液壓伺服系統(tǒng)課程課件一零

第四章機液伺服系統(tǒng)P664.1機液位置伺服系統(tǒng)4.2結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響4.3液壓校正與動壓反饋4.4機液扭矩放大器1液壓動力元件是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。

4.1機液位置伺服系統(tǒng)如果將液壓執(zhí)行元件的輸出位移反饋到放大元件的輸入位移，就可構(gòu)成閉環(huán)機液位置控制系統(tǒng)。閉環(huán)機液位置控制系統(tǒng)主要用于輸出功率不大于10kW的場合：小型飛機的舵面、火炮瞄準機構(gòu)、車輛轉(zhuǎn)向、仿型機床等控制場合。P662bxipSxp3MLApa（一）工作原理3bxipSxp3MLApaxixv1

4bxipSxp3ApaML5xixv1

xvxv2

xpba(4-1)(4-2)6+BKqAp-+-xixpxvaa+bba+bFLKiKf圖4-27(4-3)8(二)穩(wěn)定性分析用Routh判據(jù)判別穩(wěn)定最為方便。閉環(huán)特征式為由Routh判據(jù)得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為(4-6)94.2結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響101112131415161718192021224.3液壓校正與動動壓反饋設(shè)計控制系統(tǒng)統(tǒng)的主要問題題是設(shè)法滿足足系統(tǒng)的動態(tài)態(tài)和靜態(tài)要求求。為了提高靜態(tài)態(tài)精度，希望望系統(tǒng)的增益益高，但高增增益的系統(tǒng)又又不易穩(wěn)定。。如果既要有有高增益而又又希望保證穩(wěn)穩(wěn)定，須在模模型中添加一一些其它環(huán)節(jié)節(jié)，為此目的的而在系統(tǒng)中中添加的元件件就是校正元元件。234.3液壓校正與動動壓反饋4.3.1基本液壓校正正元件4.3.2液壓超前校正正4.3.3液壓滯后校正正4.3.4反饋校正4.3.5靜壓反饋校正正4.3.6動壓反饋校正正24校正元件一般般都用電子元元件。因電子元件的的信號的傳輸輸、運算都較較簡單、成熟熟，且使用方方便、可靠、、精度高。在電液控制系系統(tǒng)中廣泛應(yīng)應(yīng)用電校正，，但是在機液液系統(tǒng)中本來來就沒有電元元件，若要采采用電校正反反而不方便，，也有采用非非電校正方式式的。如機械械的、氣功的的或液壓的校校正元件。由于液壓系統(tǒng)統(tǒng)中本來就有有液壓能源，，再附加一些些液壓元件作作校正是很方方便的。不過過，機械元件件都是有慣性性的，時間常常數(shù)大于電校校正元件。254.3.1基本液壓校正正元件校正元件主要要由耗能、儲儲能和放大等等元件組成。。26(一)儲能元件最簡單可靠的的機械儲能元元件就是彈簧簧。它受力變變形儲存能量量，力撤消后后復(fù)元而放出出能量。另外外，機械彈簧簧還是力-位移轉(zhuǎn)換元件件，其線性好好，工作可靠靠。27(二)放大元件閥缸組合就是是最簡單的放放大元件。作為校正元件件，它所需要要的功事必然然遠小于系統(tǒng)統(tǒng)負載運動時時的功率，也也就是作校正正元件用的小小液壓缸必然然遠小于作執(zhí)執(zhí)行元件用的的液壓缸。因此，小液壓壓缸的質(zhì)量可可忽略不計。。這樣，閥控控缸的傳遞函函數(shù)式(3-18)中，因h很高而略去振振蕩環(huán)節(jié)，就就成為式中:Kq——閥的流量增益益，Ap——小液壓缸的活活塞面積。由此可見，用用閥-缸組成的元件件，不僅是放放大元件，而而且還是一個個積分元件。。28(三)耗能元件——阻尼器流量通過節(jié)流流口，就消耗耗能量。所以以用小液壓缸缸及節(jié)流器就就組成液壓阻阻尼器。如圖5.1(a)，在活塞運動過過程中，活塞塞一側(cè)的液體體將通過節(jié)流流孔流入另一一側(cè)，流量通通過節(jié)流孔而而產(chǎn)生壓力降降p，p=p1p2，p作用在活塞面面積A上就形成阻滯滯活塞運動的的阻尼力。圖5.1阻尼器結(jié)構(gòu)原原理圖(a)內(nèi)阻尼器xp2p129(三)耗能元件——阻尼器流量通過節(jié)流流口，就消耗耗能量。所以以用小液壓缸缸及節(jié)流器就就組成液壓阻阻尼器。圖5.1(b)中的節(jié)流孔安安置在缸外油油路中，稱外外阻尼器，其其工作原理與與活塞上開節(jié)節(jié)流孔的內(nèi)阻阻尼器完全一一樣。圖5.1阻尼器結(jié)構(gòu)原原理圖(b)外阻尼器xp2p130令阻尼活塞的的位移為x，阻尼活塞的面面為A，通過節(jié)流小孔孔的流量為Q，略去活塞徑向向間隙中的泄泄漏，就有式中p1——阻尼活塞運動動前方油腔壓壓力；p2——阻尼活塞運動動背面油腔壓壓力；Re——雷諾數(shù)，Re=vd/，其中，=/，為液體動力粘度度，液體運動粘度度，為液體密度；；——液體重度，=g。取節(jié)流小孔的的直徑為d，長度為l，液體流過小孔孔時的平均流流速為v，節(jié)流小孔層流流沿程阻力損損失的計算式式為(5-2)31因為所以式中，R——節(jié)流小孔液阻阻，計算式為為活塞運動時的的阻尼力F為(5-4)(5-5)(5-6)式中B為阻尼器的阻尼系系數(shù)，計算式為32圖5.1所示是阻尼器原理理圖，液壓缸兩側(cè)側(cè)充滿油液而沒有有泄漏。實際中必必然有泄漏，因此此必須為阻尼缸充充油。如圖5.2所示，阻尼缸可接接通高壓能源，也也可接通回油油路路。圖5.2有源阻尼器原理圖圖a)接能源，b)接油箱xp2p1xp2p1ps33圖5.3所示為液壓超前前校正元件的結(jié)結(jié)構(gòu)原理圖。它由阻尼器及彈彈簧組成。輸入入信號xi加在阻尼活塞上上，在阻尼缸體體上取出輸出信信號xo。圖5.3液壓超前校正元元件xokxiB4.3.2液壓超前校正34阻尼系數(shù)B，力方程為經(jīng)過整理，可得得(5-8)時間常數(shù)(5-9)如果時間常數(shù)很很小，慣性環(huán)節(jié)節(jié)項可略去，則則(5-8)可近似為純微分分環(huán)節(jié)。354.3.3液壓滯后校正圖5.4液壓滯后校正元件xokxiBba36圖5.4液壓滯后校正元件xokxiB根據(jù)力平衡方程程經(jīng)整理，上式可可寫為(5-10)時間常數(shù)(5-11)由式(5-10)可見，這是慣性性環(huán)節(jié)。即圖5.4所示元件為慣性性元件，也就是是滯后元件。37圖5.5所示是一個外反反饋機液伺服系系統(tǒng)。系統(tǒng)中無無電元件存在，，無法使用電校校正。采用在主主控信號的前向向通道中串接液液壓校正元件，，液壓校正元件件的輸入量是位位移y，輸出量是閥芯位位移xv。液壓校正元件的的力方程為整理后38由式(5-12)可見，圖5.5所示元件為慣性性加微分。由于于>1，慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折頻率低而微微分環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折折頻率高，從而而低頻段滯后，，高頻段又超前前。(5-12)(5-13)(5-14)39-+xixpyba+baa+b+xixpxvaa+bKq/Ap圖5.6液壓滯后校正的的機液伺服系統(tǒng)統(tǒng)方塊圖合理選用校正元元件的時間常數(shù)數(shù)T，系數(shù)，并使(1/T)<c，就可使校正后的的系統(tǒng)在低頻時時有較大的增益益，從而提高了了系統(tǒng)精度，又又不影響穩(wěn)定性性及系統(tǒng)的頻寬寬。4020lg|G|dB0/秒(s－1)1-20dB/dec-20dB/dec圖5.7系統(tǒng)開環(huán)波德圖圖4120lg|G|dB0/秒(s－1)1-20dB/dec-20dB/dec圖5.7系統(tǒng)開環(huán)波德圖圖42校正元件，既可可以串聯(lián)在前向向通路中(如圖5.5所示)，也可以加在反反饋回路中，即即并聯(lián)校正。4.3.4反饋校正圖5.8所示的結(jié)構(gòu)是在在外反饋機液伺伺服系統(tǒng)的反饋饋回路中設(shè)置了了簡單的滯后校校正元件。43根據(jù)圖5.4及式(5-10)，可知這種液壓壓校正元件的傳傳遞函數(shù)為由于閥控缸的傳傳遞函數(shù)式(3.18)早已求得，再根根據(jù)圖5.8(a)的結(jié)構(gòu)原理圖，，就可以直接畫畫出這種系統(tǒng)的的方塊圖如圖5.8(b)，由圖可見，在反反饋回路中有一一個慣性環(huán)節(jié)。。44BkxpMpSyabxvxi圖5.8反饋回路中有液液壓滯后校正元元件(a)結(jié)構(gòu)原理圖Recent45-+xixpba+bxixpxvaa+bKq/Ap圖5.8反饋回路中有液液壓滯后校正元元件(b)框圖464.3.5靜壓反饋校正在第三章中討論論各種液壓動力力元件時，已經(jīng)經(jīng)知道液壓系統(tǒng)統(tǒng)本身的阻尼系系數(shù)比較小，容容易出現(xiàn)欠阻尼尼而使系統(tǒng)不穩(wěn)穩(wěn)定。為了使系系統(tǒng)穩(wěn)定，可以以用故意增加能能耗和降低剛度度的辦法，使漏漏損加大和Kc提高。實踐證明明這個辦法也確確實有效。如果果既希望增加阻阻尼而又不希望望增大能耗及降降低剛度，可采采用壓力反饋校校正。47現(xiàn)在，仍以第三三章中著重討論論過的四通閥控控缸為例來說明明。為簡單起見見，假設(shè)沒有彈彈性負載。根據(jù)據(jù)基本方程(3-2)、(3-8)及(3-9)式，可直接畫出出閥控缸方塊圖圖于圖5.9(a)。若取Kce=Kc+Ctp，令時間常數(shù)T1及T2為(5-15)(5-16)再通過方塊圖結(jié)結(jié)構(gòu)變換，圖5.9(a)可以畫成圖5.9(b)。48已知閥缸系統(tǒng)的的液壓固有頻率率h及阻尼系數(shù)h為(3-14)(3-15)圖5.9四通閥控缸系統(tǒng)統(tǒng)加靜壓反饋(a)四通閥控缸系統(tǒng)統(tǒng)方塊圖；(b)方塊圖變換；(c)增加靜壓反饋后后的方塊圖；(d)有靜壓反饋后的的系統(tǒng)方塊圖變變換；(e)有靜壓反饋的系系統(tǒng)方塊圖變換換49(a)Kq-+++xvxpQLFLMts2+Bps+KcKq-++xvxpQLFL+pLpL(b)50增大Kce，可以增大h，從而使系統(tǒng)易于于穩(wěn)定。為此，可以在圖圖5.9(b)中的Kce(T1s+1)環(huán)節(jié)旁并聯(lián)二個個壓力負反饋的的比例環(huán)節(jié)K1，如圖5.9(c)所示，將靜壓力力pL反饋回去。圖5.9(c)經(jīng)過結(jié)構(gòu)變換可可畫成圖5.9(d)。比較圖5.9(b)與5.9(d)可見，增加了壓壓力負反饋環(huán)節(jié)節(jié)K1后，使原來的Kce項變成(Kce+K1)項。令增加了壓壓力反饋后的阻阻尼系數(shù)為’h，并與無壓壓力反饋饋的阻尼尼系數(shù)h(3-15)式對比，，可知51(5-17)阻尼系數(shù)數(shù)為’h>h，有利于穩(wěn)穩(wěn)定。增增加K1有利于穩(wěn)穩(wěn)定的結(jié)結(jié)論是在在方塊圖圖上處分分析得到到的。環(huán)節(jié)K1的機能是是把轉(zhuǎn)化化為流量量，在實實際結(jié)構(gòu)構(gòu)中不容容易設(shè)計計出能將將壓力轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為流流量的具具體裝置置。如果將圖圖5.9(c)變換成圖圖5.9(e)，即將壓力力pL通過比例例環(huán)節(jié)K1/Kq轉(zhuǎn)換為位位移量xf。這種把壓壓力轉(zhuǎn)化化為位移移的裝置置是不難難實現(xiàn)的的。52增加壓力力反饋后后對系統(tǒng)統(tǒng)的液壓壓固有頻頻率h無影響。。因為總總壓力流流量系數(shù)數(shù)與動力力元件剛剛度成反反比，見見(3-24)式，增加加壓力反反饋后使使Kce項變成(Kce+K1)項，因而而剛度下下降，系系統(tǒng)的抗抗干擾能能力下降降，這是是靜壓反反饋校正正的不足足之處。。534.3.6動壓反饋饋校正如前所述述，在系系統(tǒng)中加加入靜壓壓反饋后后，穩(wěn)定定性改善善而剛度度下降。。穩(wěn)定性性是動態(tài)態(tài)指標，，當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)定，阻阻尼系數(shù)數(shù)的大小小也就沒沒有什么么意義了了，剛度度主要是是穩(wěn)態(tài)指指標，在在干擾力力的作用用下，系系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差差小，就就是剛度度好；瞬瞬態(tài)時，，剛度大大點或小小點關(guān)系系不大。。所以，，希望瞬瞬態(tài)時具具有壓力力反饋以以提高阻阻尼系數(shù)數(shù)，雖剛剛度有所所降低但但關(guān)系不不大。穩(wěn)穩(wěn)態(tài)時用用不著提提高阻尼尼系數(shù)，，不需要要壓力反反饋，剛剛度也不不致降低低。這樣樣，可將將靜壓反反饋改為為動壓反反饋，亦亦即將壓壓力的變變化率反反饋回去去。瞬態(tài)態(tài)時，壓壓力的變變化大，，反饋作作用大；；穩(wěn)態(tài)時時，變化化率為零零，即沒沒有反饋饋。54圖5.9(c)中所加的的靜壓反反饋元件件幾乎是是一個比比例環(huán)節(jié)節(jié)。如果果將此反反饋元件件改為能能反映壓壓力瞬變變情況的的微分元元件，就就是動壓壓反饋了了。一般般所用動動態(tài)反饋饋元件的的傳遞函函數(shù)為Ts/(Ts+1)。將圖5.9(e)中的靜壓壓反饋元元件K1/Kq改為如圖圖5.10(a)所示的動動壓反饋饋元件；；其數(shù)學(xué)學(xué)模型為為式中xf——動壓反饋饋元件的的輸出位位移；K1——動壓反饋饋元件的的比例常常數(shù)；T3——動壓反饋饋元件的的時間常常數(shù)。(5-18)55結(jié)構(gòu)變換換后，圖圖5.10(a)即成圖5.10(b)，比較圖5.9(b)和5.10(b)，可以看到到影響靜靜態(tài)剛度度的因素素都是Kce，就是說加加了動態(tài)態(tài)壓力反反饋后的的剛度與與未加壓壓力反饋饋的剛度度是一樣樣的。再看圖5.10(b)的閉環(huán)特特征式。。為分析析簡便，，取動壓壓反饋元元件的時時間常數(shù)數(shù)T3≈T2，略去KceBp/Ap2項，取前前向傳遞遞函數(shù)為為G及反饋傳傳遞函數(shù)數(shù)為H，則閉環(huán)特特征式為為56再看圖5.10(b)的閉環(huán)特特征式。。為分析析簡便，，取動壓壓反饋元元件的時時間常數(shù)數(shù)T3≈T2，略去KceBp/Ap2項，取前前向傳遞遞函數(shù)為為G