液压伺服控制系统伺服控制1章.ppt

1、1,液压伺服控制系统的工作原理及组成 液压伺服控制的分类 液压伺服控制的优缺点 液压伺服控制的发展和应用,本章主要内容为 ：,第一章 绪论,2,结束 The End,3,流体传动及控制学科 机械-电子-液压一体化的综合学科,有压流体的流动实现了功率的传送及传递。 借助计算机及其它电子元件, 流体控制元 件和 动力元件实现了对动力的传送、传递和高精度 的控制。,流体传动及控制学科定义,4,密闭容器,主动柱塞,从动柱塞,流体介质,负载 F2,面积 A2,面积 A1,压力 p,主动力 F1,5,密闭容器,主动柱塞,从动柱塞,流体介质,负载 F2,面积 A2,面积 A1,压力 p,主动力 F1,v1,

2、v2,Q,6,学习本门课的目的,熟悉、理解并掌握液压控制元件的基本特性 熟悉、理解并掌握液压系统设计的基本方法和步骤。 具备从事液压系统设计工作的基本能力和进一步学习的基础。,7,课程内容,液压放大元件 液压动力元件 机液伺服系统 电液伺服阀 电液伺服系统及设计,8,考核方式,作业（20%） 期末考试（闭卷考试80分） 其它规定按学校文件执行,9,1.1 液压伺服控制系统的工作原理及组成,一、液压伺服控制系统的工作原理,二、液压伺服控制系统的组成,10,1)采用电压比较的液压工作台位置控制系统,11,控制框图,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、

3、缸）,12,2)采用电压比较的电动工作台位置控制系统,13,电动力元件,控制框图,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）,14,3)采用力比较的液压工作台位置控制系统,F1=Xi*K1,F2=Xp*K2,15,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,16,4)采用直接位置比较的液压工作台位置

4、控制系统,Xi=X芯,Xp=X套,17,控制框图,采用阀芯阀套直较方式,液压缸,Xv,-,位置比较,Ka,工作台,X芯,X套,伺服阀,18,ps,p0,p,1,p,2,A,q,q,阀芯,输入,x,输出 y,力矩 马达,c,PLC,位移传感器,A-D/D-A 转换,工作台,恒压力油源,放大电路,负载,测量杆,计算机,液压控制部分,电子部分,5) 计算机控制电液位置控制系统,19,计算机控制电液位置控制系统原理框图,20,XP,Xi,升力,阻力,6) 飞机舵机机液控制系统,pS,飞机舵机,指令位移,舵机位移,XP,XV,21,-,杠杆比较,XP,XV,X1,X2,22,23,放大元件,7) 电液仿

5、形控制系统,24,液压缸 及负载,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、调节器构成； 开环控制部分由放大元件（电液伺服阀）、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 。,放大器,被控制 对象,传感2 （物理量转换）,y1,E,U2,-,y2,电液仿形控制系统原理框图,扰 动,比较,指令 元件,其余部分为负反馈装置,电液 伺服阀,液压能源,（伺放）,传 感1,U1,I,25,二、液压伺服控制系统的组成,输入元件 反馈测量元件 比较元件 放大转换元件 执行元件 控制对象 校正装置 液压能源

6、装置,26,1.2 液压伺服控制的分类,一、按输入信号分类： 1 定值控制系统：其本任务是抗干扰性 2 程序控制系统：按给定规律变化 3 伺服控制系统：随动（稳定、准确、快速）,二、按被控物理量分类： 1 位置控制系统； 2 速度控制系统； 3 力控制系统：驱动力控制系统、负载力控制系统 4 加速度控制系统 5 压力控制系统,27,三、按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类： 1)节流式（阀控式）控制系统 阀控液压缸系统、阀控液压马达系统 恒压伺服系统、恒流伺服系统（结构简单、价廉、效率 高但阀的线性度差，用于系统性能要求不高的场合） 优点：响应速度快、控制精度高、结构简单 缺点：效

7、率低 2)容积式（变量泵控制或变量马达控制）控制系统 伺服变量泵系统、伺服变量马达系统 优点：效率高 缺点：响应速度较慢、结构复杂，操纵变量机构需要单 独的能源,28,四、按控策略分类： 一般控制系统、串级控制系统、自适应控制系统等。 五、按信号传递介质的形式分类： 1)机械-液压 控制系统 优点：结构简单、工作可靠、维护简便 缺点：校正、增益调整不方便，摩擦间隙 应用：响应和精度要求不是很高的位置控制系统 2)电气-液压控制系统 优点：综合电气与液压的优点：对信号的测量、校正、放大比较方便，且响应速度快，抗负载刚度大 3)气动-液压控制系统。 偏差信号的检测和初始放大均采用气动元件完成 优点

8、：气动测量灵敏度高、工作可靠、可在恶劣的环境中工作、结构简单 缺点：需要气源等附属设备 此外还有模拟控制系统、数字控制系统之分 。,29,一、液压伺服控制的优点,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。,30,设有一充满流体的密闭容腔, 其内流体容积 V =1L, 其内压力p =10MPa, 设将其内的能量在时间间隔 t = 0.1Sec内释放出来我们可计算出此间的平均功率N为:,1)适应于功率大的场合,31,2)适应于要求刚度大、响应快的场合,设有一液柱如图 所示，其液柱刚度 K 和液柱

9、的固有频率可由下两式计算：,通常, 液体的体积模量E=2.1109Pa, 当A= 3.8510-3m2，V=3.8510-4m3，M=20kg时, 液柱刚度 K 和液柱固有频率分别为,试将此频率与交流电的频率比一比 !,32,3)液压伺服系统抗负载的刚度大,1）液压刚度高，允许较大的开环放大系数，故高精度，高响应。 2）油液的可压缩性很小，泄露也很小，故速度刚度大，组成闭环时位置刚度也大。可采用开环控制 电动机的位置刚度接近于零，只能采用闭环控制。 气动系统由于气体可压缩性的影响，其刚度只有液压系统1/400。,33,4)适应于要求自动化程度高, 要求控制精度高的场合,流体传动及控制由于其控制

10、部分直接采用电控件，易于电控及计算机控制、可柔性大；由于系统刚度高，又可引入闭环控制元件，易于达到高精度的控制。 在大型设备、自动化程度高的设备，一方面要求功率大，另一方面要求精度高，由于现代化要求生产速度快、生产程序灵活，因此，机-电-液一体化系统变成为了首选。 在军工设备方面上也是如此。,可实现无人化工作， 控制精度可达0.1m以上,34,5)其它优点,润滑性好，寿命长 调速范围宽，低速稳定性好 能量存储较方便（蓄能器） 过载保护容易 易冷却,35,二、液压伺服控制的缺点,1) 元件制造精度高, 通常机械精度为微米级, 故对颗粒杂质的过滤要求高, 这一点今天在技术上已不存在任何困难，但系统

11、造价高； 2) 综合学科多, 因而技术含量高, 维护困难； 3) 易污染环境； 4) 易因堵塞造成故障； 5) 系统性能受油温变化的影响（油液的体积弹性模量）； 6) 液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。,36,1.4 液压伺服控制的发展和应用,流体传动及控制现以广泛应用于各个行业，如：军工、航空航天、机械加工、冶金、矿山、建筑、交通、医疗甚至服装加工等等。,军工：自动火炮系统（高低位机）,交通：汽车伺服转向、飞机舵机,冶金：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,航空航天：飞行模拟器、环境模拟设备,37,液压伺服控制系统的工作原理及组成 液压伺服控制的分类 液

12、压伺服控制的优缺点 液压伺服控制的发展和应用,本章主要内容为 ：,第一章 绪论,38,结束 The End,39,流体传动及控制学科 机械-电子-液压一体化的综合学科,有压流体的流动实现了功率的传送及传递。 借助计算机及其它电子元件, 流体控制元 件和 动力元件实现了对动力的传送、传递和高精度 的控制。,流体传动及控制学科定义,40,密闭容器,主动柱塞,从动柱塞,流体介质,负载 F2,面积 A2,面积 A1,压力 p,主动力 F1,41,密闭容器,主动柱塞,从动柱塞,流体介质,负载 F2,面积 A2,面积 A1,压力 p,主动力 F1,v1,v2,Q,42,学习本门课的目的,熟悉、理解并掌握液

13、压控制元件的基本特性 熟悉、理解并掌握液压系统设计的基本方法和步骤。 具备从事液压系统设计工作的基本能力和进一步学习的基础。,43,课程内容,液压放大元件 液压动力元件 机液伺服系统 电液伺服阀 电液伺服系统及设计,44,考核方式,作业（20%） 期末考试（闭卷考试80分） 其它规定按学校文件执行,45,1.1 液压伺服控制系统的工作原理及组成,一、液压伺服控制系统的工作原理,二、液压伺服控制系统的组成,46,1)采用电压比较的液压工作台位置控制系统,47,控制框图,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）,48,2)采用电压比较的电动工作台位置

14、控制系统,49,电动力元件,控制框图,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）,50,3)采用力比较的液压工作台位置控制系统,F1=Xi*K1,F2=Xp*K2,51,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,52,4)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,53,控制

15、框图,采用阀芯阀套直较方式,液压缸,Xv,-,位置比较,Ka,工作台,X芯,X套,伺服阀,54,ps,p0,p,1,p,2,A,q,q,阀芯,输入,x,输出 y,力矩 马达,c,PLC,位移传感器,A-D/D-A 转换,工作台,恒压力油源,放大电路,负载,测量杆,计算机,液压控制部分,电子部分,5) 计算机控制电液位置控制系统,55,计算机控制电液位置控制系统原理框图,56,XP,Xi,升力,阻力,6) 飞机舵机机液控制系统,pS,飞机舵机,指令位移,舵机位移,XP,XV,57,-,杠杆比较,XP,XV,X1,X2,58,59,放大元件,7) 电液仿形控制系统,60,液压缸 及负载,闭环控制系

16、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、调节器构成； 开环控制部分由放大元件（电液伺服阀）、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 。,放大器,被控制 对象,传感2 （物理量转换）,y1,E,U2,-,y2,电液仿形控制系统原理框图,扰 动,比较,指令 元件,其余部分为负反馈装置,电液 伺服阀,液压能源,（伺放）,传 感1,U1,I,61,二、液压伺服控制系统的组成,输入元件 反馈测量元件 比较元件 放大转换元件 执行元件 控制对象 校正装置 液压能源装置,62,1.2 液压伺服控制的分类,一、

17、按输入信号分类： 1 定值控制系统：其本任务是抗干扰性 2 程序控制系统：按给定规律变化 3 伺服控制系统：随动（稳定、准确、快速）,二、按被控物理量分类： 1 位置控制系统； 2 速度控制系统； 3 力控制系统：驱动力控制系统、负载力控制系统 4 加速度控制系统 5 压力控制系统,63,三、按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类： 1)节流式（阀控式）控制系统 阀控液压缸系统、阀控液压马达系统 恒压伺服系统、恒流伺服系统（结构简单、价廉、效率 高但阀的线性度差，用于系统性能要求不高的场合） 优点：响应速度快、控制精度高、结构简单 缺点：效率低 2)容积式（变量泵控制或变量马达控制）

18、控制系统 伺服变量泵系统、伺服变量马达系统 优点：效率高 缺点：响应速度较慢、结构复杂，操纵变量机构需要单 独的能源,64,四、按控策略分类： 一般控制系统、串级控制系统、自适应控制系统等。 五、按信号传递介质的形式分类： 1)机械-液压 控制系统 优点：结构简单、工作可靠、维护简便 缺点：校正、增益调整不方便，摩擦间隙 应用：响应和精度要求不是很高的位置控制系统 2)电气-液压控制系统 优点：综合电气与液压的优点：对信号的测量、校正、放大比较方便，且响应速度快，抗负载刚度大 3)气动-液压控制系统。 偏差信号的检测和初始放大均采用气动元件完成 优点：气动测量灵敏度高、工作可靠、可在恶劣的环境

19、中工作、结构简单 缺点：需要气源等附属设备 此外还有模拟控制系统、数字控制系统之分 。,65,一、液压伺服控制的优点,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。,66,设有一充满流体的密闭容腔, 其内流体容积 V =1L, 其内压力p =10MPa, 设将其内的能量在时间间隔 t = 0.1Sec内释放出来我们可计算出此间的平均功率N为:,1)适应于功率大的场合,67,2)适应于要求刚度大、响应快的场合,设有一液柱如图 所示，其液柱刚度 K 和液柱的固有频率可由下两式计算：,通常, 液体的体积模量E=2.1109Pa, 当A= 3.8510-3m2，V=3.8510-4m3，M=20kg时, 液柱刚度 K 和液柱固有频率分别为,试将此频率与交流电的频率比一比 !,68,3)液压伺服系统抗负载的刚度大,1）液压刚度高，允许较大的开环放大系数，故高精度，高响应。 2）油液的可压缩性很小，泄露也很小，故速度刚度大，组成闭环时位置刚度也大。可采用开环控制 电动机的位置刚度接近于