液压伺服与比例控制系统.pptx

第第1章章 绪论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、采用一、采用电压比较电压比较的的液压液压工作台位置控制系统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电压电压电压比较比较比较比较KaKaKaKaKaKaKaKaUi-UPDUKaKaKaKa控制框图控制框图控制框图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）扰扰 动动指令指令指令指令电位器电位器电位器电位器反馈反馈反馈反馈电位器电位器电位器电位器伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源I I I I液液液液压缸压缸压缸压缸电放大电放大电放大电放大KaKaKaKaI I I IUiE-电压电压电压电压比较比较比较比较UPKaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令Xi液压动力元件液压动力元件放大元件二、采用二、采用电压比较电压比较的的电动电动工作台位置控制系统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电动力元件控制框图控制框图控制框图控制框图扰扰 动动指令指令指令指令电位器电位器电位器电位器反馈反馈反馈反馈电位器电位器电位器电位器可控硅可控硅可控硅可控硅电源电源电源电源I I I I电放大电放大电放大电放大KaKaKaKaE E E EUiE-电压电压电压电压比较比较比较比较UPKaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令Xi电机电机控制系统组成：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（伺将液压动力元件（伺服阀、缸）换成电动服阀、缸）换成电动力元件（可控硅与电力元件（可控硅与电动机）动机）三、采用三、采用力比较力比较的的液压液压工作台位置控制系统工作台位置控制系统指令传感器指令传感器K1反馈传感器反馈传感器K2F1F2F1=Xi*K1F2=Xp*K2比较元件比较元件比较元件比较元件1 1 1 1K1+K2K1+K2K1+K2K1+K2力比较力比较力比较力比较XiK1K1K1K1指令传感器指令传感器K2K2K2K2反馈传反馈传感器感器x xv vDFF1F1-F2F2伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀XP液压动力元件液压动力元件控制框图控制框图控制框图控制框图 采用力比采用力比较方式，用弹簧较方式，用弹簧作为位移作为位移-力传力传感器，以阀芯作感器，以阀芯作为力比较元件。为力比较元件。扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸1 1 1 1K1+K2K1+K2K1+K2K1+K2DF-力比较力比较力比较力比较KaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令XiF1F1F2F2指令指令指令指令传感器传感器传感器传感器K1K1K1K1指令传感器指令传感器反馈反馈反馈反馈传感器传感器传感器传感器K2K2K2K2反馈传反馈传感器感器伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源x xv v四、采用四、采用直接位置比较直接位置比较的的液压液压工作台位置控制系统工作台位置控制系统指令元件与阀芯相连指令元件与阀芯相连受控对象与阀套相连受控对象与阀套相连Xi=X芯芯Xp=X套套阀芯与阀套阀芯与阀套阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较Xv-位置比较位置比较位置比较位置比较XiX芯芯X套套1 1 1 1指令与阀连指令与阀连1 1 1 1对象与阀套连对象与阀套连伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀XP阀芯与阀套阀芯与阀套控制框图控制框图控制框图控制框图采用阀芯阀采用阀芯阀套直较方式套直较方式扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸Xv-位置比较位置比较位置比较位置比较KaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令XiX芯芯X套套1 1 1 1指令传感器指令传感器1 1 1 1反馈传反馈传感器感器伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀五、液压伺服与比例控制系统的组成n 液压伺服与比例控制系统由以下一些基本元件组成：n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。n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。n比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。n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。n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。n控制对象：被控制的机器设备或物体，即负载。n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n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。n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n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。第第2章章 液压放大元件液压放大元件本章摘要 圆柱滑阀结构型式、工作原理、圆柱滑阀结构型式、工作原理、静态特性静态特性 喷嘴挡板阀结构型式、工作原理、喷嘴挡板阀结构型式、工作原理、静态特性静态特性 射流管阀结构型式、工作原理、射流管阀结构型式、工作原理、静态特性静态特性一、按进、出阀的通道数划分一、按进、出阀的通道数划分四通阀四通阀(图图2-1a、b、c、d)三通阀三通阀(图图2-1e)二通阀二通阀(图图2-1f)二、按滑阀的工作边数划分二、按滑阀的工作边数划分四边滑阀四边滑阀(图图2-1a、b、c)双边滑阀双边滑阀(图图2-1d、e)单边滑阀单边滑阀(图图2-1f)三、按阀套窗口的形状划分三、按阀套窗口的形状划分矩形、圆形、三角形等多种矩形、圆形、三角形等多种四、按阀芯的凸肩数目划分四、按阀芯的凸肩数目划分二凸肩、三凸肩、四凸肩二凸肩、三凸肩、四凸肩2.1 圆柱滑阀的结构型式及分类圆柱滑阀的结构型式及分类 五、按滑阀的预五、按滑阀的预开口型式划分开口型式划分正开口正开口(负重叠负重叠)、零开口、零开口(零重叠零重叠)和负开口和负开口(正重叠正重叠)2.2 滑阀分析滑阀分析 滑阀有正开口、零开口、负开口三种。滑阀有正开口、零开口、负开口三种。滑阀的开口型式滑阀的开口型式滑阀的开口型式滑阀的开口型式 正开口正开口 零开口零开口 负开口负开口 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、滑阀的面积梯度及部分开口，可全周开口、开方孔开方孔、开园孔、开园孔开园孔开园孔 展开图展开图开方孔开方孔 全周开口全周开口 一、零开口四边阀的压力一、零开口四边阀的压力-流量特性方程流量特性方程2.2.1 2.2.1 零开口四通滑阀的静特性零开口四通滑阀的静特性零开口四通滑阀的静特性零开口四通滑阀的静特性 x0时时 x67 xvmax;2、xvmax约为约为0.10.5;3、保持凸肩为锐边，间隙为、保持凸肩为锐边，间隙为0.3微米。微米。2.3 喷嘴喷嘴-挡板阀分析挡板阀分析喷嘴喷嘴-挡板阀阀有挡板阀阀有单喷嘴单喷嘴-挡板阀挡板阀和和双喷嘴双喷嘴-挡板阀挡板阀两种。两种。单喷嘴单喷嘴-挡板阀相当于带挡板阀相当于带1个个固定节流孔的正开口三通阀固定节流孔的正开口三通阀双喷嘴双喷嘴-挡板阀挡板阀相当于带相当于带2个个固定节流孔的正开口四通阀固定节流孔的正开口四通阀2.3.1 2.3.1 单喷嘴单喷嘴单喷嘴单喷嘴-挡板阀（略）挡板阀（略）挡板阀（略）挡板阀（略）2.3.2 2.3.2 双喷嘴双喷嘴双喷嘴双喷嘴-挡板阀挡板阀挡板阀挡板阀 一、双喷嘴一、双喷嘴-挡板阀的压力挡板阀的压力-流量特性流量特性Q1Q2Q3Q4 二、双喷嘴二、双喷嘴-挡板阀的压力特性挡板阀的压力特性阀阀？Q LKp1/Kc 三、双喷嘴三、双喷嘴-挡板阀零位的阀系数挡板阀零位的阀系数2.3.3 2.3.3 双喷嘴双喷嘴双喷嘴双喷嘴-挡板阀的液流力挡板阀的液流力挡板阀的液流力挡板阀的液流力2.3.4 2.3.4 双喷嘴双喷嘴双喷嘴双喷嘴-挡板阀的设计挡板阀的设计挡板阀的设计挡板阀的设计1、为防止流量饱和，、为防止流量饱和，x0=dn/16;2、x0约为约为0.1,d00.5。2.4 射流管式液压放大元件射流管式液压放大元件射流管阀一般用先导级射流管阀一般用先导级作为压力放大器用作为压力放大器用阀系数由实验确定阀系数由实验确定1、射流管阀只有一个喷、射流管阀只有一个喷孔堵塞后孔堵塞后“事故归零事故归零”；2、射流管喷孔较大。、射流管喷孔较大。2.6 放大元件的效率放大元件的效率第第3章章 液压动力元件液压动力元件本章摘要 液压动力元件液压动力元件(或称液压动力机构或称液压动力机构)是由液压放是由液压放大元件大元件(液压控制元件液压控制元件)和液压执行元件组成。有四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。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。数，分析它们的动态特性和主要性能参数。3.1 四通阀控制液压缸四通阀控制液压缸 基本结基本结构形式构形式一、基本方程：一、基本方程：(一一)滑阀的流量方程滑阀的流量方程定义负载流量：定义负载流量：(二二)液压缸流量连续性方程液压缸流量连续性方程进油腔流量：进油腔流量：回油腔流量：回油腔流量：液压缸工作腔的容积：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：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：则液压缸流量连续性方程简化为：(三三)液压缸和负载的力平衡方程：液压缸和负载的力平衡方程：二、方框图与传递函数：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。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：n(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基本结构形式构形式一、基本方程：一、基本方程：二、方框图与传递函数：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基本结构形式构形式一、基本方程：一、基本方程：二、传递函数：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、负载特性（一）（一）惯性负载特性惯性负载特性惯性负载特性的数学表达式：惯性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：（二）（二）粘性负载特性粘性负载特性粘性负载特性的数学表达式：粘性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：（三）（三）弹性负载特性弹性负载特性弹性负载特性的数学表达式：弹性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：（四）（四）合成负载特性合成负载特性负载特性的数学表达式：负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：二、负载匹配二、负载匹配负载匹配定义：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。小，便认为液压动力元件与负载相匹配。输出特性曲线：输出特性曲线：在阀最大输出功率点有：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：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：阀的最大空载流量为：思考题n1、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？n2、负载类型对液压动力元件的传递函数有什么影响?n3、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？n4、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？n5、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?n6、为什么液压动力元件可以得到较大的固有频率?n7、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？n8、何谓液压动力元件的刚度?代表什么意义?n9、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?n10、阀控液压马达和泵控液压马达的特性有何不同，为什么?n11、为什么把称为速度放大系数?速度放大系数的量纲是什么?n12、何谓负载匹配?满足什么条件才算最佳匹配?n13、如何根据最佳负载匹配确定动力元件参数?n14、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?n15、在长行程时，为什么不宜采用液压缸而采用液压马达？思考题第第4章章 机液伺服系统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。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。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。是闭环位置控制系统。也就是说，在开环控制的基础上，通过负反也就是说，在开环控制的基础上，通过负反馈装置馈装置即比较元件即比较元件+测量反馈元件就可以构成测量反馈元件就可以构成闭环液压控制系统。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量不断调整以求减少误差的系统称随动系统或伺服系统。服系统。如果比较反馈元件由机械元件充当，则称为如果比较反馈元件由机械元件充当，则称为“机液伺服系统机液伺服系统”，以区别于电反馈系统。，以区别于电反馈系统。“机液伺服系统机液伺服系统”广泛的应用于广泛的应用于飞机舵面控飞机舵面控制、火炮瞄准机构操纵、车辆转向控制、仿形机制、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床以及伺服变量泵等处。等处。4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈）、工作原理及传递函数、工作原理及传递函数 XPXi升升升升力力力力阻力阻力阻力阻力飞机舵机液控制系统上应用飞机舵机液控制系统上应用飞机舵机液控制系统上应用飞机舵机液控制系统上应用pS飞机舵机飞机舵机飞机舵机飞机舵机指令位移指令位移指令位移指令位移比较杠杆比较杠杆舵机位移舵机位移舵机位移舵机位移XPXV-杠杆比较杠杆比较杠杆比较杠杆比较X XP P手手XiX1X2比较反馈原理比较反馈原理X1指令指令指令指令baXi舵机位移舵机位移-X2X XP PabXPXi舵机位移舵机位移舵机位移舵机位移XV手动手动手动手动XV=X1-X2指令指令液压动力元件液压动力元件扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸飞机飞机飞机飞机舵机舵机舵机舵机X XP PXV伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源pS飞机舵机飞机舵机飞机舵机飞机舵机XV文字方框图文字方框图XPXi比较杠杆比较杠杆舵机位移舵机位移舵机位移舵机位移手动手动手动手动ab-杠杆比较杠杆比较杠杆比较杠杆比较Xi比较元件要求：比较元件要求：1）与指令元件相连（手）与指令元件相连（手）2）与被控对象相连（舵机）与被控对象相连（舵机）3）与放大元件相连（阀芯）与放大元件相连（阀芯）、工作原理及传递函数、工作原理及传递函数 指令指令液压动力元件液压动力元件扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸飞机飞机飞机飞机舵机舵机舵机舵机X XP PXV伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源-杠杆比较杠杆比较杠杆比较杠杆比较Xi动力元件-杠杆比较杠杆比较杠杆比较杠杆比较Xi方框图方框图 、工作原理及传递函数、工作原理及传递函数 方框图简化方框图简化动力元件-杠杆比较杠杆比较杠杆比较杠杆比较Xi开环传递函数开环传递函数 一一、工作原理及传递函数、工作原理及传递函数 开环传递函数开环传递函数开环开环传递函数传递函数传递函数传递函数方框图的画法方框图的画法4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 二、稳定性分析二、稳定性分析 幅值稳定性裕量幅值稳定性裕量 1开环传递函数开环传递函数一、采用一、采用直接位置比较直接位置比较的的液压液压工作台位置控制系统工作台位置控制系统指令元件与阀芯相连指令元件与阀芯相连受控对象与阀套相连受控对象与阀套相连Xi=X芯芯Xp=X套套4.2 内反馈机液伺服系统内反馈机液伺服系统（阀芯阀套直接比较）（阀芯阀套直接比较）（阀芯阀套直接比较）（阀芯阀套直接比较）内内反反馈馈就就是是直直接接比较的位置反馈。比较的位置反馈。Xi=X芯芯Xp=X套套阀芯与阀套阀芯与阀套阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较Xv-位置比较位置比较位置比较位置比较XiX芯芯X套套1 1 1 1指令与阀连指令与阀连1 1 1 1对象与阀套连对象与阀套连伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀XP内内反反馈馈中中的的比比较较元元件件就就是是“阀芯阀芯”和和“阀套阀套”。比较元件要求：比较元件要求：1）与指令元件相连（手）与指令元件相连（手）2）与被控对象相连（工作台）与被控对象相连（工作台）3）与放大元件相连（阀本身）与放大元件相连（阀本身）阀芯与阀套阀芯与阀套控制框图控制框图控制框图控制框图采用阀芯阀采用阀芯阀套直较方式套直较方式扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸Xv-位置比较位置比较位置比较位置比较KaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令XiX芯芯X套套1 1 1 1指令传感器指令传感器1 1 1 1反馈传反馈传感器感器伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀 三、三、工作原理及传递函数工作原理及传递函数 方框图方框图动力元件-Xi11指令指令液压动力元件液压动力元件扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸刀架刀架刀架刀架X XP PXV伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源-Xi11动力元件-Xi开环传递函数开环传递函数4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 四、稳定性分析四、稳定性分析 幅值稳定性裕量幅值稳定性裕量 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 四、稳定性分析四、稳定性分析 四、稳态负载误差四、稳态负载误差 四、稳态负载误差四、稳态负载误差 动力元件-Xi四、稳态负载误差四、稳态负载误差 将s=0代入得五、速度误差五、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：一、基本方程：二、方框图与传递函数：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：小小 结结 第第三三章章中中所所讨讨论论的的阀阀控控缸缸，阀阀控控马马达达及及系系在在马马达达等等都都是是开开环环控控制制。这这一一章章讲讲的的是是在在开开环环动动力力元元件件的的基基础础上上，加加上上反反馈馈装装置置后后就就组组成成闭闭环环控控制制系系统统。采采用用机机械械反馈元件的系统称为机液控制。反馈元件的系统称为机液控制。分分析析机机液液系系统统时时，首首先先要要分分析析其其工工作作原原理理。先先必必须须从从实实际际系系统统中中找找出出比比较较元元件件，弄弄清清比比较较方方式式，明明确确指指令令信信号号和和被被控控对对象象；然然后后研研究究阀阀、缸缸（动动力力元元件件）的的类类型型，在在此此基基础础上上就就可可以以建建立立全全部部基基本本方方程程，由由基基本本方方程程即即可可求求得得系系统统的的传传递递函函数数。有有了了传传递递函函数数，就就可可以按照制理论分析其静态动态品质。以按照制理论分析其静态动态品质。小小 结结 机机液液伺伺服服系系统统工工作作可可靠靠。但但是是，如如果果设设计计时时各各参参数数选选择择不不好好，装装配配时时就就不不易易调调整整。另另外外，机机械械元元件件有有惯惯性性，时时间间常常数数较较大大；机机械械运运动动件件间间总总有有间间隙隙、摩摩擦擦，工作久了总有磨损，这些都会降低系统的精度。工作久了总有磨损，这些都会降低系统的精度。由由于于液液压压动动力力元元件件的的传传递递函函数数式式是是积积分分环环节节加加振振荡荡环环节节。因因此此，可可以以说说机机液液系系统统的的开开环环传传递递函函数数基基本本上上都是积分加振荡。都是积分加振荡。比较元件要求：比较元件要求：1）与指令元件相连；）与指令元件相连；2）与被控对象相连；）与被控对象相连；3）与放大元件相连。）与放大元件相连。小小 结结 稳态误差稳态误差：稳态误差与放大元件的输出流量有关，与放大元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件在稳态时的输入量 xv 成正比。成正比。1）负载误差负载误差与与负载负载FL成正比成正比,与与压力增益压力增益KP成反比成反比(与与总压力流量系数总压力流量系数KCe成正比成正比)；2）速度）速度误差误差与与给定速度给定速度V成正比，与成正比，与速度增益速度增益Kv成反成反比。比。因此因此：1）要想办法提高要想办法提高压力增益压力增益KP，减小阀的零位泄漏；，减小阀的零位泄漏；2）要想办法在保证稳定的前提下，提高要想办法在保证稳定的前提下，提高速度增益速度增益Kv。小小 结结 稳定性稳定性：系统稳定性与开环系统稳定性与开环增益增益Kv有关，与固有频率有关，与固有频率h有有关，与阻尼系数关，与阻尼系数h有关。有关。1）油缸的等效容积越小，液压弹簧刚度越大，）油缸的等效容积越小，液压弹簧刚度越大，固有频固有频率率h越高，稳定性越好；越高，稳定性越好；2）开环开环增益增益Kv越小，越小，总压力流量系数总压力流量系数KCe越小，稳定越小，稳定性越好；但性越好；但 这与控制精度相矛盾。这与控制精度相矛盾。因此因此：1）采用零开口阀以减小采用零开口阀以减小压力流量系数压力流量系数KCe，提高，提高压力压力增益增益KP，从而保证控制精度；，从而保证控制精度；2）要想办法减小要想办法减小油缸的等效容积，提高油缸的等效容积，提高固有频率固有频率h，保证稳定性保证稳定性。幅值稳定性裕量幅值稳定性裕量 第第5章章 电液伺服阀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。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(流流量与压力量与压力)输出。根据输出液压信号的不问，电液伺服阀和输出。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。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。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电液伺服阀的组成与分类一、电液伺服阀的组成一、电液伺服阀的组成电液伺服阀通常由力矩马达电液伺服阀通常由力矩马达(或力马达或力马达)、液压放大器、液压放大器、反馈机构反馈机构(或平衡机构或平衡机构)三部分组成。三部分组成。二、电液伺服阀的分类二、电液伺服阀的分类按液压放大级数分为：按液压放大级数分为：单级伺服阀单级伺服阀 此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩此类阀结构简单、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、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。小流量和负载动态变化不大的场合。两级伺服阀两级伺服阀 此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。的型式。三级伺服阀三级伺服阀 此类阀通常是由一个两级伺服阀作前置级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。通常只用在大流量的场合。按第一级阀的结构形式分类：按第一级阀的结构形式分类：可分为：滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀可分为：滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀 射流管射流管阀和偏转板射流阀。阀和偏转板射流阀。按反馈形式分类：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可分为滑阀位置反嫂、负载流量反馈和负载压力反馈三种。种。按力矩马达是否浸泡在油中分类：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。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、。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