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火炮的自动瞄准电液伺服系统设计
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题目名称：火炮的自动瞄准电液伺服系统设计一、本题目目的、意义：确。瞄准电液伺服系统的优劣对火炮射击精度的影响。二、主要工作内容：度/分；俯仰：1转/重1000械或电子自锁，俯仰要考虑配重， 1 目录 第 1章 前言 . 2 炮瞄准器介绍 . 2 液伺服和控制的分类 . 3 液伺服和控制系统的优缺点 . 4 液伺服和控制系统的发展和应用 . 4 . 4 第 2章 液压放大元件 . 5 圆柱滑阀的结构型式及分类 . 5 开口四边滑阀的静态特性 . 5 . 8 第 3章 相关设计计算 . 9 电液伺服阀的组成与分类 . 9 力矩马达 . 9 . 10 . 24 . 27 第四章 液压动力元件 . 29 四通阀控制液压缸 . 29 . 30 第五章 四通阀控制电动马达 . 35 . 35 . 35 第六章 控制方案 . 36 方案一：伺服阀 . 36 方案二 : 伺服阀 . 41 总结 . 45 致谢 . 45 参考文献 . 47 2 第第 1 章章 前前 言言 炮瞄准器介绍 1332 年火炮刚出世时没有瞄准工具，炮手只是根据经验来调整角度和装药量，后来在炮口正上方中 心加有一条纵向线， 用来进行瞄准，但是这个只是初步解决了炮口的指向问题，别的还是靠经验。 16 世纪的时候因为火枪有了照门准星，火炮也装上了，并且多了铅垂和水准器。 17 世纪时候有了望远镜，出现了瞄准仪器，从这以后到 19 世纪末间接 瞄准装置 发明时，火炮都是直瞄交火，20世纪初出现了光学测角器 第一次世界大战 高射炮 瞄准装置 应用并采用计算器和修正器，地面火炮 使用带指针的瞄准器。坦克炮有瞄准具。 20世纪中叶 激光测距仪 夜视仪应用。现代主要使用 光学瞄准具 ， 机械瞄准具 只是备用。现在先进的瞄准具是 激光测距仪 ，夜视仪，电视显示器，弹道计算机，修正器等一些观测设备组成的光电瞄准具 电液伺服 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 (位移、速度、 力等 )能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律。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。 如图 1压泵是系统的能源，它以恒定的压力向系统供油供油压力由溢流阀调定。液压动力元件由四边滑阀和液压缸组成。 滑阀是转换放大元件，它将输入的机械信号 (阀芯位移 )转换成液压信号 (流量、压力 )输出，并加以功率放大。液压缸是执行元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度 (或位移 )。滑阀阀体与液压缸体刚性连结在一起，构成反馈回路。因此，这是个闭环控制系统。 图 1系统控制工作台 (负载 )的位置。使之按照指令电位器给定的规律变化。系统由指令电传器、反馈电位器、电子放大器、电液伺服阀、液压缸和工作台组成。是一种阀控式电液位置伺服系统。 3 是泵控式电液速度控制系统的原理图。该系统的液压动力元件由变量泵和 电动马达 组成，变量泵既是液压能源又是液压控制元件 。 二、 电液伺服 控制系统的组成 电液伺服 和控制系统由以下一些基本元件组成 ： 输入元件：也称指令元件，它给出输入信号 (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： 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 电动马达 等。 控制对象： 被控制的机器设 备或物体，即负载。 其它：各种校正装置，以及不包含在控制回路内的液压能源装置。 液伺服 和控制的分类 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。 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 4 节流式控制 (阀控式 )系统：阀控液压缸系统和阀控 电动马达 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 电液伺服 系统、电气 电液伺服 系统和气动 电液伺服 系统等。 液伺服 和控制系统的优缺点 （一）、 电液伺服 控制的优点 (1)液压元件的功率 重量比和力矩 可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。 (2)液压动力元件快速性好，系统响应快。 (3)电液伺服 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。 （二）、 电液伺服 控制的缺点 (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。 液伺服 和控制系统的发展和应用 电液伺服 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， 电液伺服 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 电液伺服 控制得到迅速发展，使这门技术元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， 电液伺服 系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化和工业自动化的一个重要方面。在国防工业和一般工业领域都得到了广泛应用。 仰二维旋转 5度 /分；俯仰： 1转 /分 重 1000重 500械或电子自锁，俯仰要考虑配重，方位考虑消除间隙 压两套传动 5 第第 2 章章 液液 压压 放放 大大 元元 件件 圆柱滑阀的结构型式及分类 一、按进、出阀的通道数划分 四通阀 (图 2b、 c、 d) 三通阀 (图 2二通阀 (图 2二、按滑阀的工作边数划分 四边滑阀 (图 2b、 c) 双边滑阀 (图 2e) 单边滑阀 (图 2三、按阀套窗口的形状划分 矩形、圆形、三角形等多种 四、按阀芯的凸肩数目划分 二凸肩、三凸肩、四凸肩 五、按滑阀的预开口型式划分 正开口 (负重叠 )、零开口 (零重叠 )和负开口 (正重叠 ) 开口四边滑阀的静态特性 一、理想零开口四边滑阀的静态特性 1、理想零开口四边滑阀的压力 流量方程 6 阀芯左移： 111 ()2d s g C A p p 阀芯右移： 合并得： 归一化处理得： 1 x 其中： 无因次负载压力， 为阀芯最大位移时的空载流量。 21 ()d s A p p1 ()vL d v s W x p 221 ()2d s g C A p p 0q01m d v m W x p 7 无因次负载流量， 2、理想零开口四边滑阀的阀系数 流量增益： 1 ()Lq d s W p 流量 压力增益 理想零开口四边滑阀的零位阀系数 流量增益： 流量 压力增益： 1 ()2 ( )d v s s x p p p p 2 ( )0q d W p 0 00xLL p 8 2、中位泄漏流量曲线 中位泄露流量曲线除可用来判断阀的加工配合质量外，还可用来确定阀的令位流量 可得 s L q 这个结果对任何一个匹配和对称的阀都是适用的。 层流状态下液体通锐边小缝隙的流量公 式可写为 232式中 阀芯与阀套间的经向间隙； w 阀的面积梯度； 油液的动力粘度； p 节流口两边的压力差； 零位时每个窗口的压降为 2泄漏流量为 2层流状态下零位泄漏流量为； 232cc s q p实际零开口四边滑阀的零位阀系数 流量 00 2032q 9 压力增益： 第第 3 章章 相相 关关 设设 计计 计计 算算 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。根据输出液压信号的不问，电液伺服阀和阀可分为电液流量控制伺服阀和阀和电液压力控制伺服阀和阀两大类。 电液伺服阀的组成与分类 一 、电液伺服阀的组成 电液伺服阀通常由力矩马达 (或力马达 )、液压放大器、反馈机构 (或平衡机构 )三部分组成。 力矩马达 在电液伺服阀中力矩马达的作用是将电信号转换为机械运动，因而是一个电气 机械转换器。电气 机械转换器是利用电磁原理工作的。它由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场。电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分产直线位移或角位移的机械运动。 一、力矩马达的分类及要求 1、力矩马达的分类 1)根据可动件的运动形式可 分为：直线位移式和角位移式，前者称力马达，后者称力矩马达。 2)按可动件结构形式可分为：动铁式和动圈式两种。前者可动件是衔铁，后者可动件是控制线圈。 3)按极化磁场产生的方式可分为：非激磁式、固定电流激磁和式三种。 2、对力矩马达的要求 作为阀的驱动装置，对它提出以下要求； 1)能够产生足够的输出力和行程，问时体积小、重量轻。 2)动态性能好、响应速度快。 3)直线件好、死区小、灵敏度高和磁滞小。 4)在某些使用情况下，还要求它抗振、抗冲击、不受环境温度和压力 等影响。 20 32r 10 二、力矩马达 1、力矩马达的工作原理 图 2 所示为一种常用的动铁式力矩马达工作原理图，它由永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体 (磁极 )形成四个工作气隙、。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路。 3 3 1 力矩马达磁路分析计算 图 3 5 为一个典型 的力矩马达原理图，力矩马达的两个线圈由推挽放大器来推动。放大器中的电压 力矩马达每个线圈都建立一个零值电流（空载电流） 0。 但是由于两个线圈中的电流方向相反，因此在衔铁上并不产生净力矩。如果放大器有输入，则将使一个线圈中的电流增加，与此同时，另一个线圈中的电流将减小同样的数值。因此，两个线圈中的电流可写成 10i I i（ 3 9） 20i I i（ 3 10） 式中 1i、2； ： i 一每个线圈中的信号电流，安： 11 两个线圈中的差动电流 12 2 ci i i i i （ 3 11） 零值电流 般约为最大差动电流的一半。这样，当输入放大器的信号最大时，力矩马达一个线圈中 的电流将大致为零，而在另一个线圈中将为最大的差动电流值。由于零值电流的存在，使电路的效率只有 50，但在整个系统中，电功率与液压损失相比是微不足道的，所以电路效率问题并不重要 。 图 3 6是一个对称的桥式磁路。 气隙极化磁通： 极化磁通由两个永久磁铁产生，衔铁在中间位置时，分别构成两个极化磁通路 ，且四个气隙的磁阻相等，由下式给出 0（ 3 13） 式中 衔铁在中间位置时每一个气隙的长度，米； 气隙处导磁体工作面面积，米 2； 0 空气导磁率，0 4 10米。 衔铁偏离中位时的气隙磁阻为 10(1 )g （ 3 18） 20(1 )g （ 3 式中 1R 气隙 1和 3的磁组安韦 12 2R 气隙 2和 4的磁组安韦 x 衔铁端部（导磁体工作面的中心）偏离中间位置的位移，米。 在以上这些假设下磁路可有图 3 6b 来表示。由于这个回路是对称桥路，很明显，通过对角线气隙的磁通是相等的。 对气隙 1、 3和磁动势源所组成的闭合回路应用克希霍夫第二定律可得气隙合成磁通 1 12 2 ( 1 / )P c P i M N x l （ 3 对气隙 2、 4可得气隙合成磁通 2 22 2 ( 1 / )P c P i M N x l （ 3 21） 式中 永久磁铁产生的极化磁动势 i 控制电流产生的控制磁动势 每个控制线圈的匝数 利用衔铁在中位时的极化磁通g和控制磁通c来表示 和 时式 （ 3 24）， （ 3 25）可写成 11 （ 3 22） 21 （ 3 23） 式中g 衔铁在中位时气隙的极化磁通 2（ 3 24） c 衔铁在中位时气隙的控制磁通 2cc （ 3 25） 衔铁在磁场中所受电磁吸力可按马克撕威尔公式计算 202 式中 F 电磁吸力； 气隙中的磁通； 13 磁极面的面积。 由控制磁通和极化磁通在气隙中相互作用在衔铁上所产生的电磁力矩为（见图 3 7） 142 ( )dT a F F(3 36) 式中 ,a 是衔铁转动中心到磁极面中心的距离， 、 4 处的电磁吸力，考虑到气隙 2、 3 的情况相同，所以乘以二倍。将式（ 3 35）代入上式可得到 22120()（ 3 37） 再将气隙磁通表达式（ 3 22）和（ 3 23）代入式上，并考虑到衔铁转角 很小，故有 ， x a ，则上式可以写成 2 2 2 22 2 2(1 / ) (1 / )(1 / )g t c g l K i （ 3 39） 式中 输入电流在衔铁上产生的总力矩，牛米 ： 力矩马达的力矩系数，牛 米安； 2 ( )t c （ 3 40） 力矩马达的磁 弹簧刚度，牛 米弧度； 224 ( )m g （ 3 41） 式 （ 5 39）说明力矩马达的输出力矩具有非线性。为了改善线性度和静稳定性，并防止衔铁被永久磁铁吸附，力矩马达一般都设计成 1（一般小于 1/3），即 2( / ) 1( / ) 1。在满足这个条件时，或力矩马达工作在零位附近时，式（ 5 39）可写成线性化形式 d t i K （ 3 42） 式中，中位力，即衔铁在中间位置时输入电流产生的磁力矩。而由于衔铁偏离中位时，极化磁通变化所产生的附加磁力矩，这个力矩使衔铁进一步偏离中位。因此这个附加的磁力矩相当于一个具有负弹簧刚度的弹簧。一般来 14 讲，对动铁式力矩马达或等于零对分支点 或 B 应用克希霍夫第二定律可得衔铁磁通 12a （ 3 24） 将式（ 3 22）和（ 3 23）代入上式整理后可得 22 ( ) 21 ( )（ 3 25） 由于 22 1以式（ 5 28）可简化为 2 （ 3 26） 考虑到 x a ，式 （ 3 26）可写成 2 （ 3 28） 所求得的气隙磁通1、2可用来计算力矩马达的电磁力，衔铁磁通a可用来计算力矩马达线圈的反动势。 3 3 2 电路的计算 见图 3 5。每个线圈回路的电压方程为 1 1 2() ab b c p b c dE u i Z R r i Z N (3 29) 2 2 1() ab b c p b c dE u i Z R r i Z N （ 3 30） 式中 产生空载电流所需的常值电压，伏； 线圈公用边的阻抗，欧； 每个线圈的电阻，欧； 每个线圈回路中放大器内阻，欧。 由式（ 3 29）减去（ 3 30），并考虑到（ 3 11）和式（ 3 12）可得到 2 ( ) 2 2u g c p b cd d iK u R r i k Ld t （ 3 31） 15 这是力矩马达电路的基本电压方程 。 将式（ 3 28）微分带入式（ 3 31），其结果经拉氏变换后为 2 ( ) 2 2u g c p b cK u R r i K s L s i （ 3 32） 式中 每个线圈的反电动势常数，伏秒弧度 每个线圈的自感系数，亨。 2b c （ 3 33） 2 3 34） 式（ 3 32）是力矩马达电路基本电压方程的常用形式。 方程式左边为放大器加在线圈上的总控制电压，右边第一项为电阻上的电压降压，第二项为衔铁运动时再线圈内产生的反电动势，第三项是线圈内电流变化所引起的感应电动势。它包括线圈的自感和两个线圈线圈之间的互感。由于 两个线圈对信号电流 i 来说是串联的，并且是紧密耦合的，因此互感等于自感。所以每个线圈的总电感为 2 式（ 3以改写为 2 211g bR r R rc p c 式中 a 控制线圈回路的转折频率， 2 3 3 3 动态特性（动态方程式） 力矩马达动态由电路动态和衔铁负载动态所组成。电路动态方程式由式（ 3 32）给出。下面给出衔铁运动方程式 222d a a a L B K T Td t d t (3 43) 式中 衔铁及加于其上的负载惯量之和，牛 米秒 2； 衔铁机械支承 （通常可以忽略）和负载的粘性阻尼系数，米 牛 秒； 支承弹簧刚度，牛 米弧度； 16 作用在衔铁上的负载力矩，牛 米。 作用在衔铁挡板组件上的诸力见图 3 8。负载力矩 喷嘴液流力在挡板上产生的负载力矩 2210( 8 )L L p N c f s fT r p A r C p x （ 3 54） 式中， 喷嘴孔的面积； 两个喷嘴腔的负载压差； r 喷嘴中心至弹簧管回转中心的距离； 喷嘴与挡板间的流量系数； 0 喷嘴与挡板间的零位间隙； 衔铁挡板被滑阀约束以及滑阀运动所产生的负载力矩 2 ( ) ( ) L f vT r b K r b x （ 3 55） 式中 ； b 反馈杆小球中心到喷嘴中心 的距离，米： 反馈杆刚度，牛米。 阀芯位移； 与式（ 3 42）合并后经拉氏变换，则得 2 ()f v L p J s B s K r b K X r p At a a m f (3 44) 式中 力矩马达的总刚度； 2()m f a n fk k r b k 力矩马达的净刚度； 2208a n a m d f s fk k k C p x r 22121f V N L K r b X r A Ps s （ 3 47） 式中 力矩马达的固有频率， 17 力矩马达的机械阻尼比 2m （ 2）偏转角 和挡板位移 （ 3 57） （ 3）液压前置级的传递函数 忽略阀芯移动时所受到的粘性阻尼和作用在其上的稳态液动力及反馈杆弹簧力，则挡板位移至阀总位移的传递函数为 22/2( 1 )q p p h （ 3 58） 式中 喷嘴挡板阀的流量增益，米 2秒； 阀芯端面面积，米； 202 滑阀的液压固有频率， 1 /秒； 022cp 滑阀的阻尼比，无因次； 阀芯一端所包含的容积，米 3； 喷嘴挡板阀流量压力系数，米 5牛秒； 阀芯及油液的归化质量，千克。 （ 4）阀一 电动马达 的传递函数 假定负载是简单的惯量，则阀芯位移至 电动马达 的传递函数为 22/2( 1 ) （ 3 59） 18 式中 24 4c e e t m th m t m e B D Jh 无阻尼液压固有频率 （液压谐振频率），弧度秒 h 液压阻尼比，无因次； 速度增益，秒 （ 5）压力反馈回路 略去阀芯运动时所受的粘性阻尼和反馈杆弹簧力，则喷嘴挡板阀的负载压力为 221 0 . 4 3 ( ) vL p v v s L m x W p p xA d t （ 3 60） 将上式在0 处线 性化，则得 21 0 . 4 3 0 . 4 3 L p v v s v v o m s X W p X W X （ 3 61） 滑阀的负载压力为 21L t m s （ 3 62） 根据式（ 3 56）（ 5 62）可画出力反馈两级电液伺服阀的方块图，见图3 9 3 3 4 伺服阀的稳定性 图 3 9所示的方块图包含两个反馈回路。一个是力反馈回路，有阀芯和挡板间的反馈杆连接所形成，用来实现阀芯定位，这是个主要回路。另一个是压力反馈回路，由作用在挡板上的压力 所形成，这是个次要回路。 （ 1）力反馈回路的稳定性 这个回路包含力矩马达和滑阀两个动态环节。首先简化力矩马达的传递函数 。以力矩作为输入时力矩马达的传递函数可以写成 322211( 1 )22 211( ) ( ) 1()m f am f m f f m f m f a m f a m f c r （ 3 63） 19 式中 力矩马达以电流作为输入时的固有频率，弧度秒； ()f m fm f c r 力矩马达以电流作为输入时的阻尼比。 如果忽略机械阻尼此引起的阻尼比约为 并考虑到 0(1 )mm f （ 3 64） 式中 0 衔铁挡板组件的固有频率，弧度秒 2 2 200( ) ( 8 )e a f d f s r b K r C p x 衔铁挡板组件的有效刚度，牛米弧度 ； 则式（ 3 63）可以写成 32220 0 01 ( 1 )1( 1 / ) ( 1 / ) ( 1 / )m f m m e m m e a m s s K K K K （ 3 65） 其特征方程式的形式与式（ 3 47）的相同，因此可将式（ 3 65）写成 20001 ( 1 )2( 1 ) ( 1 )m f s s s （ 3 66） 当 /比较高时（其值与 /，在r的滞后可被在a的超前所抵消。此时力矩马达可近似地表示为下列的二阶环节。 2020012 1s（ 3 67） 20 21 G1(s)H1(s) + 式中的固有频率0 。 在一般的情况下，如果考虑机械阻尼 a，式（ 3 63）的特征方程式仍然可以分解成一个一阶因子和一个欠阻尼的二阶因子。而且在 /充分大时，一阶滞后因 子可被在a处的一阶超前所抵消。而二阶因子的固有频率近似地等于以电流为输入时的固有频率但略大于因此力矩马达仍然可以近似地表示为一个欠阻尼的二阶滞后环节 202121f m s（ 3 68） 式中0由机械阻尼和电磁阻尼两 者所形成的阻尼比。 3 10 力反馈回路简化方块图 滑阀的固有频率较高，可达 1000 2000 赫兹。而力矩马达的固有频率通常比较低，所以以略去，力反馈回路可简化为图 3 10所示的形式 。 这是个型伺服回路，其速度放大系数为 2() ( ) f q a n fr r b K K r b（ 3 69） 为了使速 度放大系数达到最大，这类伺服阀通常设计成 ，即 22 0( 8 ) 0a n a m d f s K r C p x （ 3 70） 这样，力矩马达衔铁的机械弹簧刚度 n，刚好与磁弹簧刚度 m 和液流力刚度相平衡。因此，衔铁挡板组件刚好处于静稳定的边缘上。当力矩马达装入伺服阀以后， f 就变成主要的弹簧刚度并使静稳定性得到了保证。 r 2 021/2 1 /qp fr b K 22 当采用了这个设计准则之后，式（ 3 69）可简化为 ()b A （ 3 71） 力反馈回路的波德图见图 3 11 所示。 回路的 稳定性判据为 02vf m f m （ 3 72） 回路的穿越频率c近似等于速度放大系数稳定性所确定的速度放大系数也就决定了伺服阀响应速度的上限。为了提高稳定性和响应速度，必须提高力矩马达的阻尼比 和固有频率。 为了避免放大器和衔铁电路动态的影响，伺服阀通常以电流作为输入来确定其性能。此时，回路的稳定判据为 02/v f m f m f a J（ 3 74） 稳定判据只与机械参数有关。为了提高伺服阀的稳定性和响应能力，除增加机械阻尼必须尽量减小衔铁挡板组件的惯量 （ 2）压力反馈回路的稳定性 压力反馈回路反映了伺服阀各级负载动态的影响。如果这个回路占了支配地位的话，就要使伺服阀的特性在很大程度上依赖于负载动态。这个回路的增益与液流力有关，这种力在设计阶段是不容易计算和控制的。因此，在伺服阀的某些使用场合可能出现稳定 性问题。另外会限制伺服阀的动态响应。一般来说，任何元件在加了反馈以后其响应能力与开环情况相比都会有所降低。这个压力反馈回路和用负载压差有意构成的压力反馈是不同的，前者不易控制，后者是可控制的。因此应当尽量减小这个回路的影响，使其不起作用。所采用的办法是使压力反馈回路的开环增益在任何频率下都小于一，这样压力反馈回路就近似于开路状态而不起作用。 由图 3 10可求得力反馈回路的闭环传递函数（这是压力反馈回路的正向传递函数） 2 30 22221()211()2( 1 ) ( 1 )f m f v f m f v n c n cr b s Kr b (s) （ 3 74） 23 如 果够大，把的谐振峰压到最低，能够被惯性环节在造成的衰减所抵消时，则2() /( )fr b K下面确定反馈回路的传递函数 ，由于 0 ， 以忽略，并 下考虑到0/ 2 /q c p s K p x以及 22 / /h h c t D ，可以得到 222 222 1( ) 0 . 4 32 1hN h s W p s s（ 3 75） 这个传递函数的最大增益为 0 /s N vp 。 正向传递函数的最大增益与反馈传递函数的最大增益的乘积就是压力反馈回路的最大增益。为确保稳定性，此值应小于 1，因此 2 m a x 2 m a 4 3| ( ) ( ) | 1 sr b A K （ 376） 这个判据在一般情况下都不难满足。当满足这个判据时，压力反馈回路就可以忽略 。 力反馈回路的闭环传递函数见式（ 3 75），式中b、力反馈回路的闭环参数。在0较小时，nc ，b 。略去压力反馈 回路以后，力反馈伺服阀的传递函数近似为： 222( ) ( )2(1 ) ( 1 )p f m f m r r b s s （ 3 77） 为了使电路动态不至于限制伺服阀的响应能力，a应当充分大。为此可采用高输出阻抗放大器或电流反馈放大器推动伺服阀。这样，伺服阀的传递函数就可表示为： 222( 1 ) ( 1 )v a s x f m f m KU s s （ 3 78） 式中 2 伺服放大器增益，安 伏： 24 ()b K 伺服阀增益，米安。 由于 3 78）中最低的转折频率，所以在此频率处的滞后就左右了伺服阀的响应，因而往往用它来近似代表伺服阀的动态特性，考虑到as u ，伺服阀传递函数可简化为： 1v （ 3 79） 在稳态工作的情况下， 0由式（ 3 79）得阀芯位置与差动电流的关系为： ()tv x v i ir b K （ 3 80） 为提高伺服阀的增益，要增大力矩马达的力矩系数小尺寸 ()和反馈杆刚度fK，a 、gl、确定，这些参数在设计时已经确定。但在调试时有些参数如gl、g还可以作少量的变动，来调整伺服阀的增益。 力反馈伺服阀在稳态工作时，挡板处在零位附近，即 0。因此阀的线性度好，对力矩马达线性度要求不那么严格，允许阀芯取得较大的行程，从而改善了伺服阀的分辨率、防堵塞性能并减小了伺服阀的总尺寸。这是力反馈 伺服阀的优点。 平旋转设计 回路的穿越频率c近似等于速度放大系数稳定性所确定的速度放大系数也就决定了伺服阀响应速度的上限。为了提高稳定性和响应速度，必须提高力矩马达的阻尼比 和固有频率。 为了避免放大器和衔铁电路动态的影响，伺服阀通常以电流作为输入来确定其性能。此时，回路的稳定判据为 02/v f m f m f a J（ 3 74） 稳定判据只与机械参数 有关。为了提高伺服阀的稳定性和响应能力，除增加机械阻尼必须尽量减小衔铁挡板组件的惯量 （ 2）压力反馈回路的稳定性 压力反馈回路反映了伺服阀各级负载动态的影响。如果这个回路占了支配地位的话，就要使伺服阀的特性在很大程度上依赖于负载动态。这个回路的增益与液流力有关，这种力在设计阶段是不容易计算和控制的。因此，在伺服阀的某些 25 使用场合可能出现稳定性问题。另外会限制伺服阀的动态响应。一般来说，任何元件在 加了反馈以后其响应能力与开环情况相比都会有所降低。这个压力反馈回路和用负载压差有意构成的压力反馈是不同的，前者不易控制，后者是可控制的。因此应当尽量减小这个回路的影响，使其不起作用。所采用的办法是使压力反馈回路的开环增益在任何频率下都小于一，这样压力反馈回路就近似于开路状态而不起作用。 由图 3 10可求得力反馈回路的闭环传递函数（这是压力反馈回路的正向传递函数） 2 30 22221()211()2( 1 ) ( 1 )f m f v f m f v n c n cr b s Kr b (s) （ 3 74） 如果够大，把的谐振峰压到最低，能够被惯性环节在造成的衰减所抵消时，则2() /( )fr b K下面确定反馈回路的传递函数 ，由于 0 ， 以忽略，并下考虑到0/ 2 /q c p s K p x以及 22 / /h h c t D ，可以得到 222 222 1( ) 0 . 4 32 1hN h s W p s s（ 3 75） 这个传递函数的最大增益为 0 /s N vp 。 正向传递函数的最大增益与反馈传递函数的最大增益的乘积就是压力反馈回路的最大增益。为确保稳定性，此值应小于 1，因此 2 m a x 2 m a 4 3| ( ) ( ) | 1 sr b A K （ 376） 这个判据在一般情况下都不难满足。当满足这个判据时 ，压力反馈回路就可以忽略 。 力反馈回路的闭环传递函数见式（ 3 75），式中b、力反馈回路的闭环参数。在0较小时，nc ，b 。略去压力反馈回路以后， 26 力反馈伺服阀的传递函数近似为： 222( ) ( )2(1 ) ( 1 )p f m f m r r b s s （ 3 77） 为了使电路动态不至于限制伺服阀的响应能力，a应当充分大。为此可采用高输出阻抗放大器或电流反馈放大器推动伺服阀。这样，伺服阀的传递函数就可表示为： 222( 1 ) ( 1 )v a s x f m f m KU s s （ 3 78） 式中 2 伺服放大器增益，安伏： ()b K 伺服阀增益，米安。 由于 3 78）中最低的转折频率，所以在此频率处的滞后就左右了伺服阀的响应，因而往往用它来近似代表伺服阀的动态特性，考虑到as u ，伺服阀传递函数可简化为： 1v （ 3 79） 在稳态工作的情况下， 0由式（ 3 79）得阀芯位置与差动电流的关系为： ()tv x v i ir b K （ 3 80） 为提高伺服阀的增益，要增大力矩马达的力矩系数小尺寸 ()和反馈杆刚度fK，a 、gl、确定，这些参数在设计时已经确定。但在调试时有些参数如gl、g还可以作少量的变动，来调整伺服阀的增益。 力反馈伺服阀在稳态工作时，挡板处在零位附近，即 0。因此阀的线性度好，对力矩马达线性度要求不那么严格，允许阀芯取得较大的行程，从而改善了伺服阀的分辨率、防堵塞性能并减小了伺服阀的总尺寸。这是力反馈伺服阀的优点。 27 仰机构设计 回路的穿越频率c近似等于速度放大系数稳定性所确定的速度放大系数也就决定了伺服阀响应速度的上限。为了提高稳定性和响应速度，必须提高力矩马达的阻尼比 和固有频率。 为了避免放大器和衔铁电路动态的影响，伺服阀通常以电流作为输入来确定其性能。此时，回路的稳定判据为 02/v f m f m f a J（ 3 74） 稳定判据只与机械参数有关。为了提高伺服阀的稳定性和响应能力，除增加机械阻尼必须尽量减小衔铁挡板组件的惯量 （ 2）压力反馈回路的稳定性 压力反馈回路反映了伺服阀各级负载动态的影响。如果这个回路占了支配地位的话，就要使伺服阀的特性在很大程度上依赖于负载动态。这个回路的增益与液流力有关，这种力在设计阶段是不容易计算和控制的。
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