液压比例与伺服控制系统(2013)

滑阀的预开口型式：
滑阀的P-Q特性方程
• 四边滑阀的等效桥路
滑阀的P-Q特性方程
滑阀的静态特性曲线
• 流量特性曲线 • 压力-流量特性曲线 • 压力特性曲线
滑阀的三个阀系数
• • • • •
• 流量增益 • 流量-压力系数 • 压力增益
阀系数的定义及物理含义 阀系数对滑阀自身性能的影响 阀系数对系统性能的影响 阀系数与滑阀特性曲线的关系 阀系数是工作点的函数
液压比例与伺服 控制系统
工程机械学院机械电子工程系 张奕
液压比例与伺服控制系统
• 绪论 • 液压放大元件 • 液压动力机构 • 电液伺服阀 • 电液比例阀 • 液压比例与伺服控制系统
一、绪论
• • • • • 液压控制系统的基本概念 液压控制系统的构成及工作原理 液压控制系统的分类 液压控制系统的特点 液压控制技术的发展概况
泵控马达动力机构的建模
马达高压腔的流量连续性方程
传递函数为：
无弹性负载时简化为：
3.4三种动力机构的性能特点比较
• 控制元件相同，执行元件不同（阀控 缸与阀控马达）时的比较：两者的动 态特性完全相同（只需做变量替换， 数学模型即完全一致） • 控制元件不同，执行元件相同（阀控 马达与泵控马达）时的比较：两者的 动态特性类似（数学模型结构一致， 但参数特征不同）
如何提高“阀控缸”动力机构的液压固 有频率
• 液压固有频率表示液压动力元件的响应速度。在 液压伺服系统中，液压固有频率往往是整个系统 中最低的频率，它限制了系统的响应速度。为了 提高系统的响应速度，应提高液压固有频率。提 高液压固有频率的方法主要有： • （1）提高油液的体积弹性模量；（可通过提高供 油压力来实现） • （2）使阀与液压缸尽量靠近，采用直而短的管路， 尽量缩小无效容积； • （3）尽量缩短管路，减小管路中油液的附加质量
阀控缸的简化数学模型（无弹性负载）
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s FL
液压固有频率及阻尼比：
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4e A mtVt
2 p
Kce h Ap
液压比例控制与伺服控制的关系
• • • • • • 产生的背景不同 定位不同 性能不同 应用范围不同 经过不同的发展道路，出现了交叉点 比例方向流量复合阀与伺服阀的异同点
液压控制的发展历程
液压手动控制 液压先导控制
电液比例、伺服控制
智能化控制
液压控制系统的基本要点
• 含有负反馈的闭环控制系统 • 液压技术、流体力学、控制理论、计算机 技术、传感器技术的结合 • 采用阀控或泵控两种方式 • 阀控：液压放大及控制元件-圆柱滑阀 • 泵控：控制元件-变量机构 • 机电液一体化为特征 • 大量采用新技术 • 核心控制元件：伺服阀、比例阀
2.2 圆柱滑阀
• • • • • • • 滑阀的工作原理 滑阀的结构分类及其特点 滑阀的P-Q特性方程 滑阀的三个阀系数 滑阀的静态特性曲线 滑阀的阀芯受力分析 滑阀的输出功率及效率
滑阀的工作原理
滑阀的结构分类及其特点
• • • • 通道数（4、3、2） 工作边数（4、2、1） 凸肩数（2、3、4） 预开口型式（+、0、-）
• • • • • • • • 工作原理 输入量 输出量 运动惯量 响应速度 功放系数 抗污染能力 适用场合
三、液压动力元件
• 什么是液压动力元件 • 液压动力元件的分类 • 阀控缸动力机构（组成、工作原理、数学 模型及其简化、性能特点及其影响参数） • 阀控马达动力机构（组成、工作原理、数 学模型及其简化、性能特点及其影响参数） • 泵控马达动力机构（组成、工作原理、数 学模型及其简化、性能特点及其影响参数） • 三种动力机构的性能特点比较
1.1液压控制系统的基本概念
• • • • • 什么是液压控制系统？ 液压控制系统与液压传动系统之间的关系 液压比例控制与伺服控制的关系 液压控制的发展历程 液压控制系统的基本要点
液压传动系统与液压控制系统的关系
• 液压控制技术是在液压传动技术的基础上发展起来 的（介质相同、元件大部分相同、遵循的物理规律 相同、融合了控制理论） • 目的不同（传递动力；对运动量进行精确的控制） • 组成不同（5个组成部分、开环；7个组成部分、闭 环） • 设计理念不同（以静态参数设计为主；静动态结合， 动态性能为主） • 特点不同（有的缺点被放大（对污染的敏感度）， 有点缺点被消除（传动比））
emt
Vt
来自百度文库

Bp 4 Ap
Vt emt
阀控缸动力机构主要性能参数为阀控液 压缸的增益Kq/Ap、液压固有频率、液 压阻尼比
• 动力机构的增益Kq/Ap直接影响系统的稳定性、 响应速度和精度。提高增益可以提高系统的响应 速度和精度，但使系统的稳定性变坏。 • 液压固有频率表示液压动力元件的响应速度。在 液压伺服系统中，液压固有频率往往是整个系统 中最低的频率，它限制了系统的响应速度。为了 提高系统的响应速度，应提高液压固有频率。 • 液压阻尼比表示系统的相对稳定性。为了获得满 意的性能，液压阻尼比应具有适当的值。提高液 压阻尼比对改变系统的性能是十分重要的
s FL Xp mt K ce B pVt 2 B p K ce mV KVt KK ce 3 t t s s 1 s 2 2 2 2 2 2 4 e Ap A 4 A A 4 A A e p p e p p p
1.5 液压控制系统的发展概况
液压控制是一 门新兴的科学技术。它不但是液压技术的一 个重要分支．而且也是控制领域中的一个重要组成部分。 在第一次和第二次世界大战期间及以后，由于军事工业的 刺激，液压伺服控制因响应快、精度高、功率—重量比大等特 点而受到特别的重视，特别是近几十年，随着整个工业技术的 发展，促使液压控制得到迅速发展，使这门技术无论在元件和 系统分面，还是在评论与应用方面都日趋完善和成熟，形成一 门新兴的科学技术。 目前，液压控制系统已成为工业自动化的一个重要方面。 在工业领域得到了广泛应用。
液压动力元件的基本概念及其分类
液压动力元件(或称液压动力机构)是 由液压放大元件(液压比控制元件)、液 压执行元件以及负载组成。 有四种基本型式的液压动力元件： 阀控液压缸、 阀控液压马达、 泵控液压缸、 泵控液压马达。
3.1 阀控缸动力机构
阀控缸动力机构建模：
• 将上面3个式子拉氏变换得：
1.4 液压控制系统的特点
优点：
(1)液压元件的功率—重量比和力矩-惯量比大 可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性 好的控制系统。 (2)液压动力元件快速性好，系统响应快。 (3)液压控制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。
缺点：
(1) 液压元件，特别是精密的液压控制元件 (如电液伺服阀)抗污染能力差，对工作油液的 清洁度要求高。 (2) 油温变化时对系统的性能有很大的影响。 (3) 当液压元件的密封设计、制造相使用维护 不当时．容易引起外漏，造成环境污染。 (4) 液压元件制造精度要求高，成本高。 (5) 液压能源的获得和远距离传输都不如电气 系统方便。
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四、电液伺服阀
• 电液伺服阀的组成及用途 • 电液伺服阀的分类 • 典型电液伺服阀（力反馈两级电液伺服 阀、直接反馈两级电液伺服阀、其他型 式的电液伺服阀） • 电液伺服阀的主要性能参数（静态特性、 动态特性、输入特性）
二、液压放大元件
• 什么是液压放大元件 • 液压放大元件的分类 • 圆柱滑阀（结构分类及其特点、工作原理、 P-Q特性方程、阀系数、特性曲线、阀芯受力 分析、输出功率及效率） • 双喷嘴挡板阀（结构、工作原理、性能特点） • 射流管阀（结构、工作原理、性能特点） • 三种液压放大元件的性能特点及其适用场合 比较
二、按被控物理量的名称分类 位置伺服控制系统、速度伺服控制系统、其 它物理量的控制系统。 三、按液压动力元件的控制方式或液压控制元 件的形式分类 节流式控制(阀控式)系统：阀控液压缸系统 和阀控液压马达系统 容积式控制系统：伺服变量泵系统和伺服变 量马达系统。 四、按信号传递介质的形式分类 机械液压伺服系统、电气液压伺服系统和气 动液压伺服系统等。
Kq K ce Vt X v 2 1 s FL Ap Ap 4 e K ce Xp 2 s 2 h K K ce K s 1 s 2 2 h h Kh Ap
3.2 阀控马达动力机构
阀控马达动力机构建模：
阀控马达的传递函数：
只需进行如下的变量替换，阀控缸的所有结 论可以移植到阀控马达
• • • • • • 马达转角θ--液压缸位移Xp 马达排量Dm--液压缸有效作用面积Ap 转动惯量Jt--质量mt 转动阻尼系数Bm--阻尼系数Bp 扭力弹簧刚度G--弹簧刚度K 任意外负载力矩TL--任意外负载力FL
3.3 泵控马达动力机构
4.1 电液伺服阀的组成及用途
• 电液伺服阀通常由力矩马达（或力马达）、 液压放大器（先导级和功率级）、反馈机 构三部分组成。 • 电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率 放大元件。它能够将输入的微小电气信号 转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出。 • 电液伺服阀控制精度高、响应速度快，是 一种高性能的电液控制元件，在液压伺服 系统中得到了广泛的应用。
2.1液压放大元件的概念及其分类与特点
• 圆柱滑阀 • 双喷嘴挡板阀 • 射流管阀
什么是液压放大元件
• • • • 也称液压放大器 一种以机械运动来控制流体动力的元件 将输入的位移或转角转化为流量或压力输出 既是能量转换元件，又是功率放大元件
液压放大元件的分类
• 圆柱滑阀 • 双喷嘴挡板阀 • 射流管阀
1.2液压控制系统的构成及工作原理
液压油源
指令元件
中枢元件
执行元件
被控对象
反馈元件
液压控制系统的组成：
• 输入元件：（指令元件）给出输入信号(指令信号)加 于系统的输入端，是机械的、电气的、气动的等。如 靠模、指令电位器或计算机等。 • 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。 • 比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏 差信号。 • 放大转换元件（中枢元件）：将偏差信号故大、转换 成液压信号(流量或压力)。如伺服放大器、机液伺服 阀、电液伺服阀、电液比例方向流量阀等。 • 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。 • 控制对象：被控制的机器设备或物体，即负载。 • 液压能源装置：定压源
阀控缸的传递函数（未简化）：
s FL Xp mt K ce B pVt 2 B p K ce mV KVt KK ce 3 t t s 2 s 1 s 2 2 2 2 2 4 e Ap 4 e Ap Ap 4 e Ap Ap Ap Kq K ce Vt X v 2 1 Ap Ap 4 e K ce
• 零开口四边滑 阀的阀系数
• 正开口四 边滑阀的 P-Q特性方 程及阀系 数
阀芯 受力 分析
稳态液 动力
瞬态液动力
阀芯受力：
滑阀功率及效率分析
2.3 双喷嘴挡板阀
• 结构 • 工作原理 • 性能特点
2.4 射流管阀
• 结构 • 工作原理 • 性能特点
2.5 三种液压放大元件的性能特点及 适用场合比较
1.3 液压控制系统的分类
一、按系统输入信号的变化规律分类 • 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。 • 程序控制系统：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，而输出量能够准确、快 速地复现输入量的变化规律。 • 比例控制系统