液压伺服与比例控制系统 课件 4机液控制系统建模与分析

电液伺服与比例控制系统机液伺服系统由液压放大元件和液压执行元件所组成的液压动力元件，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。举例之一简易仿形刀架示意图图1简易仿形刀架系统举例之一简易仿形刀架示意图图1简易仿形刀架系统举例之二液压转矩放大器1-滑阀图2液压转矩放大器结构原理图2-螺杆3-反馈螺母4-液压马达举例之二液压转矩放大器1-滑阀图2液压转矩放大器结构原理图2-螺杆3-反馈螺母4-液压马达机液伺服系统结构简单、工作可靠、使用维护比较容易。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。由机械反馈装置(如杠杆、齿轮、螺母—螺杆和凸轮等)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。机液位置伺服系统组成及方块图机液位置伺服系统稳定性分析结构柔度对稳定性影响一、机液位置伺服系统组成及方块图后期剪辑：章节版，AE包装机液位置伺服系统组成及方块图一图3机液位置伺服系统示意图机液位置伺服系统组成及方块图一图3机液位置伺服系统示意图机液位置伺服系统组成及方块图一指令baXi位移ab位移手动机液位置伺服系统组成及方块图一机液位置伺服系统组成及方块图一指令液压动力元件扰动液压缸控制对象XPXV伺服阀液压油源杠杆比较Xi比较元件要求1与指令元件相连2与被控对象相连

3与放大元件相连机液位置伺服系统组成及方块图一系统基本方程：机液位置伺服系统组成及方块图一无刚度负载时，动力元件输出位移Xp：机液位置伺服系统组成及方块图一系统方块图为：电液伺服与比例控制系统张伟教授机液伺服系统二、机液位置伺服系统稳定性分析后期剪辑：章节版，AE包装机液位置伺服系统稳定性分析二Ⅰ型系统：稳定性好；开环传递函数：开环放大系数：Ⅱ型系统：稳定性差；Ⅲ型系统：稳定性难于稳定。机液位置伺服系统稳定性分析二其特征方程为机液伺服系统的稳定性判据和稳定裕量机液位置伺服系统稳定性分析二Routh表如下……….特征方程判断系统稳定性机液位置伺服系统稳定性分析二伯德图判断系统稳定性机液位置伺服系统稳定性分析二开环传递函数中：低频段曲线斜率是-20dec分贝；高频时由于加二阶振荡环节，曲线曲线斜率是-60dec分贝；在低频穿越频率时，相位裕量γ＝180°+φ（wc）当频率升高到液压固有频率，幅频曲线出现谐振位置，此时对应相角是-180°机液位置伺服系统稳定性分析二

为液压固有频率，幅值为，由于阻尼比小，在出现谐振峰值，其幅值为机液位置伺服系统稳定性分析二根据波德图给出稳定性条件：机液位置伺服系统稳定性分析二通常液压伺服系统是欠阻尼的，由于阻尼比小限制了系统的稳定性，所以通常通过提高阻尼比对改善系统稳定性能。机液伺服控制系统通常通过调整开环放大系数实现系统稳定性的调整，调整开环放大系数最直接的方法是调整阀的流量增益。穿越频率近似等于开环放大系数。实际上穿越频率稍大于开环放大系数，而系统的频宽又稍大于穿越频率。所以开环放大系数愈大，系统的响应速度愈快，系统的控制精度也越高。但同时还要受到稳定性限制。机液位置伺服系统稳定性分析二一般取这时位置伺服系统的稳定条件是为了防止系统中元件参数变化的影响，应保证稳定性有一定的储备，称为稳定裕度。它又分幅值裕度和相位裕度。机液位置伺服系统稳定性分析二幅值裕度:相位裕度:

一般，相位角40o～60o，幅值裕量要大于6dB，即可保证系统稳定工作。机液位置伺服系统稳定性分析二机液伺服控制系统稳定性讨论影响机液伺服系统稳定性的主要因素：系统开环增益1降低系统开环增益，可增加系统的幅值储备和相角储备，从而提高系统的相对稳定性。这是提高相对稳定性的最简便方法。机液位置伺服系统稳定性分析二积分环节2

由系统的相对稳定性要求可知，Ⅰ型系统（1个积分环节）的稳定性好，Ⅱ型系统稳定性较差，Ⅲ型以上系统就难于稳定了。机液位置伺服系统稳定性分析二系统固有频率和阻尼比3在开环增益确定的条件下，系统固有频率越高、阻尼比越大，则系统稳定性储备便可能越大，系统的相对稳定性会越好。机液位置伺服系统稳定性分析二延时环节和非最小相位环节4延时环节和非最小相位环节会给系统带来相位滞后，从而减小相角储备降低稳定性，因而应尽量避免延时环节或使其延时时间尽量最小，尽量避免非最小相位环节出现。电液伺服与比例控制系统张伟教授机液伺服系统三、结构柔度对系统稳定性的影响后期剪辑：章节版，AE包装结构柔度对系统稳定性的影响三基本方程与传递函数1图4液压缸与负载系统简化模型阀的流量方程：流量连续性方程：结构柔度对系统稳定性的影响三图5缸体、活塞、负载的受力图结构柔度对系统稳定性的影响三液压缸活塞受力平衡方程：负载力平衡方程：缸体力平衡方程：结构柔度对系统稳定性的影响三大惯量伺服系统中，忽略活塞质量mp、液压缸质量mc、活塞阻尼Bc、液压缸阻尼Bp简化后得综合推得结构柔度对系统稳定性的影响三大惯量伺服系统中，忽略活塞质量mp、液压缸质量mc、活塞阻尼Bc、液压缸阻尼Bp联立整理得结构柔度对系统稳定性的影响三分析：结构刚度与负载质量构成一个结构谐振系统。而结构谐振与液压谐振相互耦合，形成一个液压—机械综合谐振系统。综合刚度Kn是液压弹簧刚度和结构刚度Ks1，Ks2串联刚度。所以综合谐振频率要比液压固有频率和结构谐振频率都低，降低了系统的频率。结构柔度对系统稳定性的影响三负载位移XL对阀芯位移Xv的传递函数为：结构柔度对系统稳定性的影响三负载位移XL对活塞位移Xp的传递函数为：结构柔度对系统稳定性的影响三活塞位移Xp对阀芯位移Xv的传递函数为：结构柔度对系统稳定性的影响三考虑结构柔度的系统稳定性2（1）全闭环系统的稳定性假定反馈从负载端取出构成全闭环系统，开环系统的伯德图如右所示，此时系统的稳定条件为系统的稳定性和频宽受综合谐振频率和综合阻尼比所限制。结构柔度对系统稳定性的影响三对于大惯量系统，可以认为结构谐振频率是综合谐振频率，结构谐振频率是限制系统频宽的主要因素。对于惯性较小、结构刚度较大的伺服系统，可以认为液压固有频率就是综合谐振频率。其稳定性有液压固有频率和液压阻尼比决定。结构柔度对系统稳定性的影响三（2）半闭环系统的稳定性如果反馈从活塞输出端引出构成半闭环系统，其方块图如下图所示。此时系统开环传递函数含有二阶微分环节，当谐振频率与综合谐振频率靠的很近时，反谐振二阶微分环节对综合谐振有一个对消作用，使综合谐振峰值减小，从而改善了系统的稳定性。结构柔度对系统稳定性的影响三图6半闭环系统方框图Xp结构柔度对系统稳定性的影响三系统闭环传递函数为：结构柔度对系统稳定性的影响三半闭环系统的伯德图结构柔度对系统稳定性的影响三闭环、半闭环系统的伯德图对比结构柔度对系统稳定性的影响三系统稳定条件为：总结：半闭环系统的稳定性比全闭环系统的稳定性好得多。但半闭环系统的精度一般来说精度要比全闭环系统低。结构柔度对系统稳定性的影响三（2）提高综合谐振频率和综合阻尼比的方法综合谐振频率和综合阻尼比常常成为影响系统稳定性和限制系统频宽的主要因素，因此提高和具有重要意义。结构柔度对系统稳定性的影响三①提高综合谐振频率ωh的途径提高结构谐振频率ωs。提高结构刚度，减小负载质量（或惯量），可以提高结构谐振频率。在带有传动机构的负载系统中，要特别注意提高靠近负载处的结构刚度。结构柔度对系统稳定性的影响三①提高综合谐振频率ωh的途径

增大执行元件到负载的传动比。传动比增大使折算到执行元件输出端的等效负载质量（或等效负载惯量）减小，提高了液压固有频率，从而提高了综合谐振频率。负载刚度不变时，也可通过提高液压弹簧刚度的办法来提高液压固有频率。结构柔度对系统稳定性的影响三②提高综合阻尼比ζh

的途径综合阻尼比主要由阀提供