电液位置伺服控制系统实验讲解
电液伺服控制实验课程介绍
电液伺服控制实验课程介绍1教学单位名称：机械科学与工程学院2 .实验中心名称：液压基础实验中心3 .课程名称：电液伺服控制4,课程代码：4124155,课程类别：专业课6 .课程性质：选修7 .课程学时：28学时，其中含实验4学时8 ,课程学分：1.59,面向专业：机械工程10 .实验课程的教学任务、要求和教学目的电液伺服控制系统实验课的开设是为了使学生将课堂上较为抽象的理论内容，如位置反馈、速度反馈、力反馈等各种闭环控制形式，伺服阀静态特性、动态特性等控制元件特性，阀控液压缸的频率响应特性、外特性等控制回路特性等，通过实物的形式获取直观概念。
要求学生能够识别电液伺服系统中主要控制和执行元件，根据控制要求用给定的液压元件和管路搭建控制回路，根据反馈形式合理安置和连接传感器，用计算机对伺服系统进行控制和实时数据采集。
其目的是使学生通过实验课熟悉基本的电液伺服系统的基本构成、使用及连接方式；熟悉各类实验的基本操作；培养制定、实施实验方案，实脸数据处理、分析，实验报告撰写等基本的科学研究能力。
通过实验课能够将抽象的控制理论与实际的系统输入输出规律、现象进行对照，反过来促进学生对控制理论的深入理解并思考导致理论与实际之间存在差异的因素，对学生工作后独立进行系统设计具有重要的指导意义。
11 .学生应掌握的实验技术及实验能力(1)掌握液压传动、液压伺服系统中常用元件的工作原理，能够利用所知的液压元件组成简单的液压传动、液压伺服系统；(2)了解液压的组成及液压元件、管路的连接形式，可以使用快速接头、焊接接头等进行管路连接；(3)了解液压伺服系统闭环的构成方式及电控系统的连接形式，可以按照系统原理图自行组装一套液压伺服系统；(4)了解计算机控制指令的输出方法及数据采集方法，可以进行简单的计算机控制程序编写并利用计算机读取实验数据；(5)掌握实验数据的处理和分析方法，能够根据采集数据分析液压伺服系统的控制特性。
电液伺服系统详解
电液伺服系统
系统组成：由EH供油系统、电液执行器、保护 系统和试验模块
汽轮机数字电液控制系统
Digital Electro-Hydraulic Control System
EH供油系统 向电液执行器提供符合压力要求和清洁度、酸 度等品质要求的安全、可靠、稳定的液压油。由高压油泵、过 滤器、再生装置、冷油器EH油箱、高压蓄能器、低压蓄能器 等组成。 电液执行器 主汽门和调节汽门的执行调节器。有电液伺服阀 和电磁阀2种控制方式，前者为位置连续调节，后者为开、关2 种状态。 保护系统 “2取1”带电动作OPC电磁阀，“4取2”失电动作电 磁阀，及试验回路。超速保护控制和自动停机遮断，前者用于 超速预警和保护，后者用于事故工况下紧急停机。 试验模块 低润滑油压、低EH油压、推力轴承磨损、低真空 等试验系统。 油路系管路、OPC保护油路或AST停机油路、低压回油油路和无压回 油油路。前3种与电液执行器相连，保护系统的回油经无压回 油油路直接排至主油箱。
EH油系统 运 行
EH油系统概述 随着大容量、高参数汽轮发电机组的发展， 机组调节系统工作介质的额定压力随之升高， 对其工作介质的要求亦越来越高。通常所用 的矿物油自燃点为350℃左右，若在高参数大 容量机组使用，便增加了油泄漏到主蒸汽管 道(＞530℃)导致火灾的危险性。为保证机组 的安全经济运行，汽轮机电液调节系统的控 制液普遍采用了磷酸酯抗燃油。
柱塞变量油泵
系统采用进口高压变量柱塞泵，并采用双泵并联工作系统， 当一台泵工作，则另一台泵备用，以提高供油系统的可靠性， 二台泵布置在油箱的下方，以保证正的吸入压头。 由交流马达驱动高压柱塞泵，通过油泵吸入滤网将油箱中的 抗燃油吸入，从油泵出口的油经过压力滤油器通过单向阀流 入和高压蓄能器联接的高压油母管将高压抗燃油送到各执行 机构和危急遮断系统。 泵输出压力可在0－21MPa之间任意设置。本系统允许正常工 作压力设置在11.0～15.0MPa，本系统额定工作压力为 14.5MPa。 油泵启动后，油泵以全流量约85 L/min向系统供油，同时也 给蓄能器充油，当油压到达系统的整定压力14.5MPa时，高 压油推动恒压泵上的控制阀，控制阀操作泵的变量机构，使 泵的输出流量减少，当泵的输出流量和系统用油流量相等时， 泵的变量机构维持在某一位置，当系统需要增加或减少用油 量时，泵会自动改变输出流量，维护系统油压在14.5MPa。 当系统瞬间用油量很大时，蓄能器将参与供油。
电液伺服系统概述
课题
电液比例与伺服控制系统概述
能结合传统的多级调速与多级调压掌握电液比例控制系统的原理，并能明确两者之间的区别。
二、自主学习
1、了解电液比例与伺服控制技术的发展概况
2、某重型机床工作台的位置伺服系统
图1-1液压伺服控制系统原理图
图中展示的是液压缸输出位移对阀芯输入位移的跟随运动。
图1-2液压伺服系统工作原理方块图
通过以上学习，应分析出液压伺服系统具备以下工作特点：
电液比例控制系统分类及组成
难点
电液比例控制系统工作原理
教具
液压气动实验台、挂图、模型、多媒体
复习
提问
新知识点考查
液压气压系统的多级调速与多级调压原理
布置
作业
课后
回忆
备注
教员
教研室
主任批阅
系部审
查意见
项目一电液比例与伺服控制系统概述
一、提出任务
液压气压系统的多级调速与多级调压可用什么方法实现。
教学目的
图1-5开关型液压控制阀的多级速度控制系统
液比例调速阀1控制，阀1能够根据输入电流的大小自动控制输出流量，并与输入电流成比例。可方便的实现多级和无级调速。
图1-6开环比例速度控制系统
2、多级调压系统
⑴图1-7为采用传统的开关型电磁阀和溢流阀的多级压力控制系统。该回路可实现三级调压及液压卸荷功能。由于是开关型控制，系统会出现压力超调，而且采用元件也较多。
第六章电液伺服系统PPT课件
§6-2 电液位置伺服系统的分析
➢ 电液位置伺服系统是最基本和最常用 的液压伺服系统，如机床工作台的位 置、板带扎机的板厚、带材跑偏控制、 飞机和舰船的舵机控制、雷达和火炮 控制系统以及振动试验台等。在其它 物理量的控制系统中，如速度控制和 力控制系统中，也常用位置控制小回 路作为大回路中的一个环节。
一、系统的组成及其传递函数
➢ 电液伺服系统的动力元件有阀控式和泵控 式两种基本型式，但是由于其所采用的指 令装置、反馈测量装置和相应的放大、校 正的电子部件不同，就构成了不同的系统。 如果采用电位器作为指令装置和反馈装置， 就可以构成直流电液位置伺服系统；如果 采用自整角机或旋转变压器作为指令装置 和反馈装置，就可以构成交流电液位置伺 服系统。
❖ 数字-模拟混合式伺服系统，如图6-2所示。数字装置发出的 指令脉冲与反馈脉冲相比较后产生数字偏差，经数模转换器 把信号变为模拟偏差电压，后面的动力部分不变，仍是模拟 元件。系统输出通过数字检测器（即模数转换器）变为反馈 脉冲信号。
➢ 数字检测装置具有很高的分辨能力，所以数字 伺服系统可以得到很高的绝对精度。数字伺服 系统的输入信号是很强的脉冲电压，受模拟量 的噪声和零漂的影响很小。因此，当要求较高 的绝对精度，而不是重复精度时，常采用数字 伺服系统。
5.95
211.8A/m
➢ 系统的跟随误差为
er
vm Kv
2.2 102 24.7
m 0.89 103 m
➢ 静摩擦力引起的死区电流为
I D1
电液伺服控制系统的应用实例
第七章 电液伺服控制系统的应用实例 7.1 引例图7-1 阀控油缸闭环控制系统原理图此图为采用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环控制系统。
这一系统不仅使液压缸速度能任意调节，而且在外界干扰很大（如负载突变）的工况下，仍能使系统的实际输出速度与设定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的响应性能。
工作原理如下：在某一稳定状态下，液压缸速度由测速装置测得（齿条1、齿轮2和测速发电机3）并转换为电压。
这一电压与给定电位计4输入的电压信号进行比较。
其差值经积分放大器放大后，以电流输入给电液伺服阀6。
电液伺服阀按输入电流的大小和方向自动地调节其开口量的大小和移动方向，控制输出油液的流量大小和方向。
对应所输入的电流，电液伺服阀的开口量稳定地维持在相应大小，伺服阀的输出流量一定，液压缸速度保持为恒值。
如果由于干扰的存在引起液压缸速度增大，则测速装置的输出电压改变，而使放大器输出电流减小，电液伺服阀开口量相应减小，使液压缸速度降低，直到液压缸恢复原来的速度时，调节过程结束。
按照同样原理，当输入给定信号电压连续变化时，液压缸速度也随之连续地按同样规律变化，即输出自动跟踪输入。
通过分析上述伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下：（1）反馈系统：把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。
在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。
自动控制系统中大多数反馈是负反馈。
（2）靠偏差工作：要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。
执行元件运动的结果又试图消除这个误差。
但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。
（3）放大系统：执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。
其输出的能量是液压能源供给的。
7.2 车床液压仿形刀架图7-2 车床液压仿形刀架车削圆锥面时，触销沿样件的圆锥段滑动，使杠杆向上偏摆，从而带动阀芯上移，打开阀口，压力油进入液压缸上腔，推动缸体连同阀体和刀架轴向后退。
电液控制-机液伺服系统
四、液压转矩放大器
Hale Waihona Puke 反馈机构为 螺杆、螺母 液压马达轴完全跟 踪阀芯输入转角而 转动。但输出力矩 比输入力矩要大得 多，故称液压转矩 放大器。
电液步进马达
以惯性负载为主时，可分析得
方框图为：
则系统方框图为：
§系统稳定性分析
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，由以上的方框图可得系统的开环传递函数为：
含有一个积分环节，故系统为Ⅰ型系统。
可绘制开环系统伯德图，如下图所示：
对伯德图的分析
幅值穿越频率ωc≈Kv 相位穿越频率ωc=ωg 为了使系统稳定， 必须有足够的相位裕 量和增益裕量。 由图可见，相位裕 度已为正值，为使幅 值裕度为正值，可计 算求得要求： K 2
与全闭环系统相比，半闭环系统的稳定性好得多，但精度较低。
综上所述，由于结构柔度的影响，产生了结构谐振和液压谐 振的耦合，使系统出现了频率低、阻尼比小的综合谐振，综合谐 振频率ωn和综合阻尼比ξn常常成为影响系统稳定性和限制系统频 宽的主要因素，因此提高具有重要意义。 提高ωn 就需要提高结构谐振频率ωs，就要求负载惯量减小 （但已由负载特性决定），结构刚度增大（提高安装固定刚度和 传动机构刚度，尤其是靠近负载处的传动机构的结构刚度）。 增大执行元件到负载的传动比，可提高液压固有频率；提高 液压弹簧刚度的方法也可提高液压固有频率，从而提高综合谐振 频率。
反馈从活塞输出端Xp取出时，构成为半闭环系统，其方框图 为：
此时系统开环传函中含有二阶微分环节，当ωs2和ωn靠得很 近时，会有零极点相消现象，使综合谐振峰值减小，从而改善 系统稳定性，如曲线b所示。 系统闭环传函为：
MATLAB电液位置伺服控制系统设计及仿真教案资料
M A T L A B电液位置伺服控制系统设计及仿真数控机床工作台电液位置伺服控制系统设计及仿真姓名：雷小舟专业:机械电子工程子方向：机电一体化武汉工程大学机电液一体化实验室位置伺服系统是一种自动控制系统。
因此，在分析和设计这样的控制系统时，需要用自动控制原理作为其理论基础，来研究整个系统的动态性能，进而研究如何把各种元件组成稳定的和满足稳定性能指标的控制系统。
若原系统不稳定可通过调整比例参数和采用滞后校正使系统达到稳定，并选取合适的参数使系统满足设计要求。
1 位置伺服系统组成元件及工作原理数控机床工作台位置伺服系统有不同的形式，一般均可以由给定环节、比较环节、校正环节、执行机构、被控对象或调节对象和检测装置或传感器等基本元件组成[1]。
根据主机的要求知系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。
系统物理模型如图1所示。
图1 数控机床工作台位置伺服系统物理模型系统方框图如图2所示。
图2 数控机床工作台位置伺服系统方框图数控机床工作台位置伺服系统是指以数控机床工作台移动位移为控制对象的自动控制系统。
位置伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体。
数控机床的工作台位置伺服系统输出位移能自动地、快速而准确地复现输入位移的变化，是因为工作台输出端有位移检测装置（位移传感器）将位移信号转化为电信号反馈到输入端构成负反馈闭环控制系统。
反馈信号与输入信号比较得到差压信号，然后把差压信号通过伺服放大器转化为电流信号，送入电液伺服阀（电液转换、功率放大元件）转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，从而使液压马达的四通滑阀有开口量就有压力油输出到液压马达，驱动液压马达带动减速齿轮转动，从而带动滚珠丝杠运动。
因滚珠丝杠与工作台相连所以当滚珠丝杠 运动时，工作台也发生相应的位移。
2数控工作台的数学模型 2.1 工作台负载分析工作台负载主要由切削力c F ,摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成，则总负载力为:a f c L F F F F ++=2.2液压执行机构数学模型工作台由液压马达经减速器和滚珠丝杠驱动。
电液伺服控制系统(含实验内容)教学大纲
《电液伺服控制系统》（含实验内容）教学大纲课程编码：08241068课程名称：电液伺服控制系统英文名称：electro-hydraulic servo control system开课学期：1学时/学分：30 （其中实验学时：4 ）课程类型：专业课开课专业：机械电子工程专业本科生选用教材：《液压伺服控制系统》王春行主编主要参考书：执笔人：刘昕晖一、课程性质、目的与任务本课程为机械电子工程专业本科生专业选修课。
通过对本课程的学习使学生了解液压伺服控制的基本理论、液压伺服控制元件和液压伺服控制系统等知识，了解液压伺服控制元件和系统的作用原理、特性分析及设计计算等。
二、教学基本要求1．了解电液伺服系统的基本概念2．了解液压伺服控制的基本理论、基本方法。
3．了解液压伺服控制元件和液压伺服控制系统组成和基本原理。
4．了解液压伺服控制元件和系统的特性分析及初步设计计算方法。
三、各章节内容及学时分配第一章液压伺服控制系统概述（2学时）本章介绍液压伺服控制系统的工作原理、组成、分类、优缺点和应用。
通过本章的学习，可以对液压伺服控制系统有一个大致的了解。
1．1 液压伺服控制系统的工作原理和组成一、液压伺服控制系统的工作原理二、液压伺服控制系统举例三、液压伺服控制系统的组成1．2 液压伺服控制系统的分类一、按输入信号的变化规律分类二、按系统输出量的名称分类三、按驱动装置的控制方式和控制元件的类型分类四、按信号传递介质的形式分类五、按液压动力机构是否对称分类1．3 液压伺服控制系统的优缺点一、液压伺服控制系统的优点二、液压伺服控制系统的缺点1．4 液压伺服控制系统的发展和应用概况第二章液压放大元件（4学时）液压放大元件是液压伺服系统中的一种主要控制元件，它们的性能直接影响到液压伺服系统购工作品质，因此必须对它们的特性及设计淮则进行研究。
液压放大元件可以是液压伺服阀或伺服变量泵。
本章只讨论液压伺服阀，包括滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀。
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s2
2 0.866 14.726
s
1
Ki减小为40
Ki变小，ωc=1.53<2.78， ωh=14.8不变，Kg=24.5>19.1
增大Kd1
正常参数
C(s)
2.107
R(s)
s
1
17.0782
s2
2 0.747 17.078
s
1
Kd1变大为35
Kd1变大，ωc=2.1<2.78， ωh=17.1>14.8 ，Kg=21.8>19.1
2）阀控缸微分方程
负载流量线性化方程
qL Kq xV Kc pL
流量连续性方程
qL
AP
dxP dt
CtP pL
Vt
4e
dpL dt
忽略阀腔和管道总容积，油液的压缩性影响忽略
qL
AP
dxP dt
CtP
pL
液压缸活塞的动力学平衡方程
F
AP pL
mt
d 2xP dt 2
BP
r0,ml 为输入信号在线性范 围内的最大值
阶跃输入2.5
阶跃输入5
阶跃输入9
阶跃输入12
系统开环传递函数
C(s)
KV
R(s)
s
1
h2
s2
2h h
s
1
KV
Ki K d1
KV
Ki Kd1
73.746 26.022
2.834
h
K d1 a
代入系数得到 h
减小Kd1
正常参数
C(s)
3.687
R(s)
s
1
12.912
s2
2 0.988 12.91
s
1
Kd1减小为20
Kd1变小，ωc=3.45>2.78， ωh=12.9<14.8 ，Kg=16.8<19.1
增大Kd2
正常参数
C(s)
2.834
R(s)
s
AGND
10uf
AGND
伺服 放大器
AI1
AGND
220uf
AI2
P
AGND
220uf C
AI3
I
AGND
220uf 1
AI4
7 PCI总线
AGND
220uf 1
计算机
AI5
1
14.7262
s2
2 0.99 14.726
s
1
Kd2变大为3.3
Kd2变大，ωc=2.78不变， ωh=14.8不变，Kg=20.4>19.1
减小Kd2
正常参数
C(s)
2.834
R(s)
s
1
14.7262
s2
2 0.226 14.726
s
1
Kd2减小为0.6
dxP dt
FL
3）缸输出位移对伺服阀输入电信号的传递函数
X P (s) E(s KSV CtP )mt s2 ( AP2 Kc BP
CtP BP )s
或写成：
X P (s) E(s)
1 as2
bs
2 伪微分反馈控制算法
对输出信号C 微分的积分仍是C，这就说明没有必要对C 进行微分
R E ki
L
1
C
s
as 2 bs
1 kd1 s kd 2 s2
ki
ki
微分反馈控制方框图
FCE L
R E ki B1 M1
M2
1
C
s
as2 bs
kd1 kd2s
伪微分反馈控制方框图
1
3
ki
9.032
1 a
2
电液位置伺服控制系统实验
1、电液位置伺服控制系统的数学模型
1）伺服阀的传递函数
假定伺服阀的频宽较高，系统的固有频率较窄，
伺服阀的输入和阀芯位移之间近似看成一个比例环
节
XV (s) E(s)
K SV
•当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时，伺服阀可近似看成二阶振荡环节 •当伺服阀的频宽大于液压固有频率（3~5倍）时，伺服阀可近似看成惯性环节 •当伺服阀的频宽大于液压固有频率（5~10倍）时，伺服阀可近似看成比例环节
Kd2变小，ωc=2.95基本不变， ωh=14.8不变，Kg=7.51<19.1
斜坡输入1
正弦输入
正弦输入，幅值5，频率1
正弦输入，幅值5，频率2.95
3 液压系统原理 伺服缸 压力传感器2
蓄能器 压力传感器1 流量计2 流量计1 精滤器
电机泵组 M
粗滤器
压力传感器3
平衡阀
电磁换向阀
电液伺服阀
s
Ki
Kd1
1
Kd1 a
2
s2
2
(b Kd 2 ) 2 Kd1 a
Kd1 a
s
1
2.834
s
1 14.7262
s2
2 0.866 14.726
s
1
正常参数时的ωc=2.78， ωh=14.8，Kg=19.1
Kd1 a
26.022 14.726 0.12
h
(b K d 2 ) 2 Kd1 a
h
(b Kd 2 ) 2 Kd1 a
(0.2 2.861) 2 26.022 0.12
0.866
C(s)
Ki
R(s) s[as2 (b Kd 2 )s Kd1]
增大Ki
正常参数
C(s)
4.611
R(s)
s
1
14.7262
s2
2 0.866 14.726
s
1
Ki变大为120
Ki变大，ωc=4.39>2.78， ωh=14.8不变，Kg=15<19.1
减小Ki
正常参数
C(s)
1.537
R(s)
s
1
14.7262
mmax r0,ml
2
k d1
13.011 mmax r0,ml
1
kd 2
6.248
a
mm r0,ml
a
x
2
b
1
3
ki
9.032 1 a
2
mmax 2 r0,ml
9.032
1 0.12
电磁溢流阀 精滤器
4 系统控制原理
数据采集
参考输入
控制器
数模转换
功率放大
伺服阀
测量反馈
伺服缸
R C-
ki
M D/A 功放
D
-
kd1 kd2D
光栅尺
伺服阀
伺服缸
PCI-1712实物照片
压力传感器1
压力传感器2 压力传感器3 流量传感器1 流量传感器2
力传感器
+24V
24VGND
AI0
AO0
10 3
73.746
5
kd1
13.011 mmax r0,ml
13.011 10 5
26.022
1
kd 2
6.248
a mmax r0,ml
2
b
6.248
0.1210 0.2 2.861 5
mmax 为能量输出单元在线 性范围内的最大值