电液伺服跑偏控制系统设计

电液伺服跑偏控制系统设计前言随着20世纪自动化技术的巨大进步，自动控制理论得到不断地发展和完善。

正是针对设计任务，通过设计方案的分析比较之后，选择电液控制系统来设计此次任务。

首先介绍了液压控制的一些基本概念，对研究对象和任务作出了整体的介绍，并简述了液压控制技术的发展史。

然后在明确设计要求的情况下，对设计任务进行分析。

通过机液伺服跑偏控制系统和电液伺服跑偏控制系统的分析对比，最终选择了电液伺服跑偏控制系统的设计方案，从而进入本课题研究要点。

接着对电液伺服跑偏控制系统做了具体的设计，先是对电液伺服机构进行了分析，得出了电液伺服系统的数学模型，进而分析了其特点。

接着又对系统做了静、动态计算及分析，确定了供油压力，选取了伺服阀，并求取了各元件的传递函数，绘制了系统方块图，得出系统的各个参数。

然后还要对系统进行校正，得到更为优良的设计参数，使系统更加完善，以进一步提高系统的性能。

最后利用了先进电脑仿真技术MATLAB 对所做的系统进行仿真，通过改变系统的各个参数进行分析、比较，从而可看出系统的各个参数对系统的响应速度和稳定性的影响，本论文在王慧老师的悉心教导之下，通过研读各著作期刊，经过多次的修改。

于作者水平有限，论文中难免出现点差错，恳请读者指正。

1 1 绪论液压伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统。

在这种系统中，输出量能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律。

与此同时，还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。

液压伺服控制系统是以液体压力能为动力的机械量自动控制系统。

按系统中实现信号传输和控制方式不同分为机液伺服系统和电液伺服系统两种。

机液伺服系统的典型实例是飞机、汽车和工程机械主离合器操纵装置上常用的液压助力器，机床上液压仿形刀架和汽车与工程机械上的液压动力转向机构等。

电液伺服控制系统是以液压为动力，采用电气方式实现信号传输和控制的机械量自动控制系统。

按系统被控机械量的不同，它又可以分为电液位置伺服系统、电液速度伺服控制系统和电液力控制系统三种。

电液位置伺服控制系统适合于负载惯性大的高速、大功率对象的控制，它已在飞行器的姿态控制、飞机发动机的转速控制、雷达天线的方位控制、机器人关节控制、带材跑偏、张力控制、材料试验机和加载装置等中得到应用。

液压伺服控制系统的组成液压伺服控制系统不管多么复杂，都是以下一些基本元件组成的，如图1-1所示：图1-1 电液伺服控制系统electro-hydraulic servo system 1）输入元件——也称指令元件，它给出输入信号加于系统的输入端。

该元件可以是机械的、电气的、气动的等。

如靠模、指令电位器或计算机等。

2）反馈测量元件——测量系统的输出并转换为反馈信号。

这类元件也是多种形式的。

各种传感器常作为反馈测量元件。

如测速机、阀套，以及其它类型传感器。

3）比较元件——相当于偏差检测器，它的输出等于系统输入和反馈信号之差，如加法器、阀芯与阀套组件等。

4）液压放大与转换元件——接受偏差信号，通过放大、转换与运算，产生所需要的液压控制信号，控制执行机构的运动，如放大器、伺服阀、滑阀等。

5）液压执行元件——产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。

如液压缸和液压马达等。

6）控制对象——被控制的机器设备或物体，即负载。

此外，系统中还可能有各种校正装置，以及不包含在控制回路内的能源设备和其它辅助装置等。

液压控制元件、执行元件和负载在系统中是密切相关的，把三者的组合称之为液压动力机构。

凡包含有液压动力机构的反馈控制系统统称为液压控制系统。

液压伺服控制的分类液压伺服控制系统可按下列不同的原则进行分类，每一种分类的方法都代表系统一定的特点。

按系统输入信号的变化规律分类液压伺服控制系统按输入信号的变化规律不同可分为：定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统。

1) 定值控制系统——当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统。

对定值控制系统，基本任务是提高系统的抗干扰性，将系统的实际输出量保持在希望值上。

2) 程序控制系统——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。

输入量总在频繁的变化，系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化。

3) 伺服控制系统——也称随动系统，其输入信号是时间的未知函数，而输入量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。

对伺服系统来说，能否获得快速响应往往是它的主要矛盾。

按被控物理量的名称分类1) 位置伺服控制系统；2) 速度伺服控制系统；3) 加速度伺服控制系统；3) 力控制系统；4) 其它物理量的控制系统； 3 按液压动力元件的控制方式分类1) 节流式控制系统——用伺服阀按节流原理来控制流入执行机构的流量或压力的系统。

2) 容积式控制系统——利用伺服变量泵或变量马达改变排量的办法控制流入执行机构的流量和压力系统。

又可分为伺服变量泵系统和伺服变量马达系统两种。

按信号传递介质的形式分类1) 机械液压伺服系统；2) 电气液压伺服系统；3) 气动液压伺服系统；除以上几种分类方法外，还可将系统分为数字控制系统和连续时间控制系统，线性或非线性控制系统等。

液压伺服控制的优缺点液压伺服控制的优点液压伺服系统与其它类型的伺服系统相比，具有以下的优点：1) 液压元件的功率—重量比和力矩—惯量比大, 功率传递密度高, 可组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。

对于中、大功率的伺服系统，这一优点尤为突出。

2) 液压动力元件快速性好，系统响应快。

于液压动力元件的力矩—惯量比大，所以加速能力强，能高速起动、制动与反向。

3) 液压伺服系统抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，定位准确，控制精度高。

4) 液压执行元件速度快, 在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益提高、频宽高。

5) 液压控制系统可以实现频繁的带载起动和制动, 可以方便地实现正反向直线或回转运动和动力控制, 调速范围广、低速稳定性好、能量贮存和动力传输方便。

此外，液压伺服控制系统还有一些优点。

如液压元件的润滑性好，液压元件寿命长；调速范围宽、低速稳定性好；借助油管动力传输比较方便；借助蓄能器，能量储存比较方便；液压执行元件有直线位移式和旋转式两种，增加它的适应性；过载保护容易；解决系统温升问题比较方便；易于采取节能措施等 4 液压伺服控制的缺点液压控制系统因有上述突出优点，使它获得广泛的应用。

但它还存在不少缺点，因而又使它的应用受到某些限制。

其主要缺点有：1) 液压元件，特别是精密的液压控制元件抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。

污染的油液会使阀磨损而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作。

这是液压伺服系统发生故障的主要原因。

因此液压伺服系统必须采用精过滤器。

2) 油液的体积弹性模量随油温和混入油中的空气含量而变化。

油液的黏度也随油温的变化而变化。

因此油温的变化对系统的性能有很大的影响。

3) 当液压元件的密封装置设计、制造或使用维护不当时，容易引起漏油，污染环境。

采用石油基液压油，在某些场合有引起火灾的危险。

采用抗燃液压油可使这种危险减小。

4) 液压元件加工精度要求高，成本高，价格贵。

5) 液压能源的获得、储存和远距离输送不如电气系统方便。

电液伺服控制系统的发展概况电液伺服控制技术最先产生于美国的MIT，后因其响应快、精度高，很快在工业界得到了普及。

电液伺服系统是一种以液压动力元件作为执行机构，根据负反馈原理，使系统的输出跟踪给定信号的控制系统。

它不仅能自动、准确、快速地复现输入信号的变化规律，而且可对输入量进行变换与放大。

作为控制领域的一个重要研究对象，电液伺服系统的设计理论和方法一直受到控制学科的指导和启发，经历了从线性到非线性智能控制的发展历程。

自从20世纪50年代麻省理工学院开始研究电液伺服系统的控制至以后的几十年中，电液伺服控制设计基本上是采用基于工作点附近的增量线性化模型对系统进行综合与分析。

PID 控制也因其控制律简单和易于理解，受到工程界的普遍欢迎。

然而，随着人们对控制品质要求的不断提高，电液伺服系统中PID 控制的地位发生了动摇。

这主要是电液伺服系统的特性所决定的。

首先，电液伺服系统是一个严重不确定非线性系统，环境和任务复杂，普遍存在参数变化、外干扰和交叉耦合干扰；其次，电液伺服系统对频带和跟踪精度都有很高的要求。

如航空航天领域的系统频宽可达100Hz，已接近甚至超过液压动力机构的固有频率；另外，在高精度快速跟踪条件下，电液伺服系统中的非线性作用已不容忽视。

因此，可以说电液伺服系统是一类典型的未知不确定非线性系统。

这类系统扰动大、工作范围宽、时变参量多、难以精确建模。

这些特点对系统的稳定性、动态特性和精5液压缸的输出力与负载力的平衡方程四个电液伺服系统基本方程。

结合这四个基本方程，经过整理、化简而得到最终所需的电液伺服系统的基本数学模型，供后续章节控制策略的应用。

电液位置伺服系统的特点某些电液位置伺服系统有时象机液伺服系统那样，不采用校正的方法，而是依靠液压动力机构本身固有的特点来满足系统的性能要求。

充分认识液压系统的特点，对设计系统，特别是对不经校正的位置伺服系统是很有益处的。

从开环频率特性看：位置伺服系统的固有部分一个积分环节和一个振荡环节组成。

振荡环节的阻尼比?h随工作点的变动而在很大的范围内变化，系统的开环增益Kv也因伺服阀的流量增益KV的变动而变。

因而造成开环频率特性的浮动。

阀在零位区时?h最小，在空载时KV 最大。

所以位置伺服系统通常以零位区设计工况。

于?h比较小，在比例控制时，主要保证系统具有足够的幅值稳定裕量，为此不得不把增益和穿越频率压得较低。

系统的相角裕量接近90? 从闭环频率特性看：当?h较小时，闭环幅频特性在转折频率?b附近已下降到接近-3dB，因此系统的频宽仅能达到?b 附近。

而?b从阶跃响应曲线看：过度过程曲线是典型三阶系统的阶跃响应曲线，与通常的二阶系统的过度过程有明显的不同。

这主要是高频小阻尼振荡环节的影响所致。

因此，未经校正的液压位置伺服系统一般不用二阶系统近似。

在液压位置伺服系统中，于液压动力机构的固有特点，使系统的刚度很大，对干扰信号的误差系数比较小，因此，负载扰动的影响相对较弱。

液压执行机构的力矩惯量比很大，只要保证足够的尺寸就可以获得较高的固有频率?h。

阀控液压缸特别是泵控液压马达又能提供比较恒定的流量增益。

所以系统虽然有阻尼比小、多变等弱点，液压位置伺服系统在比例控制条件下也能满足某些对象的需要，并获得较为满意的性能。

电液位置伺服系统的设计原则上面的分析可知，在比例控制条件下，液压固有频率?h、开环增益也称速度放大系数Kv和液压阻尼比?h这三个量以及它们之间的相互关系就决定了系统的主要性能。

因此16 设计液压位置伺服系统时，首先应解决如何根据系统的要求，确定这三个量的数值和三个量之间的恰当的比例关系。