液压伺服与比例控制系统

燕 山 大 学 《液压伺服与比例控制系统》课程组 欢 迎 使 用 《液压伺服与比例控制系统》 多媒体授课系统 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 第第44章章 机液伺服系统机液伺服系统 本章摘要 由机械反馈装置和液压动力元件所组成的 反馈控制系统称为机械液压伺服系统。机液伺 服系统主要用来进行位置控制，也可以用来控 制其它物理量，如原动机的转速控制等。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 由液压放大元件和液压执行元件所组发的液 压动力元件，实际上就是一个开环控制系统。 如果将液压执行元件的输出位移量与指令信 号相比较后的误差信号再控制液庄放大元件，就 是闭环位置控制系统。 也就是说，在开环控制的基础上，通过负反 馈装置—即比较元件+测量反馈元件就可以构成 闭环液压控制系统。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 将输入量与反馈量比较后的误差信号对输出 量不断调整以求减少误差的系统称随动系统或伺 服系统。 如果比较反馈元件由机械元件充当，则称为 “机液伺服系统”，以区别于电反馈系统。 “机液伺服系统”广泛的应用于飞机舵面控 制、火炮瞄准机构操纵、车辆转向控制、仿形机 床以及伺服变量泵等处。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） －、工作原理及传递函数 21 : vvv xxx  阀开口量为 www.plcworld.cn www.plcworld.cn XP Xi 升升 力力 阻力阻力 飞机舵机液控制系统上应用飞机舵机液控制系统上应用 pS 飞机舵机飞机舵机 指令位移指令位移 比较杠杆 舵机位移舵机位移 XP XV www.plcworld.cn www.plcworld.cn -- 杠杆比较杠杆比较 XXPP 手 Xi X1 X2 vx 1vx 2vx p x ix 比较反馈原理 ba a  ba b  X1 指令指令 b a Xi 1vx ix 舵机位移舵机位移 -X2 XXPP 2vx a b px XP Xi 舵机位移舵机位移 XV 手动手动 XV =X1 -X2 vx ix px 21 vvv xxx  www.plcworld.cn www.plcworld.cn 指令 液压动力元件 扰扰 动动 液液压缸压缸 飞机飞机舵机舵机 XXPPXV 伺服阀伺服阀 液压能源液压能源 pS 飞机舵机飞机舵机 XV 文字方框图 XP Xi 比较杠杆 舵机位移舵机位移 手动手动 a b -- 杠杆比较杠杆比较Xi ba a  ba b  比较元件要求： 1）与指令元件相连（手） 2）与被控对象相连（舵机） 3）与放大元件相连（阀芯） www.plcworld.cn www.plcworld.cn －、工作原理及传递函数 指令 液压动力元件 扰扰 动动 液液压缸压缸 飞机飞机舵机舵机 XXPPXV 伺服阀伺服阀 液压能源液压能源 -- 杠杆比较杠杆比较Xi ba a  ba b  )12( 1 2 2  sss h h h    vx px LF ) 4 (12 Ce e t p KsV A  p q A K 动力元件 -- 杠杆比较杠杆比较 Xi ba a  ba b  方框图 www.plcworld.cn www.plcworld.cn －、工作原理及传递函数 方框图简化 )12( 1 2 2  sss h h h    vx px LF ) 4 (12 Ce e t p KsV A  p q A K 动力元件 -- 杠杆比较杠杆比较 Xi ba a  ba b  开环传递函数 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 一、工作原理及传递函数 开环传递函数 开环 传递函数 传递函数 www.plcworld.cn www.plcworld.cn                        h h v h hh v h v ss K K s K GH     , , 2 , 2 2 方框图的画法 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 二、稳定性分析 v hh K 2lg20 幅值稳定性裕量 h vK lg20 vKlg20 1 www.plcworld.cn www.plcworld.cn v v KN K N K v 开环传递函数 vK www.plcworld.cn www.plcworld.cn 一、采用直接位置比较的液压工作台位置控制系统 指令元件与阀芯相连 受控对象与阀套相连 Xi=X芯 Xp=X套 4.2 4.2 内反馈机液伺服系统内反馈机液伺服系统 （阀芯阀套直接比较）（阀芯阀套直接比较） 内反馈就是直接 比 较 的 位 置 反 馈。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn Xi=X芯 Xp=X套 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 阀芯与阀套 阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较Xv -- 位置比较位置比较 Xi X芯 X套 11 指令与阀连 11 对象与阀套连 伺服阀伺服阀 XP 内反馈中的比较元件就 是“阀芯”和“阀套”。 比较元件要求： 1）与指令元件相连（手） 2）与被控对象相连（工作台） 3）与放大元件相连（阀本身） www.plcworld.cn www.plcworld.cn 阀芯与阀套 控制框图控制框图 采用阀芯阀 套直较方式 扰扰 动动 液液压缸压缸Xv -- 位置比较位置比较 KaKa 被控被控 工作台工作台 XXPP 工作台工作台 指令 Xi X芯 X套 11 指令传感器 11 反馈传 感器 伺服阀伺服阀 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 三、工作原理及传递函数 方框图 )12( 1 2 2  sss h h h    vx px LF ) 4 (12 Ce e t p KsV A  p q A K 动力元件 -- Xi 1 1 指令 液压动力元件 扰扰 动动 液液压缸压缸 刀架刀架 XXPPXV 伺服阀伺服阀 液压能源液压能源 -- Xi 1 1 www.plcworld.cn www.plcworld.cn )12( 1 2 2  sss h h h    vx px LF ) 4 (12 Ce e t p KsV A  p q A K 动力元件 -- Xi 开环传递函数 )12( 2 2   sss A K GH h h h p q    www.plcworld.cn www.plcworld.cn 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 四、稳定性分析 h vK lg20 vKlg20 v hh K 2lg20 幅值稳定性裕量 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 四、稳定性分析 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 四、稳态负载误差 pp L pq LCe v p L CeLCevq AK F AK FKx A FKPKxK QQ     泄放 平衡时 : 指x px LF SP SP O vx 放Q 指x px SP SP O 泄Q LF www.plcworld.cn www.plcworld.cn )12( 1 2 2  sss h h h    pxLF ) 4 (12 Ce e t p KsV A  p q A K 四、稳态负载误差 )12( 1 2 2  sss h h h    vx px LF ) 4 (12 Ce e t p KsV A  p q A K 动力元件 -- Xi www.plcworld.cn www.plcworld.cn 四、稳态负载误差 )12( 1 2 2  sss h h h    pxLF ) 4 (12 Ce e t p KsV A  p q A K q p K A q L vCeLL p L L K QxKPQ A FP  误差泄漏负载压差 L pq Ce p FAK Kx 误差 0 1 p x LF )0(12 Ce p K A  p q A K 将s=0代入得 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 五、速度误差 v p p q p q pp v p vq p p K v A K v K Av x A xK A Q v   放 恒速时 : v x 指x px SP SP O 放Q 指v pv 指vv p  pp L v p AK F K v  :总误差 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 4.3 动压反馈装置 液压伺服系统往往是 欠阻尼的，液压阻尼比 小直接影响到系统的稳 定性、响应速度和精 度。因此提高阻尼比， 对改善系统性能是十分 重要的。采用动压反馈 可以有效地提高阻尼 比， 两种常用的动压反馈 装置，分别是液阻加空 气蓄能器和油气阻尼 器， www.plcworld.cn www.plcworld.cn 一、基本方程： 二、方框图与传递函数： L q v c LQ K X K P  [ ( )] 4 t L p p tp d L L e VQ A sX C G s P sP    2 p L t pA P m s X www.plcworld.cn www.plcworld.cn 三、传递函数简化 液压固有频率： 液压阻尼比： 2 2 2 1 q p p v h h h K X A X ss s        24 e p h t t A mV   ( )ce e t d e t h p t p t K m G s m A V A V     www.plcworld.cn www.plcworld.cn 附加阻尼比： ( ) 1 d e t c c e t p t p c t G s m C s m A V A s V      ' 1 1 c e t c c h d p t c c C m s sK A V s s        www.plcworld.cn www.plcworld.cn 小小 结结 第三章中所讨论的阀控缸，阀控马达及系在马达 等都是开环控制。这一章讲的是在开环动力元件的基 础上，加上反馈装置后就组成闭环控制系统。采用机 械反馈元件的系统称为机液控制。 分析机液系统时，首先要分析其工作原理。先必须 从实际系统中找出比较元件，弄清比较方式，明确指 令信号和被控对象；然后研究阀、缸（动力元件）的 类型，在此基础上就可以建立全部基本方程，由基本 方程即可求得系统的传递函数。有了传递函数，就可 以按照制理论分析其静态动态品质。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 小小 结结 机液伺服系统工作可靠。但是，如果设计时各参数 选择不好，装配时就不易调整。另外，机械元件有惯 性，时间常数较大；机械运动件间总有间隙、摩擦， 工作久了总有磨损，这些都会降低系统的精度。 由于液压动力元件的传递函数式是积分环节加振 荡环节。因此，可以说机液系统的开环传递函数基本 上都是积分加振荡。 比较元件要求： 1）与指令元件相连；2）与被控对象相连；3）与放大元件相连。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 小小 结结 稳态误差： 稳态误差与放大元件的输出流量有关，与放大元 件在稳态时的输入量 xv 成正比。 1）负载误差与负载FL成正比,与压力增益KP成反比(与 总压力流量系数KCe成正比)； 2）速度误差与给定速度V成正比，与速度增益Kv成反 比。 因此： 1）要想办法提高压力增益KP，减小阀的零位泄漏； 2）要想办法在保证稳定的前提下，提高速度增益Kv。 www.plcworld.cn www.plcworld.cn 小小 结结 稳定性： 系统稳定性与开环增益Kv有关，与固有频率ωh有 关，与阻尼系数ζh有关。 1）油缸的等效容积越小，液压弹簧刚度越大，固有频 率ωh越高，稳定性越好； 2）开环增益Kv越小，总压力流量系数KCe越小，稳定 性越好；但这与控制精度相矛盾。 因此： 1）采用零开口阀以减小压力流量系数KCe，提高压力 增益KP，从而保证控制精度； 2）要想办法减小油缸的等效容积，提高固有频率 ωh，保证稳定性。 v hh K 2lg20 幅值稳定性裕量www.plcworld.cn www.plcworld.cn 幻灯片编号 1 幻灯片编号 2 幻灯片编号 3 幻灯片编号 4 4.1 外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈） 幻灯片编号 6 幻灯片编号 7 幻灯片编号 8 幻灯片编号 9 幻灯片编号 10 幻灯片编号 11 幻灯片编号 12 4.1 外反馈机液伺服系统 幻灯片编号 14 幻灯片编号 15 幻灯片编号 16 幻灯片编号 17 幻灯片编号 18 幻灯片编号 19 幻灯片编号 20 4.1 外反馈机液伺服系统 4.1 外反馈机液伺服系统 幻灯片编号 23 幻灯片编号 24 幻灯片编号 25 幻灯片编号 26 4.3 动压反馈装置 幻灯片编号 28 幻灯片编号 29 幻灯片编号 30 小 结 小 结 小 结 小 结