液壓伺服與比例控制系統(tǒng) 課件 4機(jī)液控制系統(tǒng)建模與分析

電液伺服與比例控制系統(tǒng)機(jī)液伺服系統(tǒng)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(shí)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(chǔ)上，通過負(fù)反饋裝置——即比較元件+測量反饋元件就可以構(gòu)成閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)。舉例之一簡易仿形刀架示意圖圖1簡易仿形刀架系統(tǒng)舉例之一簡易仿形刀架示意圖圖1簡易仿形刀架系統(tǒng)舉例之二液壓轉(zhuǎn)矩放大器1-滑閥圖2液壓轉(zhuǎn)矩放大器結(jié)構(gòu)原理圖2-螺桿3-反饋螺母4-液壓馬達(dá)舉例之二液壓轉(zhuǎn)矩放大器1-滑閥圖2液壓轉(zhuǎn)矩放大器結(jié)構(gòu)原理圖2-螺桿3-反饋螺母4-液壓馬達(dá)機(jī)液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用維護(hù)比較容易。廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)舵面控制、火炮瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)操縱、車輛轉(zhuǎn)向控制、仿形機(jī)床以及伺服變量泵等處。由機(jī)械反饋裝置(如杠桿、齒輪、螺母—螺桿和凸輪等)和液壓動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)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)構(gòu)柔度對穩(wěn)定性影響一、機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖后期剪輯：章節(jié)版，AE包裝機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一圖3機(jī)液位置伺服系統(tǒng)示意圖機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一圖3機(jī)液位置伺服系統(tǒng)示意圖機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一指令baXi位移ab位移手動機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一指令液壓動力元件擾動液壓缸控制對象XPXV伺服閥液壓油源杠桿比較Xi比較元件要求1與指令元件相連2與被控對象相連

3與放大元件相連機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一系統(tǒng)基本方程：機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一無剛度負(fù)載時，動力元件輸出位移Xp：機(jī)液位置伺服系統(tǒng)組成及方塊圖一系統(tǒng)方塊圖為：電液伺服與比例控制系統(tǒng)張偉教授機(jī)液伺服系統(tǒng)二、機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析后期剪輯：章節(jié)版，AE包裝機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二Ⅰ型系統(tǒng)：穩(wěn)定性好；開環(huán)傳遞函數(shù)：開環(huán)放大系數(shù)：Ⅱ型系統(tǒng)：穩(wěn)定性差；Ⅲ型系統(tǒng)：穩(wěn)定性難于穩(wěn)定。機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二其特征方程為機(jī)液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)定裕量機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二Routh表如下……….特征方程判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二伯德圖判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二開環(huán)傳遞函數(shù)中：低頻段曲線斜率是-20dec分貝；高頻時由于加二階振蕩環(huán)節(jié)，曲線曲線斜率是-60dec分貝；在低頻穿越頻率時，相位裕量γ＝180°+φ（wc）當(dāng)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(yīng)相角是-180°機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二

為液壓固有頻率，幅值為，由于阻尼比小，在出現(xiàn)諧振峰值，其幅值為機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二根據(jù)波德圖給出穩(wěn)定性條件：機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二通常液壓伺服系統(tǒng)是欠阻尼的，由于阻尼比小限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以通常通過提高阻尼比對改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能。機(jī)液伺服控制系統(tǒng)通常通過調(diào)整開環(huán)放大系數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)整，調(diào)整開環(huán)放大系數(shù)最直接的方法是調(diào)整閥的流量增益。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，系統(tǒng)的控制精度也越高。但同時還要受到穩(wěn)定性限制。機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二一般取這時位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是為了防止系統(tǒng)中元件參數(shù)變化的影響，應(yīng)保證穩(wěn)定性有一定的儲備，稱為穩(wěn)定裕度。它又分幅值裕度和相位裕度。機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二幅值裕度:相位裕度:

一般，相位角40o～60o，幅值裕量要大于6dB，即可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二機(jī)液伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性討論影響機(jī)液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素：系統(tǒng)開環(huán)增益1降低系統(tǒng)開環(huán)增益，可增加系統(tǒng)的幅值儲備和相角儲備，從而提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。這是提高相對穩(wěn)定性的最簡便方法。機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二積分環(huán)節(jié)2

由系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性要求可知，Ⅰ型系統(tǒng)（1個積分環(huán)節(jié)）的穩(wěn)定性好，Ⅱ型系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，Ⅲ型以上系統(tǒng)就難于穩(wěn)定了。機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二系統(tǒng)固有頻率和阻尼比3在開環(huán)增益確定的條件下，系統(tǒng)固有頻率越高、阻尼比越大，則系統(tǒng)穩(wěn)定性儲備便可能越大，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性會越好。機(jī)液位置伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二延時環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié)4延時環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié)會給系統(tǒng)帶來相位滯后，從而減小相角儲備降低穩(wěn)定性，因而應(yīng)盡量避免延時環(huán)節(jié)或使其延時時間盡量最小，盡量避免非最小相位環(huán)節(jié)出現(xiàn)。電液伺服與比例控制系統(tǒng)張偉教授機(jī)液伺服系統(tǒng)三、結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響后期剪輯：章節(jié)版，AE包裝結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三基本方程與傳遞函數(shù)1圖4液壓缸與負(fù)載系統(tǒng)簡化模型閥的流量方程：流量連續(xù)性方程：結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三圖5缸體、活塞、負(fù)載的受力圖結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三液壓缸活塞受力平衡方程：負(fù)載力平衡方程：缸體力平衡方程：結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三大慣量伺服系統(tǒng)中，忽略活塞質(zhì)量mp、液壓缸質(zhì)量mc、活塞阻尼Bc、液壓缸阻尼Bp簡化后得綜合推得結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三大慣量伺服系統(tǒng)中，忽略活塞質(zhì)量mp、液壓缸質(zhì)量mc、活塞阻尼Bc、液壓缸阻尼Bp聯(lián)立整理得結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三分析：結(jié)構(gòu)剛度與負(fù)載質(zhì)量構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)諧振系統(tǒng)。而結(jié)構(gòu)諧振與液壓諧振相互耦合，形成一個液壓—機(jī)械綜合諧振系統(tǒng)。綜合剛度Kn是液壓彈簧剛度和結(jié)構(gòu)剛度Ks1，Ks2串聯(lián)剛度。所以綜合諧振頻率要比液壓固有頻率和結(jié)構(gòu)諧振頻率都低，降低了系統(tǒng)的頻率。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三負(fù)載位移XL對閥芯位移Xv的傳遞函數(shù)為：結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三負(fù)載位移XL對活塞位移Xp的傳遞函數(shù)為：結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三活塞位移Xp對閥芯位移Xv的傳遞函數(shù)為：結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三考慮結(jié)構(gòu)柔度的系統(tǒng)穩(wěn)定性2（1）全閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性假定反饋從負(fù)載端取出構(gòu)成全閉環(huán)系統(tǒng)，開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖如右所示，此時系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頻寬受綜合諧振頻率和綜合阻尼比所限制。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三對于大慣量系統(tǒng)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)諧振頻率是綜合諧振頻率，結(jié)構(gòu)諧振頻率是限制系統(tǒng)頻寬的主要因素。對于慣性較小、結(jié)構(gòu)剛度較大的伺服系統(tǒng)，可以認(rèn)為液壓固有頻率就是綜合諧振頻率。其穩(wěn)定性有液壓固有頻率和液壓阻尼比決定。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三（2）半閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性如果反饋從活塞輸出端引出構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)，其方塊圖如下圖所示。此時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)含有二階微分環(huán)節(jié)，當(dāng)諧振頻率與綜合諧振頻率靠的很近時，反諧振二階微分環(huán)節(jié)對綜合諧振有一個對消作用，使綜合諧振峰值減小，從而改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三圖6半閉環(huán)系統(tǒng)方框圖Xp結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三半閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖對比結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：總結(jié)：半閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比全閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好得多。但半閉環(huán)系統(tǒng)的精度一般來說精度要比全閉環(huán)系統(tǒng)低。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三（2）提高綜合諧振頻率和綜合阻尼比的方法綜合諧振頻率和綜合阻尼比常常成為影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和限制系統(tǒng)頻寬的主要因素，因此提高和具有重要意義。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三①提高綜合諧振頻率ωh的途徑提高結(jié)構(gòu)諧振頻率ωs。提高結(jié)構(gòu)剛度，減小負(fù)載質(zhì)量（或慣量），可以提高結(jié)構(gòu)諧振頻率。在帶有傳動機(jī)構(gòu)的負(fù)載系統(tǒng)中，要特別注意提高靠近負(fù)載處的結(jié)構(gòu)剛度。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三①提高綜合諧振頻率ωh的途徑

增大執(zhí)行元件到負(fù)載的傳動比。傳動比增大使折算到執(zhí)行元件輸出端的等效負(fù)載質(zhì)量（或等效負(fù)載慣量）減小，提高了液壓固有頻率，從而提高了綜合諧振頻率。負(fù)載剛度不變時，也可通過提高液壓彈簧剛度的辦法來提高液壓固有頻率。結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響三②提高綜合阻尼比ζh

的途徑綜合阻尼比主要由閥提供