液壓伺服系統(tǒng)分析與建模

液壓伺服系統(tǒng)分析與建模制造科學(xué)與工程學(xué)院2013年四川大學(xué)主要內(nèi)容液壓動(dòng)力元件液壓控制系統(tǒng)概論液壓放大元件電液伺服閥及電液伺服系統(tǒng)機(jī)液伺服系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)換器件第1章液壓控制系統(tǒng)概論液壓控制系統(tǒng)分類及特點(diǎn)液壓控制系統(tǒng)組成及工作原理液壓控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用本章內(nèi)容概要1.1液壓控制系統(tǒng)組成及工作原理

包括機(jī)液伺服系統(tǒng)和電液伺服系統(tǒng)。機(jī)液伺服系統(tǒng)舉例

輪式車輛液壓助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)第1章液壓控制系統(tǒng)概論工作原理框圖第1章液壓控制系統(tǒng)概論方向盤轉(zhuǎn)向器控制閥液壓源液壓缸梯形機(jī)構(gòu)車輪反饋機(jī)構(gòu)電液伺服系統(tǒng)舉例模擬振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)第1章液壓控制系統(tǒng)概論工作原理框圖比較放大器電液伺服閥液壓源液壓缸振動(dòng)臺(tái)反饋傳感器輸入裝置第1章液壓控制系統(tǒng)概論機(jī)電液控制系統(tǒng)一般構(gòu)成及工作原理第1章液壓控制系統(tǒng)概論放大轉(zhuǎn)換元件液壓源液壓執(zhí)行元件檢測反饋元件輸入元件控制對(duì)象比較元件液壓控制系統(tǒng)基本組成：輸入元件：也稱指令元件，它給出輸入信號(hào)(指令信號(hào))加于系統(tǒng)的輸入端，是機(jī)械的、電氣的、氣動(dòng)的等。如靠模、指令電位器或計(jì)算機(jī)等。檢測反饋元件：測量系統(tǒng)的輸出并轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)。這類元件也是多種形式的。各種傳感器常作為反饋測量元件。比較元件：將反饋信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，給出偏差信號(hào)。放大轉(zhuǎn)換元件：將偏差信號(hào)故大、轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)(流量或壓力)。如伺服放大器、機(jī)液伺服閥、電液伺服閥等。液壓執(zhí)行元件：產(chǎn)生調(diào)節(jié)動(dòng)作加于控制對(duì)象上，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)任務(wù)。如液壓缸和液壓馬達(dá)等。控制對(duì)象：被控制的機(jī)器設(shè)備或物體，即負(fù)載。其它：各種校正裝置，以及不包含在控制回路內(nèi)的液壓能源裝置。第1章液壓控制系統(tǒng)概論1.2液壓控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用液壓伺服控制是一門新興的科學(xué)技術(shù)。它不但是液壓技術(shù)的一個(gè)重要分支．而且也是控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。

在第一次和第二次世界大戰(zhàn)期間及以后，由于軍事工業(yè)的刺激，液壓伺服控制因響應(yīng)快、精度高、功率—重量比大等特點(diǎn)而受到特別的重視，特別是近幾十年，隨著整個(gè)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，促使液壓伺服控制得到迅速發(fā)展，使這門技術(shù)無論在元件和系統(tǒng)方面，還是在理論與應(yīng)用方面都日趨完善和成熟，形成一門新興的科學(xué)技術(shù)。

目前，液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)已成為武器自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。在國防工業(yè)和一般工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。第1章液壓控制系統(tǒng)概論1.3液壓控制系統(tǒng)分類及特點(diǎn)按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律分類定值控制系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)為定值時(shí)稱為定值控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)按預(yù)先給定的規(guī)律變化時(shí)，稱為程序控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)：也稱隨動(dòng)系統(tǒng)，其輸入信號(hào)是時(shí)間的未知函數(shù)，而輸出量能夠準(zhǔn)確、快速地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。第1章液壓控制系統(tǒng)概論按被控物理量的名稱分類位置伺服控制系統(tǒng)速度伺服控制系統(tǒng)其它物理量的控制系統(tǒng)按液壓動(dòng)力元件的控制方式分類節(jié)流式控制(閥控式)系統(tǒng)：閥控液壓缸系統(tǒng)和閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)容積式控制系統(tǒng)：伺服變量泵系統(tǒng)和伺服變量馬達(dá)系統(tǒng)。按信號(hào)傳遞介質(zhì)的形式分類機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)電氣液壓伺服系統(tǒng)氣動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)第1章液壓控制系統(tǒng)概論按系統(tǒng)輸出功率大小分類功率伺服：幾千瓦~幾十千瓦儀器伺服：功率<200W，主要完成動(dòng)作或計(jì)算按拖動(dòng)裝置的對(duì)稱性分類具有對(duì)稱參數(shù)的系統(tǒng)：往返v，F(xiàn)，T相同，用同一精度進(jìn)行控制非對(duì)稱參數(shù)的系統(tǒng)：往返v，F(xiàn)，T不同，系統(tǒng)本身的特性依賴于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向。第1章液壓控制系統(tǒng)概論液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：液壓元件的功率—重量比和力矩-慣量比大?？梢越M成結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、加速性好的伺服系統(tǒng)。液壓動(dòng)力元件快速性好，系統(tǒng)響應(yīng)快。常見負(fù)載情況下，液壓執(zhí)行元件動(dòng)特性，基本上是一個(gè)固有頻率很高的二階振蕩環(huán)節(jié)。油的壓縮性小，所以液壓彈簧負(fù)載質(zhì)量耦合而成的固有頻率很高，由此構(gòu)成的系統(tǒng)回路增益得以調(diào)高，頻帶加寬，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快。液壓伺服系統(tǒng)的控制精度高。抗負(fù)載的剛度大，即輸出位移受負(fù)載變化的影響小，定位準(zhǔn)確。

第1章液壓控制系統(tǒng)概論缺點(diǎn)：工作油液的清潔度要求高。液壓元件，特別是精密的液壓控制元件(如電液伺服閥)抗污染能力差。

油溫變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響。造成環(huán)境污染。當(dāng)液壓元件的密封設(shè)計(jì)、制造及使用維護(hù)不當(dāng)時(shí)．容易引起外漏。

液壓元件制造精度要求高，成本高。

液壓能源的獲得和遠(yuǎn)距離傳輸都不如電氣系統(tǒng)方便。小功率信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算一般不用，數(shù)學(xué)運(yùn)算，誤差檢測、放大測試與補(bǔ)償?shù)裙δ懿蝗珉娮印５?章液壓控制系統(tǒng)概論1基本概念流量公式雷諾數(shù)小于2000時(shí)，流體的流動(dòng)處于層流狀態(tài)；大于4000時(shí)，為紊流狀態(tài)；液壓油的粘度一般在10～100cst范圍內(nèi)；液壓系統(tǒng)中的連接管道中流體的流速一般小于4.5m/s；流體為層流時(shí)：

流體為紊流時(shí)：

層流時(shí):紊流時(shí)：補(bǔ)充：有關(guān)流體力學(xué)的基本概念及動(dòng)態(tài)分析方法壓縮性：定義：壓力每變化一個(gè)單位，單位體積的體積變化量；體積彈性模量β

：定義為壓縮性的倒數(shù)；理想體積彈性模量是一個(gè)常數(shù)：17×108N/m2；有效體積彈性模量小于理想體積彈性模量；壓縮性流量：液壓沖擊：補(bǔ)充：有關(guān)流體力學(xué)的基本概念及動(dòng)態(tài)分析方法vs為聲速穩(wěn)態(tài)下，液壓系統(tǒng)中的壓力和流量是一對(duì)互相獨(dú)立的變量，壓力取決于負(fù)載，流量取決于負(fù)載的移動(dòng)速度；動(dòng)態(tài)下，壓力變化會(huì)引起壓縮性流量，流量突然變化也會(huì)導(dǎo)致壓力沖擊補(bǔ)充：有關(guān)流體力學(xué)的基本概念及動(dòng)態(tài)分析方法2動(dòng)態(tài)特性分析一階系統(tǒng)建模及分析補(bǔ)充：有關(guān)流體力學(xué)的基本概念及動(dòng)態(tài)分析方法p1p2假定通過節(jié)流孔的流量與節(jié)流孔進(jìn)出口瞬時(shí)壓力差成正比，比例系數(shù)為k，即：

q=k(p1-p2)壓縮性流量

補(bǔ)充：有關(guān)流體力學(xué)的基本概念及動(dòng)態(tài)分析方法二階系統(tǒng)建模及分析補(bǔ)充：有關(guān)流體力學(xué)的基本概念及動(dòng)態(tài)分析方法Mx1x2fK第2章液壓放大元件射流管閥結(jié)構(gòu)型式、工作原理、靜態(tài)特性圓柱滑閥結(jié)構(gòu)型式、工作原理、靜態(tài)特性噴嘴擋板閥結(jié)構(gòu)型式、工作原理、靜態(tài)特性本章內(nèi)容概要2.1液壓放大元件簡介圓柱滑閥

利用閥芯與閥體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)改變液流方向并依據(jù)節(jié)流原理對(duì)液體流量或壓力進(jìn)行控制；噴嘴擋板閥

射流管閥往往采用它們的組合一、按進(jìn)、出閥的通道數(shù)劃分四通閥(圖2.1a、b、c、d)(常用)，三通閥(圖2.1e)二通閥(圖2.1f)(只有一個(gè)負(fù)載通道，只能控制差動(dòng)油缸)2.1.1圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類二、按滑閥的控制棱邊劃分四邊滑閥(圖2.1a、b、c)，雙邊滑閥(圖2.1d、e)，單邊滑閥(圖2.1f)(控制棱邊越多，控制性能越好（控制精度），成本越高)2.1.1圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類2.1.1圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類三、按閥芯的凸肩(或臺(tái)肩)數(shù)目劃分二凸肩、三凸肩、四凸肩（與閥的通路數(shù)，供油密封，回油密封及工作邊的布置有關(guān)；凸肩越多，密封越好，但行程長，成本高）四、按滑閥的預(yù)開口型式劃分

正開口(負(fù)重疊)

零開口(零重疊)

負(fù)開口(正重疊)2.1.1圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類2.1.1圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類正開口(負(fù)重疊)：用于要求有一個(gè)連續(xù)的液流以便使油液維持合適溫度的場合；或用于要求采用恒流量油源的系統(tǒng)中。零開口(零重疊)：應(yīng)用最廣泛；負(fù)開口(正重疊)有死區(qū)，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差，還引起游隙，以至于產(chǎn)生穩(wěn)定性問題2.1.2噴嘴擋板閥一般用在第一級(jí)或先導(dǎo)級(jí)中。分類：單噴嘴：結(jié)構(gòu)及原理雙噴嘴：結(jié)構(gòu)及原理特點(diǎn)：抗污染能力強(qiáng)，慣量小，響應(yīng)速度高，缺點(diǎn)是零位的泄漏量大；2.1.3射流管閥可用在第一級(jí)或先導(dǎo)級(jí)中。結(jié)構(gòu)及原理：射流管，接受器，輸入裝置等組成特點(diǎn)：零位的泄漏量大，特性不易預(yù)測，響應(yīng)慢，使用受限。即使“堵塞”，也能“失效對(duì)中”，“事故歸零”2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析一、滑閥節(jié)流口的流量特性式中：Cd

為流量系數(shù)，通常取0.625；

A為開口面積；

ρ

為油液的密度；

Δp

為閥口的進(jìn)出口壓力差；

Q為通過的流量；理想矩形閥口：ω為閥口沿圓周方向的寬度，稱為面積梯度2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析當(dāng)閥芯與閥體之間存在縫隙時(shí)：其中：Cr為徑向間隙，伺服閥為0.5～2μm

二、滑閥壓力—流量方程的一般表達(dá)式2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析假設(shè)：Ps為常數(shù)，Qs為常數(shù)，忽略壓力損失；只考慮穩(wěn)態(tài)，油不可壓縮，流量系數(shù)相等；推得負(fù)載流量為：供油流量為：2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析三、閥的線性化分析和閥的系數(shù)（1）閥的線性化分析閥的壓力-流量特性是非線性的。利用線件化理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，必須將這個(gè)方程線性化。利用負(fù)載壓力流量方程將其在某一特定工作點(diǎn)附近展成泰勒級(jí)數(shù)可得：2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析（2）滑閥的特性系數(shù)流量增益：指負(fù)載壓降一定時(shí)，閥單位輸入位移所引起的負(fù)載流量變化的大小。流量-壓力系數(shù)：指閥開度一定時(shí)，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化大小。壓力增益：指QL＝0時(shí)閥單位輸入位移所引起的負(fù)載壓力變化的大小。2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析根據(jù)：所以有：負(fù)載壓力流量線性化方程：2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析說明：三個(gè)閥系數(shù)在確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，響應(yīng)特性時(shí)是非常重要的。

Kq，開環(huán)增益，對(duì)穩(wěn)定性、響應(yīng)特性、穩(wěn)態(tài)誤差有直接影響；

Kc，阻尼系數(shù)和速度剛性；

Kp，標(biāo)志閥—馬達(dá)組合啟動(dòng)大慣量或大摩擦負(fù)載的能力；零位閥系數(shù)，當(dāng)QL=pL=xv=0時(shí)的閥系數(shù)分別用Kq0，Kc0，Kp0表示；

Kq0=Kqmax，Kc0=Kcmin，穩(wěn)定性考慮，這一點(diǎn)最關(guān)鍵2.2滑閥靜態(tài)特性的一般分析一、理想零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性

1、理想零開口四邊滑閥的壓力—流量方程2.3零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性閥芯左移：

閥芯右移：

合并得：2.3零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性歸一化處理得：2.3零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性其中：

2、理想零開口四邊滑閥的閥系數(shù)

流量增益：2.3零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性流量-壓力系數(shù)：

壓力增益：理想零開口四邊滑閥的零位閥系數(shù)QL=pL=xv=0

流量增益：

流量-壓力系數(shù)：

壓力增益：2.3零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性理想閥的kq0和實(shí)際閥的kq0十分接近，故可放心使用，該增益值直接關(guān)系到伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而kq0計(jì)算比較準(zhǔn)確，所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠。但是kc0和kp0的計(jì)算值與實(shí)際閥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大。2.4正開口四邊滑閥的的特性一、理想正開口四邊滑閥的壓力—流量方程

設(shè)閥是匹配而且對(duì)稱的，各閥口的預(yù)開口量U相同，移動(dòng)量在正開口范圍內(nèi)：

歸一化方程：2.4正開口四邊滑閥的的特性正開口四邊滑閥的壓力流量曲線2.4正開口四邊滑閥的的特性二、零位閥系數(shù)

流量增益：

流量-壓力系數(shù)：

壓力增益：

2.4正開口四邊滑閥的的特性與零開口閥比較：

Kq0增加了一倍；

零位泄漏量增大了:

Kc0增加了，從而增加了系統(tǒng)的阻尼；零位附近的速度剛度差些；

Kp0減小了，閥對(duì)負(fù)載壓力控制靈敏度變低；一、零開口雙邊滑閥的靜態(tài)特性

1、零開口雙邊滑閥的壓力—流量方程

閥芯左移：

閥芯右移：

2.5雙邊滑閥的靜態(tài)特性帶差動(dòng)液壓缸的雙邊滑閥

無因次方程：2.5雙邊滑閥的靜態(tài)特性2、零開口雙邊滑閥的零位閥系數(shù)

流量增益：

流量-壓力系數(shù)：

壓力增益：2.5雙邊滑閥的靜態(tài)特性2、正開口雙邊滑閥的零位閥系數(shù)

流量增益：

流量-壓力系數(shù)：

壓力增益：2.5雙邊滑閥的靜態(tài)特性液流經(jīng)過閥口時(shí)，由于流動(dòng)方向和流速的變化造成液體動(dòng)量的改變，因此閥芯上會(huì)受到附加的作用力——液動(dòng)力；

在閥口開度一定的穩(wěn)定流動(dòng)情況下，液動(dòng)力為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。當(dāng)閥口開度發(fā)生變化時(shí)，還有瞬態(tài)液動(dòng)力的作用。

一、作用在滑閥閥芯上的液動(dòng)力

1、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力

2.6滑閥的受力分析由動(dòng)量定理得，控制體積內(nèi)的液體在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)其邊界面的反作用力

F=-(mv2-mv1)=-(?mv)2、零開口四邊滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力工作時(shí)有兩個(gè)串聯(lián)的閥口同時(shí)起作用，每個(gè)閥口的壓降為（ps-pL）/2。2.6滑閥的受力分析控制體積內(nèi)的液體對(duì)其邊界面的反作用力沿閥芯的軸線方向的分力就是穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。其值為正時(shí)作用力指向流動(dòng)方向，負(fù)值時(shí)為反方向。因此不管液流流動(dòng)方向如何，滑閥上的液動(dòng)力始終是使閥口趨于關(guān)閉。

閥芯左側(cè)完全開啟，此處的流速很小，且其流動(dòng)方向接近于半徑方向，因此液動(dòng)力的絕對(duì)值為：Kf

——穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度4、瞬態(tài)液動(dòng)力2.6滑閥的受力分析3、正開口四邊滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力:

有四個(gè)閥口同時(shí)工作，液動(dòng)力為它們的和。閥口開度變化時(shí)流量也變化，所以閥腔內(nèi)的流速將隨之改變，因此閥腔內(nèi)的液體質(zhì)量將由于慣性而對(duì)閥芯產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)的作用力——瞬態(tài)液動(dòng)力，其方向始終與閥腔內(nèi)液體的加速度方向相反。5、零開口四邊滑閥瞬態(tài)液動(dòng)力6、正開口四邊滑閥瞬態(tài)液動(dòng)力

2.6滑閥的受力分析

二、滑閥驅(qū)動(dòng)力

其中，Bv為閥芯與閥套間的粘性摩擦系數(shù)；

2.6滑閥的受力分析2.7滑閥的輸出功率和效率衡量液壓伺服系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)

閥的輸出功率：

NL=pL

×QL

閥的輸入功率：

Ns=ps

×QL

閥的效率：

ηF=NL/Ns=pL/ps

供油效率：

ηG=ps

×QL/(ps

×Qs)

=QL/Qs

回路效率：

ηs=pL

·QL/(ps

·Qs)

=ηF

·ηG一、零開口四邊滑閥輸出功率2.7滑閥的輸出功率和效率寫成無因次形式當(dāng)pL=0或qL=0，NL=0

令dNL/dpL=0，可得:pL=2/3ps

即在閥的最大開口xvm,pL=2/3ps

得閥的最大功率為二、零開口四邊滑閥效率（在最大功率點(diǎn)處）2.7滑閥的輸出功率和效率三、供油效率

1.采用定量泵能源

此時(shí)，Qs，ps為常數(shù)，則閥的效率為：

ηf=（pL

QL

）/（ps

QL

）=pL/ps

從泵的出口至閥的入口的供油效率：

ηG=QL/Qs

Qs——最大空載流量由執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大空載速度決定。

當(dāng)x=xvm

時(shí)，2.7滑閥的輸出功率和效率供油效率若忽略泵的效率，管路損失，執(zhí)行元件的效率，則伺服系統(tǒng)的總效率為：最大功率點(diǎn)處，pL=2/3ps時(shí)，

效率較低

2.采用變量泵能源

閥的效率為：

ηf=（pL

QL

）/（ps

QL

）=pL/ps

從泵的出口至閥的入口的供油效率：

ηG=QL/Qs=100%

總效率：2.7滑閥的輸出功率和效率當(dāng)

pL=2/3ps時(shí)，ηs=66.7%

高于定量泵油源系統(tǒng)的總效率；第3章液壓動(dòng)力元件本章內(nèi)容概要液壓動(dòng)力元件(或稱液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu))是由液壓放大元件(液壓比控制元件)和液壓執(zhí)行元件和負(fù)載組成。有四種基本型式的液壓動(dòng)力元件：閥控液壓缸、閥控液壓馬達(dá)、泵控液壓缸、泵控液壓馬達(dá)。本章將建立幾種基本的液壓動(dòng)力元件的傳遞函數(shù)，分析它們的動(dòng)態(tài)特性和主要性能參數(shù)?；窘Y(jié)構(gòu)形式3-1四通閥控制對(duì)稱缸一、基本方程：(一)滑閥的流量方程零開口，4個(gè)閥口是匹配且對(duì)稱，不考慮閥腔內(nèi)液體的壓縮；定義負(fù)載流量：(二)液壓缸流量連續(xù)性方程進(jìn)油腔流量：3-1四通閥控制對(duì)稱缸回油腔流量：液壓缸工作腔的容積：綜合以上各式得液壓缸流量連續(xù)性方程：3-1四通閥控制對(duì)稱缸根據(jù)：V01=V02=V0=Vt/2

同時(shí)：

則液壓缸流量連續(xù)性方程簡化為：(三)液壓缸和負(fù)載的力平衡方程：3-1四通閥控制對(duì)稱缸二、方框圖與傳遞函數(shù)：根據(jù)閥控液壓缸的基本方程進(jìn)行拉氏變換得：根據(jù)閥控液壓缸的拉氏變換方程式繪出系統(tǒng)方框圖。3-1四通閥控制對(duì)稱缸3-1四通閥控制對(duì)稱缸適合于負(fù)載慣量較小，動(dòng)態(tài)作用很小的情況適合于慣量和泄漏系數(shù)都很大，因而動(dòng)態(tài)特性占主導(dǎo)地位的情況由方框圖求得液壓缸輸出位移傳遞函數(shù)：式中，分子的第一項(xiàng)是液壓缸活塞的空載速度。第二項(xiàng)是外負(fù)載力作用引起的速度降低。其分母特征多項(xiàng)式各項(xiàng)意義如下：

第一項(xiàng)：

是慣性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)

生的活塞速度；

第二項(xiàng)：

是慣性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的

活塞速度；3-1四通閥控制對(duì)稱缸第三項(xiàng)：是粘性力變化引起的壓縮流量產(chǎn)生的活塞速度；第四項(xiàng)是活塞運(yùn)動(dòng)速度；第五項(xiàng)：是粘性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度；第六項(xiàng)：是彈性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度；第七項(xiàng)：是彈性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度。3-1四通閥控制對(duì)稱缸三、傳遞函數(shù)簡化

1、無彈性負(fù)載：簡化為：3-1四通閥控制對(duì)稱缸液壓固有頻率：液壓阻尼比：忽略Bp后近似為：3-1四通閥控制對(duì)稱缸對(duì)指令輸入Xv的傳遞函數(shù)：對(duì)指令輸入FL的傳遞函數(shù)：3-1四通閥控制對(duì)稱缸

2、有彈性負(fù)載：簡化為：3-1四通閥控制對(duì)稱缸32標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)形式：3-1四通閥控制對(duì)稱缸或進(jìn)一步簡化為：其中綜合固有頻率：綜合阻尼比：忽略Bp后近似為：3-1四通閥控制對(duì)稱缸3其它簡化形式：（無負(fù)載）3-1四通閥控制對(duì)稱缸當(dāng)βe∞,Bp=0,K=0時(shí),當(dāng)βe∞,Bp=mt=0時(shí),當(dāng)βe∞,Bp=mt=K=0時(shí),四、動(dòng)態(tài)特性分析針對(duì)無彈性負(fù)載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析

xp關(guān)于xv，F(xiàn)L的頻率響應(yīng)特性分析；主要?jiǎng)討B(tài)性能參數(shù)分析1.對(duì)給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析3-1四通閥控制對(duì)稱缸3-1四通閥控制對(duì)稱缸20lg[kq/(Ap2ωhζh)](1)速度放大系數(shù)Kq/Ap

當(dāng)xv為慢變信號(hào)時(shí)，3-1四通閥控制對(duì)稱缸增大Kq/Ap，改善響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度；但使穩(wěn)定性變差；

Ap由負(fù)載大小決定，為常數(shù)；

Kq當(dāng)隨工作點(diǎn)變化而變化，零位時(shí)，

Kqmax；在計(jì)算穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)采用空載時(shí)的最大流量增益；在計(jì)算靜態(tài)誤差時(shí)，應(yīng)取最小的流量增益；(2)液壓固有頻率液壓固有頻率是負(fù)載質(zhì)量與液壓缸工作腔中的油液壓縮性所形成的液壓彈簧相互作用的結(jié)果。3-1四通閥控制對(duì)稱缸其中：Kh為液壓彈簧剛度，

mt為慣性負(fù)載質(zhì)量；3-1四通閥控制對(duì)稱缸液壓彈簧假定無摩擦，無泄漏；設(shè)x1+x2=L，在平衡位置時(shí)，p1=p2液壓彈簧剛度可表示為：3-1四通閥控制對(duì)稱缸令，即得當(dāng)x1=L/2，

液壓彈簧是“動(dòng)態(tài)彈簧”，而非穩(wěn)態(tài)彈簧；在穩(wěn)態(tài)或十分慢速運(yùn)動(dòng)的情況，因液壓泄漏的存在，這個(gè)液壓彈簧是不存在的，只有在動(dòng)態(tài)時(shí)，尤其是隨著運(yùn)動(dòng)頻率的增加，來不及泄漏，當(dāng)外力作用時(shí)液壓彈簧特性表現(xiàn)明顯。決定了伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度，若希望動(dòng)態(tài)品質(zhì)好，應(yīng)盡量提高ωh，提高液壓固有頻率的方法有：增大液壓缸活塞的面積；減少總的壓縮容積；減少折算到活塞上的總的質(zhì)量；提高容積彈性模數(shù)；3-1四通閥控制對(duì)稱缸可采取如下具體措施：閥盡量靠近液壓缸；盡量提高結(jié)構(gòu)的剛度；選品質(zhì)好的液壓油，防止空氣混入；(3)液壓阻尼比3-1四通閥控制對(duì)稱缸通常Bp≈0，所以而Kce

=Ctp+

kc

，Ctp<<kc

因此，ζh主要取決于kc，閥處零位時(shí)，kcmin在計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定性是，應(yīng)取零位時(shí)的值，該點(diǎn)穩(wěn)定，則其它工作點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；實(shí)測的阻尼比計(jì)算值大，高0.1~0.2，主要由庫侖摩擦阻礙系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所致；系統(tǒng)往往是低阻尼的；影響液壓阻尼比的因素：提高阻尼比的方法：設(shè)置管路泄漏通道；采用正開口閥；增設(shè)阻尼器；采用動(dòng)壓反饋等；3-1四通閥控制對(duì)稱缸2.動(dòng)態(tài)剛度特性

1）位置剛度3-1四通閥控制對(duì)稱缸xp與FL動(dòng)態(tài)位置柔度動(dòng)態(tài)位置剛度其中：通常：ζh<0.5,因此ω1<ωh

；3-1四通閥控制對(duì)稱缸低頻段，ω<ω1

時(shí)3-1四通閥控制對(duì)稱缸物理意義：在低頻時(shí)因負(fù)載壓差而產(chǎn)生的泄漏流量被很小的泄漏通道所阻礙，從而產(chǎn)生粘性阻尼作用，剛度幅值由閥控缸的泄漏特性所決定。3-1四通閥控制對(duì)稱缸中頻段，ω1<ω<ωh

時(shí)物理意義：由于沒有足夠時(shí)間來使泄漏流量通過泄漏通道，油液被封閉在液壓缸腔，所以動(dòng)態(tài)位置剛度就等于液壓彈簧剛度，由油液的壓縮性所決定；3-1四通閥控制對(duì)稱缸

高頻段，ω>ωh

時(shí)物理意義：由于外負(fù)載力的變化頻率高，快速的“退讓”運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力很大，剛度由負(fù)載慣性決定；

2）速度剛度低頻：3-1四通閥控制對(duì)稱缸

當(dāng)ω=0時(shí)，

由于Kce很小，穩(wěn)態(tài)速度剛度較大；基本結(jié)構(gòu)形式3.3四通閥控制液壓馬達(dá)一、基本方程：二、方框圖與傳遞函數(shù)：3.3四通閥控制液壓馬達(dá)三、傳遞函數(shù)簡化液壓固有頻率：液壓阻尼比：3.3四通閥控制液壓馬達(dá)對(duì)閥芯位移xv的傳遞函數(shù)：對(duì)外負(fù)載力矩TL的傳遞函數(shù)：3.3四通閥控制液壓馬達(dá)泵控系統(tǒng)：效率高，適用于大功率液壓伺服系統(tǒng)中，如重型機(jī)床、火炮、雷達(dá)天線、工程機(jī)械等泵的轉(zhuǎn)速恒定改變排量控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向3.4泵控馬達(dá)泵的變量機(jī)構(gòu)的擺角馬達(dá)輸出角的傳遞函數(shù)一、基本方程變量泵的排量方程

Dp

=kp·γ

……3.91

式中：Dp為排量；

kp為排量梯度；γ為擺角

變量泵的流量方程

Qp

=Dp·ωp-Cip·（p1-pr）-Cep·p1

……3.92

式中：ωp為角速度；

Cip

為內(nèi)泄漏系數(shù)；Cep為外泄漏系數(shù)；p1為高壓管道壓力；pr為低壓管道壓力，為常數(shù)；將上式拉氏變換為

Qp

(s)=kp·γ(s)

·ωp-(Cip+Cep)·p1(s)

令kqp=kp·ωp（變量泵流量增益，m3/(s·rad)）3.4泵控馬達(dá)

令

Ctp=(Cip+Cep)

Qp

(s)=kqp·γ(s)

·ωp-Ctp·p1(s)……3.93

馬達(dá)流量連續(xù)方程

拉氏變換，得：Qp

(s)=Ctm·p1(s)+Dms·θ(s)

+Vos·p1(s)/βe

式中：

Ctm

=Cim

+Cem

……3.95

轉(zhuǎn)矩平衡方程3.4泵控馬達(dá)二、方塊圖和傳遞函數(shù)由方程3.93，3.95，3.97可畫出方塊圖3.4泵控馬達(dá)通常3.4泵控馬達(dá)3.4泵控馬達(dá)三、泵控馬達(dá)與閥控馬達(dá)的比較從傳遞函數(shù)比較：3.4泵控馬達(dá)形式相同，因此動(dòng)態(tài)特性沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但兩者相應(yīng)參數(shù)值及變化范圍有較大不同。3.4泵控馬達(dá)液壓固有頻率:ωhp-m<ω

hv-m另外，實(shí)際上Vop-m

>>Vov-m阻尼比:ζhp-m

≈常數(shù)，ζhv-m主要受Kce變化影響;

ζhp-m<ζhv-m

，幾乎總是欠阻尼閥控：泵控馬達(dá)的速度放大系數(shù)：

Kqp

/Dm，較恒定閥控馬達(dá)的速度放大系數(shù)：Kq/Dm，變化較大3.4泵控馬達(dá)動(dòng)態(tài)剛度：

泵控馬達(dá)小

閥控馬達(dá)大泵控馬達(dá)靜態(tài)速度剛度：Dm2

/Ct大（由于Kce=Kc+Ct）閥控馬達(dá)靜態(tài)速度剛度：Dm2

/

Kce

小對(duì)速度的控制精度，泵控馬達(dá)好。結(jié)論：

1）動(dòng)態(tài)特性方面：閥控好于泵控

2）易預(yù)測性方面：泵控好于閥控

3）效率：泵控好于閥控3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配一、負(fù)載特性（一）

慣性負(fù)載特性慣性負(fù)載特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

負(fù)載特性是負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的阻力與負(fù)載本身的位置、速度及加速度之間的關(guān)系。通常以負(fù)載力與負(fù)載速度之間的關(guān)系來表示。負(fù)載特性曲線：（二）

粘性負(fù)載特性粘性負(fù)載特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配負(fù)載特性曲線：··（三）

彈性負(fù)載特性彈性負(fù)載特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配負(fù)載特性曲線：·（四）

合成負(fù)載特性（慣性+阻尼+彈性負(fù)載）負(fù)載特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配負(fù)載特性曲線：··在諧波輸入的條件下，當(dāng)負(fù)載含有儲(chǔ)能元件（質(zhì)量、彈簧）而沒有變化的外干擾力時(shí)，負(fù)載軌跡變成對(duì)稱得閉合曲線，其形狀和大小與工作頻率有關(guān)。3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配如果負(fù)載的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不是正弦方式，在負(fù)載特性比較簡單的情況下，可以通過解析法直接得到負(fù)載方程；在較復(fù)雜的負(fù)載類型時(shí)，通過典型工作循環(huán)的分析作出負(fù)載軌跡圖后，找出設(shè)計(jì)最重要的工作點(diǎn)，如最大速度、最大負(fù)載力、最大功率等。在進(jìn)行匹配計(jì)算時(shí)，若液壓動(dòng)力元件通過機(jī)械傳動(dòng)與負(fù)載相連，需將負(fù)載進(jìn)行折算，得到一個(gè)等效的負(fù)載模型。二、液壓動(dòng)力元件的輸出特性液壓動(dòng)力執(zhí)行元件的輸出特性定義：在穩(wěn)態(tài)情況下，執(zhí)行元件的輸出速度、輸出力與閥的輸入位移三者之間的關(guān)系。其中閥的輸入位移是給定輸入量，執(zhí)行元件的輸出速度和輸出力是閥輸入位移量的函數(shù)。3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配在設(shè)計(jì)動(dòng)力元件時(shí)，可以通過調(diào)整ps，ωxvmax，Ap三個(gè)參數(shù)，使與負(fù)載要求相匹配；一般先選擇供油壓力，然后確定液壓缸面積和選擇閥的規(guī)格。三、負(fù)載匹配負(fù)載匹配定義（基于系統(tǒng)效率最高的原則）：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配根據(jù)負(fù)載軌跡來進(jìn)行負(fù)載匹配時(shí)，只要使動(dòng)力元件的輸出特性曲線能夠包圍負(fù)載軌跡，同時(shí)使動(dòng)力元件的最大輸出功率點(diǎn)與負(fù)載的最大功率點(diǎn)相重合，或者說，動(dòng)力元件輸出特性曲線與負(fù)載軌跡在彼此的最大功率點(diǎn)相切，便認(rèn)為液壓動(dòng)力元件與負(fù)載相匹配。曲線2：閥小或缸面積大，要求ps高，調(diào)速和控制的線性性能較好，效率低曲線3：閥大或缸面積小，要求ps低，調(diào)速和控制的線性性能不好，效率低在閥最大輸出功率點(diǎn)有：當(dāng)供油壓力確定后，推得液壓缸活塞面積為：閥的最大空載流量為：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配分類閥控動(dòng)力機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，效率低泵控動(dòng)力機(jī)構(gòu)較簡單，效率高3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配閥控液壓缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)的負(fù)載匹配以零開口四通閥控制液壓缸為例假設(shè)液壓缸拖動(dòng)慣性負(fù)載及粘性阻尼負(fù)載，且負(fù)載作正弦運(yùn)動(dòng)則負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力為F：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配設(shè)液壓缸的有效面積為A，負(fù)載壓力為PL，負(fù)載流量為QL，則負(fù)載力F及速度v可用液壓缸的參數(shù)表示為：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配則負(fù)載軌跡方程用PL和QL可表示為：適當(dāng)選擇坐標(biāo)比例，作出PL和QL的負(fù)載軌跡曲線當(dāng)油源壓力Ps不變時(shí)，改變xv的可作出一族壓力-流量曲線，曲線2，4，6。當(dāng)油源壓力Ps’

時(shí)，改變xv的可作出另一族壓力-流量曲線，曲線1，3，5。3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配一般來說，只要使控制液壓缸的閥的壓力-流量曲線能夠包圍負(fù)載軌跡曲線，即表示該閥能滿足負(fù)載的需要。圖中曲線切點(diǎn)E處的負(fù)載壓力PL=（2/3)Ps

，即點(diǎn)E是閥的功率最高點(diǎn)，功率利用最好，負(fù)載匹配最好，稱為最佳負(fù)載匹配。因此可用解析法求出閥及缸的主要尺寸。為了簡便起見，假設(shè)液壓缸僅拖動(dòng)慣性負(fù)載，則負(fù)載軌跡方程為：在E點(diǎn)處切線的斜率為：在Pe，Qe

為E點(diǎn)處的負(fù)載壓力及負(fù)載流量。3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配又有3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配例：已知閥控缸系統(tǒng)拖動(dòng)純慣性負(fù)載，負(fù)載按正弦規(guī)律作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率ω=5rad/s

,負(fù)載總質(zhì)量m=500kg，負(fù)載總行程L=60cm，油源壓力ps=60×105Pa，滑閥開口量xv=0.53×10-3m。試根據(jù)負(fù)載最佳匹配原則設(shè)計(jì)液壓缸直徑D，活塞桿直徑d和滑閥直徑dv。解：由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總行程L=60cm，則往復(fù)運(yùn)動(dòng)的最大振幅為x0=L/2=30cm。根據(jù)正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律液壓缸活塞的輸出位移為

xL=x0sinωt

活塞輸出速度為：v=x0ωcosωt

由公式得液壓缸有效面積：3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配取液壓缸直徑D=4×10-2m，d=2.8×10-2m，則實(shí)際液壓有效面積為泵控液壓馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)與負(fù)載的匹配泵的出口流量和壓力就是馬達(dá)和負(fù)載所需的流量和壓力，因此泵控液壓馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)與負(fù)載的匹配問題較簡單。馬達(dá)排量Dm的確定3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配馬達(dá)最大進(jìn)口流量的確定泵排量Dpm的確定3.5液壓動(dòng)力元件與負(fù)載的匹配泵最大流量的確定第4章機(jī)液伺服系統(tǒng)本章摘要

由機(jī)械反饋裝置和液壓動(dòng)力元件所組成的反饋控制系統(tǒng)稱為機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)。機(jī)液伺服系統(tǒng)主要用來進(jìn)行位置控制，也可以用來控制其它物理量，如原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制等。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、抗污染能力強(qiáng)，造價(jià)低廉，廣泛應(yīng)用于航空、航天、工程機(jī)械、汽車、動(dòng)力工程、機(jī)床控制等各個(gè)領(lǐng)域。缺點(diǎn)：機(jī)械連接件較多，因此不可避免地帶來了間隙、摩擦和剛度等影響。4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)一、傳遞函數(shù)及方塊圖動(dòng)力元件：閥控缸輸入機(jī)構(gòu)：方向盤，一對(duì)錐齒輪，滾珠絲桿絲母，閥開口量xv；反饋機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向節(jié)臂，縱拉桿，搖臂，扇形齒輪，絲桿絲母；1）比較環(huán)節(jié)：當(dāng)無反饋時(shí)，xv=ki

θi

當(dāng)無輸入時(shí)，xv=-kf

θc

線性疊加，得：xv=ki

θi-kf

θc……

4.1式中，ki為輸入機(jī)構(gòu)總增益，kf為反饋機(jī)構(gòu)總增益，θi為輸入，θc為輸出，xv為閥芯位移。4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)2）xp

θc環(huán)節(jié)：假設(shè)為比例環(huán)節(jié)，有

θc/xp=kθ

4.23）xv

xp

環(huán)節(jié)：動(dòng)力元件，閥控缸，兩只單桿差動(dòng)缸大小腔交叉連接與一只雙出桿等面積液壓缸等效，不考慮彈性負(fù)載，則液壓缸輸出位移為：4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)-+4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)根據(jù)上述方程，畫出方塊圖如下：xv=ki

θi-kf

θcθc/xp=kθθiθckikfkq

/ApkθFL-xvxp二、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析最重要的特性，常用分析方法：

1）頻率特性分析，得出必要的穩(wěn)定裕量；

2）勞斯判據(jù)，適用于低價(jià)系統(tǒng)

1.開環(huán)傳遞函數(shù)及開環(huán)頻率特性分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是將系統(tǒng)變換成單位反饋后，通過開環(huán)頻率特性的分析間接判斷閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定；將方程4.1改為：xv=[(ki

/kf

)θi-

θc]kf將或直接變換方塊圖，得單位反饋的方塊圖4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：式中

kv

=kqkf

kθ/Ap為開環(huán)增益，開環(huán)傳遞函數(shù)中含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，屬于I型系統(tǒng)。θiθcki

/

kfkq

/ApkθFL+--xvxpkf4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)2.穩(wěn)定性條件相位裕量γ，增益裕量kg均為正；相位裕量γ=180o+

φc，其中φc為幅頻特性中穿越頻率ωc處的相角；增益裕量kg=20Lg|G(jωg)

H(jωg)|-1，其中ωg

為相頻特性中相角等于-180o的頻率；4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)穩(wěn)定，

1）需γ>0,從波德圖可看出，能滿足要求；

2）需kg

>0式中ωh可以準(zhǔn)確計(jì)算，而ζh易變化，難測試，取ζh

=0.1～0.2,因此4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)從伯德圖可以看出，穿越頻率近似等于開環(huán)放大系數(shù)。實(shí)際上穿越頻率稍大于開環(huán)放大系數(shù)，而系統(tǒng)的頻寬又稍大于穿越頻率。所以開環(huán)放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度愈快。另外，開環(huán)放大系數(shù)越大，系統(tǒng)的控制精度也越高。所以要提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，就要提高開環(huán)放大系數(shù)，但要受穩(wěn)定性限制。通常液壓伺服系統(tǒng)是欠阻尼的，由于阻尼比小限制了系統(tǒng)的性能。所以提高阻尼比對(duì)改善系統(tǒng)性能來說是十分關(guān)鍵的。4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)改善系統(tǒng)性能，提高ζh是關(guān)鍵。

通常：γ=30～60o之間，kg=6～12dB；

未校正的液壓伺服系統(tǒng)，γ>70～80o，kg較小，增大需減小kv，增大ζh。4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)三、系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

系統(tǒng)輸出對(duì)輸入的響應(yīng)；系統(tǒng)輸出對(duì)外負(fù)載干擾信號(hào)的響應(yīng)；

1.閉環(huán)傳遞函數(shù)及頻率響應(yīng)（單位反饋回路）

ωb，ωnc，ζnc與kv，ζh

，ωh間的關(guān)系用圖4.4，4.5，4.6描述。4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)ωb/kv4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)ωnc/ωh4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)當(dāng)ζh

，kv/ωh的值小時(shí)，可作近似：

ωb/kv

≈1，

ωb≈

kv

ωnc/ωh

≈1，ωnc≈

ωh

ζnc

≈ζh-(kv/ωh

)/2因此，若已知開環(huán)參數(shù)kv，ζh

，ωh

，可求閉環(huán)參數(shù)ωb，ωnc，ζnc4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)ωb/kv

略大于1，

ωb>kv

kv

≈ωc

從圖中可求頻寬，截止頻率等頻率性能指標(biāo)，截止頻率≈ωb頻率范圍：

0<ω<ωb

為頻寬4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)2.時(shí)域響應(yīng)特性為閉環(huán)實(shí)數(shù)極點(diǎn)復(fù)數(shù)極點(diǎn)實(shí)數(shù)之比。ζnc=0.3~0.7較理想當(dāng)ζnc>0.7阻尼偏大，響應(yīng)速度變慢；當(dāng)ζnc<0.3振蕩次數(shù)增加，響應(yīng)速度變慢；

4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)3.系統(tǒng)對(duì)負(fù)載干擾的響應(yīng)位置柔度

位置剛度4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)由于ωb≈ω1由于將上式簡化繪出頻率特性曲線4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)靜態(tài)閉環(huán)剛度為：提高kv可提高靜態(tài)閉環(huán)剛度，降低負(fù)載誤差，而kv受穩(wěn)定性限制為得到較高的閉環(huán)剛度，須加校正裝置。4.穩(wěn)態(tài)誤差分析反映控制精度，重要的性能指標(biāo)；穩(wěn)態(tài)誤差與輸入信號(hào)、本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。

跟隨誤差

干擾誤差4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)1）跟隨誤差θiG(s)+-E(s)θc4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)從上式可知，跟隨誤差與θr，ωh，kv，ζh號(hào)等有關(guān)；①階躍位置輸入4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)I型系統(tǒng)，對(duì)階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差es=0；②等速輸入不是速度誤差，而是系統(tǒng)跟隨等速輸入時(shí)所造成的位置上的誤差。4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)③等加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差es=∞，不能跟隨等加速輸入；2）干擾誤差θrG2G1FL+--xp設(shè)干擾是階躍信號(hào)，F(xiàn)L(s)=FL/s4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)系統(tǒng)總誤差：e總=es+esL五、計(jì)算實(shí)例

已知某中型車輛的轉(zhuǎn)向阻力的最大負(fù)載力為F=9820N，最大工作壓力為3.6×106N/m2，兩只差動(dòng)油缸的大腔面積A1=18×10-4m2，小腔面積A2=9×10-4m2

，恒定供油流量Qs=120×10-6m3/s，機(jī)液伺服閥零位時(shí)的供油壓力ps0=3×105N/m2

。閥的面積梯度ω=5×10-2m，綜合系數(shù)Cd（2/ρ）1/2=

2.8×10-2m2/N1/2·s，系統(tǒng)中反饋放大系數(shù)kf=12×10-5m/度，前向通道放大系數(shù)kθ=150度/m。又已知負(fù)載質(zhì)量M=0.8×104N·s2/m，液壓油的彈性模量βe=700×105N/

m2

，液壓缸活塞行程L=0.38m，閥和液壓缸連接管道的壓縮容積Vs=0.54×10-4m3

，計(jì)算時(shí)取阻尼比ζh=0.15。試計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定性和截止頻率。當(dāng)輸入方向盤轉(zhuǎn)速折算成dθ/dt=10o/s。任意外干擾負(fù)載力F=6.8

×102N時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是多大？

穩(wěn)定性4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)頻率響應(yīng)計(jì)算4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)0<頻寬<ωb，截止頻率為ωb若提高ωb，ζb

，則kv可提高，即可提高頻寬ωb，提高響應(yīng)速度。

穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算等速輸入時(shí)，位置誤差：4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)負(fù)載干擾位置誤差：4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)

位置誤差折算到車輪的偏轉(zhuǎn)角誤差：

eLθ=esL

kθ=0.0025×150=0.38o

總誤差Δθ=esv

+eLθ=1.37+0.38=1.75

o4.2機(jī)液速度伺服系統(tǒng)以渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為例。1.工作原理

1-6進(jìn)氣道進(jìn)氣

1-1增壓機(jī)增壓

1-4燃燒室與噴嘴1-2的霧狀燃油混合點(diǎn)火燃燒膨脹高溫高壓燃?xì)鉁u輪旋轉(zhuǎn)輸出推力發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小，燃油燃燒的質(zhì)量等都取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此轉(zhuǎn)速控制十分重要。4.2機(jī)液速度伺服系統(tǒng)2.系統(tǒng)分析分別寫出各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

速度傳感器：認(rèn)為比例環(huán)節(jié)（質(zhì)量小，自振頻率高）4.2機(jī)液速度伺服系統(tǒng)

閥控缸：彈簧力小略去，Bp小略去，干擾略去發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部分慣量很大，頻帶很低，比ωh至少低10倍頻程，二階環(huán)節(jié)略去，有：

閥套環(huán)節(jié)：認(rèn)為比例環(huán)節(jié)4.2機(jī)液速度伺服系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)：作為慣性環(huán)節(jié)

燃油閥門：作為比例環(huán)節(jié)開環(huán)傳遞函數(shù)：4.2機(jī)液速度伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：4.2機(jī)液速度伺服系統(tǒng)4.3機(jī)液力伺服系統(tǒng)4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正液壓伺服系統(tǒng)往往是欠阻尼的，液壓阻尼比小直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和精度。因此提高阻尼比，對(duì)改善系統(tǒng)性能是十分重要的。采用的校正環(huán)節(jié)：液壓機(jī)械網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的具有一定傳遞特性的機(jī)液裝置；組成：彈簧、阻尼器、液阻、液容等組成超前、滯后、滯后—超前、反饋校正等；4.4.1動(dòng)壓反饋裝置兩種常用的動(dòng)壓反饋裝置，分別是液阻加彈簧活塞蓄能器和油氣阻尼器，4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正一、基本方程：二、方框圖與傳遞函數(shù)：4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正三、傳遞函數(shù)簡化液壓固有頻率：液壓阻尼比：4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正附加阻尼比：4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正采用動(dòng)壓反饋裝置后，閥控執(zhí)行元件的傳遞函數(shù)的形式雖然沒有變化，但其中阻尼比增加了一項(xiàng)。在動(dòng)態(tài)過程中，隨著負(fù)載壓力的變化而產(chǎn)生附加的阻尼作用，而且負(fù)載壓力變化得越厲害，其阻尼作用也越大。在這種系統(tǒng)中，可以使kce盡量地小，以便提高系統(tǒng)的凈剛度，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性可由動(dòng)壓反饋裝置來保證，這就可以同時(shí)滿足靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩方面的要求。4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正組成：彈簧+阻尼器忽略負(fù)載影響，建立微分方程4.4.2超前校正的機(jī)械網(wǎng)絡(luò)4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正由于α<1，校正網(wǎng)絡(luò)正弦穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)的相位超前于輸入信號(hào)，或者說具有正的相角特性，它反映了輸出信號(hào)包含有輸入對(duì)時(shí)間的微分分量。當(dāng)α越小，輸出正弦信號(hào)相位超前越多，網(wǎng)絡(luò)對(duì)振幅的衰減越明顯，微分作用加強(qiáng)。超前校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是高通濾波器，而噪聲的一個(gè)重要特點(diǎn)是其頻率要高于控制信號(hào)的頻率，α值過小對(duì)抑制系統(tǒng)噪聲不利，一般實(shí)際中選用的α不小于0.07，如取α=0.120lgα4.4.3滯后校正的機(jī)械網(wǎng)絡(luò)4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正組成：彈簧+阻尼器滯后校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是低通濾波器，能削弱高頻噪聲，β越大，抑制噪聲的能力越強(qiáng)，通常取β=104.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正20lg（1/β）4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正4.4.4微分反饋校正網(wǎng)絡(luò)組成：彈簧+阻尼器將網(wǎng)絡(luò)的輸入與執(zhí)行元件的輸出相連，而輸出與系統(tǒng)的輸入相連，就可組成微分反饋校正4.4.5采用相位超前校正的機(jī)液伺服系統(tǒng)4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制的校正4.4機(jī)液伺服系統(tǒng)的校正為改善性能，加上了相位超前校正以及補(bǔ)償相位超前網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的衰減的誤差放大機(jī)構(gòu)。第5章電機(jī)械轉(zhuǎn)換元件本章內(nèi)容概要

電—機(jī)械轉(zhuǎn)換元件是電液控制系統(tǒng)中的重要單元，它將電氣裝置輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械量，即力（力矩）和位移。常采用電磁作用原理設(shè)計(jì)。常見的有動(dòng)圈式力馬達(dá)、動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)、比例電磁鐵、步進(jìn)電機(jī)以及伺服電機(jī)等。本章將建立動(dòng)圈式力馬達(dá)、動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的傳遞函數(shù)，分析它們的動(dòng)態(tài)特性和主要性能參數(shù)。一、分類運(yùn)動(dòng)方式分：平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)勵(lì)磁方式分：永磁式和電磁式5.1動(dòng)圈式力馬達(dá)二、工作原理5.1動(dòng)圈式力馬達(dá)動(dòng)圈式力馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡單，線性行程范圍大，線性好，滯環(huán)小，但工作頻寬受動(dòng)圈組件固有頻率的限制，尤其當(dāng)動(dòng)圈直接拖動(dòng)滑閥，運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量較大時(shí)。它適用于響應(yīng)速度要求不是很高，但線性特性要求高的工業(yè)伺服系統(tǒng)中。三、特點(diǎn)及應(yīng)用5.2動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)一、工作原理二、靜態(tài)性能5.2動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)稱為力矩馬達(dá)的靜剛度靈敏度減小靜剛度，可提高力矩馬達(dá)的靈敏度；5.2動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)5.3直流比例電磁鐵結(jié)構(gòu)及原理錐形極靴通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以控制磁極的磁性飽和度，以形成水平吸力特性。第6章電液伺服閥及伺服系統(tǒng)本章內(nèi)容概要

電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)中的核心元件。它既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。在系統(tǒng)中將輸入的小功率電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓能輸出，其性能對(duì)系統(tǒng)特性影響很大。

電液伺服系統(tǒng)將電子與液壓有機(jī)地結(jié)合起來，具有快速易調(diào)、高精度、快響應(yīng)、大功率大慣量輸出等特點(diǎn)。本章將介紹常見電液伺服閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，再介紹電液伺服控制系統(tǒng)的內(nèi)容。一、一般構(gòu)成包括電——機(jī)械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器等組成；6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)當(dāng)液壓放大器為兩級(jí)或兩級(jí)以上時(shí)，因?yàn)楹蟹e分環(huán)節(jié)，對(duì)于給定的輸入信號(hào)電流，滑閥沒有確定的位置。采用各種級(jí)間反饋來消除積分環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。二、分類

按級(jí)數(shù)分：單級(jí)：低壓P<63bar，小流量Q<4L/min

兩級(jí)：最常用三級(jí)：Q>200L/min

按第一級(jí)的結(jié)構(gòu)形式分：單噴嘴擋板、雙噴嘴擋板，滑閥、射流管

按反饋形式分：滑閥位置反饋：最多見（位置力反饋、直接位置反饋、機(jī)械位置反饋、位置電反饋、彈簧對(duì)中）

負(fù)載流量反饋負(fù)載壓力反饋按力矩馬達(dá)分：動(dòng)鐵式、動(dòng)圈式干式、濕式6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)三、典型結(jié)構(gòu)與工作原理

單級(jí)電液伺服閥：6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)兩級(jí)力反饋電液伺服閥：6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)兩級(jí)直接反饋電液伺服閥：6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)兩級(jí)電氣反饋電液伺服閥：6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)三級(jí)電液伺服閥：6.1電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)動(dòng)圈式單級(jí)電液伺服閥：6.2力反饋二級(jí)電液伺服閥傳遞函數(shù)以電流作輸入量而以位移作輸出量的力反饋兩級(jí)閥的傳遞函數(shù)簡化為：實(shí)際上，伺服閥的響應(yīng)特性不是典型的一階環(huán)節(jié)，也不是典型的二階環(huán)節(jié)。當(dāng)液壓動(dòng)力元件的ωh<10Hz時(shí)，把伺服閥當(dāng)作一個(gè)比例環(huán)節(jié)；當(dāng)液壓動(dòng)力元件的10Hz<ωh<50Hz時(shí)，可用一個(gè)等效轉(zhuǎn)折頻率為ωs的一階環(huán)節(jié)來表示；當(dāng)液壓動(dòng)力元件的ωh>50Hz時(shí)，可用一個(gè)等效固有頻率為ωc、等效阻尼比為ζc的二階環(huán)節(jié)來表示；6.2力反饋二級(jí)電液伺服閥伺服閥規(guī)格選擇及使用要求規(guī)格選擇步驟：根據(jù)負(fù)載參數(shù)或軌跡求出最大負(fù)載功率、力（或力矩）；

由最大負(fù)載計(jì)算負(fù)載壓力及所需流量；6.3電液伺服閥主要性能、實(shí)驗(yàn)特性及選擇應(yīng)用計(jì)算供油壓力

求伺服閥輸出流量6.3電液伺服閥主要性能、實(shí)驗(yàn)特性及選擇應(yīng)用計(jì)算閥壓降按pv和QL選伺服閥按pv和QL查閥壓降—負(fù)載流量曲線，找出對(duì)應(yīng)型號(hào)；將pv和QL換算成樣本中閥壓降pR時(shí)的流量QR

，按pR和QR查型號(hào)；注意：1）供油壓力須穩(wěn)定，回油壓力<1MPa；2）壓力伺服閥必須首先滿足壓力、負(fù)載流量的要求；使用要點(diǎn)顫振信號(hào)：在輸入信號(hào)上疊加一個(gè)高頻振蕩信號(hào)；作用：1）減少或消除游隙；2）防止堵塞卡死；頻率>2~3倍頻寬；幅值以克服閥的游隙寬度為宜，如相當(dāng)于主閥芯運(yùn)動(dòng)約2.5μm左右的幅值；

線圈接法6.3電液伺服閥主要性能、實(shí)驗(yàn)特性及選擇應(yīng)用6.4電液位置伺服系統(tǒng)一、概述電液位置伺服系統(tǒng)將電子與液壓有機(jī)地結(jié)合起來，具有快速易調(diào)、高精度、快響應(yīng)、大功率大慣量輸出等特點(diǎn)；

分類動(dòng)力元件：泵控、閥控輸入信號(hào)、檢測信號(hào)不同：

模擬位置伺服系統(tǒng)：抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)精度高、響應(yīng)速度快，但分辨率（靈敏度）低；

全數(shù)字伺服系統(tǒng)：其精度取決于信號(hào)的脈沖當(dāng)量，其越小，精度越高、快速性不如模擬系統(tǒng)；

數(shù)?；旌舷到y(tǒng)：指令、反饋、比較、放大和校正等功能由計(jì)算機(jī)來完成，其中校正裝置只是計(jì)算機(jī)的一個(gè)軟件程序，因此改變控制規(guī)律很方便。全數(shù)字伺服系統(tǒng)：數(shù)模混合系統(tǒng)：6.4電液位置伺服系統(tǒng)6.4電液位置伺服系統(tǒng)二、系統(tǒng)分析以振動(dòng)臺(tái)為例。在系統(tǒng)中：指令輸入元件、檢測反饋元件，甚至電液伺服閥可近似成比例環(huán)節(jié)；6.4電液位置伺服系統(tǒng)2.系統(tǒng)分析

1）傳遞函數(shù)及方塊圖分別寫出各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

放大器：認(rèn)為比例環(huán)節(jié)，增益：k1

伺服閥：視系統(tǒng)頻寬及伺服閥頻寬而定，認(rèn)為比例環(huán)節(jié)，增益：ksv

=Q/I；位移傳感器：認(rèn)為比例環(huán)節(jié)，增益：kf

閥控缸：6.4電液位置伺服系統(tǒng)繪出方塊圖6.4電液位置伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

2）動(dòng)態(tài)特性分析閉環(huán)傳遞函數(shù)具體分析同機(jī)液伺服。6.4電液位置伺服系統(tǒng)未加校正的液壓位置伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，動(dòng)力元件左右系統(tǒng)的整體性能；受kv影響，開環(huán)頻率特性是變動(dòng)的；增益及穿越頻率壓得很低，原因ζh小，跟隨誤差大，原因kv

?。幌到y(tǒng)頻寬小于閉環(huán)固有頻率，原因ζh?。灰虼颂岣咝阅埽仨毿Ｕ?；三、速度和加速度反饋校正1）速度反饋校正：設(shè)放大器、伺服閥均為比例環(huán)節(jié)，增益分別為ka,ksv6.4電液位置伺服系統(tǒng)6.4電液位置伺服系統(tǒng)6.4電液位置伺服系統(tǒng)2）加速度校正：設(shè)放大器、伺服閥均為比例環(huán)節(jié)，增益分別為ka,ksv

6.4電液位置伺服系統(tǒng)6.4電液位置伺服系統(tǒng)增益和固有頻率不變，阻尼比提高了。在保證內(nèi)部回路穩(wěn)定的前提下，通過調(diào)整加速度反饋系數(shù)kfa，可使系統(tǒng)的阻尼比增加到希望值，以滿足改善系統(tǒng)的需要。加速度負(fù)反饋回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：可以寫出帶加速度負(fù)反饋校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。6.4電液位置伺服系統(tǒng)3）速度和加速度校正kfakfv6.4電液位置伺服系統(tǒng)同時(shí)引入速度和加速度兩種反饋，可通過調(diào)整前置放大器增益K1把系統(tǒng)的開環(huán)增益調(diào)整到合適值；再通過匹配速度反饋系統(tǒng)Kfv和加速度反饋系數(shù)Kfa調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)全面改善。kfv6.5電液速度伺服系統(tǒng)在工程上，經(jīng)常需要高精度的速度控制，如原動(dòng)機(jī)調(diào)速、機(jī)床的進(jìn)給速度控制以及轉(zhuǎn)臺(tái)、天線、雷達(dá)、炮塔的姿態(tài)跟蹤等。也可用于電液位置伺服系統(tǒng)的速度反饋校正。1、電液速度伺服控制的原理

分類：按使用的控制元件不同，分為閥控和泵控系統(tǒng)；泵控馬達(dá)開環(huán)速度控制系統(tǒng)液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速受負(fù)載等因素影響較大，只能用于控制精度要求較低的系統(tǒng)。6.5電液速度伺服系統(tǒng)泵控馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)偏差電壓對(duì)應(yīng)泵變量機(jī)構(gòu)中的液壓缸和斜盤一個(gè)對(duì)應(yīng)的位置，從而對(duì)應(yīng)于一定的泵流量輸出，以保持液壓馬達(dá)與負(fù)載的轉(zhuǎn)速。可見，偏差電壓是保持馬達(dá)與負(fù)載的轉(zhuǎn)速所需要的，因此閉環(huán)速度控制系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)。6.5電液速度伺服系統(tǒng)泵控馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)忽略彈性負(fù)載作用，閥控缸中就含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，并將變量機(jī)構(gòu)的位置環(huán)去掉I型無差系統(tǒng)用于速度需要變化、控制精度要求較高的系統(tǒng)I型無差系統(tǒng)6.5電液速度伺服系統(tǒng)閥控馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)I型無差系統(tǒng)下面著重對(duì)閥控馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析2、電液速度伺服控制系統(tǒng)的分析假設(shè)液壓馬達(dá)只帶簡單的慣性負(fù)載，閥控馬達(dá)的速度控制的傳遞函數(shù)為：6.5電液速度伺服系統(tǒng)