《机液伺服系统》PPT课件.ppt

第第4 4章章 机液伺服系统机液伺服系统 本章摘要 概念：概念： 由机械反馈装置和液压动力元件所组 成的反馈控制系统称为机械液压伺服系统。 主要用来：主要用来：进行位置控制，也可以用来控制其 它物理量，如原动机的转速控制等。 第第4 4章章 机液伺服系统机液伺服系统 本章摘要 机液位置伺服系统机液位置伺服系统 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 动压反馈装置和液压转矩放大器动压反馈装置和液压转矩放大器 由液压放大元件和液压执行元件所组发的液 压动力元件，实际上就是一个开环控制系统。 如果将液压执行元件的输出位移量与指令信 号相比较后的误差信号再控制液庄放大元件，就 是闭环位置控制系统。 也就是说，在开环控制的基础上，通过负反也就是说，在开环控制的基础上，通过负反 馈装置馈装置即比较元件即比较元件+ +测量反馈元件就可以构成测量反馈元件就可以构成 闭环液压控制系统。闭环液压控制系统。 第第4 4章章 机液伺服系统机液伺服系统 将输入量与反馈量比较后的误差信号对输出 量不断调整以求减少误差的系统称随动系统或伺 服系统。 如果比较反馈元件由机械元件充当，则称为 “机液伺服系统”，以区别于电反馈系统。 “机液伺服系统”广泛的应用于飞机舵面控 制、火炮瞄准机构操纵、车辆转向控制、仿形机 床以及伺服变量泵等处。 第第4 4章章 机液伺服系统机液伺服系统 第第4 4章章 机液伺服系统机液伺服系统 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 、工作原理及传递函数 XP Xi 升升 力力 阻力阻力 飞机舵机液控制系统上应用飞机舵机液控制系统上应用 pS 飞机舵机飞机舵机 指令位移指令位移 比较杠杆 舵机位移舵机位移 XP XV - - 杠杆比较杠杆比较 X XP P 手 Xi X1 X2 比较反馈原理 X1 指令指令 b a Xi 舵机位移舵机位移 -X2 X XP P a b XP Xi 舵机位移舵机位移 XV 手动手动 XV =X1 -X2 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 指令 液压动力元件 扰扰 动动 液液压缸压缸 飞机飞机 舵机舵机 X XP P XV 伺服阀伺服阀 液压能源液压能源 pS 飞机舵机飞机舵机 XV 文字方框图 XP Xi 比较杠杆 舵机位移舵机位移 手动手动 a b - - 杠杆比较杠杆比较 Xi 比较元件要求： 1）与指令元件相连（手） 2）与被控对象相连（舵机） 3）与放大元件相连（阀芯） 、工作原理及传递函数 指令 液压动力元件 扰扰 动动 液液压缸压缸 飞机飞机 舵机舵机 X XP P XV 伺服阀伺服阀 液压能源液压能源 - - 杠杆比较杠杆比较 Xi 不考虑反馈的阀控缸传递函数 、工作原理及传递函数 动力元件 - - 杠杆比较杠杆比较 Xi 阀控缸传递函数 指令 液压动力元件 扰扰 动动 液液压缸压缸 飞机飞机 舵机舵机 X XP P XV 伺服阀伺服阀 液压能源液压能源 - - 杠杆比较杠杆比较 Xi 、工作原理及传递函数 方框图简化 动力元件 - - 杠杆比较杠杆比较 Xi 开环传递函数 一一、工作原理及传递函数、工作原理及传递函数 开环传递函数 开环 传递函数 传递函数 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 方框图的画法方框图的画法 穿越频率 相位裕量30 60 幅值裕量 开环传递函数 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统（杠杆比较反馈）（杠杆比较反馈） 影响机液伺服系统稳定性的主要因素影响机液伺服系统稳定性的主要因素 ： 1 1 系统开环增益系统开环增益 2 2 积分环节积分环节 3 3 系统固有频率和阻尼比系统固有频率和阻尼比 4 4 延时环节和非最小相位环节延时环节和非最小相位环节 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 系统稳定的充要条件 控制理论中所讨论的稳定性是指自由振荡下的稳定性，即讨论输入线性定常 系统为零而初始偏差不为零时，自由振荡是收敛的还是发散的。 线性定常系统稳定的充要条件： 是特征方程的根具有负实部；或者说系统的闭环极点均 位于复平面的左半部。 稳定判据： （1）劳斯判据：是一种代数判据 （2）乃氏判据：是一种几何判据 （3）对数频率特性的稳定判据 即利用开环系统的波德图来判别系统的稳定性。 系统的频域指标系统的频域指标 : 1、开环频域指标 ： 穿越频率：wc (又称增益交界频率）。 指开环波德图上幅频特性的幅值（增益） L=0处的频率值。 相位裕量：指在wc处开环剪切（穿越）频率 的开环相频特性与180线的相位差，即 180+ (wc)。一般要求： 30 60 幅值裕量Kg： 又称增益裕量。指在相位等 于 180时的频率处 wg处（称相位交界频 率）幅频特性幅值的相反数，即 KgL （wg）（dB)，一般要求Kg 6dB 。 系统的频域指标系统的频域指标 2、闭环频域指标 ： 谐振频率：w 。指闭环波德图上的幅值（增益）为最大Lmax处的频率 值。一般要求w 300rad/s。 谐振峰值M：指对应于Lmax 的闭环频率特性的幅值，一般要求M 1.04 闭环截止频率wb：指闭环波德图上,当幅值特性的增益值下降到零频率 处增益值以下3dB时所对应的频率。 相应0 wb称为系统频宽。一般 要求wb 0 400 rad/s。系统频宽有时称幅频宽，用w-3dB 表示。 -90 带宽w-90 。指在闭环波德图上，零频率到相频特性-90 处所对 应频率的频率范围，一般要求w-90 0350 rad/s。带宽w-90 有时称相 频宽 穿越频率 相位裕量30 60 幅值裕量 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 二、稳定性分析 幅值稳定性裕量 1 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 影响机液伺服系统稳定性的主要因素影响机液伺服系统稳定性的主要因素 ： 1 1 系统开环增益系统开环增益 2 2 积分环节积分环节 3 3 系统固有频率和阻尼比系统固有频率和阻尼比 4 4 延时环节和非最小相位环节延时环节和非最小相位环节 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 一、基本方程与传递函数：一、基本方程与传递函数： 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 一、基本方程与传递函数：一、基本方程与传递函数： 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 一、基本方程与传递函数：一、基本方程与传递函数： 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 4.2 4.2 结构柔度对系统稳定性的影响结构柔度对系统稳定性的影响 一、采用直接位置比较的液压工作台位置控制系统 指令元件与阀芯相连 受控对象与阀套相连 Xi=X芯 Xp=X套 4.2 4.2 内反馈机液伺服系统内反馈机液伺服系统 （阀芯阀套直接比较）（阀芯阀套直接比较） 内反馈就是直接 比较的位置反馈 。 Xi=X芯 Xp=X套 阀芯与阀套 阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较 Xv - - 位置比较位置比较 Xi X芯 X套 1 1 指令与阀连 1 1 对象与阀套连 伺服阀伺服阀 XP 内反馈中的比较元件就 是“阀芯”和“阀套”。 比较元件要求： 1）与指令元件相连（手） 2）与被控对象相连（工作台） 3）与放大元件相连（阀本身） 阀芯与阀套 控制框图控制框图 采用阀芯阀 套直较方式 扰扰 动动 液压缸液压缸 Xv - - 位置比较位置比较 KaKa 被控被控 工作台工作台 X XP P 工作台工作台 指令 Xi X芯 X套 1 1 指令传感器 1 1 反馈传 感器 阀阀伺服伺服 三、工作原理及传递函数 方框图 动力元件 - - Xi 1 1 指令指令 液压动力元件 扰扰 动动 液压液压缸缸刀架刀架 X XP P XV 阀阀伺服伺服 液压能源液压能源 - - Xi 1 1 动力元件 - - Xi 开环传递函数 4.1 4.1 外反馈机液伺服系统外反馈机液伺服系统 四、稳定性分析 幅值稳定性裕量 四、稳态负载误差 四、稳态负载误差 动力元件 - - Xi 四、稳态负载误差 将s=0代入得 五、速度误差 4.3 4.3 动压反馈装置动压反馈装置 阻 尼 器 的 导 游 液 导阻 尼 阻 尼 三大基本方程：三大基本方程： 4.3 4.3 动压反馈装置动压反馈装置 三大基本方程：三大基本方程： 4.3 4.3 动压反馈装置动压反馈装置 三大基本方程：三大基本方程： 4.3 4.3 动压反馈装置动压反馈装置 三大基本方程：三大基本方程： 4.3 4.3 动压反馈装置动压反馈装置 4.3 4.3 动压反馈装置动压反馈装置 采用动压反馈可以有效地采用动压反馈可以有效地 提高阻尼比。提高阻尼比。 两种常用的动压反馈装置两种常用的动压反馈装置 ： 液阻加空气蓄能器液阻加空气蓄能器 油气阻尼器。油气阻尼器。 阻 尼 器 的 导 游 液 导 液压伺服系统往往是欠液压伺服系统往往是欠 阻尼的，液压阻尼比小直阻尼的，液压阻尼比小直 接影响到系统的稳定性、接影响到系统的稳定性、 响应速度和精度。因此提响应速度和精度。因此提 高阻尼比，对改善系统性高阻尼比，对改善系统性 能是十分重要的。能是十分重要的。 一、三大基本方程： 二、方框图与传递函数： 4.3 4.3 动压反馈装置动压反馈装置 三、传递函数简化 液压固有频率： 液压阻尼比： 采用动压反馈装置以后 ，所推导的传递函数形式虽 然没有变化，但其中的阻尼 比增加一项。在稳态情况下 ，它趋近于零，因此对稳态 性能不会产生影响。在动态 过程中，随着负载压力的变 化而产生附加的阻尼作用， 而且负载压力变化得越厉害 ，其阻尼作用越大。在这种 系统中，可以使总流量压力 系数尽量地小，以便提高系 统的静刚度，而系统的稳定 性可由动压反馈装置来保证 ，这就可以同时满足静态特 性和动态特性两方面 的要求 附加阻尼比： 小小 结结 第三章中所讨论的阀控缸，阀控马达及系在马达等 都是开环控制。这一章讲的是在开环动力元件的基础 上，加上反馈装置后就组成闭环控制系统。采用机械 反馈元件的系统称为机液控制。 分析机液系统时，首先要分析其工作原理。先必须 从实际系统中找出比较元件，弄清比较方式，明确指 令信号和被控对象；然后研究阀、缸（动力元件）的 类型，在此基础上就可以建立全部基本方程，由基本 方程即可求得系统的传递函数。有了传递函数，就可 以按照制理论分析其静态动态品质。 小小 结结 机液伺服系统工作可靠。但是，如果设计时各参数 选择不好，装配时就不易调整。另外，机械元件有惯 性，时间常数较大；机械运动件间总有间隙、摩擦， 工作久了总有磨损，这些都会降低系统的精度。 由于液压动力元件的传递函数式是积分环节加振荡 环节。因此，可以说机液系统的开环传递函数基本上 都是积分加振荡。 比较元件要求： 1）与指令元件相连；2）与被控对象相连；3）与放大元件相连。 小小 结结 稳态误差 ： 稳态误差与放大元件的输出流量有关，与放大元 件在稳态时的输入量 xv 成正比。 1）负载误差与负载FL成正比,与压力增益KP成反比(与 总压力流量系数KCe成正比)； 2）速度误差与给定速度V成正比，与速度增益Kv成反 比。 因此 ： 1） 要