液压系统建模方法.ppt

控制相关专业研究生选修课程,系统建模方法,马宏军,东北大学 信息学院 控制理论与导航技术研究所,2013年3月,逸夫楼203,第十章 液压控制系统建模方法,3,第一节 液压控制系统的结构,图1-3 双电位器电液位置伺服系统,4,一、采用电压比较的液压工作台位置控制系统,5,控制系统组成： 被控对象 指令元件 比较元件 指令传感器 反馈传感器 动力元件(阀.缸),6,二、采用电压比较的电动工作台位置控制系统,7,电动力元件,指令 电位器,反馈 电位器,电放大 Ka,E,Ui,E,-,电压 比较,UP,Ka,工作台,电机,控制系统组成： 被控对象 指令元件 比较元件 指令传感器 反馈传感器 动力元件(可控硅电机）,将液压动力元件（伺服阀、缸）换成电动力元件（可控硅与电动机）,8,三、采用力比较的液压工作台位置控制系统,F1=Xi*K1,F2=Xp*K2,指令传感器K1,反馈传感器K2,9,比较元件,1 K1+K2,力比较,Xi,xv,XP,比较结果转换成阀位移,10,控制框图,采用力比较方式，用弹簧作为位移-力传感器，以阀芯作为力比较元件。,液压缸,1 K1+K2,DF,-,力比较,Ka,工作台,11,四、采用直接位置比较的液压工作台位置控制系统,Xi=X芯,Xp=X套,指令元件与阀芯相连,受控对象与阀套相连,12,Xv,-,阀芯阀套比较,Xi,X芯,X套,1,1,伺服阀,XP,指令与阀芯相连,受控对象与阀套相连,13,控制框图,采用阀芯阀套直较方式,液压缸,Xv,-,Ka,工作台,X芯,X套,1,1,伺服阀,阀芯与阀套比较,阀芯与阀套比较,第二节 液压控制系统的分类,上述工作台位置控制系统的种类：,按控制件、传动件分类： （1）电压比较电液位置控制系统； （2）电压比较电动位置控制系统； （3）力比较机液位置控制系统； （4）直接位置比较机液位置控制系统；,15,按被控制参数分类： （1）位置控制系统； （2）速度控制系统; （3）力控制系统。,液压控制系统的分类,按控制件、传动件分类： （1）电气控制系统； （2）液压控制系统。,16,XP,Xi,升力,阻力,例1：飞机舵机液控制系统,pS,飞机舵机,指令位移,舵机位移,XP,XV,17,18,19,放大元件,电液位置控制系统原理图,例2 电液仿形控制系统,20,电液仿形控制框图,闭环控制系统由开环控制（动力）和负反馈装置两部分组成； 负反馈装置由比较元件、测量反馈元件构成； 开环控制部分由放大元件(伺服阀).能量转换元件(缸).负载构成； 指令元件通过闭环系统控制被控对象.使被控位移y2 跟踪指令位移y1,21,转动： 电机：同功率时惯性大-响应慢； 液压马达：同功率时惯性小-响应快。,直线运动： 电传动：齿轮+齿条+电机-慢、难； 液压缸驱动：-快、易。,液压控制的缺点： （1）易因堵塞造成故障； （2）成本高、维护难度大； （3）易污染环境。 （4）非线性强、随工作范围变化大,第三节 液压控制的优缺点,22,自动火炮系统,液压控制系统的应用,军工：,汽车伺服转向、飞机舵机,交通：,轧机液压厚度自动控制系统 带钢跑偏控制系统 连续铸钢控制系统,冶金：,23,电子元件-电阻,第五节 液压控制的常用电子器件,24,电子元件-电容,25,二极管、三极管,26,双列直插DIP封装,电子元件的封装,27,28,运放的方框图,29,运算放大器的电压反馈控制,30,31,串联电阻比较,32,串联电阻比较，反相输入,33,放大器的实际接线,调零,倍数调整,负电源,正电源,34,液压放大元件有两种： “泵类”-变量泵 “阀类”-伺服阀,液压放大元件也叫液压控制元件,什么是液压放大元件？,第六节 液压放大元件,35,三极管放大了什么？,三极管是电放大器（电控开关），由小基极电流控制大的发射极电流,放大实际上是一种控制，是用小功率控制大功率的输出,36,放大器是桥路，一个三极管构不成电放大器！,能控制电压升降的典型回路是半桥和全桥,可控电阻,固定桥臂,控制输入,控制输出,37,38,构造阀类液压放大器,伺服阀是液压放大器(液控开关)，由小功率驱动阀芯，可以控制大功率的阀口流量。,可控液阻,被控对象,固定桥臂,39,液压放大元件,放大元件,控制输入,输出流量,输出流量,控制输入,伺服阀本质上是含可变液阻的液压桥路，它能通过小功率输入信号(位移)，控制大功率的流量(压力)的输出。,40,阀类液压放大元件的分类:,41,表示阀输出流量、压力及开口面积三者关系的方程叫阀的特性方程， 只研究稳态关系就叫做静特性。,第七节 滑阀静特性的一般分析,流量控制阀,压力控制阀,对于各种滑阀、锥阀、球阀、节流孔口，通过阀口的流量均可用下式表示：,阀口流量公式及流量系数,43,负载,控制输入,输出流量,控制输入,输出流量,扰动输入,扰动输入,44,放大元件的线性化,线性化后即可画出传递函数图!,45,拉氏变换及物理模型,46,放大元件的数学模型,放大元件的四种模型,47,48,液压动力元件由放大元件和执行元件（缸-马达）构成。 执行元件是将输入液压功率转换成机械功率的机液耦合（换能）元件，其模型类似于变压器。,什么是液压动力元件?,第八节 液压动力元件的建模,49,理想液压缸的数学模型,不计泄漏和压缩时动力元件的方框图 它是一个积分环节,流量放大,液压机械能量转换,基本方程,1、放大器的线性化流量方程,53,液压阻抗+理想油缸+机械阻抗,实际油缸,实际液压缸的阻抗分离,2、油缸的液压阻抗及流量连续性方程,54,方框图简化,55,MS,56,57,58,理想放大元件,油缸与阀阻抗构成的振荡环节,理想油缸,59,60,控制传递函数,61,液阻、液容均可等效成机械阻尼和弹簧,液压阻抗等效成机械阻抗,这是一个弹簧质量振荡系统,62,液压动力元件实际上就是一个开环控制系统 用被控位移与指令位移相比较后的误差信号去控制液压放大元件，就可构成闭环位置控制系统。 也就是说，在开环控制的基础上，通过负反馈装置即比较元件+测量反馈元件就可以构成闭环液压控制系统。,特点:采用机械元件作比较器的伺服系统,第九节 机液控制系统建模,63,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。,机液伺服系统:采用机械元件作比较器的伺服系统,（杠杆比较反馈）, 工作原理及系统方框图,例1 机液位置伺服系统,65,升力,阻力,飞机舵机液控制系统上应用,66,比较反馈原理,比较杠杆,67,手,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）,舵机位移,被控舵机,文字方框图,69,比较反馈以电子元件为比较器采用电反馈-转化为电量（电压）比较 模拟伺服系统：以运放等器件为比较器，模拟比较方式 数字伺服系统：以计算机为比较器，数字比较方式,电液伺服系统:采用电子元件作比较器的伺服系统,第十节 电液控制系统建模,70,放大元件,电液位置控制系统原理图,例2 电液仿形控制系统,71,抽象为双传感器阀控位置控制系统,72,73