电液伺服系统速度的实时控制

1 引言随着科学技术的高速发展，机电液控制技术在各行业得到了广泛的应用。

在机械制造业中，机电液控制技术用于电液自动控制的机器人，以替代人完成海底作业和有毒现场的施工；用于电液控制的机械手，以替代人完成自动生产线上的焊接，喷漆，装配等；用于自动生产线的位置，速度与时间的控制；用于加工机械零件的加工中心，以实现六面体的高精度自动加工。

在汽车及工程车辆中，机电液控制技术用于机液伺服转向系统；用于汽车的无人驾驶，自动换挡。

在军事工业中机电液控制技术用于飞机的操纵系统；雷达跟踪和舰船的舵机装置；导弹的位置控制和发射架的自动控制等。

液压技术被应用到工业领域已有80年的历史，然而液压伺服系统的出现到现在还不到50年。

尽管它在各个工业领域都有广泛的应用，并随着数学，控制理论，计算机，电子器件和液压流体力学的发展获得了很大的进展，有力的推动了我国机械工业的飞速发展。

液压伺服控制技术是早已成熟的液压传动技术的新发展，是自动控制领域一个重要组成部分。

技术进步的需要的是液压控制技术发展的推动力。

20世纪40年代由于军事刺激，高速喷气式飞行器要求响应快且精度高的操纵控制，1940年底，在飞机上出现了电液伺服系统。

作为电液转换器，当时滑阀由伺服电机驱动，由于电机惯量大，所构成的电液转换器时间常数大，限制了整个系统的响应速度。

到了50年代初，出现了快速响应的永磁力矩马达，该力矩马达拖动滑阀，提高了电液伺服阀的响应速度。

60年代，结构多样的电液伺服阀相继出现，尤其是干式力矩马达的研制成功，使电液伺服阀的性能日趋完善，促使电液伺伺服系统迅速发展。

近20年来，随着材料和工艺技术的进步，电液伺服阀的成本不断降低，性能明显提高，使得电液伺服系统应用更加广泛。

但是，由于电液伺服阀对液体的清洁度要求十分苛刻，系统效率底，能耗大，综合费用还是相当高。

我国液压（含液力），大致可分为三个阶段，即：20世纪50年代初到60年代初为起步阶段；60~70年代为专业化生产体系成长阶段；80~90年代为快速发展阶段。

其中，液压工业于50年代初从机床行业生产仿苏的磨床、拉床、仿形车床等液压传动起步。

进入60年代后，液压技术的应用从机床逐渐推广到农业机械和工程机械等领域，这时，液压件产品已从仿苏产品发展为引进技术与自行设计相结合的产品，压力向中、高压发展，并开发了电液伺服阀及系统，液压应用领域进一步扩大。

2 电液速度伺服系统的设计液压伺服系统是一种在一个触发信号的作用下能够自动完成一系列动作的液压机械装置2.1 电液伺服控制系统的一般构成工作原理液压伺服控制系统不管简单的还是复杂的，都可以抽象为是由一些基本元件组成的。

输入元件，也称为指令元件，其给定信号加入系统的输入端。

检测反馈元件，检测被控制量，产反馈信号。

比较元件，将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。

比较元件有时并不单独存在，而由几类元件有机组合，实现比较功能。

放大转换元件，将比较后的偏差信号进行放大并进行能量形式转换。

其前置输入级可以是机械的、电的、液压的、气动的或他们的组合形式，但功率输出级是液压的。

液压执行元件，按指令规律进行运动，驱动控制对象做工，在液压伺服系统中，执行元件是液压缸或液压马达。

控制对像，又称负载。

此外，不包括在控制回路中的液压能源是必不可少的。

有时系统中还可能有各种校正装置等。

液压伺服控制系统的工作原理：输入元件向系统输入一个正的指令信号，与同时检测系统输出并反作用于输入端的负反馈信号进行比较，比较后的偏差信号经放大转换元件转换，变成较大功率的液压信号（压力、流量），驱动液压元件，并带动负载运动。

2.2、电液压伺服系统的分类按伺服系统的输出量的物理量纲来分，可以分成位置系统、速度系统和施力系统。

所谓位置系统即指系统的输出量是机械位移或者是机械转角。

每给定一个输入量即对应一个确定的位移或转角。

所谓速度系统即指其输出量为线速度或角速度。

每一个输入信号都对应一个确定的速度值。

所谓施力系统即指其输出量必然是力、力矩或着是压力。

系统的输入量代表着确定的力、力矩或着压力。

此外还有加速度系统、温度控制系统.按照传递信息的介质来分可将液压伺服系统分成机液伺服系统与电液伺服系统两种。

所谓电液伺服系统是指在系统功率级以前的信息是以电信号形式传递的，电液伺服系统给定元件、传感器和综合元件都是由电子元器件组成的。

而机液伺服系统中没有电的信号系统的给定元件和传感器都是机械式的，其放大器都是液压的。

电液伺服系统有位置、速度和施力三种类型，而机液伺服系统也有位置、速度和施力三种类型。

按给定量的数学模型分类大体上可分为保持型、正弦型和跟踪型三类。

除以上三种分类方法外，根据回路内的信号传递方式尚可分成直流与交流液压伺服系统，模拟式与数字式液压伺服系统以及线性与非线性液压伺服系统等。

本课题研究的是电液伺服系统的速度闭环实时控制。

2.3、电液伺服系统的特点液压伺服系统出现几十年获得了很大的发展，目前在各个科技技术领域里都广泛的使用了液压伺服控制。

液压伺服系统的主要优点可归纳为以下几点：(1)液压执行机构的动作快，换向迅速。

(2)液压元件的功率-重量和力-质量比大。

由此可组成体积小、质量轻、响应快的伺服系统。

液压控制系统响应速度快、控制精度高、位置精度高。

(3)液压执行机构传动平稳、抗干扰能力强，特别是低速性能好，而机电系统的转速平稳性差，而且易受电磁波等外干扰的影响。

(4)液压油能兼润滑剂作用，从而使元件寿命延长。

液压伺服系统的缺点可归纳为以下几点：(1)液压控制元件的制造精度要求高。

高的精度，不仅制造成本高，而且对油液的清洁度有特殊要求，要求系统采用精细过滤器(2)液体的体积弹性模数会随温度和混入油中的空气含量而发生变化，液压元件易引起泄漏造成环境污染液压能不易获得和储存。

(3)液压油易受污染，并可造成执行机构堵塞2.4 阀控液压马达式速度系统的设计步骤阀控液压马达式速度系统的设计大体上可以分为以下九个步骤。

2.4.1 根据用户提出的动态指标和负载特性建立系统的负载轨迹方程。

所谓负载既指液压伺服系统中的液压缸活塞运动时（或者液压马达转动时）所遇到的各种阻力（或者阻力矩）。

负载轨迹方程建立方法有经典解析法和Q P -计算尺法。

本设计中使用的是Q P -计算尺法。

需要注意的是被调动量的选取问题，因为它是负载轨迹方程中的已知函数。

如果系统的动态指标是已系统的频宽形式给出的，被调动量应写成t a t y ωsin )(=其中a 应选为系统输出的最大值max y ，或写成max ey ，1〈e ，例如电液伺服阀按规定33.0=e ，而助力器的e 值有时取0.1，但ω应大于系统的频宽0ω；如果系统的动态指标是时域指标，如果单位阶跃过度过程的超调量σ和过渡时间τ等几个特征参数，则可用二阶系统的解)]1tg 1sin(111[)(2122ξξξωξξω-+-∙--=--t e y t y t M （2.1）来逼近，式中阻尼系统ξ可用超调量σ并借助（二阶系统超调量σ与阻尼系数ξ之间的关系）图求出。

，而固有频率ω可由下式求出ξτω3= 式中τ为系统的允许误差为5%时的过渡时间，ξ是由图查出，因此y 仍可写成t a y ωsin =式中ω由式上求出，2/)1(σα+=m y 。

max y 为系统给出的位置最大值，或某一指值，此时即把阶跃过渡过程中超调量发生时刻以前的部分近似看成正弦函数的半个周期。

利用（4.2a ）式即可求出y ,y 从而求出负载轨迹方程。

如果系统规定了y 或y 必须为某一确定的时间函数（如机床工作台水平位置系统），则可直接用此函数求出负载轨迹方程。

2.4.2确定能源压力P s液压伺服系统的能源压力越高越好，因为由ss P X A = A Y Q M M =式看出当其它条件相同时P s 越大活塞面积A 越小，而Q M 越小，因而油泵、动力机构的体积、重量都会大大减小。

但P s 增加将使液压元部件的强度要求增高，因而反过来又有增加液压元部件重量和体积的趋势。

此外，P s 增加又会增大泄露量和噪音，而油的温度也会随之增高。

因此，P s 不能选择太高。

目前常用的有320kg/cm²，210 kg/cm²，140 kg/cm²，70 kg/cm²和35 kg/cm²等。

可根据体积、重量和噪音等要求来确定P s 。

2.4.3求取动力机构的最佳匹配参数A 和Q M有了负载轨迹方程并确定了能源压力P s 后，就可以求取动力机构的最佳匹配参数A 和Q M 。

若负载轨迹是第一类的可直接利用解析公式求取A 和Q M 有时甚至根本不用不需要画出负载轨迹图；若负载轨迹属于第二类则必须画出重叠轨迹，并用P-Q 计算尺求取最佳的A 和Q M 。

由于两类负载轨迹不易区分，故除正椭圆几过原点的斜线等已知的第一类轨迹外一般都可用P-Q 计算尺计算。

2.4.4选取伺服阀选取伺服阀时除了以Q M ，P s 为主要依据外，还要考虑阀的类型。

因为流量阀可使动力机构具有较大的刚度推广较广因此系统应选择流量阀。

伺服阀力矩马达线圈的额定电流常有10mA 和30mA 两种,还有更大数量级。

小电流的优点是伺服放大器的功率小,缺点是由于力矩马达的线圈的匝数较电感较大。

2.4.5 液压马达的选用液压马达是一种常见的执行元件适用于负载进行旋转运动的场合。

选用是根据题目提供的已知条件和求出的条件进行选择。

2.4.6 建立液压马达的动态方程)12()14(222+++-=S h S s T s K V D K x D K hh f tm e m tm m x m ωξωβθ2.4.7 选择传感器,并列出其传递函数传感器选择应注意以下几点1）精度传感器的精度应较系统精度高出一个数量等级，如系统的精度为1%，则传感器的精度应为0.1%，不同的传感器具有不同的精度，因此应根据精度要求来选择传感器类型。

2）频宽传感器的频宽至少应是系统频宽的5-10倍，否则无法借助传感器测出被调量的瞬时真值，也会导致系统的阶数过高，不便于综合。

3）抗干扰能力传感器的抗干扰能力是非常重要的，因为它处于系统的输入端，在放大器之前。

这种干扰经放大器放大之后送入伺服阀，会引起系统的震动和噪音。

2.4.8根据精度要求来确定系统的开环增益 图2.1所示为阀控液压马达式速度系统的原理图，其输出量为角速度，传感器为转速计。

如果串入一个积分放大器可组成具有等效动力机构的1型速度系统，见图2.2由于此种系统无论对于给定还是干扰都是1型系统，因此也要根据输入或外干扰为斜坡函数时的方法来确定开环增益。

仿照t y y a x K A H K K K K K ∙=0'')(ff f K a y =∞∆∙ 两式可得到,)(∙∞∆≥θma K 当t a t m mo =∙)(θ时 (2.2.1)∙∞∆≥)(2θm mf tm D a K K ， 当 t a T m f f =时 (2.2.2)m y a x D H K K K K K ∙=θ0 ， (2.2.3)式中m a —角加速度，2rad/smf a —力矩变化率，cm/s km ⋅图2.1 速度控制回路原理图图2.2所示为闭环阀控液压马达速度伺服系统的系统原理方框图。