液压伺服与比例控制系统 习题及答案汇 第1-9章

第一章习题答案1-1液压伺服控制技术与液压比例控制技术的区别与联系体现在哪些方面？答：（见本章1.1.3液压伺服技术与比例技术的区别和联系）表1-2液压伺服系统与液压比例系统的比较液压伺服系统液压比例系统应用范围采用伺服阀的系统采用比例方向阀的系统驱动装置力马达或力矩马达比例电磁铁性能参数频带宽、响应迅速频带较宽、响应稍逊侧重点零位附近工作零位附近或大流量工况下工作阀芯结构及精度结构不具备互换性结构一般具有互换性阀额定压降要求很高的阀口压降无严格要求1-2液压伺服与比例控制系统的工作原理是什么？答：液压伺服与比例控制系统的工作原理就是反馈控制原理，即“检测偏差用以纠正偏差”，利用反馈连接得到偏差信号，再利用偏差信号去控制液压能源输入到系统的能量，使系统朝着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与期望值相符。（见本章1.2液压伺服与比例控制系统的工作原理）1-3液压伺服控制系统与液压比例控制系统的组成有什么不同？答：液压伺服控制系统：是一种闭环控制系统，能够实时根据被控对象的反馈信号调整控制策略，以达到高精度的控制效果。主要由液压源（液压泵和液压油箱）、液压执行元件（如液压缸、液压马达）、液压控制元件（如伺服阀）、传感器（如位移传感器、速度传感器、压力传感器）和反馈系统（包括控制器和执行器）等组成。传感器将系统状态转换为电信号，为控制系统提供反馈信息；控制器根据反馈信息调整控制信号，通过伺服阀精确控制液压油的流动，从而实现对机械运动的精确控制。液压比例控制系统：可以是开环或闭环控制系统，但开环系统更为常见。主要由指令元件（如信号发生装置或过程控制器）、比较元件（用于比较给定信号与反馈信号，得出偏差信号）、电控器（比例放大器，用于对控制信号进行功率放大和加工整形）、比例阀（将电信号转换为液压信号）和液压执行器（如液压缸、液压马达）等组成。在开环系统中，没有反馈环节，控制信号直接作用于比例阀，通过比例阀控制液压油的流量或压力，从而实现对被控对象的控制。在闭环系统中，则加入检测反馈组件，形成闭环控制回路。1-4液压控制系统与液压传动系统有什么不同？答：液压伺服与比例控制系统与传动系统相比，其特点体现在以下几个方面：（1）能够实现自动调节，有稳、快、准的性能指标要求；（2）精度高而响应快，性能优于普通阀系统；（3）既可以用于随动控制（伺服控制），又可以用于定值控制、程序控制；（4）比例控制系统既有开环控制，也有闭环控制；伺服系统均为闭环控制。比例控制系统更关注输出与输入成比例；伺服控制系统更关注输出与输入的随动性能，可以不成比例。液压伺服与比例控制系统与其他反馈控制系统相比，其特点体现在：（1）输出力或转矩大，布局灵活，能方便地实现直线与旋转运动，易于实现多点动作的协调（包括输出力、速度、行程和顺序等）；（2）压力、流量可控性好，能无级调速且调速范围广，工作平稳且冲击小，便于实现频繁换向；（3）输出力或转矩易于监测（通过压力表等），易于实现过载保护、安全保护且过载时仍保持输出力或转矩不变。第二章习题答案为什么把液压控制阀称为液压控制元件？答：液压控制元件是一种以机械运动去控制流体流动的元件，在液压伺服控制系统中，把输入的机械信号（如位移、转角）转换为液压信号（如流量、压力）输出，并进行功率放大。而液压控制阀的基本功能就是控制液压流体的流动方向、压力和流量，它具有调节和控制的功能，所以液压控制阀是液压控制元件的一种。理想滑阀与实际滑阀有何区别？答：理想滑阀：a.零泄漏；b.理想的流量控制；c.无摩擦损失；d.响应灵敏。实际滑阀：a.泄漏；b.流量控制误差；c.摩擦和磨损；d.响应延迟。什么叫阀的工作点？零位工作点的条件是什么？答：阀的工作点（或称为阀的工作状态）指的是阀在特定条件下的实际运行状态阀芯位移、流量、压力和其他相关参数。零位工作点的条件是。在计算系统稳定性、响应特性和稳态误差时，应如何选定阀的系数？为什么？答：流量增益直接影响系统的开环增益，因而对系统的稳定性、响应特性和稳态误差有直接的影响。压力-流量系数直接影响阀控执行元件（液压动力元件）的阻尼比和速度刚度。压力增益表示阀控执行元件组合对大惯量或大摩擦力负载的启动能力。选择不同的系数可以优化控制性能，减少调试和校正的复杂性。零遮盖阀与负遮盖阀、三通阀与四通阀的三个系数各有什么异同？为什么？答：零遮盖阀和负遮盖阀的主要区别在于它们对流体流量和压力的控制特性以及在不同流量条件下的表现。三通阀和四通阀的主要区别在于它们的端口数量和流体流动控制功能，三通阀适用于简单的流体分配，而四通阀适用于复杂的流体流动控制系统。径向间隙对零遮盖滑阀的静态特性有什么影响？为什么要研究实际零遮盖滑阀的泄漏特性？答：径向间隙影响密封性能增加泄漏量，其次影响流体通过滑阀的流动特性，还会加速滑阀组件的磨损。泄漏特性影响流体的控制精度、系统效率和安全性，所以目的是优化系统性能和可靠性。为什么说零遮盖四边滑阀的性能最好，但最难加工？答：零遮盖四边滑阀的四个边都可以完全接触密封面，避免了流体泄漏或流量控制的不稳定性；开启和关闭状态下都能保持均匀的流量分布；减少了磨损可以延长使用寿命；有效防止流体泄漏提高系统的可靠性。什么是稳态液动力？什么是瞬态液动力？答：稳态液动力是指阀在阀口开度一定的情况下，液流稳定流动时对阀芯的反作用力。瞬态液动力是指在阀芯运动过程中，阀开口量变化使通过阀口的流量发生变化，引起阀腔内液流速度随时间变化，其动量变化对阀芯产生的作用力。滑阀流量饱和的含义是什么？它对阀的特性有什么影响？在设计时如何避免？答：滑阀流量饱和是指滑阀在特定的操作条件下，其流量达到最大值，无法进一步增加控制信号或改变操作条件进一步提高流量的现象。流量控制能力降低；控制信号的非线性；系统响应不稳定；系统效率降低。在设计时应合理选择阀口尺寸、优化设计、实时监测以及定期维修，可以有效避免滑阀流量饱和，从而确保系统的稳定性和性能。求出零遮盖双边滑阀的最大功率点和最大功率。答：根据负载功率随负载压降变化曲线可得，当时，；当时，。通过，可求得输出功率为最大时的值为。阀在最大开度和阀在压力时，最大输出功率为。如何表示阀的规格？零遮盖四边滑阀的负载压降为什么要限制到？答：阀的规格通常以详细的参数来描述其功能、尺寸、压力等级等。常见参数有流量、压力、通径、功能、控制方式等。因为在时，整个液压伺服系统的效率最高，同时阀的输出功率也最大。有一零遮盖全周通油的四边滑阀，其直径，径向间隙，供油压力，采用10号航空液压油在40℃工作，流量系数，求阀的零位系数。解：对于全开口的阀，由零开口四边滑阀零位系数已知一负遮盖量的四边滑阀，在供油压力下测得零位泄漏量，求阀的三个零位系数。解：负遮盖四边滑阀零位系数一零遮盖全周通油的四边滑阀，其直径，供油压力，最大开口量，求最大空载稳态液动力。解：全开口的阀最大空载液动力有一阀控系统，阀为零遮盖四边滑阀，供油压力，系统稳定性要求阀的流量增益。试设计计算滑阀的直径和最大开口量，计算时取流量系数，油液密度。解：零遮盖四边滑阀的流量增益：全周开口滑阀不产生流量饱和条件已知一双喷嘴挡板阀，供油压力，零位泄漏流量，设计计算、、，并求出零位系数。计算时取，，。解：由零位泄漏量第三章习题答案3-1解释式中等号右侧各项分母乘以后所代表的意义。答：第1项是惯性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第2项是惯性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度；第3项是黏性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第4项是活塞运动速度；第5项是黏性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度；第6项是弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第7项是弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度。3-2液压固有频率和液压缸活塞位置有关，在计算系统稳定性时，四通阀控制液压缸应取活塞的什么位置，为什么？答：在计算系统稳定性时，四通阀控制液压缸应取活塞的中间位置。‌当活塞位于中间位置时，液体压缩性影响最大，动力元件固有频率最低，阻尼比最小，此时系统的稳定性最差。这是因为活塞在中间位置时，液压缸工作腔中的油液压缩性所形成的液压弹簧与负载质量相互作用，导致液压固有频率降低，从而影响系统的稳定性。因此，在分析系统的频率响应和进行稳定性计算时，选择活塞的中间位置作为参考点，可以更准确地评估系统的稳定性和响应特性。3-3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？答：‌液压弹簧刚度‌是指在液压缸两腔完全封闭的情况下，由于液体的压缩性所形成的液压弹簧的刚度。因为液压弹簧刚度是在液压缸两腔完全封闭的情况下推导出来的，但实际上由于阀的开度和液压缸的泄露的影响，液压缸不可能完全封闭。因此，在稳态下这个弹簧刚度是不存在的。但在动态时，在一定的频率范围内泄露来不及起作用，相当于一种封闭状态，因此液压弹簧刚度应理解为动态刚度‌。3-4为什么液压动力元件可以得到较大的固有频率？答：，由式子可知，增大固有频率的方法很多：1）可以通过增大液压缸的面积，2）减小总压缩比，3）减小折算到活塞上的总质量，和4）提高油液的有效体积弹性模量。3-5为什么说液压阻尼比是一个软量？提高阻尼比的方法有哪些？它们有什么特点？答：中由和决定，较小的多可忽略。中较小的多，故由值决定。随工作点不同会有很大的变化。其变化范围达20~30倍，所以是一个难以准确估计的软量。提高阻尼比方法，及其优缺点入下：（1）设置旁路泄露通道。缺点是增大了功率损失，降低了系统的总压力增益和系统刚度，增加外负载力引起的误差。另外，系统性能受温度变化影响较大。（2）采用正开口阀。可以增加阻尼，但也要使系统刚度降低，而且零位泄露量引起的功率损失比第一种办法还打，并且会带来非线性流量增益，稳态液动变化等问题。（3）增加负载的粘性阻尼。需要另外设置阻尼器，增加了结构的复杂性。3-6简述泵控对称液压缸系统原理。答：泵控对称缸系统由电机同轴驱动定量泵，定量泵吸排油口直接连接液压缸两负载油口，通过控制电机的转速与转矩，来调整液压缸的输出位移、输出速度与输出力等。3-7何谓负载匹配？满足什么条件才算最佳匹配？答：1）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。2）如果动力元件的输出特性曲线不但包围负载轨迹，而且动力元件的最大功率点与负载的最大功率点重合，就认为动力与负载是最佳匹配。3-8满足什么条件才能得到泵控液压马达的最佳匹配？答：计算阀控液压马达组合的动力元件时，只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D，负载力FL换成负载力矩TL，负载速度换成液压马达的角速度，就可以得到相应的计算公式。3-9有一四边滑阀控制的双作用液压缸，直接拖动负载做简谐运动。已知：供油压力，负载质量，负载位移规律为，负载移动的最大振幅，角频率。试根据最佳负载匹配原则求液压缸面积和四边滑阀的最大开口面积。计算时，取流量系数，工作介质密度。答：有负载位移规律，得负载速度，负载力，就负载功率，当，。如负载匹配正确，就此时，液压缸活塞面积为最大空载流量最大开口面积第四章习题答案4-1什么是机液控制系统？机液控制系统有什么优缺点?答：由机械反馈装置(如杠杆、齿轮、螺母—螺杆和凸轮等)和液压动力元件所组成的反馈控制系统称为机械液压控制系统；优点：机液控制系统结构简单、工作可靠、使用维护比较容易；缺点：由于没有伺服放大器，系统增益的调整极为不便，对动力机构的速度放大系数要求严格；并且机械反馈装置带来了间隙、摩擦和刚度等影响。4-2为什么常把机液位置控制系统称为力放大器或助力器?答：系统输入信号较小，通过液压放大元件和动力元件输出液压功率远大于输入功率，能实现功率放大。4-3为什么机液位置控制系统的稳定性、响应速度和控制精度由液压动力组元件的特性所决定？答：机液伺服系统中没有伺服放大器，系统开环放大系数就只能由动力元件参数所确定，所以系统的动态特性也由动力元件确定。4-4为什么在机液位置控制系统中，阀流量增益很重要?答：系统的稳定性是系统能够可靠工作的保证，是伺服系统最重要的特性，机液位置伺服系统的稳定性条件是：，Kq值大小决定系统稳定性。4-5低阻尼对液压控制的稳定性有什么影响?答：低阻尼使得液压系统幅值裕量不足，相角裕量有余，系统不易稳定，振动较强。提高阻尼比的方法：1、增加控制阀或油缸泄漏，方法简单，浪费功率；增加油缸阻尼负载，有效提高阻尼比，不易实现；采取反馈校正的方法，容易实现，调试困难。4-6考虑结构刚度的影响时，如何从物理意义上理解综合刚度？答：结构刚度与负载质量组成一个结构谐振系统。而结构谐振与液压谐振相耦合，又形成一个液压－机械谐振系统，这个刚度为综合刚度。4-7考虑连接刚度时，反馈连接点对系统的稳定性有什么影响?答：半闭环系统的稳定性好于全闭环系统，但是精度较差。4-8反馈刚度对系统稳定性有什么影响?答：由于综合频率总是低于液压固有频率，并且综合频率随反馈刚度的降低而降低，致使系统稳定性变坏，可见为增加稳定性就要尽可能增大反馈刚度值。4-9为什么机液控制系统多用在精度和响应速度要求不高的场合？答：机液伺服系统没有放大器，系统开环放大系数受到阀的流量增益限制，所以不能按照要求提高很多，故多用在精度和响应速度要求不高的场合。4-10有一外反馈机液控制系统如图4-22所示，a=b，输入量为，输出量为，负载质量为，反馈系数略去泄漏及压缩的影响。请写出系统的基本方程，画出框图，并推导出系统的闭环传递函数。答：4-11在题4-10中，如果不忽略泄漏和压缩，而负载除质量外还有阻尼。试绘出系统伯德图，并标出幅值裕度和相位裕度答：机液位置伺服系统波德图其中：，，Kg是幅值裕量，γ是相角裕量。4-12如图4-23所示机液控制，阀的流量增益为，流量压力系数，活塞面积，活塞杆与负载连接刚度，负载质量，总压缩容积，油的有效体积弹性模数，阀的输入位移，活塞输出位移，求试绘出系统的框图并计算系统的稳定性条件。答：由图可知，该系统为半闭环系统，且半闭环系统稳定条件为其中：综合阻尼比综合谐振频率结构谐振频率液压弹簧刚度开环放大系数反馈放大系数总而言之，将各系数带入不等式，可得到系统稳定条件：图4－22外反馈机液伺服系统结构原理图图4－23考虑连接刚度时机液伺服系统4-13如图4-24所示的机液控制，a=b，不计各种负载，假设油液是不可压缩的，液压缸活塞有效面积m2，行程m，负载质量kg，节流窗口面积梯度m，连接刚度N/m2，供油压力MPa，阀口流量系数，油液密度kg/m3。完成以下任务：(1)绘制系统框图；(2)计算系统的液压固有频率；(3)计算闭环幅值比下降到0.7时的工作频率及相位滞后。答：图4－24考虑反馈刚度kf的机液伺服系统图4－25机液位置伺服系统4-14如图4-25所示的机液位置控制，供油压力MPa，节流窗口面积梯度m，液压缸活塞有效面积m2，液压固有频率rad/s，液压阻尼比=0.2。完成以下任务：(1)当幅值裕度为6dB时，反馈系数是多少？(2)若幅值裕度为6dB，总流量—压力系数m3/(Pas)，外负载力N，由此引起的位置误差(计算时，取，kg/m3)。答：将参数带入即可。第五章习题答案5-1电液伺服阀由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：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。力矩马达或力马达的作用是输入的电气控制信号转换为力矩或力，控制液压放大器运动。液压放大器的运动去控制液压油源流向执行机构的流量或者压力。液压放大器将力矩马达或力马达的输出放大。反馈机构或平衡机构的作用是使伺服阀的输出流量或输出压力获得与输入电气信号成比例的特性。5-2与电液伺服阀相比，电液比例阀的优势有哪些？答：电液比例阀价格低，抗污染性好，容易组成使用电气及计算机控制的各种电液系统，控制精度高，安装使用灵活。5-3比例流量阀的分类？答：按控制和反馈理论分：有比例节流阀和比例伺服阀；按信号和液流方向特点分：有单向比例流量阀和双向比例流量伺服阀；按控制的级数和流量规格分：有单级阀，二级阀，三级阀。第六章习题答案6-1力反馈两级电液伺服阀的传递函数可简化成什么环节？答：伺服阀的动态响应往往高于动力元件的动态响应，一般可简化成二阶振荡环节。如伺服阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率，伺服阀的传递函数还可以简化成一阶惯性环节。当伺服阀的固有频率远大于动力元件的固有频率，伺服阀可以看成比例环节。6-2已知电液伺服阀在线性区域内工作时，输入差动电流Δi=10mA，负载压力PL=20×105Pa，负载流量qL=60L/min，求此电液伺服阀的流量增益及压力增益。答：电液伺服阀的流量增益为：压力增益6-3已知一电液伺服阀的压力增益为，伺服阀控制的液压缸面积为。要求液压缸输出力，伺服阀输入电流为多少？答：负载压力，则伺服阀输入电流。6-4已知电液伺服阀额定流量为10L /min，额定压力为210×105Pa，额定电流10mA，功率滑阀为零开口四边滑阀，其零位泄漏流量为额定流量的4%，伺服阀掌握的双作用液压缸Ap=20×10-4m2，当伺服阀输入电流为0.1mA时，求液压缸最大输出速度和最大输出力。答：流量增益：流量-压力系数：压力增益：负载流量：液压缸最大输出速度为：最大输出力为：第七章习题答案7-1一般液压位置伺服系统提高频宽的限制是什么？为什么？答：频宽是伺服阀响应速度的度量。伺服阀的频宽应根据系统的实际需要加以确定,频宽过低会限制系统的响应速度,过高会使高频干扰传到负载上去。7-2电液伺服阀传递函数确定的依据是什么？可以将电液伺服阀传递函数近似为哪些环节？答：电液伺服阀的传递函数采用什么形式,取决于动力元件的液压固有频率的大小。当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时,伺服阀可近似地看成二阶振荡环节；当伺服阀的频宽大于液压固有频率(3～5倍)时，伺服阀可近似看成惯性环节；当伺服阀的频宽远大于液压固有频率(5～10倍)时,伺服阀可近似看成比例环节。7-3液压位置控制系统位置误差包括那几部分？主要由什么产生的？答：控制系统误差包括稳态误差和静态误差两个方面。稳态误差：液压控制系统的稳态误差包括对输入信号稳态误差和对干扰信号稳态误差。静态误差：液压动力机构死区及伺服阀死区产生的静态误差，伺服阀与伺服放大器零漂产生的静态误差和测量元件的零位误差。7-4在电液位置伺服系统中，影响系统精度的因素有哪些？如何计算稳态误差？答：系统中各个元件的误差都会影响到系统的精度,如传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。液压控制系统的稳态误差包括对指令输入引起的稳态误差和负载干扰力引起的稳态误差。对指令输入引起的稳态误差为其中，阶跃响应稳态误差为斜坡响应稳态误差为等加速度响应的稳态误差为负载干扰力引起的稳态误差7-5滞后校正的作用是什么？什么情况下采用它比较合适？答：滞后校正的主要作用是通过提高低频段增益，减小系统的稳态误差，或者在保证系统稳态精度的条件下，通过降低系统高频段的增益，以保证系统的稳定性。滞后网络是一个低通滤波器，利用它的高频衰减特性，可以在保持系统稳定的条件下，提高系统的低频增益，改善系统的稳态性能，或者在保证系统稳态精度的条件下，降低系统的高频增益，以保证系统的稳定性。滞后校正利用的是高频衰减特性，而不是相位滞后。在阻尼比较小的液压伺服系统中，提高系统稳态精度的限制因素是增益裕量，而不是相位裕量，因此采用滞后校正是合适的。7-6试简述滞后校正参数的确定方法，滞后校正装置参数对系统有哪些影响？答：首先调整系统的速度放大系数，保证系统有足够的稳定裕量，；其次计算系统是否满足稳定精度要求，若满足，则无需再调整，若不满足，在此基础上，将速度放大系数增大至满足稳态精度；最后加入滞后校正，使幅频特性曲线在保持中高频不变的前提下（保持稳定裕量），提高低频（提高稳态精度），最终。求得最终校正环节传递函数为滞后校正使速度放大系数提高倍，因此使速度误差减小倍。提高了闭环刚度，减小了负载误差。由于回路增益提高，减小了元件参数变化和非线性影响。但滞后校正降低了穿越频率，使穿越频率两侧的相位滞后增大，特别是低频侧相位滞后较大。7-7位置伺服系统采用加速度反馈校正的作用是什么？采用速度反馈校正的作用又是什么？加速度和速度反馈校正的限制条件是什么？答：速度反馈校正的主要作用是提高系统的液压固有频率，即系统的静态刚度，减少速度反馈回路内的干扰和非线性的影响，提高系统的静态精度。加速度反馈主要是提高系统的液压阻尼比，低阻尼是限制液压伺服系统性能指标的主要原因，如果能提高阻尼比，系统的性能可以得到显著的改善。加速度反馈提高了系统的阻尼比，速度反馈提高了系统的固有频率，但降低了开环增益和阻尼。如果同时采用速度反馈与加速度反馈，通过调整前向通道中放大器增益，把系统增益调到合适的位置，再调整反馈通道中速度与加速度反馈增益，把系统固有频率和阻尼比调到合适的数值，系统的动态及静态指标就能全面地得到改善。由于受到速度和加速度反馈回路稳定性的限制，液压固有频率和液压阻尼比不能无限增大。7-8压力反馈校正和动压反馈校正的作用是什么？压力反馈校正和动压反馈校正的限制条件是什么？答：采用压力反馈和动压反馈校正的目的是提高系统阻尼。负载压力随系统的动态而变化，当系统振动加剧时，负载压力增大。如果将负载压力加以反馈，使系统的输入流量减少，则系统的振动将减弱，起到增加系统阻尼的作用。采用压力负反馈校正和动压反馈校正均可提高系统的液压阻尼比，但需要注意在推导过程中，我们将伺服阀简化为比例环节，当系统固有频率随着校正不断提高，不满足小于5~10倍伺服阀频宽时，伺服阀不能简化为比例环节，从而导致前面推导失效，因此当伺服阀带宽远大于液压固有频率时，速度或加速度反馈有效，反之，无效。7-9位置伺服系统的闭环刚度经滞后校正后提高了还是降低了？经压力反馈校正后又如何？为什么？答：滞后校正使速度放大系数提高倍，因此使速度误差减小倍。提高了闭环刚度，减小了负载误差。压力反馈校正是通过增加系统的总流量-压力系数来提高液压阻尼比。显然，压力反馈校正降低了系统的静态速度刚度。7-10试给出电液位置伺服系统的稳定条件，并试求当液压固有频率，液压阻尼比时系统处于临界稳定时的开环增益？答：为保证系统可靠稳定工作，要求系统有适当的稳定裕量。通常相位裕量应在30°~60°之间（一般选45°），增益裕量应大于6dB如果取，则有；如果取相位裕量，可得；取两者最小值时就能满足要求；将，代入，分别得到，综上，7-11（略）7-12（略）7-13（略）7-14（略）7-15简述电液速度伺服系统的构成及其控制方式，它们之间有何区别？答：电液速度控制系统一般由放大器（伺服、比例、积分）、电液伺服阀，传感器和执行元件（液压缸、液压马达）组成。根据控制方式，可以分为液压缸输出速度控制控制系统和液压马达输出转速控制系统，就液压马达输出转速控制系统而言，又可分为：(1)阀控液压马达速度控制系统，为了确保系统稳定正常工作，必须加入积分放大器。(2)泵控液压马达开环速度控制系统，由变量泵和液压马达组成，只有泵摆角位置系统的闭环，没有马达旋转速度的闭环，缺点是速度控制受温度、负载变化影响。(3)泵控液压马达闭环速度控制系统，在泵控液压马达开环速度控制系统的基础上，加入液压马达角速度闭环。(4)位置开环泵控液压马达闭环速度控制系统，它是在泵控液压马达速度控制系统中，去掉摆角泵位置闭环控制，保留液压马达角速度控制回路的系统。7-16电液速度伺服系统中的执行元件，如果采用液压缸，会有什么问题？答：只能输出速度，不能输出转速。7-17电液速度伺服系统为什么需要加校正装置？答：未校正的速度控制系统是一个零型有差系统，对速度阶跃输入是有差的，相位裕量很小，特别在阻尼比较小时更是如此。如果在和之间有其他被忽略的环节，如伺服阀这类环节，系统将不稳定。因此速度控制系统必须加校正才能稳定工作。7-18电液速度伺服系统，在什么条件下采用泵控液压马达或阀控液压马达控制方式？答：阀控马达系统一般用于小功率系统，泵控马达系统一般用于大功率系统。7-19（略）7-20（略）7-21设电液速度控制系统，可用图7-47框图描述。试分析该系统的稳定性，并通过加入积分校正使系统具有剪切频率。图7-46电液速度控制系统（题7-16图）答：根据图7-46可得他的开环增益，则其Simulink仿真模型如下图3所示。图3电液速度控制系统仿真模型通过仿真计算可得其开环频率特性、单位阶跃响应如图4所示。图4开环频率特性由图可知该系统以-80dB的速度穿越0dB线，幅值裕度，相位裕度为，系统稳定。为进一步提高系统稳定性，加入如下图所示积分环节，积分常数为图5校正后的系统模型校正后伯德图如下图所示。图6校正后系统的开环频率特性图中，该系统以-20dB的速度穿过0dB线，幅值裕度，相角裕度，剪切频率，速度控制为稳定系统。7-22通常可将力控制系统分为哪两种？它们有什么特点？答：通常将力控制系统分为被动式力控制系统和主动式力控制系统两种。被动式力控制系统的特点是输人信号是负载运动量的函数，简称为加载系统。主动式力控制系统的特点是输人信号与负载运动量无关。7-23什么叫负载力控制系统？什么叫驱动力控制系统？它们之间有何区别？答：两者都是主动式力控制系统。在主动式力控制系统中，如果力的检测量不包括负载质量力时，则称为主动式检测负载力的力控制系统，简称为负载力控制系统，如果力的检测包括负载质量力时，则称为驱动力控制系统。负载力控制系统与驱动力控制系统的主要区别是力传感器检测的位置不同而已，驱动力控制系统所检测的力是液压缸的输出力，而负载力所检测的力是负载所产生的力。7-24（略）7-25设驱动力控制系统可框图7-47描述，试根据结构不变原理消除液压缸位移对系统性能的影响。图7-47驱动力控制系统框图（题7-19图）答：当电液伺服阀可以近似为比例环节时，可以通过设置补偿器，以消除负载刚度和负载质量的影响。这种校正法称为结构不变原理校正法，如下图所示为加入结构不变性原理后系统框图，其中。图7加入结构不变性原理后系统框图第八章习题答案8-1液压系统和电液伺服与比例控制系统有着怎样的关系？电液伺服与比例控制系统应如何设计？答：电液伺服与比例控制系统是液压系统与控制技术、电子技术融合而形成的系统；电液伺服与比例控制系统的设计步聚大致包括：明确设计要求、控制方案拟定、动力组件匹配、动态特性仿真、系统综合校正、液压油源选取六个步聚。在设计过程中，以上各步骤的顺序不是一成不变的，很可能是交叉和反复迭代的，直至获得满意的结果为止。8-2执行元件要有足够大的液压固有频率和合适的液压阻尼比，其中液压固有频率和系统的哪些物理量有关？答：液压固有频率包含有效体积弹性模量、液压缸活塞有效面积、总压缩容积（包括阀、连接管道以及液压缸容腔）、活塞及负载折算到活塞上的总质量。8-3位置控制系统都有哪些校正方法？答：优先选用超前（PD）、滞后（PI）、超前-滞后（PID）等串联校正方法中的一种。若性能仍无法达到系统设计要求，可再引入速度反馈、加速度反馈、压力反馈或动压反馈等反馈校正中的一种或两种。若此电液位置控制系统为随动系统，还可引入速度顺馈、加速度顺馈等顺馈校正方法，以提升动态跟随精度。8-4常用的电液伺服与比例控制系统的液压油源需要具备怎样的条件？常用的液压油源形式有哪些？答：它能够有效地为系统执行元件供给所需的流量和压力，并能够对液压系统的压力、油温、污染度等进行有效的检测；包括：定量泵-蓄能器-溢流阀的恒压源、恒压变量泵-蓄能器-安全阀的恒压源、伺服电机定量泵-蓄能器-安全阀的恒压源。8-5蓄能器在液压系统中的作用是什么？答：蓄能器主要用于储存液压能量、吸收压力脉动、平衡液压系统压力，并且在需要时提供应急动力。8-6伺服阀放大器的选取需要考虑哪几个方面？答：以下6点：1)具有与控制器输出电压（电流）信号、伺服阀驱动电流信号相匹配的放大系数（mA/V）。2)具有足够的输出功率。3)输出信号应具有饱和（限幅）特性，当出现大偏差信号时，将输出给伺服阀的驱动电流限制在允许范围内，以保护伺服阀。4)零点漂移小，线性度好。5)具有快速的频率响应特性。6)具有较好的输入/输出线性增益，零偏和增益调节方便，线路可靠。8-7伺服阀放大器和比例阀放大器分别驱动什么元件？答案：伺服阀放大器用于驱动电液伺服阀的力矩马达或力马达，比例阀放大器用于驱动电液比例阀的比例电磁铁。8-8在本章介绍的控制器中，哪种可以实现与MATLAB/Simulink的联合仿真？答案：DSP芯片控制器、dSPACE控制器、工控机、倍福控制器、Speedgoat控制器。8-9动力组件常用的计算方法有哪些？负载匹配的原则是什么？答案：负载匹配图解、工程近似计算、固有频率计算；使动力组件的输出特性曲线完全包围负载轨迹，同时使输出特性曲线与负载轨迹之间的区域尽量小，就可认为动力组件与负载相匹配。如果动力组件的输出特性曲线不但包围负载轨迹，而且动力组件的最大功率点与负载的最大功率点相重合，就认为动力组件与负载是最佳匹配。第九章习题答案9-1250kN结晶器液压振动系统特性仿真分析：（由于符合题目要求工况的元件选择具有多种情况不具有唯一性，此答案仅供参考，）答：选取系统的液压控制元件和执行元件，放大器及传感器。选择轴向斜盘式柱塞泵，型号为10SCY14-1B，其排量为25ml/r，额定转速为1500r/min，容积效率约为95%。选择Rexroth公司四通伺服阀选择MTS公司生产的磁致伸缩位移传感器，型号为:RHM-0050M-D60-1-V21。选取溢流阀为Y2型电磁溢流阀，额定流量为：100L/min；额定压力：32MPa；通径为：20mm。根据选择的元件进行参数计算，结果如下表所示：参数数值无杆腔面积流量增益液压缸阻尼比液压缸固有频率伺服阀放大器增益伺服阀流量压力系数伺服阀固有频率伺服阀阻尼比伺服阀流量增益位移传感器增益数学模型搭建根据上述参数表，搭建模型如下通过MATLAB分析得出系统的时间响应曲线和频率响应曲线，得出该系统的频宽频宽：PID对系统参数的影响P=5P=10P=20P=40I=10I=50I=100I=200图4PID对系统的影响PID控制器的作用包括以下几个方面：=1\*GB3①比例控制：根据误差的大小来调整控制信号的大小，以快速响应系统的变化。=2\*GB3②积分控制：对误差进行积分，以消除系统的稳态误差。=3\*GB3③微分控制：对误差的变化率进行微分，以预测系统的变化趋势，提前调整控制信号，减小系统的超调量。4)影响阀控缸系统频率特性的参数提高系统的刚度、减少管路长度、减小负载惯量，选择动态性能较好的伺服阀可以提高系统频率特性。系统刚度的提高可以通过优化液压油、减少油液压缩性、缩短液压管路长度等方式实现。伺服阀的选择需要注意自然频率的高低和开口增益的大小，阀的动态特性直接决定了系统的频带宽度。

9-21500轧机串辊液压控制系统仿真分析：（由于符合题目要求工况的元件选择具有多种情况，不具有唯一性，此答案仅供参考）答：1）选取系统的液压控制元件和执行元件，放大器及传感器。根据参数要求，选取系统各元件如下：控制元件伺服阀：D634-383C/R24KO2M0NSX2执行元件液压缸：φ200/φ100/100。伺服阀放大器：G122-825。位移传感器：MTSRH系列传感器。根据选择的元件进行参数计算，结果如下表所示：参数数值无杆腔面积液压缸固有频率液压缸固有频率伺服阀放大器增益伺服阀流量压力系数伺服阀固有频率伺服阀阻尼比伺服阀增益位移传感器增益2）建立系统数学模型。3）通过MATLAB软件分析系统的动态特性，时间响应曲线和频率响应曲线，得出系统的频宽。通过MATLAB及系统数学模型，搭建仿真模型如下：得到系统闭环Bode图如下：通过计算，得到系统频宽为2.77。4）分析PID参数对系统特性影响。增加P增益会提高系统的响应速度，能够更快地使输出达到设定值。较高的P增益能减小稳态误差，使系统输出更接近期望值。如果P增益过大，系统可能出现振荡，甚至导致系统不稳定。积分作用的主要功能是消除稳态误差。当系统长时间偏离设定值时，积分作用会累积误差并调整输出，以确保系统最终达到设定值。过高的I增益会导致系统响应变慢，并且容易引入超调。较高的I增益会导致超调，甚至引发持续的振荡，因为积分作用可能会过度纠正偏差。微分作用可以预测系统的变化趋势，通过抵消快速变化的误差来抑制系统振荡，增强系统的稳定性。过高的D增益会导致系统对噪声过于敏感，从而导致系统不稳定。当调节P和D可以实现快速响应和减少超调。通过调整I增益，可以消除稳态误差，确保系统最终达到设定值。5）总结影响阀控缸系统频率特性的参数，并总结规律。惯性和阻尼：负载惯性越小，阻尼越适中，频率特性越高。阀门特性：阀门动态响应越快，系统频率特性越高。控制策略：合理调整PID参数能够提高频率特性，尤其是比例增益（P）和微分增益（D）的设置。油液特性：液压油压缩性越小，温度和黏度控制良好时，频率特性更好。系统设计：优化管路设计和减少泄漏能有效提升系统的频率响应特性。

9-3液压飞剪速度伺服控制系统仿真分析：（由于符合题目要求工况的元件选择具有多种情况，不具有唯一性，此答案仅供参考）答：系统计算及原理设计。①液压马达排量：系统供油压力为31.5Mpa,则负载压力为,则液压马达排量为：取标准液压马达DMQ系列径向柱塞马达，总压缩容积。查得，，负载总惯量为，液压固有频率。假定Bm=0，取液压马达泄露系数。阀的流量-压力系数应取工作范围内的最小值，因为，所以最小值发生在q和p最小的时候，已知空载时满足要求，此时，考虑摩擦力矩，则，得阻尼比：所以液压马达-负载的传递函数为②伺服阀规格：伺服阀流量：此时，伺服阀压降：根据pv和qL