液压控制系统试卷

1、 共 4 第 1 页 南京工程学院试卷(A) 2010 /2011 学年 第 1 学期 课程所属部门：机械工程学院 课程名称： 液压控制系统 考 试 方 式： 闭卷 使用班级： 流体 071 命题人： 夏庆章 教研室主任审核： 主管领导批准： 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 得分 一、基本概念题（本题共 5 题,每小题 4 分,共计 20 分 ） 1、液压动力元件。 2、机液伺服系统中的比较元件的构成要求。 3、图示说明滑阀三种开口形式。 4、瞬态液动力、图示说明正阻尼长度。 5、压力伺服阀与压力流量伺服阀区别。 二、简答题： （本题共 3 小题,每小题 5 分,共计 15

2、 分） 1、如何提高液压固有频率？ 2、滞后校正的主要作用是什么？ 3、液压伺服系统是由哪几部分元件构成的？ 本题 得分 本题 得分 班级 学号 姓名 南京工程学院试卷 共 4 页 第 2 页 三、推导题： （本题共 2 小题，合计 15+10=25 分） 1、试推导滑阀静态特性方程。 （15 分） 2、已知阀控缸动力机构如图，假定：活塞处于中位，忽略缸体质量，液压缸内外泄漏和粘 性摩擦影响。写出该动力机构的基本方程。 （10 分） 四、回答下列问题：(本题共 2 小题，共 15 分) 本题 得分 1、阀的三个系数对液压伺服系统的性能有何影响？（10 分） 2、哪些因素影响系统的稳态误差?（5

3、 分） 本题 得分 南京工程学院试卷 共 4 页 第 3 页 五、分析计算题 (本题共 2 小题，共 25 分) 本题 得分 1、阀控液压缸系统，液压缸面积 24 10150mAP ，活塞行程 mL6 . 0 ，阀至液压缸的连接管 路长度 ml1 ，管路截面积 24 1077. 1ma ，负载质量 kgmt2000 ，阀的流量压力系数 smKc/102 . 5 312 ，计算时，取 Pae 8 107 ， 3 /870mkg 。求：1）画出阀控液压缸原理 图； 2） 写出液压固有频率 h 和液压阻尼比 h 公式； 3)计算液压固有频率 h 和液压阻尼比 h 。 （本题合计 2+2+6=10 分

4、） 2、如下图所示的机液位置伺服系统，供油压力 PaPs 5 1020 ，滑阀面积梯度 mW 2 102 ， 液压缸面积 24 1020mAP ，液压固有频率 srad h /320 ，阻尼比 2 . 0 h 。求增益裕量为 dB6 时反馈杠杆比 2 1 l l Kf 为多少?计算时，取流量系数 62. 0 d C ，油液密度 3 /870mkg 。要求必 须写出开境传递函数。 （15 分） 机液位置伺服系统图 共 4 第 1 页 南京工程学院 试题评分标准及其参考答案(A) 2010 /2011 学年 第 1 学期 课程所属部门：机械工程学院 课程名称： 液压控制系统 使 用 班 级： 流体

5、 071 制作人： 夏庆章 2010/12/28 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 得分 一、基本概念题（本题共 5 小题,每小题 4 分,共计 20 分 ） 1、或称液压动力机构，是由液压放大元件（液压控制元件）和液压执行元件组成。 （4 分） 2、在机液伺服控制系统中的比较元件（例如舵机系统）要求：1）与指令元件相连（手）2） 与被控对象相连（舵机） 3）与放大元件相连（阀芯） 。 （4 分） 3、 （4 分） 4、这种由于阀芯运动引起的液流加速或者减速，从而产生的液流对阀芯的作用力称为瞬态 液动力。正阻尼长度如图示（4 分） 5、压力伺服阀的滑阀两端没有对中平衡弹弹簧，

6、输出压力与输入电流成比例；压力流量伺 服阀滑阀两端有对中平衡弹弹簧，输出压力经过反馈通道引入滑阀两端平衡腔，形成负载 压力负反馈，这就是上述两种伺服阀的区别。 （4 分） 二、简答题： （本题共 3 小题，合计为 5+5+5=15 分） 从液压固有频率表达式，可知提高液压固有频率的方法有 1）增大液压缸活塞面积 Ap；2）减 小总压缩容积 Vt；3）减小折算到活塞上的总质量mt；提高油液的有效体积弹性模量e。 （5 分） 2 4 ep h t t A mV 2、滞后校正的主要作用是：通过提高低频段增益，减小系统稳态误差，或者在保证系统稳 态精度的条件下，通过降低系统高频段的增益，以保证系统稳定

7、性。 （5 分） 班级 学号 姓名 南京工程学院试卷 共 4 页 第 2 页 3、 液压伺服系统由输入元件、 反馈测量元件(传感器)、 比较元件、 放大转换元件(电液伺服阀)、 执行元件(液压缸与液压马达)、控制对象（负载）以及其它（各种校正装置，以及不包含在控 制回路内的液压能源装置）构成。 （5 分） 三、推导题： （本题共 2 小题，共 15+10=25 分） 1、滑阀静态特性方程推导如下。 （15 分） 假设有一个四通滑阀，其中的液流通道可用等效液压桥表示。当阀芯处于中间位置时，由于四 个节流窗口都是关闭，故无流量压力输出。当阀芯有一正向位移时（Xv0） ，则油液将由油源 经节流窗口

8、1 通往负载，而由负载流回的油液经节流窗口 3 通回油管路。在稳态工况下有：设 供油压力 ps，供油流量为 qs，负载流量为 qL，通往液压缸两边压力各为 p1、p2，回油压力为 0。 液压桥路：pL= p1-p2, qL=q1-q4=q3-q2, qs=q1+q2=q3+q4。由节流口公式可得：q1=Cd1A1（2/ （ps-p1） ），q2=Cd2A2（2/（ps-p2） ），q3=Cd3A3（2/p2）， Q4=Cd4A4（2/p1）。假设节流窗口匹配而且对称有：A1=A3， A2=A4，A1（xv）= A2（-xv） ， A3（xv）= A4（-xv） ，Cd1=Cd2=Cd3=Cd4

9、=Cd。（两个图 3 分，文字说明与假设条件 2 分，下列 5 个 表达式前 3 个各 1 分，后两个 7 分，合计 15 分） /)(/)( /)(/)( 2/)( 2/)( 12 12 21 2 1 LSdLSds LSdLSdL s Ls LS PPACppACq PPACppACq ppp ppp ppp 1 1 3 3 2 2 4 4 p pS S q q L L q q3 3 q q1 1 p p0 0 p p1 1 p p2 2 (b)液压桥 1 1 3 3 2 2 4 4 p pS S q q L L q q3 3 q q1 1 p p0 0 p p1 1 p p2 2 (b)

10、液压桥 2、1）滑阀的流量方程 假设阀是零开口四边滑阀，四个节流窗口是匹配对称，供油压力 ps恒定，回油压力为零。 LqvcL qK xK p （2 分） 2）液压缸流量连续方程： 4 p tL LptpL e dx Vdp qAC p dtdt （3 分） 3）液压缸和负载的力平衡方程： 2 2 pp pLtppL d xdx A pmBKxF dtdt （3 分） （图 2 分） 南京工程学院试卷 共 4 页 第 3 页 四、回答下列问题：(本题共 2 小题，共 15 分) 1、阀的三个系数 Kq、Kc 和 Kp 表征阀稳态特性的三个性能参数，Kq 阀流量增益直接影响系统的 的开环增益因而

11、对系统的稳定性、响应特性和稳态误差有直接影响；Kc 阀流量-压力系数直接影 响阀控制马达及阀控制液压缸的阻尼比和速度刚性；Kp 阀压力增益通常很大，表明液压动力元 件起动大惯量或大摩擦负载的能力。 （10 分） 2、系统的稳态误差除了指令输入信号、负载干扰信号引起外，控制系统本身的某些因素，如死 区、零漂等也会引起位置误差。 （5 分） 五、分析计算题 (本题共 2 小题，共 25 分) 1、(本题共 10 分) Vt=LAp+la=0.009354m，mt=2000+2 Vt=4219.6kg（2 分） 由系统液压固有频率公式有 2 4 ep h tt A mV h=(47150/4219.

12、60.009354) =126.3（3 分） 液压阻尼比 ceet h pt Km AV h=Kc/Ap（7000000002007.83/0.0045）=0.00612（3 分） 阀控液压缸系统原理如图（2 分） 。 2、(本题共 15 分) Xv=(L2+L1)/L2*Xi-L1/L2*Xp；(1 分) Ki=（L1+L2）/L2；(1 分) Kf=L1/L2(1 分) 开环传递函数：Xp/Xv=KqKf/Ap/S(S/h+Sh/h+1)=Kv/S/h+Sh/h+1)(4 分) Kv=Kf/Ap 由增益裕量为 dB6 南京工程学院试卷 共 4 页 第 4 页 有-20LgKv/2hh=6(

13、1 分) Kv=hh=0.2320=64(1 分) (2 分) (2 分) (1 分) (1 分) - 共 页 第 1 页 南京工程学院试卷(B) 2010 /2011 学年 第 1 学期 课程所属部门：机械工程学院 课程名称： 液压控制系统 考 试 方 式： 闭卷 使用班级： 流体 071 命题人： 夏庆章 教研室主任审核： 主管领导批准： 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 得分 一、基本概念题（本题共 4 小题,每小题 5 分,共计 20 分 ） 1、液压控制系统与液压传动系统的区别 液压控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统（闭环控制系统） ，实现被控制

14、量按输入信号的给定 规律变化的控制目的。而液压传动系统对被控制量不进行检测，没有反馈作用，当控制结果与希望值不一致时无修正能 力，是开环控制系统。 2、液压控制阀因何被称为液压放大元件，它把什么放大了？它与液压传动中的一般阀之区 别。 液压控制阀是将输入机械信号（位移或者转角）转换为液压信号（流量、压力）输出，能根据输入信号连续地或按比例 地控制阀口开度，进而控制执行元件的工作。它输出功率大，而输入功率很小，因此它也是一种功率放大装置，所以通 常称为液压放大元件。它把功率放大了。 而液压传动中的一般阀各阀口只有开和关两个工作状态，控制后只能在某一状 态下工作。 3、射流管阀、滑阀和喷嘴挡板阀的

15、工作原理 射流管阀是根据压力能与速度能转换原理工作的，滑阀、喷嘴挡板阀是根据节流原理工作的 4、负载匹配、最佳匹配。 5、 本题 得分 本题 得分 班级 学号 姓名 南京工程学院试卷 共 页 第 2 页 二、简答题： （25 分） 1、液压伺服系统中液压阻尼比h影响因素有哪些？低阻尼对液压系统的动态特性有什么 影响？提高液压阻尼比的简单方法有哪几种？（10 分） 影响液压阻尼比h ceet h pt Km AV 因素很多，但除了 Kce 以外其他量已由别的因素确 定，h值主要取决于 Kce，在 Kce 中液压缸总泄漏系数 Ctp 又较阀压力-流量系数 Kc 小得 多，h值主要由 Kc 决定。液

16、压阻尼比h随着工况的改变会发生很大变化。零位区域时 h0.10.2，当速度和负载较大时可使h大于 1，其变化幅度达 2030 倍。为了使得伺 服系统得到满意的瞬态响应特性，总是希望h大些而且恒定。提高液压阻尼比的简单方法 有采用正开口阀，加大阀预开口量，提高零位阀系数 Kco 值，减少 Kc 变化范围，从而使 得h值大，而变化范围小；采用旁路泄漏，在液压缸两个腔之间认为设置辅助泄漏通道， 并且用可变节流阀调节阻尼，加大 Ctc，提高 Kce；增大负载的粘性阻尼，在负载结构上设 置粘性阻尼器，增大 Bp。 2、为什么有些滑阀的阀口开方孔，而又有些开圆孔？为什么这些节流窗口都必须对称分 布？。 （

17、7 分） 滑阀阀口形状决定于系统要求，开圆孔加工方便，但是流量增益是非线性的，零位附件增 益较低，而偏离零位时增益提高，这种特性很不理想。 ，而开方孔的阀，其开口面积与阀位 移成比例，可以获得线性的流量增益。为了避免流量饱和，确保阀口为可控节流口，节流 窗口都必须对称分布，这样既能避免流量饱和又能采用全周开口条件。 3、 5、理想滑阀、实际滑阀。 如果滑阀阀芯与阀套的径向间隙为零，并且所有节流棱边的圆角半径为零，这样的滑阀叫理想滑阀。实际上滑阀的径向 间隙和节流棱边的圆角半径尽管极小，但是都不可能为零，这样的滑阀为实际滑阀。 6、 零开口 2、为什么有些滑阀的阀口开方孔，而又有些开圆孔？为什么

18、这些节流窗口都必 须对称分布？。 （7 分） 3、在确定执行元件的规格尺寸时，对位置和速度控制系统为什么要限定 PL(负载压力) 3 2 PS(供油压力)？在力控制系统中是否受此限制？为什么？（8 分） 本题 得分 南京工程学院试卷 共 页 第 2 页 三、推导题： （本题共 2 小题，共 10+5=15 分） 1、推导理想零开口四边滑阀静态特性。要求： （15 分） （1） 、推导出负载流量表达式，依据负载流量表达式求出滑阀的三个阀系数。 （2） 、推导说明为什么可以用中位泄漏流量曲线来确定阀的零位流量-压力系数 Kc。 2、试推导零开口四边滑阀的最大功率点？（本题 5 分） 四、回答下列问

19、题：(本题共 2 小题，共 15 分) 本题 得分 1、 （10 分） 2、 （5 分） 3、在确定执行元件的规格尺寸时，对位置和速度控制系统为什么要限定 PL(负载压力) 3 2 PS(供油压力)？在力控制系统中是否受此限制？为什么？（8 分） 在舵机舵面控制系统中机械输入量为杠杆上某点位移 Xi，机械反馈量为舵机位移 Xp，偏差 量为阀芯位移 Xv；当输入信号加在杠杆上以后，阀芯立刻移动而有阀开口，负载流量便流 入液压缸而使得活塞立即运动，因为活塞杆与阀芯之间有杠杆连接，所以活塞的运动又反 过来影响阀芯运动，即形成负反馈。 、如何实现机械负反馈量。弹簧刚度定义，如何理解液压弹簧刚度是一种动

20、态刚度。5、 稳态液动力、图示说明负阻尼长度 4、画出不同开口形式滑阀的流量曲线 五、分析计算题问答题(本题共 2 小题，共 25 分) 1、 控制双出杆油缸的零开口四通滑阀， 全周开口， 阀芯直径 d12mm， 供油压力 Ps4MPa， 动力粘度 spa.104 . 1 2 ，径向间隙 mr 6 105 ，流量系数 Cd0.62，油液密度 900kg/m3。 （1）计算阀的三个零位阀系数（其中压力增益 Kp0和压力流量系数 Kc0按经验公 式计算） ； （2）如果负载压力 PL2.6MPa，负载流量 QL16L/min，计算三个阀系数。 （10 分） 2、试判断如下图所示速度控制系统的稳定性

21、，并选定适当的校正方法使本系统正常工作？ （15 分） 0.175 1 600 5 . 02 600 103060 2 2 6 s s - 05. 0 3 测速机升速齿轮 1 388 94. 02 388 1025. 1 2 2 6 s s m - 输入信号 伺服阀 液压马达 工作台 测速机 放大器 共 5 第 1 页 南京工程学院 试题评分标准及其参考答案(B) 2010 /2011 学年 第 1 学期 课程所属部门：机械工程学院 课程名称： 液压控制系统 使 用 班 级： 流体 071 制作人： 夏庆章 2010/12/28 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 得分 一、基

22、本概念题（本题共 5 小题,每小题 4 分,共计 20 分 ） 1、在 V-F 平面上绘出负载轨迹和动力机构输出特性，根据负载轨迹，只要使动力元件的输 出持性曲线能够包围负载轨迹，同时使输出特性曲线与负载轨迹之间的区域尽量小，便认 为液压动力元件与负载相匹配。调整参数，使得被动力机构曲线包围但不被负载轨迹包围 那部分区域的面积减至最小，此为按照负载匹配要求的最佳匹配，此时动力机构最大功率 点恰好与负载消耗的最大功率点重合。 （4 分） 2、例如在舵机舵面控制系统中机械输入量为杠杆上某点位移 Xi，机械反馈量为舵机位移 Xp，偏差量为阀芯位移 Xv；当输入信号加在杠杆上以后，阀芯立刻移动而有阀开

23、口，负载 流量便流入液压缸而使得舵机立即运动，因为活塞杆与阀芯之间有杠杆连接，所以舵机运 动又反过来影响阀芯运动，即形成负反馈。 （4 分） 3、（4 分） 4、稳态液动力是在阀口开度一定的稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力，指向阀口关 闭的方向，大小为： cos)90coscos( 212 QvvvQFs 负阻尼长度如图 b 示（4 分） 班级 学号 姓名 南京工程学院试卷 共 5 页 第 2 页 5、液压控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统（闭环控制系统） ，实现 被控制量按输入信号的给定规律变化的控制目的。而液压传动系统对被控制量不进行检测，没 有反馈作用，当控制结果

24、与希望值不一致时无修正能力，是开环控制系统。 （4 分） 二、简答题： （本题共 3 小题，合计为 5+5+5=15 分） 1、液压缸两个工作腔内充满高压液体并且被完全封闭，由于液体是可压缩性，当活塞受到外 力作用位移，被压缩液体产生复位力与活塞位移成比例，因此被压缩液体的作用相当于一个线 性液压弹簧，其刚度称为液压弹簧刚度。实际上虽然伺服阀与液压缸相连接，但是并不能将液 压缸两个工作腔完全封闭，由于有阀系数 Kc 和泄漏作用，在稳态时液压弹簧并不存在。但是 在动态时，在一定范围内泄漏来不及起作用，液压缸对外力的响应特性中表现出存在这样一个 液压弹簧。所以，对于阀控制液压缸来说，液压弹簧刚度应

25、当理解为“动态弹簧刚度” ，而失 去稳态弹簧刚度。 （5 分） 2、射流管阀是根据压力能与速度能转换原理工作的，滑阀、喷嘴挡板阀是根据节流原理工作 的（5 分） 3、影响液压阻尼比h因素很多，但除了 Kce 以外其他量已由别的因素确定，h值主要取决 于 Kce，在 Kce 中液压缸总泄漏系数 Ctp 又较阀压力-流量系数 Kc 小得多，h值主要由 Kc 决 定 ceet h pt Km AV 。 （5 分） 三、推导题： （本题共 2 小题，共 15+10=25 分） 1、理想零开口四边滑阀静态特性方程推导如下。 （15 分） xv0 时时 xv0 时时 南京工程学院试卷 共 5 页 第 3

26、页 /)( 2/)( 0 LSvdL LS v PPWxCQ PPP x 阀口压差 时 /)(/)( 2/)( 0 LSvdLLSvdL LS v PPWxCQPPWxCQ PPP x 阀口压差 时 零开口四边阀的阀系数 零开口四边阀的阀系数 / )( LSd v L q PPWC x Q K 流量增益 )(2 / )( LS LSvd L L C PP PPWxC P Q K 压力流量系数 v LS v L P x PP x P K )(2 压力增益 0 0 0 0 / P C Sdq K K PWCK 系数理想零开口阀的零位阀 2、1）阀流量方程 2）马达流量方程 LqvcL QK XK

27、P 4 t LmmtmLL e V QDsCPs P 3）马达和负载力矩平衡法方程 2 mLtmmmmL D PJ sB sGT 四、回答下列问题：(本题共 2 小题，共 15 分) 1、由电液速度控制系统方块图以及开环伯德图可见系统稳定裕量为负，是不稳定的，即使将系 统开环增益 Ko 值调到很低，系统相位和福频裕量都趋于负值，使得系统不稳定，即使勉强维持 稳定，系统也谈不上什么精度，所以为了使得系统有稳定裕度，必须加校正环节。实现校正的 最简单办法是在伺服阀前的电子放大器电路中串连一个 RC 滞后网络。其传递函数 Uo/Ui=1/(TcS+1),Tc=RC 为时间常数。加滞后校正对系统稳态性

28、能改善很显著，但是降低系统的 带宽，使得响应速度变慢。采用 RC 滞后网络校正的系统仍然是零型有差系统。为了提高精度可 采用积分放大器校正，使得系统变成型无差系统。 （5 分） 未校正的速度控制系统方块图（1 分） 校正后的速度控制系统方块图（1 分） 南京工程学院试卷 共 5 页 第 4 页 南京工程学院试卷 共 5 页 第 5 页 未校正的速度控制系统开环伯德图（2 分） 校正后的速度控制系统开环伯德图（1 分） 2、液压阻尼比h随着工况的改变会发生很大变化。零位区域时h0.10.2，当速度和负 载较大时可使h大于 1，其变化幅度达 2030 倍。为了使得伺服系统得到满意的瞬态响应特 性，总是希望h大些而且恒定。提高液压阻尼比的简单方法有采用正开口阀，加大阀预开口 量，提高零位阀系数 Kco 值，减少 Kc 变化范围，从而使得h值大，而变化范围小；采用旁 路泄漏，在液压缸两个腔之间认为设置辅助泄漏通道，并且用可变节流阀调节阻尼，加大 Ctc， 提高 Kce；增大负载的粘性阻尼，在负载结构上设置粘性阻尼器，增大 Bp。