液压伺服与比例控制系统第六章 电液伺服系统与比例系统
电液伺服系统
电液伺服系统电液伺服系统是一种将电气信号转换为液压能量的控制系统。
它通过控制液压阀的开启和关闭来调节液压执行器的工作状态，从而实现对机械装置的精确控制。
本文档将详细介绍电液伺服系统的结构、工作原理、常见问题及解决方案等内容。
一、系统结构1.1 主机部分主机部分是电液伺服系统的核心组成部分，包括电液转换器、伺服阀、传感器等。
其中，电液转换器将电信号转换为液压能量，伺服阀通过控制液压流量来控制液压执行器的运动，传感器用于监测执行器的位置和速度。
1.2 液压执行器液压执行器是电液伺服系统中的重要组成部分，主要包括液压缸和液压马达两种。
液压缸可将液压能量转换为机械能，实现直线运动；液压马达则可将液压能量转换为机械能，实现旋转运动。
1.3 控制部分控制部分由控制器和信号处理器组成，用于接收、处理和传输控制信号。
控制器可根据输入信号的变化调节伺服阀的开启度，从而实现对电液伺服系统的精确控制。
二、工作原理2.1 系统工作流程电液伺服系统的工作流程一般包括输入信号采样、信号处理、控制指令、伺服阀控制和液压执行器动作等步骤。
具体流程如下：（1）输入信号采样：传感器将液压执行器的位置和速度等信息转换为电信号，并传输给信号处理器。
（2）信号处理：信号处理器对输入信号进行滤波、放大等处理，将其转换为控制系统可识别的信号。
（3）控制指令：控制器根据输入信号的变化相应的控制指令。
（4）伺服阀控制：控制器根据控制指令调节伺服阀的开启度，控制液压系统的流量大小。
（5）液压执行器动作：伺服阀的控制信号作用于液压执行器，使其按照要求的位置和速度进行运动。
2.2 系统控制策略电液伺服系统可采用位置控制、速度控制和力控制等不同的控制策略。
其中，位置控制可实现对执行器位置的精确控制；速度控制可实现对执行器速度的精确控制；力控制可实现对执行器施加的力或扭矩的精确控制。
三、常见问题及解决方案3.1 液压系统压力不稳定可能原因：（1）供油系统压力不稳定。
伺服控制(电液伺服系统 )课件
（二）系统的闭环刚度特性
闭环惯性环节转折频率的无因次曲线
17
闭环振荡环节固有频率无因次曲线
当h和Kv/h较小时
nc h
18
当h和Kv/h较小时
2 nc 2 h — Kv / h
闭环振荡环节阻尼系数无因次曲线
19
系统频宽主要受h和h的影响 和限制，应适当提高h和 h ， 但过大的 h会降低nc，影响响
应速度。
电液位置控制系统闭环频率特性曲线
4）只有在工作频率接近谐振频率h时才有稳定性问题。当工作频率 接近h时，负载压力且也将接近ps了，也就是说压力趋于饱和，Kc变得很
大，阻尼系数比较高。
14
P116页使系统满足一定稳定要求的参数估算
由于以上几点原因，估算时一般可用
Kv
h
3
电液位置伺服系统难于得到较大的幅值稳定裕量Kg，而相位稳定
裕量 易于保证。
6
位置比较用电压比较代替 缸
电液伺服阀 液压能源
样板 给定
xi 位移 ei 比较eg 电伺服 I
传感器
- 放大器
ef
力矩 马达
液压 放大元件
扰动
液压 xp
执行件
位移 传感器1
A 双传感器阀控位置控制系统
7
由计算机图 形代替样板
程序 ei 比较eg
给定
-
ef
电液伺服阀 液压能源
电伺服 i 放大器
力矩 马达
11
将电液伺服阀看成比例环节
Kv
Ke Kd Ka Ksv iDm
TL
K V ce
iD K m
4
s
t
1
e ce
i +
电液伺服阀和电液比例阀的概述
电液伺服阀和电液比例阀的概述摘要 介绍了电液伺服阀和电液比例阀的组成及功能特点，同时对两种阀进行了比较，得出两种阀的使用特点和使用场合。
关键词 电液伺服阀 电液比例阀 闭环控制 力矩马达 比例电磁铁 反馈装置1.前沿阀对流量的控制可以分为两种： 一种是开关控制：要么全开、要么全关，流量要么最大、要么最小，没有中间状态，如普通的电磁换向阀、电液换向阀。
另一种是连续控制：阀口可以根据需要打开任意一个开度，由此控制通过流量的大小，这类阀有手动控制的，如节流阀，也有电控的，如比例阀、伺服阀。
所以使用比例阀或伺服阀的目的就是：以电控方式实现对流量的节流、压力控制。
2.电液伺服阀电液伺服阀是一种自动控制阀，它既是电液转换组件，又是功率放大组件，其功用是将小功率的模拟量电信号输入转换为随电信号大小和极性变化、且快速响应的大功率液压能[能量（或）和压力]输出，从而实现对液压执行器位移（或转速）、速度（或角速度）、加速度（或角加速度）和力（或转矩）的控制。
电液伺服阀通常由电气-机械转换器、液压放大器（先导阀和功率级主阀）和检测机构组成。
电液伺服阀的基本组成有前置级液压放大器的伺服阀，无论是射流放大器还是喷嘴挡板放大器，其产生阀芯驱动力都要比比例电磁铁大得多(高一个数量级)。
就这个意义上讲，伺服阀阀芯卡滞的几率比比例阀小。
特别是射流管伺服阀的射流放大器因为没有压力负反馈，前置级流量增益与压力增益都较高，推动阀芯的力更大，所以伺服阀有更高的分辨率和较小的滞环。
简单地说，所谓伺服系统就是带有负反馈的控制系统，而伺服阀就是带有负反馈的控制阀。
伺服阀的主阀一般来说和换向阀一样是滑阀结构，只不过阀芯的换向不是靠电磁铁来推动，而是靠前置级阀输出的液压力来推动，这一点和电液换向阀比较相似，只不过电液换向阀的前置级阀是电磁换向阀，而伺服阀的前置级阀是动态特性比较好的喷嘴挡板阀或射流管阀。
伺服阀的主阀是靠前置级阀的输出压力来控制的，而前置级阀的压力则来自于伺服阀的入口p，假如p口的压力不足，前置级阀就不能输出足够的压力来推动主阀芯动作。
燕山大学王牌专业液压伺服与比例控制系统6
滑阀式溢流口，端面测压
锥阀式溢流口 ，端面测压
锥阀式溢流口，锥面测压
图6.7
锥阀式直动型溢流阀
调压手柄
锥阀芯 与面测压
调压弹簧
图6.7
溢流阀的符号
直动型溢流阀结构简单，灵敏度高，但因压力直接与 调压弹簧力平衡，不适于在高压、大流量下工作。
18
直动型溢流阀 与符号的对应关系
测压孔
阀口
阀 口
比较：
进油口P1
出油口P2
泄油口L
出油口P2
导阀比较
Fs F指 p3 As
主阀比较：
F主 p3 A p2 A
图6.17 先导式减压阀原理图
主级测压面
半桥式 先导控 制部分
主级指令
阀
测压面
口
阀口
测压面 直动型溢流阀
与符号的对应关系
测压孔
减压阀符号
代表液压先导控制
半桥式 先导控 制部分
先导型减压阀 与符号的对应关系
T 电磁溢流阀原理图
电磁阀通电卸压 先导式溢流阀部分
远程调压原理
32MPa
先导式溢 流阀部分
P
25MPa
远程调压阀
25MPa 32MPa
远程调压阀 先导式溢流阀部分
输出25MPa T
6.2.4 溢流阀静态特性与动态持性
静态特性是指阀在稳态工况时的特性，动态特性是指 阀在瞬态工况时的特性。
（1） 静态特性
溢流阀期望压力P指
溢流阀压力 随流量变化曲线
因开启和闭合时，阀芯 摩擦力方向不同，导致 开启曲线与闭合曲线不重合
p
溢流阀流量变化 引起的压力波动p
要求P开>85% Pn
图6.13
液压伺服和比例控制系统ppt
差） 经放大器放大后，加于电液伺服
阀转换为液压信号（图中A、b)，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
图 7-9 统
电液伺服系
器给定的规律变化。
1-电位器；2-电液伺服阀；3-
液 压缸；4-负载；5-反 馈；
6-指令电位器；7-放大器
液压伺服和比例控制系统
第一节 液压伺服控制 第二节 电压比例控制
液压伺服阀
液压伺服阀是液压伺服系统中最重要、最基本的组成部分，它 起着信号转换、功率放大及反馈等控制作用。电液伺服阀是应用最广 泛的一种，它在接受电器信号模拟后，相应输出调制的流量和压力控 制信号，控制系统压力、流量、方向的变化。它既是电液转换元件， 也是功率放大元件，它能够将小功率的微弱电器输入信号转换为大功 率的液压能（流量和压力）输出。在电液伺服系统中，它将电气部分 和液压部分连接起来，实现电液信号的转换与液压放大。电液伺服阀 是电液伺服系统控制的核心。
量油增路加关，闭而，滑液阀压开缸x0口不量动逐，渐负减载少停。止当在x一0 增个加新到的
x0
位置
上
x时i ，则开口量为零，
，达到一个新的平
衡状态。
号继续如向果右继运续动给。控反制之滑,若阀给向控右制的滑输阀入输信入号一个x负i ，位液移压x缸i 就0会(向跟左随为这负个）信
液压伺服阀系统
反液之压缸,若就给会控跟制随滑这阀个输信入号一向个左负运位动移。xi 0 (向左为负）输入信号，则
液压伺服阀
3〕射流管式伺服阀
组成：如图7-3所示,采用衔铁式力矩马达8带动 射流管及其接收口2，两个接收口直接和滑陶阀 芯5两端面连接，控制滑阀阀芯运动。滑阀陶芯 5靠一个板簧定位,其位移与滑阀阅芯两端压力 差成比例。
电液伺服控制系统
组成电液比例控制系统的基本元件： 1）指令元件 2 比较元件 3 电控器 4 比例阀 5 液压执行器 6 检测反馈元件
第6章 电液伺服控制系统
4
6.1 概述
6.1.2 电 液 比 例 控 制 系 统 的 特 点 及 组成
第6章 电液伺服控制系统
5
6.1 概述
电液比例控制的主要优点是： 1）操作方便，容易实现遥控 2 自动化程度高，容易实现编程控制 3 工作平稳，控制精度较高 4 结构简单，使用元件较少，对污染不敏感 5 系统的节能效果好。
6.功率放大级
功率放大级式比例控制放大器的 核心单元。由信号放大和功率驱动电路 组成。
根据功率放大级工作原理不同，分 为：模拟式和开关式。
第6章 电液伺服控制系统
29
6.3 电液比例电控技术
（1）模拟式功率放大级
第6章 ห้องสมุดไป่ตู้液伺服控制系统
30
6.3 电液比例电控技术
（2）开关式功率放大级
第6章 电液伺服控制系统
比例放大器根据受控对象、功率级工作原理不同，分为： 1 单路和双路比例控制放大器 2 单通道、双通道和多通道比例控制放大器 3 电反馈和不带电反馈比例控制放大器 4 模拟式和开关式比例控制放大器 5 单向和双向比例控制放大器 6 恒压式和恒流式比例控制放大器
第6章 电液伺服控制系统
16
6.3 电液比例电控技术
第6章 电液伺服控制系统
18
6.3 电液比例电控技术
第6章 电液伺服控制系统
19
6.3 电液比例电控技术
2.输入接口单元 （1）模拟量输入接口
2 数字量输入接口 3 遥控接口
第6章 电液伺服控制系统
20
电液控制技术(1)及应用
比例阀技术初步
• 比例阀介于常规开关阀和闭环伺服阀之间已成
为现今液压系统的常用组件,液压工业从比例阀 技术的发展而获益匪浅。
• 看一个例子：
比例阀技术对于液压系统究竟意味着什么
比例阀技术对于液压系统究竟意味着什么
上图说明了信号流程： 输入电信号为电压多数为0至9V由信号放大器成比例地转化为
电流即输出变量如1mV相当于1mA； 比例电磁铁产生一个与输入变量成比例的力或位移输出； 液压阀以这些输出变量力或位移作为输入信号就可成比例地输 出流量或压力； 这些成比例输出的流量或压力输出对于液压执行机构或机器动 作单元而言意味着不仅可进行方向控制而且可进行速度和压力 的无级调控； 同时执行机构运行的加速或减速也实现了无级可调如流量在某 一时间段内的连续性变化等。
如果对于不带位移传感器的直动式比例方向阀，其滞环一 般为5-6%，重复精度2-3%。
比例方向阀-直动式
控制阀芯的结构：
图示，比例阀控制阀芯与普通方向阀 阀芯不同，它的薄刃型节流断面呈三 角形。用这种阀芯形式，可得到一条 渐增式流量特性曲线。
阀芯的三角控制棱边和阀套的控制棱
边，在阀芯移动过程中的任何位置上，
比例泵的恒压、恒流、压力流量复合控制等多种功能控制块 ，可采用组合叠加方式；
控制放大器、电磁铁、和比例阀组成电液一体化结构。
电液比例控制的技术特征
带比例电磁铁的比例阀和比例泵为电气控制提供了良好的接 口无论对于顺序控制的生产机械还是其它可编程的控制/驱动 系统都提供了极大的灵便性。 比例控制设备的技术优势主要在于阀位转换过程是受控的设 定值可无级调节且实现特定控制所需的液压元件较少从而减 少了液压回路的投资费用。 使用比例阀可更快捷更简便和更精确地实现工作循环控制并 满足切换过程的性能要求由于切换过渡过程是受控的避免产 生过高的峰值压力因而延长了机械和液压元器件的使用寿命 。
液压伺服、比例控制
液压伺服系统工作原理1.1 液压伺服系统工作原理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。
电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。
液压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。
液压伺服系统的工作原理可由图1来说明。
图1所示为一个对管道流量进行连续控制的电液伺服系统。
在大口径流体管道1中，阀板2的转角θ变化会产生节流作用而起到调节流量qT的作用。
阀板转动由液压缸带动齿轮、齿条来实现。
这个系统的输入量是电位器5的给定值x i。
对应给定值x i，有一定的电压输给放大器7，放大器将电压信号转换为电流信号加到伺服阀的电磁线圈上，使阀芯相应地产生一定的开口量x v。
阀开口x v使液压油进入液压缸上腔，推动液压缸向下移动。
液压缸下腔的油液则经伺服阀流回油箱。
液压缸的向下移动，使齿轮、齿条带动阀板产生偏转。
同时，液压缸活塞杆也带动电位器6的触点下移x p。
当x p所对应的电压与x i 所对应的电压相等时，两电压之差为零。
这时，放大器的输出电流亦为零，伺服阀关闭，液压缸带动的阀板停在相应的qT位置。
图1 管道流量（或静压力）的电液伺服系统1—流体管道；2—阀板；3—齿轮、齿条；4—液压缸；5—给定电位器；6—流量传感电位器；7—放大器；8—电液伺服阀在控制系统中，将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端，并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用，这种控制形式称之为反馈控制。
反馈信号与给定信号符号相反，即总是形成差值，这种反馈称之为负反馈。
用负反馈产生的偏差信号进行调节，是反馈控制的基本特征。
而对图1所示的实例中，电位器6就是反馈装置，偏差信号就是给定信号电压与反馈信号电压在放大器输入端产生的△u。
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统中加滞后校正、速度与加速度校正、压力反馈和动压反馈校 正的主要目的是什么？ 7.电液速度控制系统为什么一定要加校正，加滞后校正和加积分 校正有什么不同? 8.在力控制系统中负载刚度对系统特性有何影响?影响了哪些参 数? 9.力控制系统和位置控制系统对伺服阀的要求有什么不同？为什 么?
电液速度控制系统按控制分式可分为：
1、阀控液压马达速度控制系统 2、泵控液压马达速度控制系统。
一 、阀控马达速度控制系统
二、 泵控马达速度控制系统
1. 泵控开环速度控制系统
2. 带位置环的泵控闭环速度控制系统
3. 不带位置环的泵控闭环速度控制系统
6.5 电液力控制系统
以力为被调量的液压伺服控制系统称为液压力控制系 统。
二、 数字伺服系统
6.2 电液位置伺服系统的分析
一 、系统的组成
二、 系统的稳定性分析
45o 20 lg K g 6dB
三、 系统响应特性分析
系统闭环响应特性包括对指令信号和对外负载力矩 干扰的闭环响应两个方面。
1.对指令输入的闭环频率响应
首先求得系统的闭环传递函数，然后通过用图表根 据开环参数求取具体的闭环参数，最后得到系统的闭环 频率响应曲线，从而得到系统的闭环频宽这一指标。如 图6-10所示。
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第6章 电液伺服系统
本章摘要
•介绍电液伺服系统类型
•讲述了三种典型电液伺服系统（位置、速度、 力）的分析
•对电液伺服系统的校正方法加以论述
6.1 电液伺服系统的类型
一、模拟伺服系统
在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量。
除了速度误差和负载误差外，放大器，电液伺服阀的零 漂，死区以及负载运动时的静摩擦都要引起位置误差，该类 误差成为系统的静差。
经分析得，为了减小零漂和死区等引起的干扰误差，应 增大干扰作用点以前的回路增益（包括反馈回路的增益）。
6.3 电液伺服系统的校正
一 、 滞后校正
1. 滞后校正的特点 滞后校正的主要作用是通过提高低频段增益，减小系 统的稳态误差，或者在保证系统稳态精度的条件下，通过降 低系统高频段的增益，以保证系统的稳定性。
该曲线反映了
伺服系统的响应能 力。系统响应的快 速性可用频宽表
示。幅值频宽是幅 值下降至-3dB时所 对应的频率范围； 相位频宽是相位滞 后90°时所对应的 频率范围。该图表 明，系统的频宽近 似于闭环惯性环节 的转折频率。
2. 系统的闭环刚度特性
系统的闭环刚度远远 大于系统的开环刚度，系统 的闭环刚度与开环放大系数 成正比。
2. 滞后校正举例
二 、速度和加速度校正
速度反馈校正的主要作用是提高主回路的静态刚 度，减少速度反馈回路内的干扰和非线件的影响，提高 系统的静态精度。
加速度反馈校正主要是提高系统的阻尼。
三 、 压力反馈和动压反馈校正
采用压力反馈和动压反馈校正的目的是提高系统的阻尼。
6.4 电液速度控制系统
r ( s ) 1 +G ( s )
s2 s( 2
wh
+
2 h s +1) +K
wh
v
利用拉氏变换的终值定理，求得指令输入引起的稳态误差为
er ( ) =lim sEr (s) =lim ser (s) r (s)
s 0
s 0
2. 负载干扰力矩引起的稳态误差 由负载干扰力矩引起的稳态误差称负载误差。根据
Xv
Kq
s2
K
ce
Ap
(
2
wm
+1)
(s wr
s2 +1)(
2
w0
+
2 0s w0
+1)
Fg
K fF
系统开环传递函数
s 2
G
(s
)H
(s
)=
K
0GSV
(s)
2 m
+1
r
+1⎟⎟s⎜20 ⎜+0s
2
s
2 0 +1
三、系统特性分析
思考题
1.考虑伺服阀的动态时，如何用频率法分析系统的动态特性？ 2.有哪些因素影响系统的稳态误差? 3.在电液伺服系统中为什么要增大电气部分的增益，减小液压部
在工程实际中，力控制系统应用的很多，如材料试验 机、结构物疲劳试验机、轧机张力控制系统、车轮刹车装 置等都采用电液力控制系统。
一 、 系统组成及工作原理
二、 基本方程与开环传递函数
通过列写伺服阀传递函数以及阀控液压缸的三大基本 方程，可得力控制系统的方块图：
Ur + v (s)
图6-5可求得系统对外负载力矩的误差传递函数为
eL (s) =EL(s)= TL (s)
c (s)= TL (s)
K ce i 2 Dm 2
(1
+ Vt 4eK ce
s)
s2 s( 2
wh
+
2 h s
wh
+1)
+K
v
eL
( )
=lim
s 0
s
eL ( s ) T L ( s )
3. 零漂和死区引起的稳态误差
四 、系统的稳态误差分析
1. 指令输入引起的稳态误差
稳态误差是输出量的希望值与它的稳态的实际值之 差。它由指令输入，外负载力干扰和系统中的零漂，死区 等内干扰引起。
结合稳态误差公式可得系统对指令输入的误差传递函数
为
er ( s ) = E r ( s ) =
1
=
s
(
s w
2
2 h
+2hs +1)
wh