液压伺服系统
直驱式容积控制DDVC电液伺服系统及应用液压控制技术在工业
自动化中的应用直驱式容积控制DDVC电液伺服系统及应用液压控制技术在工业自动化中的应用一、前言随着工业自动化的不断发展，液压伺服系统作为一种优秀的动力传递和控制手段，被广泛应用于各种机械设备中。
其中，液压控制技术是实现高精度、高可靠性、大功率控制的关键技术之一。
本文将介绍一种新型的电液伺服系统——直驱式容积控制DDVC电液伺服系统，并探讨其在工业自动化中的应用。
二、直驱式容积控制DDVC电液伺服系统介绍1. 液压伺服系统的优缺点液压伺服系统是一种以液压元件为主要执行元件的动力传递和控制系统。
与机械传动和电传动相比，液压伺服系统具有以下优点：1.传动可靠、功率密度高2.传动平稳、响应快、精度高3.可以长时间连续运行4.可以抵抗恶劣环境的干扰和故障但是，液压伺服系统也有一些缺点：1.系统复杂、维护成本高2.需要较大的动力单元来提供液压能量3.液压元件噪音大、污染环境4.其调节性能受到流量特性和压力特性的限制2. 直驱式容积控制DDVC电液伺服系统的基本原理直驱式容积控制DDVC电液伺服系统是在已有容积式液压传动系统基础上，采用数字控制技术、高效率磁力直驱技术和容积控制技术相结合而成的一种新型的伺服系统。
其基本原理是通过等量液压缸直接驱动负载，纯数字化控制液压泵的输出流量和压力，实现系统的高精度、高效率、低噪音、无油污染和全数字化控制。
3. 直驱式容积控制DDVC电液伺服系统的主要特点直驱式容积控制DDVC电液伺服系统相比传统液压系统，具有如下特点：1.直接驱动负载，转换效率高2.无须传统控制阀和液压元件，系统压降小，无噪音，无油污染3.系统响应快、精度高、调控性能稳定、可靠性高4.可虚拟仿真工艺，大大缩短产品开发周期，提高产品质量和竞争力5.适应范围广，可广泛应用于各种机械设备中，特别是工业自动化领域三、直驱式容积控制DDVC电液伺服系统在工业自动化中的应用直驱式容积控制DDVC电液伺服系统在工业自动化中，可应用于各种液压传动系统，如卷取、输送、成型、调节、挤出等。
液压传动——液压伺服系统
2020/8/6
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液压伺服系统的优缺点
优缺点
• 液压伺服系统除具有液压传动所固有的一系列优点外，还具有 承载能力大、控制精度高、响应速度快、自动化程度高、体积 小、重量轻等优点。
• 但是，液压伺服系统中的元件加工精度高，价格较贵；对油液 污染比较敏感，因此可靠性受到影响；在小功率系统中，伺10.3 液压伺服系统工作原理方块图
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液压伺服系统分类
液压伺服系统是可从不同的角度加以分类。
(1) 按输出的物理量分类，有位置伺服系统、速度伺服系统、 力(或压力)伺服系统等。 (2) 按控制信号分类，有机液伺服系统、电液伺服系统、 气液伺服系统。 (3) 按控制元件分类，有阀控系统和泵控系统两大类。
第10章 液压伺服系统
伺服系统又称随动系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。 在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的 变化规律而运动。用液压元件组成的伺服系统称为液压伺服系统。 液压伺服系统主要分为机液伺服系统和电液伺服系统，除了具有 液压传动的各种优点外，还具有体积小、反应快、系统刚度大和 控制精度高等优点，因此广泛应用于机床、重型机械、起重机械、 汽车、飞机、船舶和军事装备等方面。
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液压伺服系统的工作原理
特点3：
反馈。把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端， 和输入信号进行比较，这就是反馈。仿形刀架中的反馈信 号是以负值回送到输入端，不断抵消输入信号，故称负反 馈。没有负反馈，液压伺服系统是不能正常工作的。仿形 刀架中的负反馈是通过阀体和缸体的刚性连接来实现的， 所以它是一种刚性位置负反馈。
• 通过分析仿形刀架的工作情况，可以归纳出液压伺服系统有如 下特点：
液压系统伺服电机工作原理
液压系统伺服电机的工作原理基于液压伺服系统。
液压伺服系统是一种以液压油作为工作介质的传动装置，主要由液压泵、油箱、液压阀、液压缸（马达）等组成。
液压泵的作用是将从油箱中吸入的液体压缩为高压油，利用阀门控制器控制油液进入液压缸或马达，从而推动或旋转所需控制的执行机构。
四通滑阀作为一个转换放大元件（伺服阀），把输入的机械信号（位移或速度）转换成液压信号（流量或压力）并放大输出至液压缸。
液压缸作为执行元件，输入压力油的流量，输出运动速度（或位移），从而带动负载移动。
四通滑阀和液压缸制成一个整体，构成了反馈连接。
当滑阀处于中间位置时，阀的四个窗口均关闭，阀没有流量输出，液压缸不动，系统处于静止状态。
给滑阀一个向右的输入位移Xi，则窗口a 、b便有一个相应的开口量Xv＝Xi，液压油经窗口a进入液压缸右腔，左腔油液经窗口b排出，缸体右移Xp，由于缸体和阀体是一体的，因此阀体也右移Xp。
因滑阀受输入端制约，则阀的开口量减小，直到Xp ＝Xi，即Xv＝0，阀的输出流量等于零，缸体才停止运动，处于一个新的平衡位置上，从而完成了液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。
液压系统伺服电机的工作原理主要分为以下几个步骤：1、启动液压泵：液压泵启动后，转子开始旋转，通过连杆带动活塞运动，从油箱中吸入液体，将其压缩为高压油并将其送入液压系统中。
2、控制液压阀：液压阀控制油液的流动方向和流量。
通过液压阀门的开启和关闭实现对液压缸或马达的控制。
3、输入机械信号：四通滑阀作为一个转换放大元件（伺服阀），接收输入的机械信号（位移或速度），并将其转换为液压信号（流量或压力）。
4、放大输出：四通滑阀将接收到的机械信号转换成液压信号后，会对其进行放大输出至液压缸。
5、执行动作：液压缸作为执行元件，输入压力油的流量，输出运动速度（或位移），从而带动负载移动。
液压伺服系统
控制元件-电液伺服阀
挡板 先导控制油腔
喷嘴
挡板一方面与力 矩马达衔铁连接， 另一方面，其穿过 两个喷嘴，与主阀 芯连接。
主阀芯
压缸停止运动。
喷嘴挡板阀的优点是结构简单、
加工方便、运动部件惯性小、反应快、
精度和灵敏度高；缺点是能量损耗大、
抗污染能力差。喷嘴挡板阀常用作多
级放大伺服控制元件中的前置级。
图7.11 喷嘴挡板阀的工作原理 1－挡板；2、3－喷嘴；4、5－
节流小孔
§7.3 电液伺服阀
电液伺服阀是电液联合控制的多 级伺服元件，它能将微弱的电气输入 信号放大成大功率的液压能量输出。 电液伺服阀具有控制精度高和放大倍 数大等优点，在液压控制系统中得到 了广泛的应用。
图7.4 速度伺服系统职能方框图
实际上，任何一个伺服系统都是由这些元件（环节） 组成的，如图7.5所示。
图7.5 控制系统的组成环节
下面对图中各元件做一些说明：
（1）输入（给定）元件。通过输入元件，给出必要的 输入信号。如上例中由给定电位计给出一定电压，作为系 统的控制信号。
（2）检测、反馈信号。它随时测量输出量（被控量） 的大小，并将其转换成相应的反馈信号送回到比较元件。 上例中由测速发电机测得液压缸的运动速度，并将其转换 成相应的电压作为反馈信号。
（5）执行元件（机构）。直接带动控制对象动作 的元件或机构。如上例中的液压缸。
（6）控制对象。如机器的工作台、刀架等。
3.液压伺服系统的分类
伺服系统可以从下面不同的角度加以分类。
（1）按输入的信号变化规律分类：有定值控制系统、程 序控制系统和伺服系统三类。
当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本 任务是提高系统的抗干扰能力。当系统的输入信号按预先给 定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动 系统，其输入信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅 速地复现输入量的变化规律。
液压伺服系统
液压伺服系统液压伺服系统是以高压液体作为驱动源的伺服系统，是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。
液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。
一、液压伺服系统的基本组成液压伺服系统无论多么复杂，都是由一些基本元件组成的。
如图就是一个典型的伺服系统，该图表示了各元件在系统中的位置和相互间的关系。
（1）外界能源—为了能用作用力很小的输入信号获得作用力很大的输出信号，就需要外加能源，这样就可以得到力或功率的放大作用。
外界能源可以是机械的、电气的、液压的或它们的组合形式。
（2）液压伺服阀—用以接收输入信号，并控制执行元件的动作。
它具有放大、比较等几种功能，如滑阀等。
（3）执行元件—接收伺服阀传来的信号，产生与输入信号相适应的输出信号，并作用于控制对象上，如液压缸等。
（4）反馈装置—将执行元件的输出信号反过来输入给伺服阀，以便消除原来的误差信号，它构成闭环控制系统。
（5）控制对象—伺服系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被调量(或被控制量)，如机床的工作台、刀架等。
二、液压伺服系统的分类液压伺服系统是由液压动力机构和反馈机构组成的闭环控制系统，分为机械液压伺服系统和电气液压伺服系统（简称电液伺服系统）两类。
电液伺服系统电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。
最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力（或力矩）控制系统。
如图是一个典型的电液位置伺服控制系统。
图中反馈电位器与指令电位器接成桥式电路。
反馈电位器滑臂与控制对象相连，其作用是把控制对象位置的变化转换成电压的变化。
反馈电位器与指令电位器滑臂间的电位差（反映控制对象位置与指令位置的偏差）经放大器放大后，加于电液伺服阀转换为液压信号，以推动液压缸活塞，驱动控制对象向消除偏差方向运动。
当偏差为零时，停止驱动，因而使控制对象的位置总是按指令电位器给定的规律变化。
2 液压伺服系统
，它可以绕扭轴在a、b、c
、d四个气隙中摆动。
力矩马达 1——放大器； 2——上导磁体； 3——永久磁铁； 4——衔铁； 5——下导磁体； 6——弹簧管； 7——永久磁铁
当线圈控制电流为零时，四个 气隙中均有永久磁铁所产生的固定 磁场的磁通，因此作用在衔铁上的 吸力相等，衔铁处于中位平衡状态 。通入控制电流后，所产生的控制 磁通与固定磁通叠加，在两个气隙 中（例如，气隙a和d）磁通增大， 在另两个气隙中（例如，气隙b和c ）磁通减少，因此作用在衔铁上的 电磁力矩与扭轴的弹性变形力矩及 外负载力矩平衡时，衔铁在某一扭 转位置上处于平衡状态。
（5）执行元件（机构）。直接带动控制对象动作 的元件或机构。如上例中的液压缸。
（6）控制对象。如机器的工作台、刀架等。
液压伺服系统的分类(1/2)
3.液压伺服系统的分类
伺服系统可以从不同的角度加以分类。
（1）按输入的信号变化规律分类：有定值控制 系统、程序控制系统和伺服系统三类。
当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统， 其基本任务是提高系统的抗干扰能力。当系统的输 入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系 统。伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间 的未知函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量 的变化规律
动圈式力马达的线性行程范 围大（±2～4mm），滞环小， 可动件质量小，工作频率较宽， 结构简单，但如采用湿式方案， 动圈受油的阻尼较大，影响频宽 ，适合作为气压比例元件。
二、力矩马达
由上下两块导磁体、左
右两块永久磁铁、带扭轴
a
b
（弹簧管）的衔铁及套在
c
d
衔铁上的两个控制线圈所
组成。衔铁悬挂在扭轴上
液压伺服系统的分类(2/2)
液压伺服系统的控制算法与性能研究
液压伺服系统的控制算法与性能研究引言液压伺服系统广泛应用于机械控制领域，具有高速、高力和可靠性等突出优点。
然而，由于其本质上是一种非线性、时变的控制系统，液压伺服系统的控制算法和性能一直是研究领域的热点之一。
本文将探讨液压伺服系统的控制算法，以及通过优化控制算法来提高系统性能的方法。
1. 液压伺服系统的基本原理液压伺服系统由液压执行器、液控元件、电控元件和传感器组成。
其基本原理是通过电控系统对液控系统进行反馈控制，实现对液压执行器的精确控制。
在伺服系统中，液压执行器是核心组件，用于产生力和位置的控制。
2. 常见的液压伺服系统控制算法2.1 PID控制算法PID（比例-积分-微分）控制算法是目前应用最广泛的控制算法之一。
它通过调节比例、积分和微分三个参数来实现对系统的控制。
PID控制算法简单易用，但在非线性系统或动态响应要求较高的情况下可能会存在一定的局限性。
2.2 模糊控制算法模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制方法，适用于非线性、时变系统的控制。
模糊控制算法通过建立模糊规则集来实现对系统的控制，可以更好地处理系统的模糊性和不确定性。
2.3 自适应控制算法自适应控制算法是一种能够根据系统实时状态和参数变化进行调整的控制方法。
自适应控制算法通过反馈机制和参数估计来实现对系统的控制，可以提高系统的稳定性和鲁棒性。
3. 提高液压伺服系统性能的方法3.1 系统建模和参数辨识系统建模和参数辨识是提高液压伺服系统性能的关键步骤。
通过对系统进行建模和参数辨识，可以准确地描述系统的动态特性，为后续的控制算法设计和优化提供基础。
3.2 控制算法优化控制算法优化是提高液压伺服系统性能的有效途径。
基于建模和参数辨识的结果，可以通过优化控制算法来改善系统的动态性能。
常见的优化方法包括遗传算法、粒子群算法和模型预测控制等。
3.3 传感器和执行器的选型和优化传感器和执行器的选型和优化对液压伺服系统的性能影响巨大。
选择合适的传感器可以提高系统的测量精度和稳定性；优化执行器设计可以提高系统的输出能力和响应速度。
液压伺服系统概述
第11章液压伺服系统概述液压伺服控制技术是液压技术中的一个分支，又是控制领域中的一个重要组成部分。
一、液压伺服系统的发展历史在第一次世界大战前，液压伺服系统作为海军舰船的操舵装置已开始应用。
在第二次世界大战期间及以后，由于军事需要，特别是武器和飞行器控制系统的需要，以及液压伺服系统本身具有响应快、精度高、功率一重量比大等优点，液压伺服系统的理论研究和实际应用取得了很大的进展，40年代开始了滑阀特性和液压伺服理论的研究，1940年底，首先在飞机上出现了电液伺服系统。
但该系统中的滑阀由伺服电机驱动，只作为电液转换器。
由于伺服电机惯量大,使电液转换器成为系统中耗时最大的环节，限制了电液伺服系统的响应速度。
到50年代初，出现了快速响应的永磁力矩马达，形成了电液伺服阀的雏形。
到50年代末，又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀，进一步提高了伺服阀的快速性。
60年代，各种结构的电液伺服阀相继出现，特别是干式力矩马达的出现，使得电液伺服阀的性能日趋完善。
由于电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到了迅速的发展。
随着加工能力的提高和液压伺服阀工艺性的改善，使液压伺服阀性能提高、价格降低。
使液压伺服系统由军事向一般工业领域推广。
目前，液压伺服控制系统，特别是电液伺服系统已成了武器自动化和工业自动化的一个重要方面。
二、液压伺服系统的工作原理液压伺服控制系统是以液压伺服阀和液压执行元件为主要元件组成的控制系统，是一种高精度的自动控制系统。
如图所示，系统由滑阀1和液压缸2组成，阀体与缸体固定，液压泵以恒定的压力P向系统供油。
当阀心处于中间时，阀口关闭，缸不动，系统静止。
当阀心右移x，则a、b处有开口x v=x,压力油进入缸右腔，左腔回油，缸体右移。
由于缸体与阀体刚性固连，阀体也随缸体一起右移，结果使阀的开口x v减小。
当缸体位移y等于阀心位移x时，缸不动。
如果阀心不断右移，缸拖动负载不停右移。
如果阀心反向运动，液压缸也反向运动。
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块图可得系统开环传递函数为
G(s)H
(s)
=
Kv s(ωs2h2 +2ωζhh
s+1)
(5-3)
式中
Kv——开环放大系数(也称速度放大系数)， K v
=
KqK f Ap
式(5-3)中含有一个积分环节，因此系统是 I 型伺服系统。 由式(5-3)可画出开环系统伯德图，如图 5-3 所示。在ω < ωh 时，低频渐近线是
3.机液位置伺服系统举例 液压仿形刀架是机械液压位置控制系统的典型应用实例，它适用于车、铣、刨、
磨的机械加工。液压仿形刀架工作原理图如图 5-4 所示。
图 5-4 液压仿形刀架工作原理图
在仿形车床上，它可以仿照模板的形状自动加工出各种形状的轴类或旋转体
4／14
工件。它在机械制造业中得到广泛的应用。 （1）液压仿形刀架的结构及其工作原理
由此可知，仿形刀架是一个典型的机械液压位置控制系统。它的输入量是触头 的位移xi，输出量(即被控制量)是液压缸缸体的位移y，伺服阀在该系统中起到了比 较、放大和控制作用，液压缸是系统的执行元件，反馈、检测由杠杆完成。该系 统的工作原理可用图 5-5 职能方框图描述。
图 5-5 液压仿形刀架职能方框图
(5-6)
在设计液压位置伺服系统时，可以把它作为一个经验法则。 由图 5-3 所示的伯德图可以看出，穿越频率近似等于开环放大系数，即
ωc ≈ Kv
(5-7)
实际上ωc 稍大于Kv，而系统的频宽又稍大于ωc 。所以开环放大系数愈大，系统的
响应速度愈快。另外，开环放大系数越大，系统的控制精度也越高。所以要提高
系统的响应速度和精度，就要提高开环放大系数，但要受稳定性限制。通常液压
伺服系统是欠阻尼的，由于阻尼比小限制了系统的性能。所以提高阻尼比对改善 系统性能来说是十分关键的。在机液伺服系统中，增益的调整是很困难的。因此
在系统设计时，开环放大系数的确定是很重要的。开环放大系数Kv取决于Kf、Kq和 Ap。在单位反馈系统中，Kv仅由Kq和Ap决定，而Ap主要是由负载的要求确定的。因 此，Kv主要取决于Kq，需要选择一个流量增益Kq合适的阀来满足系统稳定性的要 求。
ωKhv < 2ζ h 或 Kv < 2ζ hωh
(5-5)
上式表明，为了使系统稳定，速度放大系数Kv受液压固有频率ωh 和阻尼比ζ h 的限
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制。阻尼比ζ h 通常在 0.1～0.2 左右，因此速度放大系数Kv被限制在液压固有频率ωh
的(20～40)％的范围内，即
Kv < (0.2 ~ 0.4)ωh
一条斜率为一 20dB／10oct 的直线。在ω > ωh 时，高频渐近线是一条斜率为一 60dB
／10oct 的直线。两条渐近线交点处的频率为液压固有频率ωh ，在 ωh 处的渐近频
率特性的幅值为 20 lg ωKhv 。由于阻尼比 ζ h 较小，在 ωh 处出现一个谐振峰，其幅值
为 20 lg
Kv 2ζ hωh
jωh )H (
jωh ) |=
−20 lg
Kv 2ζ hωh
>
0
由此得系统稳定条件为
Kv 2ζ hωh
<1
这个结果也可以由劳斯判据直接得出。闭环系统的特征方程为
(5-4)
G(s)H (s) +1 = 0
将式(5-3)代入，则得
s3 ωh2
+
2ωζhh
s
+
s
+
Kv
=
0
应用劳斯稳定判据得系统稳定条件为
。在ωh 处的相角为-800°。
2／14
图 5-裕量 γ 和增益裕量Kg(dB)均为正值。相位裕量是
增益穿越频率ωc 处的相角ϕc 与 180°之和，即 γ = 180° +ϕc 。增益裕量是相位穿越
频率
ωg
处的增益的倒数，即
Kg
=
| G(
1 jωg )H (
xv
=
a
b + b xi
−
a
a + b xp
=
Ki xi
−
Kf
xp
式中
Ki——输入放大系数， Ki
=
a
b +
b
；
Kf——反馈放大系数， K f
=
a a+b
。
假定没有弹性负载，液压缸活塞输出位移为
(5-1)
Xp
=
Kq Ap
Xv
−
Kce AP2
(1 +
Vt 4βeKce
s(ωs2h2 +2ωζhh s+1)
jωg ) |
， 以 dB 表 示 时 ，
Kg (dB) = 20 lg Kg = −20 lg | G( jωg )H ( jωg ) |。对所讨论的系统而言，因为越穿频率ωc
处的斜率为-20dB／dec，所以相位裕量为正值：因此只要使增益裕量为正值系统就
可以稳定了。由于ωg = ωh ，所以有
−20 lg | G(
机液位置伺服系统的原理图如图 5-1 所示。系统的动力元件由四边滑阀和液压 缸组成，反馈是利用杠杆来实现的。这是飞机上液压助力器的典型结构。
1.系统方块图
图 5-1 机液位置伺服系统原理图
输入位移xi和输出位移芯片xp如通过差动杆AC进行比较，在B点给出偏差信号 (阀芯位移)xv。在差动杆运动较小时，阀芯位移xv 可由下式给出
第五章 液压伺服系统
5.1 机液伺服系统
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。机液伺服系统结构简单、工作可靠、容易维护，因而广泛地应 用于飞机舵面操纵系统、车辆转向助力装置和仿型机床中。
s)FL
(5-2)
由式(5-1)和(5-2)可画出系统的方块图，如图 5-2 所示。
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2.系统稳定性分析
图 5-2 机液位置伺服系统方块图
稳定性是控制系统正常工作的必要条件，因此它是系统最重要的特性。液压
伺服系统的动态分析和设计一般都是以稳定性要求为中心进行的。
令 G(s)为前向通道的传递函数，H(s)为反馈通道的传递函数。由图 5-2 所示方
如图 5-4 所示，液压仿形刀架由滑阀、液压缸、反馈机构构成，图中液压缸活 塞杆固定，缸体运动，缸体与阀套刚性连接，触头与模板接触。设触头处输入位 移为xi通过杠杆带动阀芯位移为xv，阀套相对阀芯形成节流口，输出流量，控制液 压缸运动速度与运动方向；液压缸缸体带动车刀运动，同时也带动阀套运动，使 阀节流口逐渐减小，直至阀套与阀芯恢复到原来的相对初始位置上，实现刀架完 全跟随触头的运动而运动。