xv图2.2滑阀典型结构原理图BPTAps（C）四凸肩零开口四通滑阀Xv图2.2滑阀典型结构原理图BPTAps

(d)三凸肩零开口四通滑阀图中三个通油槽处有四个工作棱边。由于凸肩的宽度和不同凸肩间的距离，与相对应的油槽尺寸是配制得完全一致的，所以当阀芯处于中位时，凸肩的棱边与油糟的棱边，一一对齐，从而把油槽完全封住。这种完全理想化的滑阀，称理想滑阀。pSTAB（D）三凸肩零开口四通滑阀pSTAB（D）三凸肩零开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABXv（D）三凸肩零开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABXv（D）三凸肩零开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABUUUU（E）三凸肩正开口四通滑阀(e)三凸肩正开口四通阀阀芯处于中位时，四个节流工作棱边处都有相同的预开口量U，即在零位时有预开口量，这种阀称正开口阀或负重叠阀。pSTABUUUU（E）三凸肩正开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABUUUUXv（E）三凸肩正开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABUUUUXv（E）三凸肩正开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABOLOLOLOL（F）三凸肩负开口四通滑阀(f)三凸肩负开口四通滑阀零位时每个凸肩都遮盖了相应的油槽而有重叠量，只有阀芯位移超过了棱边处的重叠量后阀口才打开。这种阀称正重叠阀或负开口阀。pSTABOLOLOLOL（F）三凸肩负开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABOLOLOLOLXv（F）三凸肩负开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABOLOLOLOLXv（F）三凸肩负开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图2.2.1零开口四通滑阀的静特性滑阀的结构型式很多，最有代表性的是零开口四通滑阀。能表示Q、A及Δp三者间关系的方程就是滑阀的特性方程，而只研究稳态关系的就叫做静特性。不论凸肩数有多少，也不管是三通或四通的阀，都可以做成正开口、负开口或零开口的。图2.3零开口四通滑阀3142pSQLQ1Q3Tp2p1(b)液压桥pSTABXv124p13p2QLQL(a)结构原理图pSTABXv124p13p2QLQLA图2.4滑阀阀口形状(a)

通油槽为整周开槽(b)通油槽为方孔（c）通油槽为圆孔。dvxvxvxv(a)(b)（c）QL/QLmax0.81.0=xv/xvmax0.81.2-1.2-0.8-0.8-0.4-0.40.40.40.2-0.2000pL/ps-0.80.8-0.40.40.6-0.6-1.0ⅣⅡⅢⅠ图2.5零开口四通滑阀压力-流量曲线曲线是非线性的!

将流量方程(2-8)式在某一工作点(QL1、xv1、pL1)附近全微分，可得在此工作点处的流量方程:(2-11)Kq——流量增益，或流量放大系数，表示负载压力pL不变时，当阀芯位移xv，有微小增量时所引起的流量增量；Kc——压力流量系数，表示阀芯位移不变时负载压力增量与负载流量增量之间的关系，也称阀刚度。(2-12)(2-13)(2-14)(2-15)(2-16)(2-17)滑阀的三个阀系数以及其静特性曲线都可用实验法测得。pSTABXv124p13p2QL测Kq0图2.6正开口四通滑阀3142pSQLQ1Q3Tp2p1pSTABXv=0p1p2QLQLL1L2UUUU12432.2.2正开口四通滑阀的静特性图2.9零开口三通滑阀

pcXvpspsp0≈0AA’2.2.3三通阀的静特性12一、三通阀的负载压力三通阀一般驱动差动缸PL是用来平衡负载F的压力2.2.3三通滑阀的静特性

二、零开口三通阀的压力-流量特性QLKqKc零位时Kc很小！零开口三通阀的阀系数(2-37)(2-38)(2-39)零开口三通阀的零位阀系数也象四通阀一样，应根据其零位漏损量推算。三、正开口三通阀的压力-流量特性QL12图2.10为正开口三通阀，两个节流口同时工作以控制一个控制口，其控制压力为pc，负载流量为QL，设阀芯按图示方向移动，由图可知图2.10正开口三通滑阀pcXvpspsp0≈0AA’U+xvU-xv12和零开口三通阀一样引入负载压力pL，直接引用式(2-34)，得(2-40)(2-27)(2-40)式(2-40)与式(2-27)相比，正开口四通阀流量方程中的pL改换成2pL，就变成正开口三通阀的流量方程了。因此，当把图2.7中正开口四通阀压力流量曲线的pL/ps坐标1改为1/2后，就是正开口三通阀的压力流量曲线了。图2.7正开口四通滑阀压力-流量曲线QL/QLmax1.0=xv/xvmax0.8-2.0-1.00.2000pL/ps-0.80.8-0.40.40.62.01.0ⅣⅢⅡⅠ-0.8-0.4-0.2-0.6-1.00.4正开口三通阀的三个零位阀系数为(2-41)(2-42)(2-43)三通阀的流量增益与四通阀的流量增益相同，而三通阀的压力增益Kp较四通阀的小一半，这是因为三通间只控制一个控制腔压力pc，而另一腔的压力不可控所致。2.2.3三通阀的静特性如果阀芯按图示方向移动，棱边1处的节流口打开，控制腔压力pc增高，其最大值pcmax=ps时使活塞向右运动的力

F1=p1A－psA＇。

A——无杆端活塞面积，A＇——有杆端活塞面积。图2.9零开口三通滑阀

pcXvpspsp0≈0AA’12四、三通阀、四边阀静特性比较1、液压放大元件的流量增益Kq与半桥的节流边有关：零开口阀是正开口阀的一半；带固定节流孔时，Kq是正开口阀的一半。2、液压放大元件的压力流量系数Kc与半桥、全桥有关：半桥正开口三通阀是全桥正开口四通阀的2倍；半桥零开口三通阀是全桥零开口四通阀2倍；带2个固定节流孔的全桥与正开口四通阀全桥相等；带1个固定节流孔的半桥与正开口三通阀半桥相等；3、零开口的压力流量系数远小于正开口阀，零开口的压力增益远在于正开口阀。零开口的因“内泄漏”引起的误差将远小于正开口阀。四、三通阀、四边阀静特性比较1、流量增益Kq，正开口是零开口的2倍，正开口是带固定节流孔阀的2倍，半桥与全桥相等（因左右半桥流量相等）2倍12KqKcKqKc等价动态物理模型动态数学模型四、三通阀、四边阀静特性比较远大于122、零位压力流量系数Kc0，正开口远大于零开口，半桥是全桥的2倍KqKcKqKc等价动态物理模型动态数学模型压力放大器的等效阀？QLKp1/Kc压力放大器的物理模型KpKc+压力放大器的数学模型四、三通阀、四边阀静特性比较3、压力增益Kp，正开口远小于零开口，半桥是全桥一半2倍远大于（1）作用在圆柱滑阀上的稳态液动力

2.2.4滑阀的力特性

液流经过阀口时，由于流动方向和流速的改变，阀芯上会受到稳态液动力。因沿阀芯径向的分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力。

图2.11作用在带平衡活塞的滑阀上的稳态液动力

稳态液动力指向阀口关闭的方向稳态液动力指向阀口关闭的方向(2)、作用在滑阀上的液压卡紧力(a)倒锥；(b)顺锥；(c)倾斜

(5.13)

开一条均压槽时，K＝0.4；开三条等距槽时，K＝0.063；开七条槽时，K＝0.027。

侧向力指向阀芯卡紧方向侧向力指向阀芯对中方向2.2.5滑阀的结构设计

1、为防止流量饱和，W>67xvmax;2、xvmax约为0.1~0.5;3、保持凸肩为锐边，间隙为0.3微米。2.3喷嘴-挡板阀分析喷嘴-挡板阀阀有单喷嘴-挡板阀和双喷嘴-挡板阀两种。单喷嘴-挡板阀相当于带1个固定节流孔的正开口三通阀双喷嘴-挡板阀相当于带2个固定节流孔的正开口四通阀2.3.1单喷嘴-挡板阀（略）2.3.2双喷嘴-挡板阀一、双喷嘴-挡板阀的压力-流量特性Q1Q2Q3Q4二、双喷嘴-挡板阀的压力特性阀？QLKp1/Kc三、双喷嘴-挡板阀零位的阀系数2.3.3双喷嘴-挡板阀的液流力2.3.4双喷嘴-挡板阀的设计1、为防止流量饱和，x0<=dn/16;2、x0约为0.1,d0<0.5。2.4射流管式液压放大元件射流管阀一般用先导级作为压力放大器用阀系数由实验确定1、射流管阀只有一个喷孔堵塞后“事故归零”；2、射流管喷孔较大。2.6放大元件的效率第3章液压动力元件本章摘要

液压动力元件(或称液压动力机构)是由液压放大元件(液压控制元件)和液压执行元件组成。有四种基本型式的液压动力元件：阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控液压马达。本章将建立几种基本的液压动力元件的传递函数，分析它们的动态特性和主要性能参数。3.1四通阀控制液压缸基本结构形式一、基本方程：(一)滑阀的流量方程定义负载流量：(二)液压缸流量连续性方程进油腔流量：回油腔流量：液压缸工作腔的容积：综合以上各式得液压缸流量连续性方程：根据：V01=V02=V0=Vt/2

同时：则液压缸流量连续性方程简化为：(三)液压缸和负载的力平衡方程：二、方框图与传递函数：根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得：根据阀控液压缸的拉氏变换方程式绘出系统方框图。由方框图求得液压缸输出位移传递函数：

式中，分子的第一项是液压缸活塞的空载速度。第二项是外负载力作用引起的速度降低。其分母特征多项式各项意义如下：

第一项：

是惯性力变化引起的压缩流量所产

生的活塞速度；

第二项：

是惯性力引起的泄漏流量所产生的

活塞速度；第三项：是粘性力变化引起的压缩流量产生的活塞速度；第四项是活塞运动速度；第五项：是粘性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度；第六项：是弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第七项：是弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度。三、传递函数简化（一）、无弹性负载：简化为：液压固有频率：液压阻尼比：忽略Bp后近似为：对指令输入Xv的传递函数：对指令输入FL的传递函数：（二）、有弹性负载：简化为：综合固有频率：综合阻尼比：忽略Bp后近似为：标准传递函数形式：或进一步简化为：(三)其它简化形式：四、频率响应分析（一）、无弹性负载系统频率分析：(1)速度放大系数由于传递函数中包含一个积分环节、所以在稳态时，液压缸活塞的输出速度与阀的输入位移成比例．比例系数即为速度放大系数(速度增益)。它表示阀对液压活塞速度控制的灵敏度。速度放大系数直接影响系统的稳定件、响应速度和精度。提高速度放大系数可以提高系绽的响应速度和精度。但使系统的稳定性变坏。速度放大系数随阀的流量增益变化而变化。(2)液压固有频率液压固有频率是负载质量与液压缸工作腔中的油液压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结果。提高液压固有频率的方法有：

I增大液压缸活塞的面积

II减少总的压缩容积

III减少折算到活塞上的总的质量

IV提高容积弹性模数(3)液压阻尼比，液压阻尼比的表达式，影响液压阻尼比的因素，提高阻尼比的方法。（二）、有弹性负载系统频率分析：分析系统的主要参数对系统的性能的影响。由于惯性环节的存在，使系统变成了一阶系统，对单位阶跃输入就是有差的了。3.2四通阀控制液压马达基本结构形式一、基本方程：二、方框图与传递函数：三、传递函数简化液压固有频率：液压阻尼比：对阀芯位移Xv的传递函数：对外负载力矩TL的传递函数：3.3三通阀控制液压缸基本结构形式一、基本方程：二、传递函数：三、传递函数简化液压固有频率：液压阻尼比：传递函数近似式：3.5液压动力元件与负载的匹配一、负载特性（一）

惯性负载特性惯性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：（二）

粘性负载特性粘性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：（三）

弹性负载特性弹性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：（四）

合成负载特性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：二、负载匹配负载匹配定义：根据负载轨迹来进行负载匹配时，只要使动力元件的输出持性曲线能够包围负载轨迹，同时使输出特性曲线与负载轨迹之间的区域尽量小，便认为液压动力元件与负载相匹配。输出特性曲线：在阀最大输出功率点有：当供油压力确定后，推得液压缸活塞面积为：阀的最大空载流量为：思考题1、什么叫液压动力元件?有哪些控制方式?有几种基本组成类型？2、负载类型对液压动力元件的传递函数有什么影响?3、无弹性负载和有弹性负载时，描述传递函数的性能参数分别有哪几个？它们对系统动态特性有什么影响？4、何谓液压弹簧刚度?为什么要把液压弹簧刚度理解为动态刚度？5、液压固有频率和活塞位置有关．在计算系统稳定性时，四通阀控制双作用液比缸和三通阀控制差动液压缸应取活塞的什么位置?为什么?6、为什么液压动力元件可以得到较大的固有频率?7、为什么说液压阻尼比是一个“软量”?提高阻尼比的简单方法有哪几种?它们各有什么优缺点？8、何谓液压动力元件的刚度?代表什么意义?9、三通阀控制液压缸和四通阀控制液压缸的固有顾率有什么不同?为什么?10、阀控液压马达和泵控液压马达的特性有何不同，为什么?11、为什么把称为速度放大系数?速度放大系数的量纲是什么?12、何谓负载匹配?满足什么条件才算最佳匹配?13、如何根据最佳负载匹配确定动力元件参数?14、泵控液压马达系统有没有负载匹配问题?满足什么条件才是泵控液压马达的最佳匹配?15、在长行程时，为什么不宜采用液压缸而采用液压马达？思考题第4章机液伺服系统本章摘要

由机械反馈装置和液压动力元件所组成的反馈控制系统称为机械液压伺服系统。机液伺服系统主要用来进行位置控制，也可以用来控制其它物理量，如原动机的转速控制等。

由液压放大元件和液压执行元件所组发的液压动力元件，实际上就是一个开环控制系统。如果将液压执行元件的输出位移量与指令信号相比较后的误差信号再控制液庄放大元件，就是闭环位置控制系统。也就是说，在开环控制的基础上，通过负反馈装置—即比较元件+测量反馈元件就可以构成闭环液压控制系统。

将输入量与反馈量比较后的误差信号对输出量不断调整以求减少误差的系统称随动系统或伺服系统。如果比较反馈元件由机械元件充当，则称为“机液伺服系统”，以区别于电反馈系统。

“机液伺服系统”广泛的应用于飞机舵面控制、火炮瞄准机构操纵、车辆转向控制、仿形机床以及伺服变量泵等处。

4.1外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）

－、工作原理及传递函数

XPXi升力阻力飞机舵机液控制系统上应用pS飞机舵机指令位移比较杠杆舵机位移XPXV-杠杆比较XP手XiX1X2比较反馈原理X1指令baXi舵机位移-X2XPabXPXi舵机位移XV手动XV=X1-X2指令液压动力元件扰动液压缸飞机舵机XPXV伺服阀液压能源pS飞机舵机XV文字方框图XPXi比较杠杆舵机位移手动ab-杠杆比较Xi比较元件要求：1）与指令元件相连（手）2）与被控对象相连（舵机）3）与放大元件相连（阀芯）

－、工作原理及传递函数

指令液压动力元件扰动液压缸飞机舵机XPXV伺服阀液压能源-杠杆比较Xi动力元件-杠杆比较Xi方框图

－、工作原理及传递函数

方框图简化动力元件-杠杆比较Xi开环传递函数一、工作原理及传递函数

开环传递函数开环传递函数传递函数方框图的画法4.1外反馈机液伺服系统

二、稳定性分析

幅值稳定性裕量

1开环传递函数一、采用直接位置比较的液压工作台位置控制系统指令元件与阀芯相连受控对象与阀套相连Xi=X芯Xp=X套4.2内反馈机液伺服系统

（阀芯阀套直接比较）

内反馈就是直接比较的位置反馈。Xi=X芯Xp=X套阀芯与阀套阀芯阀套直接位置比较Xv-位置比较XiX芯X套1指令与阀连1对象与阀套连伺服阀XP内反馈中的比较元件就是“阀芯”和“阀套”。比较元件要求：1）与指令元件相连（手）2）与被控对象相连（工作台）3）与放大元件相连（阀本身）阀芯与阀套控制框图采用阀芯阀套直较方式扰动液压缸Xv-位置比较Ka被控工作台XP工作台指令XiX芯X套1指令传感器1反馈传感器伺服阀三、工作原理及传递函数

方框图动力元件-Xi11指令液压动力元件扰动液压缸刀架XPXV伺服阀液压能源-Xi11动力元件-Xi开环传递函数4.1外反馈机液伺服系统

四、稳定性分析

幅值稳定性裕量

4.1外反馈机液伺服系统

四、稳定性分析

四、稳态负载误差

四、稳态负载误差

动力元件-Xi四、稳态负载误差

将s=0代入得五、速度误差

4.3动压反馈装置液压伺服系统往往是欠阻尼的，液压阻尼比小直接影响到系统的稳定性、响应速度和精度。因此提高阻尼比，对改善系统性能是十分重要的。采用动压反馈可以有效地提高阻尼比，两种常用的动压反馈装置，分别是液阻加空气蓄能器和油气阻尼器，一、基本方程：二、方框图与传递函数：三、传递函数简化液压固有频率：液压阻尼比：附加阻尼比：小结

第三章中所讨论的阀控缸，阀控马达及系在马达等都是开环控制。这一章讲的是在开环动力元件的基础上，加上反馈装置后就组成闭环控制系统。采用机械反馈元件的系统称为机液控制。

分析机液系统时，首先要分析其工作原理。先必须从实际系统中找出比较元件，弄清比较方式，明确指令信号和被控对象；然后研究阀、缸（动力元件）的类型，在此基础上就可以建立全部基本方程，由基本方程即可求得系统的传递函数。有了传递函数，就可以按照制理论分析其静态动态品质。小结

机液伺服系统工作可靠。但是，如果设计时各参数选择不好，装配时就不易调整。另外，机械元件有惯性，时间常数较大；机械运动件间总有间隙、摩擦，工作久了总有磨损，这些都会降低系统的精度。

由于液压动力元件的传递函数式是积分环节加振荡环节。因此，可以说机液系统的开环传递函数基本上都是积分加振荡。比较元件要求：1）与指令元件相连；2）与被控对象相连；3）与放大元件相连。小结稳态误差

：稳态误差与放大元件的输出流量有关，与放大元件在稳态时的输入量xv成正比。1）负载误差与负载FL成正比,与压力增益KP成反比(与总压力流量系数KCe成正比)；2）速度误差与给定速度V成正比，与速度增益Kv成反比。因此：1）要想办法提高压力增益KP，减小阀的零位泄漏；2）要想办法在保证稳定的前提下，提高速度增益Kv。小结稳定性

：系统稳定性与开环增益Kv有关，与固有频率ωh有关，与阻尼系数ζh有关。1）油缸的等效容积越小，液压弹簧刚度越大，固有频率ωh越高，稳定性越好；2）开环增益Kv越小，总压力流量系数KCe越小，稳定性越好；但这与控制精度相矛盾。因此：1）采用零开口阀以减小压力流量系数KCe，提高压力增益KP，从而保证控制精度；2）要想办法减小油缸的等效容积，提高固有频率ωh，保证稳定性

。幅值稳定性裕量

第5章电液伺服阀本章摘要

电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出。根据输出液压信号的不问，电液伺服阀和比例阀可分为电液流量控制伺服阀和比例阀和电液压力控制伺服阀和比例阀两大类。电液伺服阀控制精度高、响应速度快，是一种高性能的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。5.1电液伺服阀的组成与分类一、电液伺服阀的组成电液伺服阀通常由力矩马达(或力马达)、液压放大器、反馈机构(或平衡机构)三部分组成。二、电液伺服阀的分类按液压放大级数分为：单级伺服阀此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或力马达输出力矩或力小、定位刚度低，使阀的输出流量有限，对负裁动态变化敏感，阀的稳定性在很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定状态。只适用于低压、小流量和负载动态变化不大的场合。两级伺服阀此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。三级伺服阀此类阀通常是由一个两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀．功率级滑阀阀芯位移通过电气反馈形成闭环控制，实现功率级滑阀阀芯的定位。三级伺服阀通常只用在大流量的场合。按第一级阀的结构形式分类：可分为：滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀射流管阀和偏转板射流阀。按反馈形式分类：可分为滑阀位置反嫂、负载流量反馈和负载压力反馈三种。按力矩马达是否浸泡在油中分类：湿式的可使力矩马达受到油液的冷却，但油液中存在的铁污物使力短马达持性变坏，干式的则可使力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采用干式的。5.2力矩马达在电液伺服阀中力矩马达的作用是将电信号转换为机械运动，因而是一个电气—机械转换器。电气—机械转换器是利用电磁原理工作的。它由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场。电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分产直线位移或角位移的机械运动。一、力矩马达的分类及要求1、力矩马达的分类

1)根据可动件的运动形式可分为：直线位移式和角位移式，前者称力马达，后者称力矩马达。

2)按可动件结构形式可分为：动铁式和动圈式两种。前者可动件是衔铁，后者可动件是控制线圈。3)按极化磁场产生的方式可分为：非激磁式、固定电流激磁和永磁式三种。

2、对力矩马达的要求

作为阀的驱动装置，对它提出以下要求；

1)能够产生足够的输出力和行程，问时体积小、重量轻。

2)动态性能好、响应速度快。

3)直线件好、死区小、灵敏度高和磁滞小。

4)在某些使用情况下，还要求它抗振、抗冲击、不受环境温度和压力等影响。

二、永磁力矩马达

1、力矩马达的工作原理

图2所示为一种常用的永磁动铁式力矩马达工作原理图，它由永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体(磁极)形成四个工作气隙①、②、⑤、①。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路。2、力矩马达的电磁力矩通过力矩马达的磁路分析可以求出电磁力矩的计算公式。从磁路分析知电磁力矩是非线性的，因此为保证输出曲线的线性，往往设计成可动位移和气隙长度只比小于三分之一，控制磁通远远小于极化磁通。三、

永磁动圈式力马达图示为永磁动式力马达的结构原理。力马达的可动线圈悬置于作气隙中，永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，当控制电流加到线圈上时，线圈就会受到电磁力的作用而运动。线圈的运动方向可根据磁通方向和电流方向按左手定则判断。线圈上的电磁力克服弹簧力和负载力，使线圈产生一个与控制电流成比例的位移。四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达的比较1)动铁式力矩马达因磁滞影响而引起的输出位移滞后比动圈式力马达大。2)动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽。因此．动圈式力马达的工作行程大，而动铁式力矩马达的工作行程小。3)在同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式力马达的输出力小。动铁式力矩马达因输出力矩大，支承弹簧刚度可以取得大，使衔铁组件的固有频率高，而力马达的弹簧刚度小，动圈组件的固有频率低。4)减小工作气隙的长度可提高动圈式力马达和动铁式力矩马达的灵敏度。但动圈式力马达受动圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限制。5)在相同功率情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，但动圈式力马达的造价低。5.3力反馈两级电液伺服阀一、工作原理无控制电流时，衔铁由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，挡板也处于两个喷嘴的中间位置，滑阀阀芯在反馈杆小球的约束下处于中位，阀无液压输出。当有差动控制电流输入时．在衔铁上产生逆时针方向的电磁力矩，使衔铁挡板组件绕弹簧转动中心逆时针方向偏转，弹簧管和反馈杆产生变形，挡板偏离中位。这时，喷嘴挡板阀右间隙减小而左间隙增大，引起滑阀左腔控制压力增大，右腔控制压力减小，推动滑阀阀芯左移。同时带动反馈杆端部小球左移，使反馈杆进一步变形。当反馈杆和弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁挡板组件便处于一个平衡位旨。在反馈杆端部左移进一步变形时，使挡板的偏移减小，趋于中位。这使左腔控制压力又降低，右腔控制压力增高，当阀芯两端的液压力与反馈杆变形对阀芯产生的反作用力以及滑阎的液动力相平衡时，阀芯停止运动，其位移与控制电流成比例。在负载压差—定时，阀的输出流量也与控制电流成比例。所以这是一种流量控制伺服阀。二、基本方程与方框图力矩马达的运动方程包括基本电压方程，衔铁和挡板组件的运动方程，挡板位移于转角之间的关系，喷嘴挡板至滑阀的传递函数，阀控液压缸的传递函数，以及作用在挡板上的压力反馈方程，根据这些方程可以画出电液伺服阀的方框图。三、力反馈伺服阀的传递函数给出的传递函数是一个惯性加振荡的环节，重点介绍近似的传递函数：在大多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应往往高于动力元件的动态响应。为了简化系统的动态持性分析与设计，伺服阀的传递函数可以进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。如果伺服阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率，伺服阀传递函数还可用一阶惯性环节表示，当伺服阀的固有频率远大于动力元件的固有频率，伺服阀可看成比例环节。5.5其它型式的电液伺服阀简介一、弹簧对中式两级电液伺服阀

弹簧对中式伺服阀是早期伺服阀的结构型式，它的第—级是双喷嘴挡板阀，第二级是滑阀，阀芯两端各有一根对中弹簧。当控制电流输入时，阀芯在对中弹簧作用下处于中位。当有控制电流输入时，对中弹簧力与喷嘴挡板阀输出的液压力相平衡，使阀芯取得一个相应的位移，输出相应的流量。这种伺服阀属于开环控制、其性能受温度、压力及阀内部结构参数变化的影响较大；衔铁及挡板的位移都较大．对力矩马达的线件要求较高；对中弹簧要求体积小、刚度大、抗疲劳好，因此制造困难；两端对中弹簧由于制造和安装的误差．易对阀芯产生侧向卡紧力．增加阀芯摩擦力．使阀的滞环增大，分辨率降低。但由于结构简单、造价低，可适用于—般的、性能要求不高的电液伺服系统。二、射流管式两级电液伺服阀

照图说明射流管式伺服阀的原理。射流管由力矩马达带动偏转。射流管焊接于衔铁上，并由薄壁弹簧片支承。液压油通过柔性的供压管进入射流管．从射流管喷射出的液压油进入与滑阀两端控制腔分别相通的两个接收孔中，推动阀芯移动。射流管的侧面装有弹簧板板及反馈弹簧丝．共末端插入阀从中的小槽内，阀芯移动推动反馈弹簧丝．构成对力矩马达的力反馈。力矩马达借助于薄壁弹簧片实现对液压部分的密封隔离。三、动压反馈伺服阀压力—流量伺服阀虽然增加了系统的阻尼，但降低了系统的静刚度，为了克服这个缺点．出现了功压反馈伺服阀，与压力—流量伺服阀相比。它增加乐由出弹簧活寒和液阻(固定节流孔)所组成的压力微分网络，负载压力通过压力微分网络反馈到滑阀，此阀在动态时，具有压力—流量伺服阀的持性，在稳态时具有流量伺服阀的持性。5.6电液伺服阀的主要性能参数一、静态特性电液流量伺服阀的静态性能，可根据测试所得到负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线等性能指标加以评定。包括1、负载流量特性2、空载流量特性流量曲线非常有用，它不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，而且从中还可以得到阀的线件度、对称度、滞环、分辨率，并揭示阀的零区特性。3、压力特性压力特性曲线是输出流量为零(两个负载油门关闭)时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线。4、内泄漏特性5、零漂二、

动态特性主要是用频率响应和瞬态响应表示。三、输入特性线圈接法1、电液伺服阀由哪几部分组成?各部分的作用是什么？2、力矩马达为何要有极化磁场?3、永磁动铁式力矩马达的电磁力矩是如何产生的？为什么会出现负磁弹簧刚度？4、为什么把、称为中位电磁力矩系数和中位磁弹簧刚度？5、为什么动圈式力马达没有磁弹簧刚度?这种力马达有什么特点？6、为什么喷嘴挡板式力反馈两级伺服阀在稳态时，挡板在中位附近工作？有什么好处？7、如何提高力反馈伺服阀的频宽，提高频宽受什么限制？8、为了减小力矩马达线圈电感的影响，应采取什么措施?9、在什么情况下电液伺服阀可看成振荡环节、惯性环节、比例环节？10、为什么力反馈伺服阀流量控制的精确性需要靠功率滑阀的精度来保证?11、压力伺服阀与压力—流量伺服阀有什么区别?12．压力—流量伺服阀与动压反馈伺服阀有什么区别?思考题第6章电液伺服系统本章摘要

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，并对电液伺服系统的校正方法加以论述。6.1电液伺服系统的类型一、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度高，但分辨能力较低(绝对精度低)。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。二、

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。因此数字伺服系统又分为全数字伺服系统和数字—模拟伺服系统两种。6.2电液位置伺服系统的分析6.2.1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