《液压控制系统》-第１章　绪论

第１章绪论１.１液压控制系统的基本原理及特点１.２液压控制系统的组成和分类１.３液压控制技术的发展与应用１.４液压控制系统的建模与仿真返回１.１液压控制系统的基本原理及特点１.１.１液压控制系统与液压传动系统液压控制系统与液压传动系统均以油液为介质,属于液压系统范畴,但是二者在工作任务、控制原理、控制元件、控制功能和性能要求等诸多方面存在差异,二者工作特点的比较如表１.１所示.１.１.２工作原理液压控制系统,也称为液压伺服系统或液压随动系统,是采用液压元件作为控制和执行元件,用液压油作为能量传递工作介质的一种反馈控制系统.在液压控制系统中,液压执行元件的运动即系统输出(包括位移、速度、加速度和力等),通过反馈元件传递给控制器,根据误差大小调节控制元件的输入信号,使系统输出能够自动、快速和精确地跟踪系统输入指令.下一页返回１.１液压控制系统的基本原理及特点图１.１所示为某液压位置控制系统的原理,液压源为滑阀提供一定压力和流量的液压油,滑阀是液压放大元件,将电机械转换器的小功率机械信号转换为大功率液压信号,控制液压缸运动,位移传感器将液压缸活塞位移量反馈给控制器,构成了反馈控制.下面以此为例进一步说明液压控制系统的控制原理.根据上述原理分析,液压控制系统一般具有以下特征:(１)以液压为能源,具有功率放大和能量转换的作用;(２)液压控制系统是一个负反馈控制系统,根据误差信号进行控制;(３)液压控制系统是一个自动跟踪系统,即随动系统或伺服系统.上一页下一页返回１.１液压控制系统的基本原理及特点１.１.３液压控制系统的优缺点与其他控制系统(电动控制系统、气动控制系统)相比,液压控制系统具有以下显著优势.(１)单位功率的质量轻,力矩质量比大.由于液压元件功率质量比大,故可以组成结构紧凑、体积小、质量轻、惯量小的控制系统,对于中、大功率的控制系统,这一优点尤为突出.(２)负载刚度大,控制精度高.由于液压控制系统所用的介质———液压油体积弹性模量大,压缩性和泄漏量很小,故液压动力元件的速度刚度大,组成的闭环控制系统刚度也大,控制精度高,定位准确,不易受外界扰动.上一页下一页返回１.１液压控制系统的基本原理及特点(３)快速性好,动态特性优异.液压弹簧刚度大,它与惯性负载构成的液压系统的固有频率高,使液压控制系统频带宽、响应快,非常适用于对动态特性要求较高的控制场合.(４)易于实现直线运动.以阀控缸为动力元件的液压控制系统很容易实现负载的直线运动,运动机构简单,传动效率高.此外,液压控制系统还具有液压系统的通用优点,例如,系统润滑性能好,利于散热和延长使用寿命;利用蓄能器易于实现能量存储及压力消振.上一页下一页返回１.１液压控制系统的基本原理及特点但是,液压控制系统还存在以下缺点,从而限制了它在一些特殊场合的应用.(１)对工作介质的清洁度要求高.液压控制元件的抗污染能力差,污染的油液会使阀磨损加剧并降低其性能,甚至被堵塞而不能工作,这是液压控制系统发生故障的主要原因.(２)工作稳定性易受温度影响.液体黏度受温度影响大,其变化直接影响系统阻尼,因此液压控制系统的性能对温度比较敏感,不宜在过高温度或过低温度下工作.(３)制造精度高,经济性差.液压控制元件的加工制造精度要求较高,这就直接提高了系统成本,使得构建液压控制系统的投入较大.(４)能源供给不方便.液压能源不像电能可以长距离输送,而需要配备专用的液压能源装置,这进一步提高了系统的制造成本,并引入了较大噪声.上一页返回１.２液压控制系统的组成和分类１.２.１液压控制系统的组成液压控制系统的组成如图１.２所示,它通常由指令装置、控制器、液压源、电机械转换器、放大元件、执行元件、反馈传感器及负载组成.下面简单介绍各组成元件的作用.(１)指令装置:通过总线、网络或模拟量传输指令控制信号,常用的指令装置有数字计算机、电位计.(２)控制器:将指令信号和反馈信号按照一定的控制算法进行计算,输出电控信号,PID为最常用的控制算法.控制器按照类型分为数字控制器和模拟控制器.(３)液压源:为放大元件提供具有一定压力和流量的液压油.(４)电机械转换器:将控制器产生的电控信号转变为机械能,驱动放大元件工作.下一页返回１.２液压控制系统的组成和分类(５)放大元件:将小功率机械能转换为大功率液压能,控制输出的压力和流量,驱动执行元件运动.(６)执行元件:直接驱动负载运动,如液压缸驱动负载线性运动,液压马达驱动负载旋转运动.(７)反馈传感器:检测负载的被控制量,如位移、速度、加速度和力等,为控制器输出反馈信号.(８)负载:被控对象,它是与液压执行机构运动部件连接并一起运动的机构或装置.上一页下一页返回１.２液压控制系统的组成和分类１.２.２液压控制系统的分类液压控制系统种类繁杂,可按照不同的分类标准进行划分.１)按能量转换的形式分类(１)机械液压控制系统,即机液控制系统.(２)电气液压控制系统,即电液控制系统.(３)气动液压控制系统,即气液控制系统.(４)机、电、气、液混合控制系统.上一页下一页返回１.２液压控制系统的组成和分类２)按控制元件的类型分类(１)阀控系统,即节流式控制系统,利用节流原理控制执行元件的运动状态.它具有动态特性好、控制精度高等优点,但是效率较低,系统温升快.(２)泵控系统,即容积式控制系统,通过改变液压泵排量或转速来控制执行元件的运动状态.它一般无节流损失,具有节能高效的优势,但是动态特性差、控制精度低.上一页下一页返回１.２液压控制系统的组成和分类３)按被控物理量分类(１)位置(或转角)控制系统.(２)速度(或转速)控制系统.(３)加速度(或角加速度)控制系统.(４)力(或力矩)控制系统.(５)其他控制系统(如温度、压力控制系统等).４)按输入信号的变化规律分类(１)伺服控制系统,也称为随动系统,输入信号是时变函数,要求系统输出能以一定的控制精度跟随输入信号变化.(２)定值控制系统,输入函数是不随时间变化的常数,要求其在外部干扰作用下,能以一定的控制精度将系统输出稳定在期望值上.上一页返回１.３液压控制技术的发展与应用１.３.１液压控制技术的发展液压控制技术融合了液压技术和控制技术,它不仅是早已成熟的液压传动技术的新发展,而且在自动控制领域占有重要地位.１７世纪中叶,帕斯卡(Pascal)提出了著名的液体静压传动定律,奠定了液压技术的理论基础.技术进步的需求是液压控制理论发展的推动力,而军事刺激使液压控制技术得到迅猛发展,它首先应用在大功率、高精度和快响应的武器装备上,然后转入民用,在国民经济的各个领域得到了广泛发展与应用.下一页返回１.３液压控制技术的发展与应用机液控制系统是出现较早的液压控制方式,它作为操舵装置,早在第一次世界大战前就已应用于舰艇和飞机中.１９４０年,在战机上首次出现了电液伺服系统,使用伺服电动机作为电机械转换器.２０世纪５０年代初出现了快速响应的永磁力矩马达,它与滑阀结合后形成了电液伺服阀;２０世纪５０年代末又出现了以喷嘴挡板为先导级的电液伺服阀,进一步提高了控制性能;其后,各种新型结构的电液伺服阀相继问世,且性能日益优越.电液控制技术已经逐渐在液压控制领域占据主导地位.上一页下一页返回１.３液压控制技术的发展与应用为了与最新技术的发展保持同步,液压控制技术必须不断发展和创新.目前,电液控制技术与现代微电子、计算机、传感器和控制理论相结合,形成了电液伺服控制技术、电液比例控制技术和电液数字控制技术,这构成了现代液压控制技术的主干体系,并且将继续朝着高压化、集成化、轻量化、数字化、智能化、节能降耗和绿色环保的方向持续发展.１.３.２液压控制技术的应用液压控制技术已经成为现代机械设备和装置中的基本技术构成、现代控制工程的基本技术要素、工业及国防自动化的重要手段,应用液压控制技术的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志.上一页下一页返回１.３液压控制技术的发展与应用在国防军事领域,导弹发射车的调平与起竖系统、装甲武器的稳定与操纵系统、自走式武器的驱动与转向系统、战斗机的舵面控制系统、航母舰载机的弹射与拦阻系统等都广泛应用了液压控制技术,如图１.３所示.在民用工业领域,工程机械、医疗器械、运动模拟器、数控机床、仿生机器人、钢铁冶金等行业均大量采用了液压控制系统,以实现大功率、高精度和快响应的控制过程,如图１.４所示.上一页返回１.４液压控制系统的建模与仿真１.４.１液压控制系统的建模液压控制系统的分析与研究不仅需要定性地了解系统的工作原理与特性,还需要定量地描绘系统的动态性能,即建立系统数学模型.液压控制系统中的各个变量随时间而变化,其数学模型不仅包括变量本身,还包含这些变量的各阶导数.因此,微分方程是描绘液压控制系统动态性能数学模型的基本形式.液压控制系统建模的方法有分析法和实验法.分析法,即解析法,是根据系统工作机理,从物理规律出发建立数学模型;实验法,即黑箱法,是对系统加入一定规律的输入信号,根据系统的输出响应建立数学模型.本书从工程应用出发,忽略次要因素,在模型准确性和简化性上折中,采用分析法建立液压控制元件及系统的数学模型.下一页返回１.４液压控制系统的建模与仿真常用的数学模型有时域模型、复数域模型和频域模型.时域模型包括微分方程、差分方程和状态方程,是在时间域内对控制系统进行描绘;复数域模型包括传递函数和结构图,不仅表征系统的动态特性,而且可以研究系统结构或参数变化对系统性能的影响;频域模型主要描绘系统的频率特性,具有明确的物理意义,可以用实验方法确定.本书采用经典的传递函数描绘液压控制系统的数学模型,其建模可按以下步骤进行.(１)确定系统的输入输出关系.(２)按信号传递顺序或工作机理,将系统划分为若干模块,确定各模块的输入输出关系.(３)根据物理学定律,建立各模块的原始方程,并进行线性化.(４)对线性化方程进行拉普拉斯变换,消除中间变量,得到系统的传递函数.上一页下一页返回１.４液压控制系统的建模与仿真１.４.２液压控制系统的仿真液压仿真技术作为液压控制系统设计阶段的必要手段,从诞生至今,已经有４０多年的历史.美国俄克拉荷马州立大学在１９７３年,首先研制出直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件Hydsim.随着流体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展,特别是计算机技术的突飞猛进,液压仿真技术也逐渐成熟,日益成为液压系统设计人员的有力工具.液压控制系统在AMESim.中仿真,要经历创建草图、更改元件和连接子模型、设置子模型参数、运行仿真４个步骤,每个步骤分别在AMESim.的Sketchmode.(草图模式)、Submodelmode.(子模型模式)、Parametermode.(参数模式)和Simulationmode.(仿真模式)这４种工作模式下执行.上一页下一页返回１.４液压控制系统的建模与仿真(１)草图模式.在草图模式下,可以创建一个新系统、修改或完成一个已经存在的系统及增加或删除液压元件的子模型.其中,子模型即元件的数学模型.在草图模式下建立的液压挖掘机模型如图１.５所示.(２)子模型模式.搭建完成系统后,可以进入子