液壓系統(tǒng)設(shè)計3

1、液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計 液壓系統(tǒng)設(shè)計 （第三講） 電液控制系統(tǒng)設(shè)計1 電液控制系統(tǒng)分類按控制物理量分類位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)按液壓控制元件控制方式的不同分類閥控系統(tǒng)、泵控系統(tǒng)根據(jù)輸入信號形式和信號處理手段分類數(shù)字控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、交流控制系統(tǒng)、數(shù)模混合控制系統(tǒng)。 2 電液位置控制系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)輸出的位置同系統(tǒng)的輸入量之間始終保持一定的比例關(guān)系。1)電液位置控制系統(tǒng)組成和方塊圖 角度同步變壓器機(jī)可以看作為比例環(huán)節(jié)：交流放大和解調(diào)器同樣視為比例環(huán)節(jié)：伺服放大器的輸入電壓與輸出電流近似成比例：伺服閥的傳遞函數(shù)： 式中 i馬達(dá)軸與負(fù)載間齒輪傳動比； TL系統(tǒng)輸出軸阻力矩

2、；只考慮慣性負(fù)載，則閥控馬達(dá)的滑閥位移對馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)為則系統(tǒng)的方塊圖為： 2)性能分析 A穩(wěn)定性分析 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為式中 Kv系統(tǒng)開環(huán)增益。 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為式中 Kv系統(tǒng)開環(huán)增益。 單位反饋時，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為利用勞斯判據(jù)可知，欲使系統(tǒng)穩(wěn)定，需滿足： Kv2 h h h值的計算不易準(zhǔn)確又不易測定。一般取 h=0.10.2。所以系統(tǒng)穩(wěn)定條件為 Kv(0.20.4) h 為了防止系統(tǒng)中由于元件參數(shù)變化造成的影響，也為了得到滿意的性能指標(biāo)，一般相位裕量在3060 之間，幅值裕量為612分貝。故特征方程為： B位置控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為分母的三次多項式可

3、以分解為一個一階因式和一個二階因式的乘積： 閉環(huán)慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率的無因次曲線 b Kv 當(dāng)h和Kv/h較小時， 當(dāng)h和Kv/h較小時， nc h 當(dāng)h和Kv/h較小時， 2 nc 2 hKv/ h C系統(tǒng)的精度分析A) 靜態(tài)誤差對于只有慣性負(fù)載的位置控制系統(tǒng)，對輸入信號來說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是I型。I型系統(tǒng)沒有位置誤差而只有速度誤差。速度誤差等于輸入速度Vi被開環(huán)放大系數(shù)除，即系統(tǒng)對于干擾信號的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 此式稱為系統(tǒng)閉環(huán)柔度特性，其倒數(shù)即為閉環(huán)剛度特性。系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)剛度為對于干擾信號TL來說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是零型，干擾力矩引起位置誤差為 B) 伺服閥死區(qū)和零飄引起的位置誤差 如果伺服閥的死區(qū)、液壓

4、馬達(dá)和負(fù)載摩擦的死區(qū)折合為電流誤差il，電液伺服閥的零飄為i2，伺服放大器零飄折合到電液伺服閥為i3；，這些因素引起的位置誤差為Ke、Kd、Kf反饋取出點(diǎn)經(jīng)反饋通路到伺服閥輸入的增益。 C) 測量元件的誤差 測量元件與負(fù)載連接，測量元件的固有誤差、安裝調(diào)試和校準(zhǔn)誤差會反映到輸出軸上，其值假設(shè)為a。 總位置誤差為 D位置控制系統(tǒng)的校正A)串聯(lián)滯后校正作用：提高開環(huán)增益以提高精度，其傳遞函數(shù)為：式中 1rcRC超前環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；滯后超前比 1。典型滯后校正網(wǎng)絡(luò) 校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為加入滯后校正的位置系統(tǒng)開環(huán)波德圖一般要求：選擇不超過1020；Kg1020dB、4060；c 位于rc和h之間

5、的-20dB/dec區(qū)間。參數(shù)選取方法：當(dāng)c確定后，取rc(1/41/5) c，調(diào)整rc 滿足穩(wěn)定裕量要求。 B) 速度及加速度反饋校正反饋校正回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中 K1單有速度反饋校正時校正回路的開環(huán)增益，且 K2單有加速度反饋校正時校正回路的開環(huán)增益，且只有速度反饋校正，即K20時，系統(tǒng)的開環(huán)增益由Kv下降到Kv / (1+K1)，固有頻率由h增加到11hK，阻尼比由 h降低到1/1hK，提高反饋回路外的增益Ke，可以補(bǔ)償Kv的下降。只有加速度反饋時，Kv、h不變而阻尼比 h提高，提高了穩(wěn)定性。 整個位置系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)有速度反饋后的系統(tǒng)開環(huán)波德圖 加速度反饋的實質(zhì)是把輸出速度變化率超

6、前反饋，以阻止輸出量的變化而形成阻尼。提高了系統(tǒng)等速輸入時的平穩(wěn)性。二階以上系統(tǒng)用加速度反饋有利于平穩(wěn)調(diào)速，故常用這種校正。加入速度，加速度反饋校正后： 加速度、速度反饋參數(shù)選擇原則：1）根據(jù)希望的h、h求得K1、K2，2）進(jìn)一步求出Kfa、Kfv，求出Kv可判定Ka的值3）通常h、h有一定限度。要求增大后的c以-20dB/dec穿過零分貝線。 加入速度及加速度反饋的系統(tǒng)開環(huán)波德圖3 電液速度控制系統(tǒng)1) 電液速度控制系統(tǒng)的組成及控制方式 小功率：閥馬達(dá)組合； 大功率：變量泵液壓馬達(dá)組合。 A伺服閥控制液壓馬達(dá)B變量泵定量馬達(dá)閉環(huán)控制 2) 速度控制系統(tǒng)的分析與校正 A速度控制系統(tǒng)的分析 以閥

7、控馬達(dá)為例，系統(tǒng)的負(fù)載是慣性負(fù)載，伺服閥認(rèn)為是一個比例環(huán)節(jié). 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為K0為速度控制系統(tǒng)開環(huán)增益是零型系統(tǒng)，對速度階躍輸入時，速度偏差隨速度增大而增大，這是一個有差系統(tǒng)，因此實際上是一個速度調(diào)節(jié)器。曲線以-40dB/dec穿過零分貝線，所以穿越頻率處相位裕量很小，如果系統(tǒng)不作簡化，考慮到h和c之間有其它滯后環(huán)節(jié)，穿越頻率c之處的斜率將是-60dBdec或 -80dBdec，系統(tǒng)的相位滯后又將增加90或180 ，系統(tǒng)肯定是不穩(wěn)定，即使勉強(qiáng)穩(wěn)定，由于K0的下降，系統(tǒng)的精度下降。因此速度控制必須校正，才能可靠穩(wěn)定地工作。 B速度控制系統(tǒng)的校正 最簡單的校正方法是加滯后校正，相當(dāng)于低頻段增

8、加了慣性環(huán)節(jié)。這時穿越頻率附近的斜率為 -20dBdec。校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 由于h一般為0.10.2，從穩(wěn)定條件出發(fā)Kv c (0.20.4) h。設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)就是要確定K0及T 1g c 一1g(1T)1g K0即 K0Tc 滯后網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)為確定c后選K0及T再確定R及C。經(jīng)過校正的系統(tǒng)穿越頻率比未校正的系統(tǒng)的穿越頻率低，使閉環(huán)響應(yīng)速度變慢。 4 力力(壓力壓力)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 力伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)的材料試驗機(jī)、線材或帶材張力控制、軋鋼機(jī)的壓下和車輛剎車裝置。本系統(tǒng)具有精度高、響應(yīng)速度快、功率大、結(jié)構(gòu)緊湊和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 在力控制系統(tǒng)中被控制量是力，雖然在位置或速度控制

9、系統(tǒng)中，要帶動負(fù)載運(yùn)動也有力的輸出，但這種力不是被控制量而是取決于被控制量(位置、速度)和外負(fù)載力。同樣在力控制系統(tǒng)中，位移和速度取決于輸出力和受力對象本身的狀態(tài)。 1)力控制系統(tǒng)的組成 2) 控制系統(tǒng)的性能分析及校正 若負(fù)載質(zhì)量是M、負(fù)載粘性阻尼是B和負(fù)載彈簧剛度是k時，則基本方程為：力傳感器的變換方程為：式中 Kf力傳感器增益。從閥芯位移xv至力F的小閉環(huán)傳遞函數(shù)為令?。合到y(tǒng)的傳遞函數(shù)為：式中：因為：所以：開環(huán)系統(tǒng)中出現(xiàn)壓力增益，說明系統(tǒng)輸出是力。由于力控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中有一個二階微分環(huán)節(jié)，對于不同負(fù)載工況的開環(huán)波德圖有很大差別。下面就兩種負(fù)載工況來討論近似的方法。開環(huán)傳遞函數(shù)中的二階微分環(huán)節(jié)與二階振蕩環(huán)節(jié)抵消，僅剩慣性環(huán)節(jié)，由于3很小，2與3很接近，3處的諧振峰也不利于穩(wěn)定。未經(jīng)校正的電液力控制系統(tǒng)是一個零型系統(tǒng)，開環(huán)增益kv中有壓