液压伺服系统研究生.ppt
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1、液压伺服系统 第1章 绪论,1.1 液压伺服控制系统的工作原理及组成1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理 在这种系统中,输出量(位移、速度、力等)能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时。还对输入信号进行功率放大,因此也是一个功率放大装置。液压泵是系统的能源,它以恒定的压力向系统供油供油压力由溢流阀调定。液压动力元件由四边滑阀和液压缸组成。滑阀是转换放大元件,它将输入的机械信号(阀芯位移)转换成液压信号(流量、压力)输出,并加以功率放大。液压缸是执行元件,输入是压力油的流量,输出是运动速度(或伙移)。滑阀阀体与液压缸体刚性连结在一起,构成反馈回路。因此,这是个闭环控制系统。,如
2、图是一个机液位置伺服系统的原理图。液压缸的运动(输出量)自动而准确地复现了阀芯的运动(输入量)变化规律。,1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理,1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理,电液伺服系统:有电液伺服阀存在控制系统。阀控系统:系统主控流量和压力元件是阀。泵控系统:系统主控流量和压力元件是泵。恒压源:系统能源装置输出压力为恒值。恒流源:系统能源装置输出流量为恒值。,1.1.2液压伺服和比例控制系统的组成,输入元件:也称指令元件,给出输入信号(指令信号)加于系 统的输入端。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。如各种传感器。比较元件:将反馈信号与输入
3、信号进行比较,给出偏差信号。多为减法器。放大转换元件:将偏差信号故大、转换成液压信号。如 机液伺服阀、电液伺服阀等。执行元件 产生调节动作加于控制对象上,实现调节任务。如液压缸和液压马达等。控制对象 被控制的机器设备或物体,即负载。此外,还可能有各种校正装只,以及不包含在控制回路内的液压能源装置。,1.2 液压伺服控制系统的分类,1、按输入信号介质分:有机液伺服系统、气 液伺服系统、电液伺服系统等。2、按输出物理量分:有位置伺服系统、速度伺服系统、力(或压力)伺服系统等。3、按控制元件分:有阀控系统和泵控系统两类。,1.3 介绍液压伺服控制系统的优缺点,液压伺服系统与电气伺服系统相比有三个优点
4、(1)体积小重量轻惯性小可靠性好输出功率大(2)快速性好(3)刚度大(即输出位移受外负载影响小)定位准确。缺点是加工难度高抗污染能力差维护不易成本较高。,习题和思考题,1、阀控系统和泵控系统的基本工作原理是 什么?它们各有什么优缺点?2、什么是恒压系统?什么是恒流系统?各有什么特点?3、机液伺服系统和电液伺服系统的组成有什么不同?4、为什么液压伺服控制系统的响应速度 快、控制精度高?,按滑阀零位时开口型式:负开口(正遮盖或正重叠)、零开口(零遮盖或零重叠)和正开口(负遮盖或负重叠)。,第2章 液压放大元件2.1圆柱滑阀的结构型式及分类,滑阀按工作边数(起控制作用的阀口数)可分为:单边滑阀、双边
5、滑阀和四边滑阀。,另外按进、出阀的通道数:三通阀,四通阀,例如b为三通阀;按阀芯的凸肩数目划分:a,b为两凸肩阀,c为三凸肩阀,2.2滑阀静态持性的一般分析一、滑阀压力流量方程的一般表达式,QL为负载流量;PL为负载压降;Ps为供油压力;Qs为供油流量;Po为回油压力;xv为阀芯位移;U为开口量;,一、滑阀压力流量方程的一般表达式,以零开口为例U=0假设条件:1、液压能源是理想的。对恒压源供油压力Ps为常数;对恒流源供油流量Qs为常数。回油压力Po为零,如果不为零,则把Ps看成供回油压力差。2、忽略管道和阀腔内的压力损失。3、液体是不可压缩的。4、阀各节流口的流量系数相等,即Cd1=Cd2=C
6、d3=Cd4=Cd则有:,一、滑阀压力流量方程的一般表达式,PL 称为负载压力;QL称为负载流量。在大多数情况下,阀的窗口都是匹配的和对称的,则有:A1=A3;A2=A4;而且Q1=Q3;Q2=Q4;,一、滑阀压力流量方程的一般表达式,二、滑阀的静态特性曲线,1、流量特性曲线:是指负载压降等于常数时,负载流量与阀的开度之间的关系,当负载压降PL=0时的流量特性称为空载流量特性。,二、滑阀的静态特性曲线,2.压力特性曲线:是指负载流量等于常数时,负载压降与阀的开度之间的关系,重要的是负载流量QL=0时的压力特性,通常所讲的压力特性即指此而言。,二、滑阀的静态特性曲线,3.压力一流量特性曲线:是指
7、阀的开度一定时,负载流量与负载压力间的关系,压力一流量特性曲线族。,三、阀的线性化分析和阀的系数,阀的压力一流量特性是非线性的。采用线性化理论对系统i行动态分析时,必须把这个方程线性化。在某点(PL0,XV0)附近展成台劳级数,通常为零点。,三、阀的线性化分析和阀的系数,阀系数:1、流量增益Kq:它是流量曲线在某一点的切线斜率。流量增益表示负载压降一定时,阀单位输入位移所引起的负载流量变化大小。2、流量一压力系数Kc:它是压力一流量曲线的切线斜率冠以负号。流量一压力系数表示阀开度一定时,负载压降变化所引起的负载流量变化大小。3、压力增益(压力灵敏度)Kp:它是压力特性曲线的切线斜率。,三、阀的
8、线性化分析和阀的系数,应当指出以下几点:(1)阀的三个系数是表征阀静态特性的三个性能参数,这些系数在确定系统的稳定性、响应特性时是非常重要的。流量增益直接影响系统的开环放大系数,因而对系统的稳定 性、响应特性和稳态误差有直接的影响。流量-压力系数直接影响阀一液压马达组合的阻尼系数和速度刚性。压力增益标志着阀-液压马达组合起动大惯量或大摩擦负载的能力,这个参数可达到很高数值,这正是伺服系统所希望的特性。(2)阀的系数的数位随工作点的变化而变化。最重要的工作点是压力一流量曲线的原点,因为系统(位置控制系统)经常在原点附近工作,而此处阀的流量增益最大,因而系统的增益最高,但流量一压力系数最小,所以阻
9、尼最低。因此,从稳定性的观点看,这一点是最关键的。(3)线性化方程式的精确度和适用范围与变量的变化范围和阀特性的线性度有关。阀特性的线性度高,变量的变化范围小,线性化的精确性就高,阀特性的线性度高,所允许的变量变化范围就大。,2-3零开口四边滑阀的静态特性,一、理想零开口因边滑阀的静态特性 理想滑阀是指径向间隙为零、工作边锐利的滑阀。理想滑阀的静态特性可以不考虑径向间隙和工作边圆角的影响。1、理想零开口四边滑阀的压力一流量方程,理想零开口四边滑阀当阀芯离开中间位置时,只有两个节流口通流,其余两个节流口完全关闭。设定阀芯左移为正,Q1=Q3=0;Q1=Q3:,当阀芯右移时:,零开口四边滑阀的无量
10、纲压力一流量曲线,如图所示。因为阀窗孔是匹配和对称的,所以压力一流量曲线对称于原点。图中的,象限是马达工况区,、象限是泵工况区,只有在瞬态过程中才可能出现。例如xV突然减小,液压缸对负载进行制动时,负载压力突然改变符号,但是由于液流和负载惯性的影响,在一定时间内,负载和液流仍将保持原来的运动方向。,2、理想零开口四边滑阀的阀系数,流量增益为,流量-压力系数增益为,压力增益为,零位阀系数(PL=0,xV=0),理想零开口四边滑阀的零位流量增益决定于供油压力P.和面积梯度,在Ps为常数时,唯一的由面积梯度所决定,因此是阀的最重要的参数。Ps和面积梯度是很容易测量和控制的量,从而零位流量增益也就比较
11、容易准确计算和控制。试验也证明由式计算的 值与实际零开口阀的试验值是相符的,故可以放心地使用。但Kp和 Kc值和实际零开口阀的试验故相差很大,故需寻求其他计算方法,二、实际零开口四边滑阀的零区特性,实际的与理想的零开口滑阀之间的差别就在于零位泄漏特性。理想的阀具有精确的几何形状,因而零位泄漏量为零,造成阀系数计算不准确的结果。实际阀具有径向间隙,往往还有小于0.025 mm的正的或负的微小重叠量,这种阀的零位存在着泄漏量。这种泄漏特性决定了阀在零区的压力一流量特性。在零区以外,由于径向间隙等影响可以忽略,实际阀的特性和理想阀的特性是一致的。,实际阀的零区特性可以通过试验确定。将其负载通道关闭(
12、QL=0),在负载通道和供油口分别俊上压力表,在回油口接流量计或量杯。在供油压力Ps一定时,改变阀的开度XV,测出相应的负载压力PL.如果使阀处于几何零位不动,改变供油压力Ps,可以测量相应的零位泄漏流量。,二、实际零开口四边滑阀的零区特性,实际零开口四边滑阀阀系数的近似计算J方法。对于间隙为b,周长为的环形锐边节流孔来说,在层流状态其流量可用下式计算:(在零位时各个节流口流量为总流量一半,压降也为总压力一半。),式说明,实际阀的KC0值与阀的面积沸度和径向间隙有关,并且随着其增加而增加。通常可取b=0.005mm作为典型值来估算。零位压力增益主要取决于阀的径向间隙道,而与阀的面积梯度无关。,
13、为了对零位压力增益有一个数量概念,我们作一个典型计算。取=1.4*10-6Pa.S,=870Kg/m3,Cd=0.62,b=0.005mm则:,当Ps=70MPa时,Kpo=3.375*1011Pa/m,实践证明,此数值很容易达到,但值得注意的是无论如何此阀系数不易取得准确数据,且其变化较大是个“软量”。,2-4、正开口四边滑阀的静态特性,如图当阀在几何零位 时,四个节流窗口有相等的正开口U,并规定阀是在正开口范围内工作的,假定阀口是匹配且对称的,则有:,正开口四边滑阀的零位系数为,2-4、正开口四边滑阀的静态特性,关于零位阀系数的说明:1、正开口四边阀的流量增益是理想零开口四边滑阀的两倍,这
14、是因为负载流量同时 受两个节流窗口的控制。2、正开口阀可以提高零位流量增益并改善压力一流量曲线的线性度。3、流量-压力系数取决于面积梯度。4、压力增益 与面积无关。5、这种阀由于零位泄漏流量比较大,所以不适合大功串控制的场合。3,4说明前面的分析的正确性。在零位附近,实际零开口阀很类似于正开口阀。,2-5滑阀受力分析,一、轴向液动力:稳态液动力(好力利于稳定,但加重驱动力);瞬态液动力(时好时坏)。二、阀芯与阀套间的摩擦力力三、滑阅的驱动力,2-6、滑阀的功率输出及效率,阀输出或负载功率为:No=PL*QL阀的输入功率为:Ni=Ps*Qs阀的效率为:=PL*QL/Ps*Qs1、仅考虑阀:阀在最
15、大开度和负载压力为2/3 Ps时,能够输出的最大功率,效率为66.7%2、若考虑阀的空载流量为定量泵额定流量,则阀在最大开度和负载压力为2/3 Ps时,能够输出的最大功率,效率为38%。3、若采用恒压变量泵作为能源,泵的输出流量正好满足所要求的负载流量,系统的供油效率100%,则系统的效率就近似等子阀的效率。4、伺服系统中效率不是主要考虑的因素,更重要的是首先满足系统的控制性能,如稳定性、响应速度、精度等。5、在以后的设计中,我们还是经常取,2/3Ps设计为负载压力,因为此时系统效率最阀的输出功率最大。,2-7喷嘴挡板阀的分析与设计,喷嘴挡板阀有以下优点,(1)结构简单,公差要求比较宽,故制造
16、容易、价格低。(2)其压力一流量特性曲线的线性度比较好,特性容易预测,对油液污染不太敏感,工作十分可靠。(3)运动部分(挡板):5惯如位移量小,故动态响应速度高,灵敏度高。(4)但存在泄漏损失,流量增益小。大多数两级电液伺服阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。,2-7喷嘴挡板阀的分析,与滑阀相比,喷嘴挡板阀有以下优点:(1)结构简单,公差要求比较宽,故制造容易、价格低。(2)其压力一流量特性曲线的线性度比较好,特性容易预测,对油液污染不太敏感,工作十分可靠。(3)运动部分(挡板惯性小,位移量小,故动态响应速度高,灵敏度高。但存在泄漏损失,流量增益小,因此这种阀在低功率系统中很受欢迎,大多数两级电液伺服
17、阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。,双喷嘴挡板阀的原理图所示。它由固定节流孔、喷嘴及挡板组成。喷嘴与挡板间的环形面积构成了可变节流口,用来控制固定节流孔与可变节流孔之间的压力P1和P2,该压力差P1-P2与负载腔相连,用来控制如液压缸。当上边挡板与喷嘴端面之间的间隙减小时,由于可变液阻增大,使流量减小,在固定节流孔处的压力P1增大;下边挡板与喷嘴端面之间的间隙增大时,由于可变液阻减小,使流量增大,在固定节流孔处的压力P2减小。因此控制压力差增大,推动负载运动。,2-8射流管阀,滑喷嘴挡板阀特点:抗污染能力强,结构简单,要求加工精度低;缺点是惯性大,相应速度慢,功耗大;用于小功率和低压场合。,习题和思
18、考题,1、什么是理想滑阀?什么是实际滑阀。2、阀的静态特性是什么?说明阀的三个系数的定义和它们对系统性能的影响。3、比较零开口阀、正开口阀 的三个阀系数有什么异同?为什么?4、已知一正开量U=0.05mm的四通阀,在供油压力Ps=7MPa下测得泄漏量为5L/min求阀的三个零位阀系数。,第三章液压动力元件,液压动力元件或称液压动力机构是由液压放大元件和液压执行元件(包括负载)组成的。液压放大元件可以是何服阀或伺服变量泵;液压执行机构是掖压马达或液压油缸。可组成:阀控液压马达、阀控液压缸、泵控液压马达和泵控液压缸。前两种动力元件可以构成阀控系统,后两种动力元件可构成泵控制系统。在液压伺服系统中,
19、液压动力元件是一个关键性的部件,它直接影响到系统的动、静态品质。本章将建立儿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的性能参数,讨论动力元件与负载的匹配,这些是分析和设计液压伺服系统的基础。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,假设:阀与马达的连接管道对称且短而粗,可以忽略管道内的摩擦报失和管路动态;在管道和马达腔内不会出现饱和或空穴现象,在每个管道和马达腔内各点压力相等,温度和密度均为常数;液压马达内、外泄漏均为层流流动。根据流量的连续性,可写出每个马达腔的连续性方程为:,一、基本方程与方块图,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,假定阀为零开口四边滑阀,四个节流窗口是
20、匹配和对称的,由于阀腔的容积很小,所以不考虑液体在阀腔里的压缩性;阀具有理想的响应能力,即阀芯位移和负载压力变化立即引起流量的相应变化,这个假定在几百Hz的范围内是适用的。则:零开口四边滑阀的线性化流量方程为:,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,上式是所有液压执行元件流量连续方程的基本形式。右边第一顶是推动液压马达运动所需的流量,第二项是泄漏流量,第三项是压缩流量。由于液压马达所包含的总压缩性容积比较大,同时负载压力PL的变化率也比较大,所以通常都要考虑压缩性流量的影响,动态连续性方程与静态连续性方程的差别也就在于此。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,液压马达与负载的转矩平衡方程
21、可写为:,做拉氏变换后:,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,系统方块图:,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,二、传递函数与传递函数的简化,分子中的第一项可以看成是无负载时的速度,而第二项则是因负载转矩作用而造成的速度降低。分母中第一项表示惯性转矩变化引起的压缩性流量所产生的马达速度变化,第二项表示惯性转矩引起的泄漏流量所产生的马达速度变化,第三项表示粘性转矩变化引起的压缩流量所产生的马达速度变化,第四项发示马达运动速度的变化,第五项表示表示粘性转矩变化引起的泄漏流量所产生的马达速度变化,第六项表示弹性转矩变化引起的压缩性流量所产生的马达速度变化,第七项表示弹性转矩引起的泄漏流量所产
22、生的马达速度变化。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传递函数的简化,在动态方程式中,考虑了惯性负载、粘性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素,是一个十分通用的形式。实际系统的负载往往比较简单,而且根据具体使用悄况有些影响因素可以忽略,这样传递函数就可以大为简化。,没有弹性负载G=0的情况:伺服系统的负载在很多情况下是以惯性负载为主,而没有弹性负载或弹性负载很小可以忽略。在液压马达作执行元件的伺服系统中,弹性负载更是少见。所以没有弹性负载的情况是比较典型的,也是比较普遍的情况。另外,粘性摩擦系数Bm一般很小,可以忽略不计。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传
23、递函数的简化,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传递函数的简化,在动态方程式中,考虑了惯性负载、粘性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素,是一个十分通用的形式。实际系统的负载往往比较简单,而且根据具体使用悄况有些影响因素可以忽略,这样传递函数就可以大为简化。,有弹性负载G0的情况:在阀控液压马达中弹性负载虽然十分少见,但在阀控液压缸中弹性负载还是比较常见的,例如在两级液压放大器中,当功率级滑阀带对中弹簧时,就属于这种情况。另外,粘性摩擦系数Bm一般很小,可以忽略不计。,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,传递函数的简化,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,简
24、化条件,3-1阀控液压马达,第三章液压动力元件,三、动态特性分析,(一)没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析,速度放大系数Kq/Dm:对慢输入信号来说,液压马达的输出速度与阀的输入位移成比例,比例即为速度放大系数。它表示系统速度控制的灵敏度。此系数直接影响闭环系统的稳定性、响应速度和静态精度。提高此系数可以提高系统的响应速度和静态精度,但使稳定性变坏。因为液压马达排量Dm主要由系统的负载特性决定,所以速度放大系数主要由阀的流量增益Kq决定。随工作点变化,在零位时Kq最大,随负载增大减小。在计算稳定性时,应该采用空载流量增益。而在计算静态特性时应取最小流量增益。,3-
25、1阀控液压马达,第三章液压动力元件,三、动态特性分析,(一)没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析,液压固有频率n,液压固有频率是负载惯性与液压马达腔中油液压缩性相互作用的结果。由于液体具有压缩性,当液压马达受外转矩作用时,马达轴可转动一个微小的角度m,使一个腔的压力升高,另一个腔压力降低。,液压固有频率常常是系统中最低的频率,其大小也就决定了系统响应的快速性。影响液压固有频率的因素有:负载惯量和管道中油液的惯量JL,但JL是由负载决定的,故减小JL,是有限度的。可以在负载与液压马达之间采用适当的齿轮减速装置来减小负载惯量的影响。可得管道中液体质量折算到液压马达处的等
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