液压控制系统的分析与设计PowerPoint-7

1、.,1,第七章 液压伺服系统设计,工程上常用频率法设计液压伺服系统，这是一种试探法。根据技术要求设计出系统以后，需要检查所设计的系统是否满足全部性能指标。如不能满足，可通过调整参数或改变系统结构(加校正)等方法，重复设计过程，直至满足要求为止。因为设计是试探性的，所以设计方法具有较大的灵活性。,.,2,7-1 液压伺服系统的设计步骤,系统的设计步骤大致如下： 明确设计要求。 拟定控制方案，画出系统原理图。 静态计算：确定动力元件参数，选择系统组成元件。 动态计算：确定系统组成元件的动态特性，画出系统方块图，计算系统稳定性、响应特性和静态精度。 校验系统动、静态品质，需要时对系统进行校正。 选择

2、液压能源。 在设计过程中，以上各步骤实际上是交叉和反复进行的，直至获得满意结果为止。,.,3,一、明确设计要求,在设计时，首先要根据主机要求明确设计任务，包括： 明确被控制的物理量是什么，是位置、速度、力还是其它物理量。控制规律是恒值控制还是随动控制。 明确负载特性，即负载的类型、大小和负载的运动规律。确定负载最大位移、最大速度、最大加速度、最大消耗功率及控制范围等。 控制精度的要求：由指令信号、负载力引起的稳态误差；由参数变化和元件零漂引起的静差；非线性因素(执行元件和负载的摩擦力，放大器和伺服阀的滞环、死区，传动机构的间隙等)引起的误差等。,.,4,动态品质的要求：相对稳定性可用相位裕量和

3、增益裕量、谐振峰值或超调量等来规定。响应的快速性可用穿越频率、频宽、上升时间和调整时间等来规定。 明确工作环境，如环境温度、周围介质、环境湿度、外界冲击与振动、噪声干扰等。 其它要求，如尺寸重量、可靠性、寿命及成本等。,.,5,二、拟定控制方案，画出系统原理图,伺服系统的控制方案主要是根据被控物理量类型、控制功率的大小、执行元件运动方式、各种静、动态性能指标值以及环境条件和价格等因素考虑决定的。在确定控制方案时应考虑: 采用开环控制还是闭环控制 要求结构简单、造价低、控制精度不需很高的场合宜采用开环控制。反之，对外界干扰敏感、控制精度要求高的场合宜采用闭环。 采用阀控还是泵控 凡是要求响应快、

4、精度高、结构简单，而不计较效率低、发热量大、参数变化范围大的小功率系统可采用阀控方式。反之，追求效率高、发热量小、温升有严格限制、参数量值比较稳定，而容许结构复杂些、价格高些、响应低些的大功率系统可采用泵控方式。,.,6,执行元件采用液压缸还是液压马达 在选择执行元件时，除了运动形式以外，还需考虑行程和负载。例如，直线位移式伺服系统在行程短、出力大时宜采用液压缸，行程长、出力小时宜采用液压马达。 采用机液伺服还是电液伺服。 控制方案决定以后，就可以构成控制系统职能方块图，从原理上满足系统设计的要求。在构成职能方块图时，还要考虑输入信号发送器和反馈传感器的形式。因为输入信号和反馈信号的形式不同，

5、系统电子部分的方块结构也不同。,.,7,三、确定液压动力元件参数，选择系统元件,液压动力元件参数的选择是系统静态设计的一个主要内容。动力元件参数选择包括系统的供油压力ps，液压执行元件的主要规格尺寸，即液压缸的有效面积Ap或液压马达的排量Dm，伺服阀的最大空载流量Q0m。当选择液压马达作执行元件时，还应包括齿轮传动比i的选择。,.,8,选择较高的供油压力，可以减小液压动力元件、液压能源装置和连接管道等部件的重量和尺寸，可以减小压缩性容积和减小油液中所含空气对体积弹性模量的影响，有利于提高液压固有频率。但执行元件主要规格尺寸(活塞面积和液压马达排量)减小，又不利于液压固有频率提高。 选择较低的供

6、油压力，可以降低成本，可以减小泄漏、减小能量损失和温升，可以延长使用寿命，易于维护，噪声较低。在条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。 在一般工业的伺服系统中，供油压力可在2.514MPa的范围内选取，在军用伺服系统中可在2132MPa的范围内选取。,(一)供油压力的选择,.,9,1.按负载匹配确定 有关内容在第三章第五节中已经叙述。这里有负载匹配的图解法和负载最佳匹配的解析法两种。按负载匹配确定执行元件的主要规格尺寸和伺服阀空载流量，系统效率较高，适合于较大功率的伺服系统。 2.按最大负载力和最大负载速度确定 工程上常用近似计算的方法确定执行元件的主要规格尺寸和伺服阀空载流量。 按最大负载

7、力FLmax确定执行元件的规格尺寸，并限定伺服阀的负载压力PL2ps /3，则液压缸的有效面积为,(二)液压执行元件主要规格尺寸和伺服阀空载流量的确定,.,10,对系统的典型工作循环加以分析，可以确定最大负载力FLmax。但作工作循环图是比较麻烦的，有时难以确定。作为近似计算，可以认为各类负载力同时存在，且为最大值。 伺服阀空载流量可按最大负载速度确定，并认为最大负载速度和最大负载力是同时出现的。则伺服阀空载流量为,这种近似的计算方法偏于保守，计算出的活塞面积和伺服阀空载流量偏大，系统功率储备大。 另一种方法是按最大负载力确定液压缸活塞面积，然后按负载最大功率点的速度或最大负载速度确定伺服阀的

8、空载流量，根据两者中的较大值选择伺服阀。,.,11,3按液压固有频率确定执行元件的主要规格尺寸 在负载很小并要求有较高的频率响应时，可按液压固有频率确定执行元件的规格尺寸。液压缸活塞面积为,液压固有频率可按系统要求频宽的510倍来确定。按液压固有频率确定的执行元件规格尺寸一般偏大，系统功率储备大。 选择阀控液压马达的参数时，只要将上述计算公式中 换成 就可以得相应的计算公式。,.,12,伺服阀最大的压力-流量曲线应包围所有的负载工况点，并使PL2ps /3(对位置或速度控制)。伺服阀的额定流量应留有一定余量，通常取该余量为负载所需流量的15%左右，在快速性高的系统中可取到30%。根据选定的供油

9、压力ps和计算出的伺服阀空载流量q0m，可从伺服阀样本中选出合适的伺服阀。 除了流量规格之外，在选择伺服阀时还应考虑以下因素： 1)流量增益的线性要好，压力灵敏度较大，但对力控制系统要求压力灵敏度较低为好；,(三)伺服阀的选择,.,13,2)不灵敏度、温度和压力零漂尽量小，泄漏较小； 3)伺服阀的频宽应满足系统要求，频宽过低将限制系统的响应特性，过高将损坏系统的抗干扰能力。伺服阀的频宽应高出液压固有频率的35倍。 4)其它，如对污染的敏感性、是否加颤振信号、可靠性、价格等。,.,14,1.直接驱动 采用液压马达直接驱动，能获得较大的负载加速度，负载加速特性好；不存在齿轮传动间隙的非线性；避免了

10、传动机构柔度的影响，可以提高连接刚度；但要求液压马达的低速性能好，适用于控制系统的低速液压马达难以得到。 2.齿轮传动 选择齿轮传动比应考虑： 1)首先必须满足负载速度的要求，即,(四)齿轮传动比的选择,.,15,最高转速和最低转速所要求的传动比可能是不一样的，两者之间必须满足 式中，i是可取的传动比。,.,16,2)为获得满意的液压固有频率，齿轮传动比应足够大。提高齿轮减速比可以减小负载惯量的影响，提高液压固有频率。在极端的情况下，液压固有频率将由液压马达和第一级齿轮的惯量所决定。 3)应使负载加速度尽量大，提高负载加速能力。负载轴上的力矩平衡方程为,式中，Tm-液压马达产生的力矩； Jm-

11、液压马达和第一级齿轮的转动惯量； JL-末级齿轮和负载的转动惯量； -负载的加速度。,.,17,负载加速度为,将上式对i求导令其等于零，求得最佳传动比为,此时，负载最大加速度为,采用齿轮减速，高速液压马达容易得到;价格便宜，同时改善了系统低速平稳性，但存在齿隙非线性。,.,18,反馈传感器或偏差检测器、交流误差放大器、解调器、直流功率放大器等元件可从资料、产品样本中选取。 在选择这些元件时，要考虑系统在增益和精度上的要求。根据系统总误差的分配情况，看它们的精度(如零漂、不灵敏度等)是否满足要求。反馈传感器或偏差检测器的选择特别重要，检测器的精度应高于系统所要求的精度。反馈传感器或偏差检测器的精

12、度、线性度、测量范围、测量速度等要满足要求。交流误差放大器、解调器、直流功率放大器的增益应满足系统要求，而且希望增益有一个调节范围。在增益分配允许的情况下，应使交流放大器保持较高的增益，这样可以减小直流放大器漂移引起的误差。,(五)其它元件的选择,.,19,四、动态计算,1)确定各组成元件的动态特性(传递函数、频率特性)，画出系统方块图，求出传递函数，画出开环伯德图。伺服阀和一些元件的传递函数可从样本中查到。通常，传感器、放大器的动态特性可以忽略，将其看成比例环节。 2)由稳定性确定开环放大系数和放大器增益。 3)由开环伯德图通过尼柯尔斯图画出闭环伯德图，确定系统的频宽等闭环参数。 4)根据求

13、出的开环增益计算系统稳态误差和静态误差。,.,20,五、检验系统静、动态品质，需要时对系统进行校正,检验系统的静、动态性能指标是否满足设计要求，如不满足要求，就需对系统进行校正，或者重新选择动力元件参数，直至重新选择控制方案。,.,21,7-2 液压伺服系统设计举例,以下将举例介绍电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力控制系统的设计方法。,.,22,一、电液位置伺服系统设计举例,设计一数控机床工作台位置伺服系统，设计要求和给定参数如下： 工作台质量 mt = 1000 kg； 工作台最大摩擦力 Ff = 2000 N； 最大切削力 Fc = 500 N； 工作台最大行程 Smax = 0.

14、5 m； 工作台最大速度 vmax = 810-2 m/s； 工作台最大加速度 amax = 1 m/s2； 静态位置误差(位置分辨率) ef 0.05 mm； 速度误差 er 1 mm； 频带宽度 f-3dB 10 Hz。,.,23,由于系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。系统方块原理图如图7-1所示。,(一)组成控制系统原理图,.,24,1.绘制负载轨迹图,(二)由静态计算确定动力元件参数，选择位移传感器和伺服放大器,.,25,.,26,.,27,2.选取供油压力 3.求液压马达排量 4.确定伺服阀规格 5.选择位移传感器增益,.,28,.,29,1.确定各元

15、件的传递函数，画出系统方块图,(三)计算系统的动态特性,.,30,.,31,2.绘制系统开环伯德图并根据稳定性确定开环增益 开环增益： 放大增益：,.,32,.,33,3.求闭环系统的频宽 由图76所示的开环伯德图，通过尼柯尔斯图可以求得系统的闭环伯德图，如图77所示。由该图可得到闭环系统的频率为,.,34,.,35,对于干扰来说，系统是零型的。启动和切削既不处在同一动作阶段，静摩擦干扰就不必考虑。伺服放大器的温度零漂（ )、伺服阀零漂和滞环（ ) 、执行元件的不灵敏区（ ) 。假定上述干扰之和为 ，由此引起的位置误差为,(四)计算系统的稳态误差,.,36,二、电液速度控制系统设计举例,设计一

16、速度控制系统，设计要求和给定参数如下： 负载转动惯量 JL = 0.03 kgm2； 最大负载力矩 TLmax = 12 Nm； 转速范围 m = 501000 r/m； 转速误差 ev = m 5 r/min； 幅频宽 f-3dB 20 Hz； 幅频正峰值 6 dB。,.,37,由于控制功率较小，所以采用阀控液压马达系统，系统工作原理方块图如图78所示。,(一)拟定系统原理图,.,38,1.确定系统供油压力 2.求液压马达排量 3.确定伺服阀规格 伺服阀流量 伺服阀降压为 4.选择速度传感器和积分放大器,(二) 确定动力元件及其它组成元件参数,.,39,1.伺服阀的传递函数 伺服阀流量增益为

17、,(三)确定各环节的传递函数,伺服阀传递函数为,.,40,2.液压马达-负载的传递函数,.,41,3.其它环节的传递函数 速度传感器的传递函数为,积分放大器传递函数为,.,42,假定此例为恒速调节系统，则误差主要来自干扰和速度传感器。该系统对输入和干扰都是I系统，所以对恒定干扰力矩和伺服阀零漂是无差的。 设传感器误差为0.1%，由此引起的转速误差为 设计要求转速误差为5r/min误差外，还有4r/min的误差是负载力矩变化引起的。设加载时间为1s,则加载速度为 等速负载力矩变化引起的转速误差为,(四)根据系统精度要求确定开环增益,.,43,由此得满足误差的开环增益为,转速误差 与 成正比，因此

18、最大误差发生在 为最大的工作点。因为 ，所以,开环增益为,取 。则放大增益,.,44,根据系统工作原理方块图图78和所确定的传递函数可画出系统方块图，见图79。,(五)绘制系统开环伯德图，检查系统稳定性,.,45,系统开环传递函数为：,.,46,.,47,采用图615所示RC滞后校正网络将中频段降低10dB，则幅值裕量变成6dB，相位裕量 ，穿越频率 ，由 ，得 ，取 利用尼柯尔斯可画出校正后的系统闭环伯德图，见图711。该图表明，幅频宽，谐振峰，虽然较设计要求高一些，但因在设计中选取了最小阻尼比，实际阻尼比较此值为大，所以可以满足要求。,(六)确定校正装置参数,.,48,.,49,三、电液力

19、控制系统设计举例,设计一结构物的疲劳试验机，设计要求和给定参数如下： 结构物刚度 结构物质量 技术要求： 最大加载力 频宽,时，最大跟踪误差,.,50,系统方块原理图如图712所示，系统中采用积分放大器是为了满足跟踪力函数 的要求。,(一)拟定系统原理图,.,51,取 ，则动力机构的力方程为 解出上式，并令初始条件 ，则得速度函数,(二)绘制负载轨迹图,.,52,.,53,为了作图方便，使纵座标比例尺与速度平方成正比，这样动力元件输出特性曲线变成直线。对于定量泵加溢流阀形式的能源，为了使系统耗功最小，在供油压力 选定后，则应使液压泵输出流量最小。如选择泵流量等于伺服阀最大空载流量（忽略溢流阀溢

20、流量），那么就要求伺服阀最大空载流量最小。在图713中，作一直线与负载轨迹上的A、B点同时相切，该直线所对应的系统耗功最小。由图得到 计算，取标准液压缸,(三)根据负载匹配确定动力元件参数,.,54,同样，由图713得到动力元件能给出的最大空载速度为1.114m/s，考虑系统的泄漏等，将伺服阀流量增大30，则伺服阀最大空载流量为 选取最大空载流量为 的伺服阀。取伺服阀的流量压力系数为 因为 比较大，所以需选正开口伺服阀。,.,55,1.液压缸传递函数 忽略液压缸泄漏，则 ，取 将已知参数带入式（655）可得液压缸传递函数 或,(四)确定系统元件的传递函数和系统方块图,.,56,2.伺服阀传递函

21、数 伺服阀的频率特性由样本查得，见图715。根据频率特性可求出传递函数，但采用频率法分析，可直接利用伺服阀的频率特性绘制系统的开环伯德图，而不必估计伺服阀的传递函数。假定伺服阀的额定电流为30mA，则伺服阀的流量增益为,.,57,3.力传感器和放大器传递函数 选取力传感器增益KfF=2102 V/N,放大增益Ka待定。,.,58,根据系统方块图可以画出系统开环伯德图，见图715。由图可见，当相位等于 时，对数幅频均小于零，因此系统是稳定的。当相位裕度 时，系统开环增益为200l/s.其对应的闭环伯德图如图716所示，幅频宽为230rad/s，满足设计要求。,(五)绘制系统开环伯德图，计算稳定性

22、和确定开环增益,.,59,.,60,.,61,（六）计算系统的跟踪误差,这是个I型伺服系统，跟踪斜坡输入的稳态误差为,满足系统设计要求。,.,62,7-3 液压能源的选择,一、对液压能源的要求 液压伺服系统对液压能源的要求比较严格；通常要求选用独立的液压能源。液压能源除了满足系统的压力、流量要求外，还应满足以下要求： (1)保证油液的清洁度 据统计，液压伺服系统的故障80%是由于油液污染造成的。通常液压伺服系统要求有lOm的过滤器，对要求比较高的系统，则应有5m的过滤器。 (2)防止空气混入 空气混入将造成系统工作不稳定并使快速性降低。因此油液中空气含量不能超过规定值，一般油中的空气含量不应超

23、过2%3%。工程上可采用加压油箱(1.5lO5Pa)来避免空气混入。,.,63,(3)保持油温恒定 温度过高，使液压元件寿命降低；油温变化大，使伺服阀的零漂加大，影响系统的性能。一般油温控制在3545之间。 (4)保持油源压力稳定，减小油源压力波动 一般在液压伺服系统的液压能源中，都设有皮囊式蓄能器吸收油源的压力脉动，提高响应能力。 (3)保持油温恒定 温度过高，使液压元件寿命降低；油温变化大，使伺服阀的零漂加大，影响系统的性能。一般油温控制在3545之间。 (4)保持油源压力稳定，减小油源压力波动 一般在液压伺服系统的液压能源中，都设有皮囊式蓄能器吸收油源的压力脉动，提高响应能力。,.,64

24、,二、液压能源的形式,液压伺服系统通常采用恒压式液压能源，以满足伺服阀输入恒值压力的要求。常用的恒压油源有以下三种形式。 (一)定量泵-溢流阀恒压能源 这种液压能源的系统原理图如图7-17所示。液压泵的输出压力由溢流阀调定并保持恒定。液压泵输出压力与负载流量之间的动态关系取决于溢流阀的动态特性。,.,65,这种能源的优点是：结构简单、反应迅速、压力波动小。 这种能源的缺点是：效率低、油的温升大。 在这种系统中，液压泵的流量是按负载所需的峰值流量选择的。当负载流量较小时，多余的流量 从溢流阀溢出。特别是当系统处于平衡位置时，即负载流量为零时，液压泵的输出流量全部经溢流阀流走。所以这种恒压能源只适用于小功率液压伺服系统。如果系统所要求的峰值流量持续时间短，又允许供油压力有些波动，则可以在液压泵的出口接一蓄能器，用以贮存足够的油量来满足短时峰值流量的要求。这时可选流量较小的液压泵，从而降低功率损失和温升。蓄能器还可以减小压力脉动和冲击。,.,66,(二)定量泵-蓄能器-卸荷阀恒压能源,.,67,供油压力变动范围由压力继电器和电磁溢流阀控制。当系统压力达到一定值时，压力继电器发出信号，电磁溢流阀使液压泵卸荷，系统压力由蓄能器保持。当系统压力降到某一值时，压力继电器发出反向信号，电磁溢流阀处于加载状态，液压泵又向系统供油，同时向蓄能器充油。 为了保证液压泵能有一定的卸荷时间，供油