第四章機液伺服系統(tǒng)

1、本章摘要 由機械反饋裝置和液壓動力元件所組由機械反饋裝置和液壓動力元件所組成的反饋控制系統(tǒng)稱為機械液壓伺服系統(tǒng)。成的反饋控制系統(tǒng)稱為機械液壓伺服系統(tǒng)。進行位置控制，也可以用來控制進行位置控制，也可以用來控制其它物理量，如原動機的轉(zhuǎn)速控制等。其它物理量，如原動機的轉(zhuǎn)速控制等。本章摘要 由液壓放大元件和液壓執(zhí)行元件所組成的液由液壓放大元件和液壓執(zhí)行元件所組成的液壓動力元件，實際上就是一個壓動力元件，實際上就是一個開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。 如果將液壓執(zhí)行元件的輸出位移量與指令信如果將液壓執(zhí)行元件的輸出位移量與指令信號相比較后的誤差信號再控制液莊放大元件，就號相比較后的誤差信號再控制液莊放大元件，就

2、是是閉環(huán)位置控制系統(tǒng)閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。 將輸入量與反饋量比較后的誤差信號對輸出將輸入量與反饋量比較后的誤差信號對輸出量不斷調(diào)整以求減少誤差的系統(tǒng)量不斷調(diào)整以求減少誤差的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)或伺稱隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。服系統(tǒng)。 如果如果比較反饋元件由機械元件比較反饋元件由機械元件充當，則稱為充當，則稱為“機液伺服系統(tǒng)機液伺服系統(tǒng)”，以區(qū)別于電反饋系統(tǒng)。，以區(qū)別于電反饋系統(tǒng)。 “機液伺服系統(tǒng)機液伺服系統(tǒng)”廣泛的應用于廣泛的應用于飛機舵面控飛機舵面控制、火炮瞄準機構操縱、車輛轉(zhuǎn)向控制、仿形機制、火炮瞄準機構操縱、車輛轉(zhuǎn)向控制、仿形機床以及伺服變量泵床以及伺服變量泵等處。等處。 、工作原理及傳遞函數(shù)、工作原理

3、及傳遞函數(shù) 21:vvvxxx閥開口量為特點：結(jié)構簡單、可靠、易維修特點：結(jié)構簡單、可靠、易維修XPXipS比較杠桿比較杠桿XPXV手手XiX1X2vx1vx2vxpxix比較反饋原理比較反饋原理baababX1baXi1vxix-X22vxabpxXPXiXVXV =X1 -X2vxixpx21vvvxxx指令指令液壓動力元件液壓動力元件XVpSXV文字方框圖文字方框圖XPXi比較杠桿比較杠桿abXibaabab比較元件要求：比較元件要求：1）與指令元件相連（手）與指令元件相連（手）2）與被控對象相連（舵機）與被控對象相連（舵機） 3）與放大元件相連（閥芯）與放大元件相連（閥芯） 、工作原理

4、及傳遞函數(shù)、工作原理及傳遞函數(shù) 指令指令液壓動力元件液壓動力元件XVXibaabab2221421qcetvLppecephhhKKVXs FAAKXsss由第三章分析，假設沒有彈性負載由第三章分析，假設沒有彈性負載液壓缸活塞的輸出位移是液壓缸活塞的輸出位移是： 、工作原理及傳遞函數(shù)、工作原理及傳遞函數(shù) )12(122ssshhhvxpxLF)4(12CeetpKsVApqAK動力元件Xibaabab閥控缸傳遞函數(shù)閥控缸傳遞函數(shù)2221421qcetvLppecephhhKKVXs FAAKXsss指令指令液壓動力元件液壓動力元件XVXibaabab 、方框圖及傳遞函數(shù)、方框圖及傳遞函數(shù) )1

5、2(122ssshhhvxpxLF)4(12CeetpKsVApqAK動力元件Xibaabab開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù) 開環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù) 1、開環(huán)傳遞函數(shù)中：低頻段曲線斜率是、開環(huán)傳遞函數(shù)中：低頻段曲線斜率是-20dec分貝；分貝；2、高頻時由于、高頻時由于 加二階振蕩環(huán)節(jié)，曲線曲線斜加二階振蕩環(huán)節(jié)，曲線曲線斜率是率是-60dec分貝；分貝；在低頻在低頻穿越頻率時，相位裕量穿越頻率時，相位裕量 180+ （wc）3、當頻率升高到液壓固有頻率，、當頻率升高到液壓固有頻率，幅頻曲線出現(xiàn)諧振位置 ，此時對應相角是-180 相角裕量相角裕量大于零，大于零， 180+ (

6、wc)一般要求： 30 60 幅值裕量幅值裕量Kg大于零，大于零，KgL（wg）（dB)，一般要求Kg 6dB從博德圖中可得： KvwcvhhK2lg20幅值穩(wěn)定性裕量：幅值穩(wěn)定性裕量：系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 控制理論中所討論的穩(wěn)定性是指自由振蕩下的穩(wěn)定性，即討論輸入線性定?？刂评碚撝兴懻摰姆€(wěn)定性是指自由振蕩下的穩(wěn)定性，即討論輸入線性定常系統(tǒng)為零而初始偏差不為零時，自由振蕩是收斂的還是發(fā)散的。系統(tǒng)為零而初始偏差不為零時，自由振蕩是收斂的還是發(fā)散的。線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件： 是特征方程的根具有負實部；或者說系統(tǒng)的閉環(huán)極點均是特征方程的根具有負實部；

7、或者說系統(tǒng)的閉環(huán)極點均位于復平面的左半部。位于復平面的左半部。穩(wěn)定判據(jù)：穩(wěn)定判據(jù)： （1）勞斯判據(jù)：）勞斯判據(jù)：是一種代數(shù)判據(jù)是一種代數(shù)判據(jù) （2）乃氏判據(jù)：）乃氏判據(jù)：是一種幾何判據(jù)是一種幾何判據(jù) （3）對數(shù)頻率特性的穩(wěn)定判據(jù)）對數(shù)頻率特性的穩(wěn)定判據(jù) 即即。二、穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定性分析 Routh穩(wěn)定判據(jù)穩(wěn)定判據(jù) 系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件 1110( )nnnnD sa sasa sa設系統(tǒng)特征方程為設系統(tǒng)特征方程為各項除以各項除以an并分解因式并分解因式 110112()()()nnnnnnnaaasssssssssaaa1212111,2()()()()()( 1)nnnnn

8、nnniijiiijiijssssssss ss s ss 11()nniinasa 21,2()nnijijnijas sa 31,2nnijkij knijas s sa 01( 1)nniinasa .1100,.,0,0nnaaaa二、穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定性分析 系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件 系統(tǒng)特征方程式的系數(shù)按下列形式排列成系統(tǒng)特征方程式的系數(shù)按下列形式排列成Routh表表 nn-2n-4n-61n-1n-3n-5n-72123431234 a a a a a a a a A A A A B B B B nnnnssss2121101: : : : : : : : : D D

9、 E sssF12311nnnnnaaa aAa14521nnnnnaaa aAa16731 nnnnnaaa aAa131211nnAaaABA151321nnAaaABA171431nnAaaABA . . 1110( )nnnnD sa sasa sa二、穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定性分析 機液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)定裕量機液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)定裕量 在不考慮外干擾力在不考慮外干擾力FL的影響時，系統(tǒng)的的影響時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為開環(huán)傳遞函數(shù)為由開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，就可以進行機液伺服系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)分析由開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，就可以進行機液伺服系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)分析 22( )2

10、1pvVhhhXKG sXsss322( )( )1( )2vhvhhKG ssG ssssK 該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 二、穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定性分析 機液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)定裕量機液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)定裕量 322( )( )1( )2vhvhhKG ssG ssssK 其特征方程為其特征方程為 32220hvhhsssK Routh表如下表如下 32h1 1s2hvh2 K svh21hhhhK2 2s.vh2hhK2vhhK2 : 1、開環(huán)頻域指標、開環(huán)頻域指標 ：穿越頻率穿越頻率：wc (又稱增益交界頻率）。指開環(huán)波德圖上幅頻特性的幅值（增益）L=0處的

11、頻率值。相位裕量相位裕量：指在wc處開環(huán)剪切（穿越）頻率的開環(huán)相頻特性與180線的相位差，即 180+ (wc)。一般要求： 30 60 幅值裕量幅值裕量Kg： 又稱增益裕量。指在相位等于 180時的頻率處 wg處（稱相位交界頻率）幅頻特性幅值的相反數(shù)，即KgL （wg）（dB)，一般要求Kg 6dB。 2、閉環(huán)頻域指標、閉環(huán)頻域指標 ：諧振頻率：諧振頻率：w 。指閉環(huán)波德圖上的幅值（增益）為最大Lmax處的頻率值。一般要求w 300rad/s。諧振峰值諧振峰值M：指對應于Lmax 的閉環(huán)頻率特性的幅值，一般要求M 1.04閉環(huán)截止頻率閉環(huán)截止頻率wb：指閉環(huán)波德圖上,當幅值特性的增益值下降到

12、零頻率處增益值以下3dB時所對應的頻率。 相應0 wb稱為系統(tǒng)頻寬。一般要求wb 0 400 rad/s。系統(tǒng)頻寬有時稱幅頻寬，用w-3dB 表示。-90 帶寬帶寬w-90 。指在閉環(huán)波德圖上，零頻率到相頻特性-90 處所對應頻率的頻率范圍，一般要求w-90 0350 rad/s。帶寬w-90 有時稱相頻寬二、穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定性分析 一般取一般取 h(0.2 0.4)h這時位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是這時位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是 h(0.2 0.4)vKvhhK2 0.1-0.2 為了防止系統(tǒng)中元件參數(shù)變化的影響，應為了防止系統(tǒng)中元件參數(shù)變化的影響，應保證穩(wěn)定性有一定的儲備，稱為保證穩(wěn)定性有一定

13、的儲備，稱為。它又分幅值裕度和相位裕度它又分幅值裕度和相位裕度.180()oc 120lg()2vghhhKKG j 幅值裕度幅值裕度:相位裕度相位裕度:一般，相位角一般，相位角40o60o，幅值裕量要大于，幅值裕量要大于6dB,即可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。即可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。hhvhhhvhvssKKsKGH,2,22穿越頻率穿越頻率相位裕量相位裕量30 60 幅值裕量幅值裕量二、穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定性分析 vhhK2lg20幅值穩(wěn)定性裕量幅值穩(wěn)定性裕量 hvKlg20vKlg201xv2xv16531247ABRDCaI I Ipcpsabcod表表 51 仿形刀架參數(shù)仿形刀架參數(shù) 參數(shù)名稱 參

14、數(shù)值 參數(shù)名稱 參數(shù)值 移動部總重量 G=700N 油液密度 3900kgm 液壓缸直徑 D=0.09m 油液運動粘度 61120 10 .Ns 液壓缸的最大行程 L=0.1m 油液體積彈性模量 527 10eN m 閥心直徑 d=0.012m 供油油源壓力 ps=25105N/m2 液壓缸活塞寬度 B=0.03m 刀具安裝角 60 閥心與閥套間配合間隙 Cr=1.510-5m 縱向走刀速度 V縱5103m.s-1 反饋系數(shù) Kf=1 刀切削力 FL=3000N 由由Routh判據(jù)知，穩(wěn)定性條件為判據(jù)知，穩(wěn)定性條件為 193.727910.3=474.6，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。所以系統(tǒng)穩(wěn)定。22221

15、93.7( )= = s2 0.32s(1)1791791vhhhKG sssssvhhK2 手工繪制手工繪制Bode 圖時，一般取圖時，一般取 193.7, 791cvghK20lg7.9()2vghhKKdB 20.6 193.7/791180( 9081.91 (193.7/791)arctg -80-60-40-2002040Magnitude (dB)101102103104-270-225-180-135-90Phase (deg)00.010.020.030.04050100150200250300Bode DiagramGm = 7.77 dB (at 790 rad/sec)

16、 , Pm = 80.5 deg (at 205 rad/sec)Frequency (rad/sec)Impulse ResponseTime (sec)AmplitudeKS1液壓缸缸體的固定剛度液壓缸缸體的固定剛度KS2液壓缸缸體的固定剛度液壓缸缸體的固定剛度活塞位移活塞位移Xp對閥芯位移對閥芯位移Xv的傳遞函數(shù)為：的傳遞函數(shù)為： ceK下面分析：三、傳遞函數(shù)簡化液壓固有頻率不變：液壓阻尼比：2221qppvhhhKXAXsss24ephttAmV( )ceetdethptptKmGsmAVAV：( )1detccetptpctGsmCsmAVAsV附加阻尼比：( )1detccetpt

17、pctGsmCsmAVAsV11cetcchdptccCmssKAVss由于穩(wěn)態(tài)時，壓力無變化，由于穩(wěn)態(tài)時，壓力無變化，不存在不存在壓力微分環(huán)節(jié)，壓力微分環(huán)節(jié)，附加阻尼比為零：，附加阻尼比為零：可以可以，以便，以便，而系統(tǒng)的，而系統(tǒng)的，這就可以同時滿足靜態(tài)特性這就可以同時滿足靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩方面和動態(tài)特性兩方面 的要求的要求為使阻尼比在為使阻尼比在0.5-0.8，相頻不變，則：相頻不變，則：趨向于趨向于0 電液步進馬達在開環(huán)數(shù)電液步進馬達在開環(huán)數(shù)字程序控制機床中得到字程序控制機床中得到廣泛應用廣泛應用 開環(huán)傳遞函數(shù)為開環(huán)傳遞函數(shù)為 ()2vvmtxv 螺桿導程。 22/2(1)qmmhvh

18、hKDsxss24emhttDV JceethmtKJDV22( )( )2(1)vhhhKG s H ssss322( )1( )21( )( )1hvhvhvG ssssG s H ssKKK從而可進行穩(wěn)定性及誤差分析從而可進行穩(wěn)定性及誤差分析 閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù) 22/2(1)qmmhvhhKDsxss24emhttDV JceethmtKJDV 第三章中所討論的閥控缸，閥控馬達及泵控馬達第三章中所討論的閥控缸，閥控馬達及泵控馬達等都是開環(huán)控制。這一章講的是在開環(huán)動力元件的基等都是開環(huán)控制。這一章講的是在開環(huán)動力元件的基礎上，加上反饋裝置后就組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用機礎上，加上反饋裝

19、置后就組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用機械反饋元件的系統(tǒng)稱為機液控制。械反饋元件的系統(tǒng)稱為機液控制。 分析機液系統(tǒng)時，首先要分析其工作原理。先必須分析機液系統(tǒng)時，首先要分析其工作原理。先必須從實際系統(tǒng)中找出比較元件，弄清比較方式，明確指從實際系統(tǒng)中找出比較元件，弄清比較方式，明確指令信號和被控對象；然后研究閥、缸（動力元件）的令信號和被控對象；然后研究閥、缸（動力元件）的類型，在此基礎上就可以建立全部基本方程，由基本類型，在此基礎上就可以建立全部基本方程，由基本方程即可求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。有了傳遞函數(shù)，就可方程即可求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。有了傳遞函數(shù)，就可以按照制理論分析其靜態(tài)動態(tài)品質(zhì)。以按照制理論分析其靜

20、態(tài)動態(tài)品質(zhì)。 機液伺服系統(tǒng)工作可靠。但是，如果設計時各參數(shù)機液伺服系統(tǒng)工作可靠。但是，如果設計時各參數(shù)選擇不好，裝配時就不易調(diào)整。另外，機械元件有慣選擇不好，裝配時就不易調(diào)整。另外，機械元件有慣性，時間常數(shù)較大；機械運動件間總有間隙、摩擦，性，時間常數(shù)較大；機械運動件間總有間隙、摩擦，工作久了總有磨損，這些都會降低系統(tǒng)的精度。工作久了總有磨損，這些都會降低系統(tǒng)的精度。 由于液壓動力元件的傳遞函數(shù)式是積分環(huán)節(jié)加振由于液壓動力元件的傳遞函數(shù)式是積分環(huán)節(jié)加振蕩環(huán)節(jié)。因此，可以說機液系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)基本蕩環(huán)節(jié)。因此，可以說機液系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)基本上都是積分加振蕩。上都是積分加振蕩。比較元件要求：比較元件要求：1）與指令元件相連；）與指令元件相連；2）與被控對象相連；）與被控對象相連；3）與放