液壓伺服與比例控制系統(tǒng)

第1章緒論本章摘要液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的工作原理及組成液壓伺服與比例控制的分類介紹液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用一、采用電壓比較的液壓工作臺位置控制系統(tǒng)傳感器1被控對象傳感器2比較元件執(zhí)行元件放大元件指令元件電壓比較KaKaUi-UPDUKa控制框圖控制系統(tǒng)組成：被控對象指令元件比較元件指令傳感器反饋傳感器動力元件（閥、缸）擾動指令電位器反饋電位器伺服閥液壓能源I液壓缸電放大KaIUiE-電壓比較UPKa被控工作臺XP工作臺指令Xi液壓動力元件放大元件二、采用電壓比較的電動工作臺位置控制系統(tǒng)傳感器1被控對象傳感器2比較元件執(zhí)行元件放大元件指令元件電動力元件控制框圖擾動指令電位器反饋電位器可控硅電源I電放大KaEUiE-電壓比較UPKa被控工作臺XP工作臺指令Xi電機控制系統(tǒng)組成：被控對象指令元件比較元件指令傳感器反饋傳感器動力元件（可控硅、電機）將液壓動力元件（伺服閥、缸）換成電動力元件（可控硅與電動機）三、采用力比較的液壓工作臺位置控制系統(tǒng)指令傳感器K1反饋傳感器K2F1F2F1=Xi*K1F2=Xp*K2比較元件1K1+K2力比較XiK1指令傳感器K2反饋傳感器xvDFF1F1-F2F2伺服閥XP液壓動力元件控制框圖

采用力比較方式，用彈簧作為位移-力傳感器，以閥芯作為力比較元件。擾動液壓缸1K1+K2DF-力比較Ka被控工作臺XP工作臺指令XiF1F1F2F2指令傳感器K1指令傳感器反饋傳感器K2反饋傳感器伺服閥液壓能源xv四、采用直接位置比較的液壓工作臺位置控制系統(tǒng)指令元件與閥芯相連受控對象與閥套相連Xi=X芯Xp=X套閥芯與閥套閥芯閥套直接位置比較Xv-位置比較XiX芯X套1指令與閥連1對象與閥套連伺服閥XP閥芯與閥套控制框圖采用閥芯閥套直較方式擾動液壓缸Xv-位置比較Ka被控工作臺XP工作臺指令XiX芯X套1指令傳感器1反饋傳感器伺服閥五、液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的組成液壓伺服與比例控制系統(tǒng)由以下一些基本元件組成：輸入元件：也稱指令元件，它給出輸入信號(指令信號)加于系統(tǒng)的輸入端，是機械的、電氣的、氣動的等。如靠模、指令電位器或計算機等。反饋測量元件：測量系統(tǒng)的輸出并轉換為反饋信號。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：將反饋信號與輸入信號進行比較，給出偏差信號。放大轉換元件：將偏差信號故大、轉換成液壓信號(流量或壓力)。如伺服放大器、機液伺服閥、電液伺服閥、電液比例閥等。執(zhí)行元件：產生調節(jié)動作加于控制對象上，實現(xiàn)調節(jié)任務。如液壓缸與液壓馬達等?？刂茖ο螅罕豢刂频臋C器設備或物體，即負載。其它：各種校正裝置，以及不包含在控制回路內的液壓能源裝置。1.2液壓伺服與比例控制的分類一、按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律分類定值控制系統(tǒng)：當系統(tǒng)輸入信號為定值時稱為定值控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入信號按預先給定的規(guī)律變化時，稱為程序控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)：也稱隨動系統(tǒng)，其輸入信號是時間的未知函數(shù)，而輸出量能夠準確、快速地復現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。二、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)。

三、按液壓動力元件的控制方式或液壓控制元件的形式分類

節(jié)流式控制(閥控式)系統(tǒng)：閥控液壓缸系統(tǒng)與閥控液壓馬達系統(tǒng)

容積式控制系統(tǒng)：伺服變量泵系統(tǒng)與伺服變量馬達系統(tǒng)。

四、按信號傳遞介質的形式分類

機械液壓伺服系統(tǒng)、電氣液壓伺服系統(tǒng)與氣動液壓伺服系統(tǒng)等。1.3液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點

（一）、液壓伺服控制的優(yōu)點

(1)液壓元件的功率—重量比與力矩-慣量比大可以組成結構緊湊、體積小、重量輕、加速性好的伺服系統(tǒng)。

(2)液壓動力元件快速性好，系統(tǒng)響應快。

(3)液壓伺服系統(tǒng)抗負載的剛度大，即輸出位移受負載變化的影響小，定位準確，控制精度高。

（二）、液壓伺服控制的缺點

(1)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，對工作油液的清潔度要求高。

(2)油溫變化時對系統(tǒng)的性能有很大的影響。

(3)當液壓元件的密封設計、制造相使用維護不當時．容易引起外漏，造成環(huán)境污染。

(4)液壓元件制造精度要求高，成本高。

(5)液壓能源的獲得與遠距離傳輸都不如電氣系統(tǒng)方便。1.4液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用

液壓伺服控制是一門新興的科學技術。它不但是液壓技術的一個重要分支．而且也是控制領域中的一個重要組成部分。

在第一次與第二次世界大戰(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快、精度高、功率—重量比大等特點而受到特別的重視，特別是近幾十年，隨著整個工業(yè)技術的發(fā)展，促使液壓伺服與比例控制得到迅速發(fā)展，使這門技術元論在元件與系統(tǒng)分面，還是在評論與應用方面都日趨完善與成熟，形成一門新興的科學技術。

目前，液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)已成為武器自動化與工業(yè)自動化的一個重要方面。在國防工業(yè)與一般工業(yè)領域都得到了廣泛應用。第2章液壓放大元件本章摘要

圓柱滑閥結構型式、工作原理、靜態(tài)特性噴嘴擋板閥結構型式、工作原理、靜態(tài)特性射流管閥結構型式、工作原理、靜態(tài)特性一、按進、出閥的通道數(shù)劃分四通閥(圖2-1a、b、c、d)三通閥(圖2-1e)二通閥(圖2-1f)二、按滑閥的工作邊數(shù)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)三、按閥套窗口的形狀劃分矩形、圓形、三角形等多種四、按閥芯的凸肩數(shù)目劃分二凸肩、三凸肩、四凸肩2.1圓柱滑閥的結構型式及分類五、按滑閥的預開口型式劃分正開口(負重疊)、零開口(零重疊)和負開口(正重疊)2.2滑閥分析滑閥有正開口、零開口、負開口三種?；y的開口型式

正開口零開口負開口正開口、零開口、負開口

滑閥的面積梯度及部分開口，可全周開口、開方孔、開園孔開園孔展開圖開方孔全周開口一、零開口四邊閥的壓力-流量特性方程2.2.1零開口四通滑閥的靜特性

x>0時

x<0時二、零開口四邊閥的閥系數(shù)三、零開口四邊閥的特性曲線四、實際零開口四邊閥的零位閥系數(shù)零位時存在徑向泄漏零位時壓力不是無窮大KqKcKqKc等價動態(tài)物理模型動態(tài)數(shù)學模型一、正開口四邊閥的壓力-流量特性方程2.2.2正開口四通滑閥的靜特性

一、正開口四邊閥的壓力-流量特性方程2.2.2正開口四通滑閥的靜特性

可分解成2個流量的疊加二、正開口四邊閥的閥系數(shù)三、正開口四邊閥的特性曲線KqKc動態(tài)數(shù)學模型液壓放大元件能將輸入位移(機械量)轉換并放大為具有一定壓力的液體流量。

上一次課小結流量與壓力的乘積即功率，因此也可以說液壓放大元件所輸出的就是具有一定功率的液壓信號。液壓放大元件也是控制液體流量的大小及方向的控制元件，通常稱為(液壓)閥，如：滑閥、擋板閥等。機械功率FV液壓功率pQ小大閥芯閥體（閥套）凸肩沉割槽棱邊閥芯孔閥芯與閥體land棱邊圖2.2滑閥典型結構原理圖沉割槽通油槽零開口正開口負開口ZEROLIPUNDERLIPOVERLIP零重疊負重疊正重疊圖2.2滑閥典型結構原理圖ABpST（a）兩凸肩四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖(a)為兩凸肩四通滑閥，它有一個進油口P，兩個通向液壓執(zhí)行元件的控制口A及B，另外還有兩個回油口。因為兩個回油口合并成一個O口流出滑閥，故整個滑閥共有P、T、A、B四個通油口，稱四通閥。這種結構中回油壓力作用于凸肩，因油壓力不會為零，當閥芯不在零位時，總有一個使閥芯繼續(xù)打開的力作用于閥芯。pSTABXv（a）兩凸肩四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABXv（a）兩凸肩四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖(b)兩凸肩三通滑閥兩個凸肩里側的兩個棱邊是工作棱邊，只有一個通向液壓執(zhí)行元件的控制口c，所以稱三通閥。如果閥芯向右微動，P口的油液經過右凸肩棱邊的節(jié)流作用后通向C口，如果閥芯向左移動，則C口的油液經左凸肩棱邊節(jié)流后由T口流出滑閥。由于只有一個控制口C，通向液壓缸的無桿腔，液壓缸的有桿腔是不可控的。為使液壓缸能雙向運動，必須采取其它辦法讓液壓缸活塞回程，圖示結構pc（b）兩凸肩三通滑閥

cPTpspspc（b）兩凸肩三通滑閥

圖2.2滑閥典型結構原理圖cPTpspspcXv（b）兩凸肩三通滑閥

圖2.2滑閥典型結構原理圖cPTpspspcXv（b）兩凸肩三通滑閥

圖2.2滑閥典型結構原理圖cPTpsps（C）四凸肩零開口四通滑閥BPTAps

(c)四凸肩零開口四通滑閥圖中兩個通油槽處有四個工作棱邊。由于凸肩的寬度和不同凸肩間的距離，與相對應的油槽尺寸是配制得完全一致的，所以當閥芯處于中位時，凸肩的棱邊與油糟的棱邊，一一對齊，從而把油槽完全封住。這種完全理想化的滑閥，稱理想滑閥。（C）四凸肩零開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖BPTAps（C）四凸肩零開口四通滑閥Xv圖2.2滑閥典型結構原理圖BPTAps（C）四凸肩零開口四通滑閥Xv圖2.2滑閥典型結構原理圖BPTAps

(d)三凸肩零開口四通滑閥圖中三個通油槽處有四個工作棱邊。由于凸肩的寬度和不同凸肩間的距離，與相對應的油槽尺寸是配制得完全一致的，所以當閥芯處于中位時，凸肩的棱邊與油糟的棱邊，一一對齊，從而把油槽完全封住。這種完全理想化的滑閥，稱理想滑閥。pSTAB（D）三凸肩零開口四通滑閥pSTAB（D）三凸肩零開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABXv（D）三凸肩零開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABXv（D）三凸肩零開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABUUUU（E）三凸肩正開口四通滑閥(e)三凸肩正開口四通閥閥芯處于中位時，四個節(jié)流工作棱邊處都有相同的預開口量U，即在零位時有預開口量，這種閥稱正開口閥或負重疊閥。pSTABUUUU（E）三凸肩正開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABUUUUXv（E）三凸肩正開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABUUUUXv（E）三凸肩正開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABOLOLOLOL（F）三凸肩負開口四通滑閥(f)三凸肩負開口四通滑閥零位時每個凸肩都遮蓋了相應的油槽而有重疊量，只有閥芯位移超過了棱邊處的重疊量后閥口才打開。這種閥稱正重疊閥或負開口閥。pSTABOLOLOLOL（F）三凸肩負開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABOLOLOLOLXv（F）三凸肩負開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖pSTABOLOLOLOLXv（F）三凸肩負開口四通滑閥圖2.2滑閥典型結構原理圖2.2.1零開口四通滑閥的靜特性滑閥的結構型式很多，最有代表性的是零開口四通滑閥。能表示Q、A及Δp三者間關系的方程就是滑閥的特性方程，而只研究穩(wěn)態(tài)關系的就叫做靜特性。不論凸肩數(shù)有多少，也不管是三通或四通的閥，都可以做成正開口、負開口或零開口的。圖2.3零開口四通滑閥3142pSQLQ1Q3Tp2p1(b)液壓橋pSTABXv124p13p2QLQL(a)結構原理圖pSTABXv124p13p2QLQLA圖2.4滑閥閥口形狀(a)

通油槽為整周開槽(b)通油槽為方孔（c）通油槽為圓孔。dvxvxvxv(a)(b)（c）QL/QLmax0.81.0=xv/xvmax0.81.2-1.2-0.8-0.8-0.4-0.40.40.40.2-0.2000pL/ps-0.80.8-0.40.40.6-0.6-1.0ⅣⅡⅢⅠ圖2.5零開口四通滑閥壓力-流量曲線曲線是非線性的!

將流量方程(2-8)式在某一工作點(QL1、xv1、pL1)附近全微分，可得在此工作點處的流量方程:(2-11)Kq——流量增益，或流量放大系數(shù)，表示負載壓力pL不變時，當閥芯位移xv，有微小增量時所引起的流量增量；Kc——壓力流量系數(shù)，表示閥芯位移不變時負載壓力增量與負載流量增量之間的關系，也稱閥剛度。(2-12)(2-13)(2-14)(2-15)(2-16)(2-17)滑閥的三個閥系數(shù)以及其靜特性曲線都可用實驗法測得。pSTABXv124p13p2QL測Kq0圖2.6正開口四通滑閥3142pSQLQ1Q3Tp2p1pSTABXv=0p1p2QLQLL1L2UUUU12432.2.2正開口四通滑閥的靜特性圖2.9零開口三通滑閥

pcXvpspsp0≈0AA’2.2.3三通閥的靜特性12一、三通閥的負載壓力三通閥一般驅動差動缸PL是用來平衡負載F的壓力2.2.3三通滑閥的靜特性

二、零開口三通閥的壓力-流量特性QLKqKc零位時Kc很?。×汩_口三通閥的閥系數(shù)(2-37)(2-38)(2-39)零開口三通閥的零位閥系數(shù)也象四通閥一樣，應根據(jù)其零位漏損量推算。三、正開口三通閥的壓力-流量特性QL12圖2.10為正開口三通閥，兩個節(jié)流口同時工作以控制一個控制口，其控制壓力為pc，負載流量為QL，設閥芯按圖示方向移動，由圖可知圖2.10正開口三通滑閥pcXvpspsp0≈0AA’U+xvU-xv12和零開口三通閥一樣引入負載壓力pL，直接引用式(2-34)，得(2-40)(2-27)(2-40)式(2-40)與式(2-27)相比，正開口四通閥流量方程中的pL改換成2pL，就變成正開口三通閥的流量方程了。因此，當把圖2.7中正開口四通閥壓力流量曲線的pL/ps坐標1改為1/2后，就是正開口三通閥的壓力流量曲線了。圖2.7正開口四通滑閥壓力-流量曲線QL/QLmax1.0=xv/xvmax0.8-2.0-1.00.2000pL/ps-0.80.8-0.40.40.62.01.0ⅣⅢⅡⅠ-0.8-0.4-0.2-0.6-1.00.4正開口三通閥的三個零位閥系數(shù)為(2-41)(2-42)(2-43)三通閥的流量增益與四通閥的流量增益相同，而三通閥的壓力增益Kp較四通閥的小一半，這是因為三通間只控制一個控制腔壓力pc，而另一腔的壓力不可控所致。2.2.3三通閥的靜特性如果閥芯按圖示方向移動，棱邊1處的節(jié)流口打開，控制腔壓力pc增高，其最大值pcmax=ps時使活塞向右運動的力

F1=p1A－psA＇。

A——無桿端活塞面積，A＇——有桿端活塞面積。圖2.9零開口三通滑閥

pcXvpspsp0≈0AA’12四、三通閥、四邊閥靜特性比較1、液壓放大元件的流量增益Kq與半橋的節(jié)流邊有關：零開口閥是正開口閥的一半；帶固定節(jié)流孔時，Kq是正開口閥的一半。2、液壓放大元件的壓力流量系數(shù)Kc與半橋、全橋有關：半橋正開口三通閥是全橋正開口四通閥的2倍；半橋零開口三通閥是全橋零開口四通閥2倍；帶2個固定節(jié)流孔的全橋與正開口四通閥全橋相等；帶1個固定節(jié)流孔的半橋與正開口三通閥半橋相等；3、零開口的壓力流量系數(shù)遠小于正開口閥，零開口的壓力增益遠在于正開口閥。零開口的因“內泄漏”引起的誤差將遠小于正開口閥。四、三通閥、四邊閥靜特性比較1、流量增益Kq，正開口是零開口的2倍，正開口是帶固定節(jié)流孔閥的2倍，半橋與全橋相等（因左右半橋流量相等）2倍12KqKcKqKc等價動態(tài)物理模型動態(tài)數(shù)學模型四、三通閥、四邊閥靜特性比較遠大于122、零位壓力流量系數(shù)Kc0，正開口遠大于零開口，半橋是全橋的2倍KqKcKqKc等價動態(tài)物理模型動態(tài)數(shù)學模型壓力放大器的等效閥？QLKp1/Kc壓力放大器的物理模型KpKc+壓力放大器的數(shù)學模型四、三通閥、四邊閥靜特性比較3、壓力增益Kp，正開口遠小于零開口，半橋是全橋一半2倍遠大于（1）作用在圓柱滑閥上的穩(wěn)態(tài)液動力

2.2.4滑閥的力特性

液流經過閥口時，由于流動方向和流速的改變，閥芯上會受到穩(wěn)態(tài)液動力。因沿閥芯徑向的分力互相抵消了，只剩下沿閥芯軸線方向的穩(wěn)態(tài)液動力。

圖2.11作用在帶平衡活塞的滑閥上的穩(wěn)態(tài)液動力

穩(wěn)態(tài)液動力指向閥口關閉的方向穩(wěn)態(tài)液動力指向閥口關閉的方向(2)、作用在滑閥上的液壓卡緊力(a)倒錐；(b)順錐；(c)傾斜

(5.13)

開一條均壓槽時，K＝0.4；開三條等距槽時，K＝0.063；開七條槽時，K＝0.027。

側向力指向閥芯卡緊方向側向力指向閥芯對中方向2.2.5滑閥的結構設計

1、為防止流量飽和，W>67xvmax;2、xvmax約為0.1~0.5;3、保持凸肩為銳邊，間隙為0.3微米。2.3噴嘴-擋板閥分析噴嘴-擋板閥閥有單噴嘴-擋板閥和雙噴嘴-擋板閥兩種。單噴嘴-擋板閥相當于帶1個固定節(jié)流孔的正開口三通閥雙噴嘴-擋板閥相當于帶2個固定節(jié)流孔的正開口四通閥2.3.1單噴嘴-擋板閥（略）2.3.2雙噴嘴-擋板閥一、雙噴嘴-擋板閥的壓力-流量特性Q1Q2Q3Q4二、雙噴嘴-擋板閥的壓力特性閥？QLKp1/Kc三、雙噴嘴-擋板閥零位的閥系數(shù)2.3.3雙噴嘴-擋板閥的液流力2.3.4雙噴嘴-擋板閥的設計1、為防止流量飽和，x0<=dn/16;2、x0約為0.1,d0<0.5。2.4射流管式液壓放大元件射流管閥一般用先導級作為壓力放大器用閥系數(shù)由實驗確定1、射流管閥只有一個噴孔堵塞后“事故歸零”；2、射流管噴孔較大。2.6放大元件的效率第3章液壓動力元件本章摘要

液壓動力元件(或稱液壓動力機構)是由液壓放大元件(液壓控制元件)和液壓執(zhí)行元件組成。有四種基本型式的液壓動力元件：閥控液壓缸、閥控液壓馬達、泵控液壓缸、泵控液壓馬達。本章將建立幾種基本的液壓動力元件的傳遞函數(shù)，分析它們的動態(tài)特性和主要性能參數(shù)。3.1四通閥控制液壓缸基本結構形式一、基本方程：(一)滑閥的流量方程定義負載流量：(二)液壓缸流量連續(xù)性方程進油腔流量：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：根據(jù)：V01=V02=V0=Vt/2

同時：則液壓缸流量連續(xù)性方程簡化為：(三)液壓缸和負載的力平衡方程：二、方框圖與傳遞函數(shù)：根據(jù)閥控液壓缸的基本方程進行拉氏變換得：根據(jù)閥控液壓缸的拉氏變換方程式繪出系統(tǒng)方框圖。由方框圖求得液壓缸輸出位移傳遞函數(shù)：

式中，分子的第一項是液壓缸活塞的空載速度。第二項是外負載力作用引起的速度降低。其分母特征多項式各項意義如下：

第一項：

是慣性力變化引起的壓縮流量所產

生的活塞速度；

第二項：

是慣性力引起的泄漏流量所產生的

活塞速度；第三項：是粘性力變化引起的壓縮流量產生的活塞速度；第四項是活塞運動速度；第五項：是粘性力引起的泄漏流量所產生的活塞速度；第六項：是彈性力變化引起的壓縮流量所產生的活塞速度；第七項：是彈性力引起的泄漏流量所產生的活塞速度。三、傳遞函數(shù)簡化（一）、無彈性負載：簡化為：液壓固有頻率：液壓阻尼比：忽略Bp后近似為：對指令輸入Xv的傳遞函數(shù)：對指令輸入FL的傳遞函數(shù)：（二）、有彈性負載：簡化為：綜合固有頻率：綜合阻尼比：忽略Bp后近似為：標準傳遞函數(shù)形式：或進一步簡化為：(三)其它簡化形式：四、頻率響應分析（一）、無彈性負載系統(tǒng)頻率分析：(1)速度放大系數(shù)由于傳遞函數(shù)中包含一個積分環(huán)節(jié)、所以在穩(wěn)態(tài)時，液壓缸活塞的輸出速度與閥的輸入位移成比例．比例系數(shù)即為速度放大系數(shù)(速度增益)。它表示閥對液壓活塞速度控制的靈敏度。速度放大系數(shù)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定件、響應速度和精度。提高速度放大系數(shù)可以提高系綻的響應速度和精度。但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。速度放大系數(shù)隨閥的流量增益變化而變化。(2)液壓固有頻率液壓固有頻率是負載質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果。提高液壓固有頻率的方法有：

I增大液壓缸活塞的面積

II減少總的壓縮容積

III減少折算到活塞上的總的質量

IV提高容積彈性模數(shù)(3)液壓阻尼比，液壓阻尼比的表達式，影響液壓阻尼比的因素，提高阻尼比的方法。（二）、有彈性負載系統(tǒng)頻率分析：分析系統(tǒng)的主要參數(shù)對系統(tǒng)的性能的影響。由于慣性環(huán)節(jié)的存在，使系統(tǒng)變成了一階系統(tǒng)，對單位階躍輸入就是有差的了。3.2四通閥控制液壓馬達基本結構形式一、基本方程：二、方框圖與傳遞函數(shù)：三、傳遞函數(shù)簡化液壓固有頻率：液壓阻尼比：對閥芯位移Xv的傳遞函數(shù)：對外負載力矩TL的傳遞函數(shù)：3.3三通閥控制液壓缸基本結構形式一、基本方程：二、傳遞函數(shù)：三、傳遞函數(shù)簡化液壓固有頻率：液壓阻尼比：傳遞函數(shù)近似式：3.5液壓動力元件與負載的匹配一、負載特性（一）

慣性負載特性慣性負載特性的數(shù)學表達式：負載特性曲線：（二）

粘性負載特性粘性負載特性的數(shù)學表達式：負載特性曲線：（三）

彈性負載特性彈性負載特性的數(shù)學表達式：負載特性曲線：（四）

合成負載特性負載特性的數(shù)學表達式：負載特性曲線：二、負載匹配負載匹配定義：根據(jù)負載軌跡來進行負載匹配時，只要使動力元件的輸出持性曲線能夠包圍負載軌跡，同時使輸出特性曲線與負載軌跡之間的區(qū)域盡量小，便認為液壓動力元件與負載相匹配。輸出特性曲線：在閥最大輸出功率點有：當供油壓力確定后，推得液壓缸活塞面積為：閥的最大空載流量為：思考題1、什么叫液壓動力元件?有哪些控制方式?有幾種基本組成類型？2、負載類型對液壓動力元件的傳遞函數(shù)有什么影響?3、無彈性負載和有彈性負載時，描述傳遞函數(shù)的性能參數(shù)分別有哪幾個？它們對系統(tǒng)動態(tài)特性有什么影響？4、何謂液壓彈簧剛度?為什么要把液壓彈簧剛度理解為動態(tài)剛度？5、液壓固有頻率和活塞位置有關．在計算系統(tǒng)穩(wěn)定性時，四通閥控制雙作用液比缸和三通閥控制差動液壓缸應取活塞的什么位置?為什么?6、為什么液壓動力元件可以得到較大的固有頻率?7、為什么說液壓阻尼比是一個“軟量”?提高阻尼比的簡單方法有哪幾種?它們各有什么優(yōu)缺點？8、何謂液壓動力元件的剛度?代表什么意義?9、三通閥控制液壓缸和四通閥控制液壓缸的固有顧率有什么不同?為什么?10、閥控液壓馬達和泵控液壓馬達的特性有何不同，為什么?11、為什么把稱為速度放大系數(shù)?速度放大系數(shù)的量綱是什么?12、何謂負載匹配?滿足什么條件才算最佳匹配?13、如何根據(jù)最佳負載匹配確定動力元件參數(shù)?14、泵控液壓馬達系統(tǒng)有沒有負載匹配問題?滿足什么條件才是泵控液壓馬達的最佳匹配?15、在長行程時，為什么不宜采用液壓缸而采用液壓馬達？思考題第4章機液伺服系統(tǒng)本章摘要

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)。機液伺服系統(tǒng)主要用來進行位置控制，也可以用來控制其它物理量，如原動機的轉速控制等。

由液壓放大元件和液壓執(zhí)行元件所組發(fā)的液壓動力元件，實際上就是一個開環(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號相比較后的誤差信號再控制液莊放大元件，就是閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。也就是說，在開環(huán)控制的基礎上，通過負反饋裝置—即比較元件+測量反饋元件就可以構成閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)。

將輸入量與反饋量比較后的誤差信號對輸出量不斷調整以求減少誤差的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。如果比較反饋元件由機械元件充當，則稱為“機液伺服系統(tǒng)”，以區(qū)別于電反饋系統(tǒng)。

“機液伺服系統(tǒng)”廣泛的應用于飛機舵面控制、火炮瞄準機構操縱、車輛轉向控制、仿形機床以及伺服變量泵等處。

4.1外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

－、工作原理及傳遞函數(shù)

XPXi升力阻力飛機舵機液控制系統(tǒng)上應用pS飛機舵機指令位移比較杠桿舵機位移XPXV-杠桿比較XP手XiX1X2比較反饋原理X1指令baXi舵機位移-X2XPabXPXi舵機位移XV手動XV=X1-X2指令液壓動力元件擾動液壓缸飛機舵機XPXV伺服閥液壓能源pS飛機舵機XV文字方框圖XPXi比較杠桿舵機位移手動ab-杠桿比較Xi比較元件要求：1）與指令元件相連（手）2）與被控對象相連（舵機）3）與放大元件相連（閥芯）

－、工作原理及傳遞函數(shù)

指令液壓動力元件擾動液壓缸飛機舵機XPXV伺服閥液壓能源-杠桿比較Xi動力元件-杠桿比較Xi方框圖

－、工作原理及傳遞函數(shù)

方框圖簡化動力元件-杠桿比較Xi開環(huán)傳遞函數(shù)一、工作原理及傳遞函數(shù)

開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)方框圖的畫法4.1外反饋機液伺服系統(tǒng)

二、穩(wěn)定性分析

幅值穩(wěn)定性裕量

1開環(huán)傳遞函數(shù)一、采用直接位置比較的液壓工作臺位置控制系統(tǒng)指令元件與閥芯相連受控對象與閥套相連Xi=X芯Xp=X套4.2內反饋機液伺服系統(tǒng)

（閥芯閥套直接比較）

內反饋就是直接比較的位置反饋。Xi=X芯Xp=X套閥芯與閥套閥芯閥套直接位置比較Xv-位置比較XiX芯X套1指令與閥連1對象與閥套連伺服閥XP內反饋中的比較元件就是“閥芯”和“閥套”。比較元件要求：1）與指令元件相連（手）2）與被控對象相連（工作臺）3）與放大元件相連（閥本身）閥芯與閥套控制框圖采用閥芯閥套直較方式擾動液壓缸Xv-位置比較Ka被控工作臺XP工作臺指令XiX芯X套1指令傳感器1反饋傳感器伺服閥三、工作原理及傳遞函數(shù)

方框圖動力元件-Xi11指令液壓動力元件擾動液壓缸刀架XPXV伺服閥液壓能源-Xi11動力元件-Xi開環(huán)傳遞函數(shù)4.1外反饋機液伺服系統(tǒng)

四、穩(wěn)定性分析

幅值穩(wěn)定性裕量

4.1外反饋機液伺服系統(tǒng)

四、穩(wěn)定性分析

四、穩(wěn)態(tài)負載誤差

四、穩(wěn)態(tài)負載誤差

動力元件-Xi四、穩(wěn)態(tài)負載誤差

將s=0代入得五、速度誤差

4.3動壓反饋裝置液壓伺服系統(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、響應速度和精度。因此提高阻尼比，對改善系統(tǒng)性能是十分重要的。采用動壓反饋可以有效地提高阻尼比，兩種常用的動壓反饋裝置，分別是液阻加空氣蓄能器和油氣阻尼器，一、基本方程：二、方框圖與傳遞函數(shù)：三、傳遞函數(shù)簡化液壓固有頻率：液壓阻尼比：附加阻尼比：小結

第三章中所討論的閥控缸，閥控馬達及系在馬達等都是開環(huán)控制。這一章講的是在開環(huán)動力元件的基礎上，加上反饋裝置后就組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用機械反饋元件的系統(tǒng)稱為機液控制。

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。小結

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，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。比較元件要求：1）與指令元件相連；2）與被控對象相連；3）與放大元件相連。小結穩(wěn)態(tài)誤差

：穩(wěn)態(tài)誤差與放大元件的輸出流量有關，與放大元件在穩(wěn)態(tài)時的輸入量xv成正比。1）負載誤差與負載FL成正比,與壓力增益KP成反比(與總壓力流量系數(shù)KCe成正比)；2）速度誤差與給定速度V成正比，與速度增益Kv成反比。因此：1）要想辦法提高壓力增益KP，減小閥的零位泄漏；2）要想辦法在保證穩(wěn)定的前提下，提高速度增益Kv。小結穩(wěn)定性

：系統(tǒng)穩(wěn)定性與開環(huán)增益Kv有關，與固有頻率ωh有關，與阻尼系數(shù)ζh有關。1）油缸的等效容積越小，液壓彈簧剛度越大，固有頻率ωh越高，穩(wěn)定性越好；2）開環(huán)增益Kv越小，總壓力流量系數(shù)KCe越小，穩(wěn)定性越好；但這與控制精度相矛盾。因此：1）采用零開口閥以減小壓力流量系數(shù)KCe，提高壓力增益KP，從而保證控制精度；2）要想辦法減小油缸的等效容積，提高固有頻率ωh，保證穩(wěn)定性

。幅值穩(wěn)定性裕量

第5章電液伺服閥本章摘要

電液伺服閥既是電液轉換元件，又是功率放大元件。它能夠將輸入的微小電氣信號轉換為大功率的液壓信號(流量與壓力)輸出。根據(jù)輸出液壓信號的不問，電液伺服閥和比例閥可分為電液流量控制伺服閥和比例閥和電液壓力控制伺服閥和比例閥兩大類。電液伺服閥控制精度高、響應速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。5.1電液伺服閥的組成與分類一、電液伺服閥的組成電液伺服閥通常由力矩馬達(或力馬達)、液壓放大器、反饋機構(或平衡機構)三部分組成。二、電液伺服閥的分類按液壓放大級數(shù)分為：單級伺服閥此類閥結構簡單、價格低廉，但由于力矩馬達或力馬達輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸出流量有限，對負裁動態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決于負載動態(tài)，容易產生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于低壓、小流量和負載動態(tài)變化不大的場合。兩級伺服閥此類閥克服了單級伺服閥缺點，是最常用的型式。三級伺服閥此類閥通常是由一個兩級伺服閥作前置級控制第三級功率滑閥．功率級滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率級滑閥閥芯的定位。三級伺服閥通常只用在大流量的場合。按第一級閥的結構形式分類：可分為：滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥射流管閥和偏轉板射流閥。按反饋形式分類：可分為滑閥位置反嫂、負載流量反饋和負載壓力反饋三種。按力矩馬達是否浸泡在油中分類：濕式的可使力矩馬達受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達持性變壞，干式的則可使力矩馬達不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。5.2力矩馬達在電液伺服閥中力矩馬達的作用是將電信號轉換為機械運動，因而是一個電氣—機械轉換器。電氣—機械轉換器是利用電磁原理工作的。它由永久磁鐵或激磁線圈產生極化磁場。電氣控制信號通過控制線圈產生控制磁場，兩個磁場之間相互作用產生與控制信號成比例并能反應控制信號極性的力或力矩，從而使其運動部分產直線位移或角位移的機械運動。一、力矩馬達的分類及要求1、力矩馬達的分類

1)根據(jù)可動件的運動形式可分為：直線位移式和角位移式，前者稱力馬達，后者稱力矩馬達。

2)按可動件結構形式可分為：動鐵式和動圈式兩種。前者可動件是銜鐵，后者可動件是控制線圈。3)按極化磁場產生的方式可分為：非激磁式、固定電流激磁和永磁式三種。

2、對力矩馬達的要求

作為閥的驅動裝置，對它提出以下要求；

1)能夠產生足夠的輸出力和行程，問時體積小、重量輕。

2)動態(tài)性能好、響應速度快。

3)直線件好、死區(qū)小、靈敏度高和磁滯小。

4)在某些使用情況下，還要求它抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力等影響。

二、永磁力矩馬達

1、力矩馬達的工作原理

圖2所示為一種常用的永磁動鐵式力矩馬達工作原理圖，它由永久磁鐵、上導磁體、下導磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等組成。銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉動中心作微小的轉動。銜鐵兩端與上、下導磁體(磁極)形成四個工作氣隙①、②、⑤、①。兩個控制線圈套在銜鐵之上。上、下導磁體除作為磁極外，還為永久磁鐵產生的極化磁通和控制線圈產生的控制磁通提供磁路。2、力矩馬達的電磁力矩通過力矩馬達的磁路分析可以求出電磁力矩的計算公式。從磁路分析知電磁力矩是非線性的，因此為保證輸出曲線的線性，往往設計成可動位移和氣隙長度只比小于三分之一，控制磁通遠遠小于極化磁通。三、

永磁動圈式力馬達圖示為永磁動式力馬達的結構原理。力馬達的可動線圈懸置于作氣隙中，永久磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當控制電流加到線圈上時，線圈就會受到電磁力的作用而運動。線圈的運動方向可根據(jù)磁通方向和電流方向按左手定則判斷。線圈上的電磁力克服彈簧力和負載力，使線圈產生一個與控制電流成比例的位移。四、動鐵式力矩馬達與動圈式力矩馬達的比較1)動鐵式力矩馬達因磁滯影響而引起的輸出位移滯后比動圈式力馬達大。2)動圈式力馬達的線性范圍比動鐵式力矩馬達寬。因此．動圈式力馬達的工作行程大，而動鐵式力矩馬達的工作行程小。3)在同樣的慣性下，動鐵式力矩馬達的輸出力矩大，而動圈式力馬達的輸出力小。動鐵式力矩馬達因輸出力矩大，支承彈簧剛度可以取得大，使銜鐵組件的固有頻率高，而力馬達的彈簧剛度小，動圈組件的固有頻率低。4)減小工作氣隙的長度可提高動圈式力馬達和動鐵式力矩馬達的靈敏度。但動圈式力馬達受動圈尺寸的限制，而動鐵式力矩馬達受靜不穩(wěn)定的限制。5)在相同功率情況下，動圈式力馬達比動鐵式力矩馬達體積大，但動圈式力馬達的造價低。5.3力反饋兩級電液伺服閥一、工作原理無控制電流時，銜鐵由彈簧管支承在上、下導磁體的中間位置，擋板也處于兩個噴嘴的中間位置，滑閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位，閥無液壓輸出。當有差動控制電流輸入時．在銜鐵上產生逆時針方向的電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧轉動中心逆時針方向偏轉，彈簧管和反饋桿產生變形，擋板偏離中位。這時，噴嘴擋板閥右間隙減小而左間隙增大，引起滑閥左腔控制壓力增大，右腔控制壓力減小，推動滑閥閥芯左移。同時帶動反饋桿端部小球左移，使反饋桿進一步變形。當反饋桿和彈簧管變形產生的反力矩與電磁力矩相平衡時，銜鐵擋板組件便處于一個平衡位旨。在反饋桿端部左移進一步變形時，使擋板的偏移減小，趨于中位。這使左腔控制壓力又降低，右腔控制壓力增高，當閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對閥芯產生的反作用力以及滑閻的液動力相平衡時，閥芯停止運動，其位移與控制電流成比例。在負載壓差—定時，閥的輸出流量也與控制電流成比例。所以這是一種流量控制伺服閥。二、基本方程與方框圖力矩馬達的運動方程包括基本電壓方程，銜鐵和擋板組件的運動方程，擋板位移于轉角之間的關系，噴嘴擋板至滑閥的傳遞函數(shù)，閥控液壓缸的傳遞函數(shù)，以及作用在擋板上的壓力反饋方程，根據(jù)這些方程可以畫出電液伺服閥的方框圖。三、力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)給出的傳遞函數(shù)是一個慣性加振蕩的環(huán)節(jié)，重點介紹近似的傳遞函數(shù)：在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動態(tài)響應往往高于動力元件的動態(tài)響應。為了簡化系統(tǒng)的動態(tài)持性分析與設計，伺服閥的傳遞函數(shù)可以進一步簡化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動力元件的固有頻率，伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，當伺服閥的固有頻率遠大于動力元件的固有頻率，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。5.5其它型式的電液伺服閥簡介一、彈簧對中式兩級電液伺服閥

彈簧對中式伺服閥是早期伺服閥的結構型式，它的第—級是雙噴嘴擋板閥，第二級是滑閥，閥芯兩端各有一根對中彈簧。當控制電流輸入時，閥芯在對中彈簧作用下處于中位。當有控制電流輸入時，對中彈簧力與噴嘴擋板閥輸出的液壓力相平衡，使閥芯取得一個相應的位移，輸出相應的流量。這種伺服閥屬于開環(huán)控制、其性能受溫度、壓力及閥內部結構參數(shù)變化的影響較大；銜鐵及擋板的位移都較大．對力矩馬達的線件要求較高；對中彈簧要求體積小、剛度大、抗疲勞好，因此制造困難；兩端對中彈簧由于制造和安裝的誤差．易對閥芯產生側向卡緊力．增加閥芯摩擦力．使閥的滯環(huán)增大，分辨率降低。但由于結構簡單、造價低，可適用于—般的、性能要求不高的電液伺服系統(tǒng)。二、射流管式兩級電液伺服閥

照圖說明射流管式伺服閥的原理。射流管由力矩馬達帶動偏轉。射流管焊接于銜鐵上，并由薄壁彈簧片支承。液壓油通過柔性的供壓管進入射流管．從射流管噴射出的液壓油進入與滑閥兩端控制腔分別相通的兩個接收孔中，推動閥芯移動。射流管的側面裝有彈簧板板及反饋彈簧絲．共末端插入閥從中的小槽內，閥芯移動推動反饋彈簧絲．構成對力矩馬達的力反饋。力矩馬達借助于薄壁彈簧片實現(xiàn)對液壓部分的密封隔離。三、動壓反饋伺服閥壓力—流量伺服閥雖然增加了系統(tǒng)的阻尼，但降低了系統(tǒng)的靜剛度，為了克服這個缺點．出現(xiàn)了功壓反饋伺服閥，與壓力—流量伺服閥相比。它增加樂由出彈簧活寒和液阻(固定節(jié)流孔)所組成的壓力微分網絡，負載壓力通過壓力微分網絡反饋到滑閥，此閥在動態(tài)時，具有壓力—流量伺服閥的持性，在穩(wěn)態(tài)時具有流量伺服閥的持性。5.6電液伺服閥的主要性能參數(shù)一、靜態(tài)特性電液流量伺服閥的靜態(tài)性能，可根據(jù)測試所得到負載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內泄漏特性等曲線等性能指標加以評定。包括1、負載流量特性2、空載流量特性流量曲線非常有用，它不僅給出閥的極性、額定空載流量、名義流量增益，而且從中還可以得到閥的線件度、對稱度、滯環(huán)、分辨率，并揭示閥的零區(qū)特性。3、壓力特性壓力特性曲線是輸出流量為零(兩個負載油門關閉)時，負載壓降與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線。4、內泄漏特性5、零漂二、

動態(tài)特性主要是用頻率響應和瞬態(tài)響應表示。三、輸入特性線圈接法1、電液伺服閥由哪幾部分組成?各部分的作用是什么？2、力矩馬達為何要有極化磁場?3、永磁動鐵式力矩馬達的電磁力矩是如何產生的？為什么會出現(xiàn)負磁彈簧剛度？4、為什么把、稱為中位電磁力矩系數(shù)和中位磁彈簧剛度？5、為什么動圈式力馬達沒有磁彈簧剛度?這種力馬達有什么特點？6、為什么噴嘴擋板式力反饋兩級伺服閥在穩(wěn)態(tài)時，擋板在中位附近工作？有什么好處？7、如何提高力反饋伺服閥的頻寬，提高頻寬受什么限制？8、為了減小力矩馬達線圈電感的影響，應采取什么措施?9、在什么情況下電液伺服閥可看成振蕩環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)？10、為什么力反饋伺服閥流量控制的精確性需要靠功率滑閥的精度來保證?11、壓力伺服閥與壓力—流量伺服閥有什么區(qū)別?12．壓力—流量伺服閥與動壓反饋伺服閥有什么區(qū)別?思考題第6章電液伺服系統(tǒng)本章摘要

介紹電液伺服系統(tǒng)類型，重點講述了三種典型電液伺服系統(tǒng)（位置、速度、力）的分析，并對電液伺服系統(tǒng)的校正方法加以論述。6.1電液伺服系統(tǒng)的類型一、模擬伺服系統(tǒng)在模擬伺服系統(tǒng)中，全部信號都是連續(xù)的模擬量，模擬伺服系統(tǒng)重復精度高，但分辨能力較低(絕對精度低)。伺服系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于檢測裝置的精度，另外模擬式檢測裝置的精度一般低于數(shù)字式檢測裝置．所以模擬伺服系統(tǒng)分辨能力低于數(shù)字伺服系統(tǒng)。另外模擬伺服系統(tǒng)中微小信號容易受到噪聲和零漂的影響、因此當輸入信號接近或小于輸入端的噪聲和零漂時，就不能進行有效的控制了。二、

數(shù)字伺服系統(tǒng)在數(shù)字伺服系統(tǒng)中，全部信號或部分信號是離散參量。因此數(shù)字伺服系統(tǒng)又分為全數(shù)字伺服系統(tǒng)和數(shù)字—模擬伺服系統(tǒng)兩種。6.2電液位置伺服系統(tǒng)的分析6.2.1系統(tǒng)的組成及其傳遞函數(shù)電液伺服系統(tǒng)的動力元件不外乎閥控式和泵控式兩種基本型式，但由于所采用的指令裝置、反饋測量裝置和相應的放大、校正的電子部件不同．就構成了不