第八章液压伺服控制系统

1、12p 电液伺服阀是液压伺服系统中的重要元件，它是一电液伺服阀是液压伺服系统中的重要元件，它是一种通过改变输入信号，种通过改变输入信号，连续的、成比例连续的、成比例的控制的控制流量、流量、压力压力的液压控制阀。的液压控制阀。p 根据输入信号的方式不同，又分为根据输入信号的方式不同，又分为电液伺服阀电液伺服阀和和机机液伺服阀液伺服阀两大类。两大类。2 2、电液伺服阀的作用及特点、电液伺服阀的作用及特点 电液伺服阀是将输入的电液伺服阀是将输入的微小模拟电气信号微小模拟电气信号转换为大功率的转换为大功率的液液压信号压信号(流量与压力流量与压力)输出，实现电液信号的转换与放大。输出，实现电液信号的转换

2、与放大。电液伺服阀具有电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。液伺服控制系统中。7.1 7.1 电液伺服阀的作用和特点电液伺服阀的作用和特点3、电液伺服阀的组成、电液伺服阀的组成（1）电）电力转换部分：力转换部分：通常为力马达或力矩马达；通常为力马达或力矩马达；（2）力）力位移转换部分：位移转换部分：通常为扭簧、弹簧管或弹簧；通常为扭簧、弹簧管或弹簧；（3）液压放大器：）液压放大器：通常前置级为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板

3、通常前置级为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板式液压放大器，而功率放大级均为滑阀式液压放大器。式液压放大器，而功率放大级均为滑阀式液压放大器。7.2 电液伺服阀的组成和工作原理电液伺服阀的组成和工作原理按第一级液压放大器的结构分：按第一级液压放大器的结构分：l 滑阀放大器、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、射流管及射流元件滑阀放大器、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、射流管及射流元件7.3 电液伺服阀的分类电液伺服阀的分类67.4 电液伺服阀的特性电液伺服阀的特性 一、静态特性一、静态特性 电液伺服阀的静态性能，可根据测试得到的负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线和性能指标进行评定。1 1 负载

4、流量特性（压力负载流量特性（压力- -流量特性）流量特性） 负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性。这些曲线主要还是用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力相匹配。72 2 空载流量特性空载流量特性 空载流量特性曲线是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线。它是在给定的伺服阀压降和负载压降为零的条件下，使输入电流在正、负额定电流值之间以阀的动态特性不产生影响的循环速度作一完整循环描绘出来的连续曲线。7.4 电液伺服阀的特性电液伺服阀的特性83 3 压力特性压力特性 压力特性曲线是输出流量为零（两个负载油口关闭）时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线，如图所示

5、。负载压力对输入电流的变化就是压力增益，单位为pa/A。7.4 电液伺服阀的特性电液伺服阀的特性94 4 内泄漏特性内泄漏特性当阀处于零位时，内泄漏流量（零位内泄漏流量）最大。对两级伺服阀而言，内泄漏流量由前置级的泄漏流量qp0和功率级泄漏流量q1组成。功率滑阀的零位泄漏流量qc与供油压力ps之比，可作为滑阀的流量-压力系数。零位泄漏流量对新阀可作为滑阀制造质量的指标，对旧阀可反映滑阀的磨损情况。5 5 零漂零漂工作条件或环境变化所导致的零偏变化，以其对额定电流的百分比表示。7.4 电液伺服阀的特性电液伺服阀的特性10 二、动态特性二、动态特性电液伺服阀的动态特性可用频率响应或瞬态响应表示，一

6、般用频率响应表示。电液伺服阀的频率响应是输入电流在某一频率范围内作等幅变频正弦变化时，空载流量与输入电流的复数比，频响特性曲线如图所示。7.4 电液伺服阀的特性电液伺服阀的特性 频宽是伺服阀响应速度的度量。频宽应根据系统实际需要确定，频宽过低会限制系统的响应速度，过高会使高频干扰传到负载上去。111）在结构改进上，目前主要是利用冗余技术对伺服阀的结构进行改造。p俄罗斯研制的射流管式伺服阀阀芯两端设计了双冗余位置俄罗斯研制的射流管式伺服阀阀芯两端设计了双冗余位置传感器，用来检测阀芯位置。一旦出现故障信号可立即切传感器，用来检测阀芯位置。一旦出现故障信号可立即切换备用伺服阀。换备用伺服阀。p美国的

7、美国的Moog公司和俄罗斯的沃斯霍得工厂均已研制出四公司和俄罗斯的沃斯霍得工厂均已研制出四余度的伺服机构用于航天行业。余度的伺服机构用于航天行业。p我国的航天系统有关单位早在我国的航天系统有关单位早在90年代就已进行三余度等多年代就已进行三余度等多余度伺服机构的研制，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、余度伺服机构的研制，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套，发生故障可随时切换，保证系统的正常滑阀副做成多套，发生故障可随时切换，保证系统的正常工作。工作。7.5 电液伺服阀的发展趋势电液伺服阀的发展趋势12 2）在加工工艺的改进方面，采用新型的加工设备和工艺来提高伺服阀的加工精度及能力。 7.

8、5 电液伺服阀的发展趋势电液伺服阀的发展趋势p如在阀芯阀套配磨方法上，国内提出了智能化、全自动的如在阀芯阀套配磨方法上，国内提出了智能化、全自动的配磨系统。配磨系统。p在力矩马达的焊接方面，中船重工第在力矩马达的焊接方面，中船重工第704研究所与德国知研究所与德国知名厂家合作采用了世界最先进的焊接工艺取得了良好的效名厂家合作采用了世界最先进的焊接工艺取得了良好的效果。果。p提出智能化的伺服阀力矩马达弹性元件测量装置。对弹性提出智能化的伺服阀力矩马达弹性元件测量装置。对弹性元件能高效完成刚度测量、得到完整的测量曲线，且不重元件能高效完成刚度测量、得到完整的测量曲线，且不重复性测量误差不大于复性测

9、量误差不大于1%。 13 3）在材料的更替上方面，除了对某些零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料外。还对特别用途的伺服阀采用了特殊的材料。p德国有关公司用红宝石材料制作喷嘴档板，防止因气馈造德国有关公司用红宝石材料制作喷嘴档板，防止因气馈造成档板和喷嘴的损伤、动静态性能降低、工作寿命缩短。成档板和喷嘴的损伤、动静态性能降低、工作寿命缩短。机械反馈杆头部的小球也用红宝石制作，防止小球和阀芯机械反馈杆头部的小球也用红宝石制作，防止小球和阀芯小槽之间的磨损，使阀失控，并产生尖叫。小槽之间的磨损，使阀失控，并产生尖叫。p航空六航空六O九所、中船重工第七九所、中船重工第七O四研究所等单位均采

10、用新材四研究所等单位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油为介质的耐腐蚀伺服阀。料研制了能以航空煤油、柴油为介质的耐腐蚀伺服阀。p此外对密封圈的材料也进行了更替，使伺服阀耐高压、耐此外对密封圈的材料也进行了更替，使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。腐蚀的性能得到提高。 7.5 电液伺服阀的发展趋势电液伺服阀的发展趋势14 4）在测试方法改进方面，随着计算机技术的高速发展生产单位均采用计算机技术对伺服阀的静、动态性能进行测试与计算。p某些单位还对如何提高测量精度，降低测量仪器本身的振某些单位还对如何提高测量精度，降低测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频干扰对测量结果的影响，作了深动、热噪声和外

11、界的高频干扰对测量结果的影响，作了深入的研究。入的研究。p如采用测频如采用测频/测周法、寻优信号测试法、小波消噪法、正弦测周法、寻优信号测试法、小波消噪法、正弦输入法及数字滤波等新技术对伺服阀测试设备及方法进行输入法及数字滤波等新技术对伺服阀测试设备及方法进行了研制和改进。了研制和改进。 7.5 电液伺服阀的发展趋势电液伺服阀的发展趋势15168.1 8.1 液压伺服控制系统的基本原理液压伺服控制系统的基本原理8.2 8.2 液压伺服控制系统的分类液压伺服控制系统的分类8.3 8.3 液压伺服控制系统的优缺点液压伺服控制系统的优缺点8.4 8.4 液压伺服控制系统的发展和应用概况液压伺服控制系

12、统的发展和应用概况17 目的任务目的任务: : 1、了解液压伺服控制系统的原理及组成、了解液压伺服控制系统的原理及组成 2、了解液压伺服控制系统的特点、了解液压伺服控制系统的特点 3、了解液压伺服控制系统的分类、了解液压伺服控制系统的分类 重点难点重点难点: : 液压伺服控制系统的原理液压伺服控制系统的原理188.1 液压伺服控制系统的概述液压伺服控制系统的概述v 液压伺服控制是以液压伺服控制是以液压伺服阀液压伺服阀为核心的高精为核心的高精度控制系统。度控制系统。v 液压伺服控制系统液压伺服控制系统是一种通过改变输入信号，是一种通过改变输入信号，连续、成比例连续、成比例的控制的控制流量流量和和

13、压力压力进行液压控进行液压控制的系统。制的系统。v 电液伺服系统通过电液伺服系统通过电气传动方式电气传动方式，将电气信，将电气信号输入系统，来操纵有关的液压控制元件动号输入系统，来操纵有关的液压控制元件动作，控制液压执行元件使其跟随输入信号动作，控制液压执行元件使其跟随输入信号动作。作。198.1 液压伺服控制系统的概述液压伺服控制系统的概述v 液压伺服系统（液压伺服系统（Hydraulic Servo System）是）是一种自动控制系统，是由反馈控制技术、电子技术一种自动控制系统，是由反馈控制技术、电子技术与液压技术相互结合而产生的。与液压技术相互结合而产生的。v 执行元件的运动跟随控制元

14、件（或输入信号）运动执行元件的运动跟随控制元件（或输入信号）运动的改变而变化，所以又称为随动系统，也称为跟踪的改变而变化，所以又称为随动系统，也称为跟踪系统，其输出能自动、快速而准确的复现输入量的系统，其输出能自动、快速而准确的复现输入量的变化规律。变化规律。v 液压伺服系统具有重量轻，体积小、反应快、系统液压伺服系统具有重量轻，体积小、反应快、系统刚度大和伺服精度高等优点，因而在机械、船舶、刚度大和伺服精度高等优点，因而在机械、船舶、航空、冶金和化工部门中得到广泛的应用。航空、冶金和化工部门中得到广泛的应用。208.2 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理v 指令信号与从传感

15、器检测的反馈信号经过比指令信号与从传感器检测的反馈信号经过比较放大后，输入电液伺服阀，经过阀的转换较放大后，输入电液伺服阀，经过阀的转换放大后输出液压能，液压能推动液压缸活塞放大后输出液压能，液压能推动液压缸活塞移动，活塞移动的位置总是按照指令信号给移动，活塞移动的位置总是按照指令信号给定的规律变化。定的规律变化。218.2 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理v当控制阀芯处于中间位置，阀没有流量流出，液压缸不动，系统的当控制阀芯处于中间位置，阀没有流量流出，液压缸不动，系统的输出量，系统处于静止平衡状态。输出量，系统处于静止平衡状态。v如果给控制滑阀一个输入位移，阀芯将向右运

16、动而偏离其中间位置，如果给控制滑阀一个输入位移，阀芯将向右运动而偏离其中间位置，则节流窗口则节流窗口a、b便有一个相应的开口量，液压油经过便有一个相应的开口量，液压油经过a口进入液压口进入液压缸右腔，左腔的液压油经缸右腔，左腔的液压油经b口回油，缸体向右移动。因为滑阀与缸口回油，缸体向右移动。因为滑阀与缸体是一个整体，则阀的开口减小，直到阀的输出流量为零，阀体停体是一个整体，则阀的开口减小，直到阀的输出流量为零，阀体停止运动，处于一个新的平衡位置，完成液压缸输出位移对滑阀输入止运动，处于一个新的平衡位置，完成液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。位移的跟随运动。22238.3 液压伺服控制系

17、统的特点液压伺服控制系统的特点v 反馈系统反馈系统：把输出量的一部分或者全部按照一定方式：把输出量的一部分或者全部按照一定方式送回输入端，并和输入信号比较。送回输入端，并和输入信号比较。v 靠偏差工作靠偏差工作：要使执行元件输出一定的位移，滑阀必：要使执行元件输出一定的位移，滑阀必须具有一定的开口量，因此输出与输入之间必须有偏须具有一定的开口量，因此输出与输入之间必须有偏差信号，执行元件的运动又试图消除这个偏差。但是差信号，执行元件的运动又试图消除这个偏差。但是在伺服系统中任何时间都不能完全消除这个偏差，伺在伺服系统中任何时间都不能完全消除这个偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。服系

18、统正是依靠这一偏差信号进行工作的。v 放大系统放大系统：执行元件输出的位移远远大于输入信号的：执行元件输出的位移远远大于输入信号的位移，其输出的能量是由液压能源供给的。位移，其输出的能量是由液压能源供给的。v 跟踪系统跟踪系统：执行元件的输出量跟踪输入信号的变化。：执行元件的输出量跟踪输入信号的变化。248.4 液压伺服控制系统的组成液压伺服控制系统的组成v输入元件输入元件 通过输入元件，给出必要的控制信号；通过输入元件，给出必要的控制信号；v检测反馈元件检测反馈元件 检测被控制量，产生系统的反馈信号，通常为各检测被控制量，产生系统的反馈信号，通常为各种传感器。种传感器。v比较元件比较元件 将

19、输入信号与反馈信号进行比较并将其差值作为放将输入信号与反馈信号进行比较并将其差值作为放大变换元件的输入信号。有些系统没有单独的比较元件，而是由大变换元件的输入信号。有些系统没有单独的比较元件，而是由反馈元件、输入元件或放大变换元件的一部分来实现其比较功能。反馈元件、输入元件或放大变换元件的一部分来实现其比较功能。v放大元件放大元件 将偏差信号放大并转换后，控制执行元件，如伺服放将偏差信号放大并转换后，控制执行元件，如伺服放大器，液压控制阀，电液伺服阀等。大器，液压控制阀，电液伺服阀等。v执行元件执行元件 直接带动控制对象动作的元件或机构，通常为液压缸直接带动控制对象动作的元件或机构，通常为液压

20、缸 或液压马达。或液压马达。v控制对象控制对象 机器直接工作的部分，如设备的工作台、刀架等。机器直接工作的部分，如设备的工作台、刀架等。258.4 液压伺服控制系统的类型液压伺服控制系统的类型v 按控制信号的类别和回路的组成分为：按控制信号的类别和回路的组成分为：机液伺机液伺服控制系统、电液伺服控制系统和气液伺服控服控制系统、电液伺服控制系统和气液伺服控制系统制系统等。等。v 按控制元件的不同分为：按控制元件的不同分为：滑阀式、射流管式、滑阀式、射流管式、喷嘴挡板式、转阀式喷嘴挡板式、转阀式等。等。v 按控制方式不同分为：按控制方式不同分为：阀控式和泵控式阀控式和泵控式系统。系统。v 按所控制

21、的物理量分为：按所控制的物理量分为：位置伺服控制系统、位置伺服控制系统、速度伺服系统和力控制系统速度伺服系统和力控制系统。268.4 液压伺服控制系统的优缺点液压伺服控制系统的优缺点v 优点：优点：系统刚度大、控制精度高、行进速度快、系统刚度大、控制精度高、行进速度快、自动化程度高等优点。因而可以组成体积小、自动化程度高等优点。因而可以组成体积小、重量轻、加速能力强、快速动作和控制精度高重量轻、加速能力强、快速动作和控制精度高的伺服系统，来控制大功率和大负载的系统。的伺服系统，来控制大功率和大负载的系统。v 缺点：缺点：液压伺服系统对油液的污染比较敏感，液压伺服系统对油液的污染比较敏感，因此可

22、靠性受到影响；在小功率系统中，液压因此可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活；伺服元件加工精伺服控制不如电器控制灵活；伺服元件加工精度高，因此价格较贵。度高，因此价格较贵。2728 液压工作台位置控制系统液压工作台位置控制系统传感器1被控对象比较元件执行元件放大元件指令元件29控制系统组成：被控对象指令元件比较元件反馈传感器动力元件（阀、缸）UiEUP指令指令Xi液压动力元件液压动力元件放大元件30电动工作台位置控制系统电动工作台位置控制系统传感器1被控对象比较元件执行元件放大元件指令元件31电动力元件电动力元件UiEUP指令指令Xi电机电机控制系统组成：被控对象指令元件

23、比较元件反馈传感器动力元件（可控硅、电机）将液压动力元件（伺将液压动力元件（伺服阀、缸）换成电动服阀、缸）换成电动力元件（可控硅与电力元件（可控硅与电动机）动机）32液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 基本结基本结构形式构形式33LcvqLpKxKqLqvcLqK xK p111121()ppipepedxV dpqACppC pdtdt122Lqqq一、基本方程：一、基本方程：(一一) 滑阀的流量方程滑阀的流量方程定义负载流量：定义负载流量：(二二) 液压缸流量连续性方程液压缸流量连续性方程进油腔流量：进油腔流量：液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系

24、统建模：四通阀控制液压缸 34222121()ppipepedxV dpqACppC pdtdt101ppVVA x202ppVVA x12121212120102()()22122pepLpipppeedxCqqqACppppdtA xdpdpdpdpVVdtdtdtdt回油腔流量：回油腔流量：液压缸工作腔的容积：液压缸工作腔的容积：综合以上各式得液压缸流量连续性方程：综合以上各式得液压缸流量连续性方程：液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 35根据：V01 = V02 = V0 = Vt /2同时：4ptLLptpLedxVdpqAC pdtdt22pppL

25、tppLd xdxA pmBKxFdtdt1200ppdpdpA xVdtdt，则液压缸流量连续性方程简化为：则液压缸流量连续性方程简化为：(三三) 液压缸和负载的力平衡方程：液压缸和负载的力平衡方程：液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 36LqvcLQK XK P4tLpptpLLeVQA sXC PsP2pLtppppLA Pm s XB sXKXF二、方框图与传递函数：二、方框图与传递函数：根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得：根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得：根据阀控液压缸的拉氏变换方程式绘出系统方框图。根据阀控液压缸的拉氏变换方程式绘出系统方

26、框图。37由方框图求得液压缸输出位移传递函数：232222222141444qcetvLppecepptpcetttcetceeppeppeppKKVXs FAAKXB VB KmVm KKVKKsssAAAAAA 式中，分子的第一项是液压缸活塞的空载速度。第二项是外负载力作式中，分子的第一项是液压缸活塞的空载速度。第二项是外负载力作用引起的速度降低。其分母特征多项式各项意义如下：用引起的速度降低。其分母特征多项式各项意义如下：第一项：第一项： 是惯性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；是惯性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第二项：第二项： 是惯性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度；是惯

27、性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度；324ttpepmVs XA22tceppm Ks XA液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 38第三项：第三项： 是粘性力变化引起的压缩流量产生是粘性力变化引起的压缩流量产生 的活塞速度；的活塞速度；第四项是活塞运动速度；第四项是活塞运动速度；第五项：第五项： 是粘性力引起的泄漏流量所产生的活是粘性力引起的泄漏流量所产生的活 塞速度；塞速度；第六项：第六项： 是弹性力变化引起的压缩流量所产生是弹性力变化引起的压缩流量所产生 的活塞速度；的活塞速度；第七项：第七项： 是弹性力引起的泄漏流量所产生的活是弹性力引起的泄漏流量所产生

28、的活 塞速度。塞速度。224ptpepB Vs XA2pceppB KsXA24tpepKVsXA2ceppKKXA液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 39三、传递函数简化（一）、无弹性负载：2222214144qcetvLppeceppttttceeppepKKVXs FAAKXB VmVm KsssAAA简化为：2221421qcetvLppecephhhKKVXs FAAKXsss液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 40液压固有频率：液压阻尼比：24ephttAmV4pceetthptpetBKmVAVAm忽略Bp后近似

29、为：ceethptKmAV22hcthpK mA液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 41对指令输入Xv的传递函数：对指令输入FL的传递函数：2221qppvhhhKXAXsss2221421cetppeceLhhhKVsXAKFsss液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 42（二）、有弹性负载：简化为：23222222141444qcetvLppeceppttttcetceeppepeppKKVXs FAAKXB VmVm KKVKKsssAAAAA22221421qcetvLppecephcehhhpKKVXs FAAKXsK

30、K KssKA液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 43综合固有频率：综合阻尼比：忽略Bp后近似为：ceethptKmAV22hcthpK mA1ohhKK1421peceoothtBKVK Km液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 44标准传递函数形式：或进一步简化为：22114211psptvLeceporooK AVXs FKKKXsss22221421qcetvLppecepcehphhKKVXs FAAKXK KsssA液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 45(三) 其它简化形式：2111qqpppvcetpKKXAAXsK msssA211qpqppcevcerhpKA KXAK KsXKK KsKAqppvKXAXs液压控制系统建模：四通阀控制液压缸液压控制系统建模：四通阀控制液压缸 46四、频率响应分析（一）、无弹性负载系统频率分析：v (1)速度放大系数 由于传递函数中包含一个积分环节、所以在稳态