液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料

1、液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)在液壓伺服系統(tǒng)中采用液壓伺服閥作為輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大元件。液壓伺服系統(tǒng)能以小功率的電信號(hào)輸入，控制大功率的液壓能（流量與壓力）輸出，并能獲得很高的控制精度和很快的響應(yīng)速度。位置控制、速度控制、力控制三類液壓伺服系統(tǒng)一般的設(shè)計(jì)步驟如下：1）明確設(shè)計(jì)要求：充分了解設(shè)計(jì)任務(wù)提出的工藝、結(jié)構(gòu)及時(shí)系統(tǒng)各項(xiàng)性能的要求，并應(yīng)詳細(xì)分析負(fù)載條件。2）擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖。3）靜態(tài)計(jì)算：確定動(dòng)力元件參數(shù)，選擇反饋元件及其它電氣元件。4）動(dòng)態(tài)計(jì)算：確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，繪制開環(huán)波德圖，分析穩(wěn)定性，計(jì)算動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。5）校核精度和性能指標(biāo)，選擇校正方式和設(shè)計(jì)校正元件。6）選擇液

2、壓能源及相應(yīng)的附屬元件。7）完成執(zhí)行元件及液壓能源施工設(shè)計(jì)。本章的內(nèi)容主要是依照上述設(shè)計(jì)步驟，進(jìn)一步說明液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和介紹具體設(shè)計(jì)計(jì)算方法。由于位置控制系統(tǒng)是最基本和應(yīng)用最廣的系統(tǒng)，所以介紹將以閥控液壓缸位置系統(tǒng)為主。4.1 全面理解設(shè)計(jì)要求4.1.1 全面了解被控對(duì)象液壓伺服控制系統(tǒng)是被控對(duì)象主機(jī)的一個(gè)組成部分，它必須滿足主機(jī)在工藝上和結(jié)構(gòu)上對(duì)其提出的要求。例如軋鋼機(jī)液壓壓下位置控制系統(tǒng)，除了應(yīng)能夠承受最大軋制負(fù)載，滿足軋鋼機(jī)軋輥輥縫調(diào)節(jié)最大行程，調(diào)節(jié)速度和控制精度等要求外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓下液壓缸在外形尺寸上還受軋鋼機(jī)牌坊窗口尺寸的約束，結(jié)構(gòu)上還必須保證滿足更換軋輥方便等要求。要設(shè)計(jì)一

3、個(gè)好的控制系統(tǒng)，必須充分重視這些問題的解決。所以設(shè)計(jì)師應(yīng)全面了解被控對(duì)象的工況，并綜合運(yùn)用電氣、機(jī)械、液壓、工藝等方面的理論知識(shí)，使設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)滿足被控對(duì)象的各項(xiàng)要求。4.1.2 明角設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能要求1）被控對(duì)象的物理量：位置、速度或是力。2）靜態(tài)極限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。3）要求的控制精度：由給定信號(hào)、負(fù)載力、干擾信號(hào)、伺服閥及電控系統(tǒng)零飄、非線性環(huán)節(jié)（如摩擦力、死區(qū)等）以及傳感器引起的系統(tǒng)誤差，定位精度，分辨率以及允許的飄移量等。4）動(dòng)態(tài)特性：相對(duì)穩(wěn)定性可用相位裕量和增益裕量、諧振峰值和超調(diào)量等來規(guī)定，響應(yīng)的快速性可用載止頻率或階躍響應(yīng)的上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間來規(guī)定

4、；5）工作環(huán)境：主機(jī)的工作溫度、工作介質(zhì)的冷卻、振動(dòng)與沖擊、電氣的噪聲干擾以及相應(yīng)的耐高溫、防水防腐蝕、防振等要求；6）特殊要求；設(shè)備重量、安全保護(hù)、工作的可靠性以及其它工藝要求。4.1.3 負(fù)載特性分析正確確定系統(tǒng)的外負(fù)載是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的一個(gè)基本問題。它直接影響系統(tǒng)的組成和動(dòng)力元件參數(shù)的選擇，所以分析負(fù)載特性應(yīng)盡量反映客觀實(shí)際。液壓伺服系統(tǒng)的負(fù)載類型有慣性負(fù)載、彈性負(fù)載、粘性負(fù)載、各種摩擦負(fù)載（如靜摩擦、動(dòng)摩擦等）以及重力和其它不隨時(shí)間、位置等參數(shù)變化的恒值負(fù)載等。4.2 擬定控制方案、繪制系統(tǒng)原理圖在全面了解設(shè)計(jì)要求之后，可根據(jù)不同的控制對(duì)象，按表6所列的基本類型選定控制方案并擬定控制系統(tǒng)

5、的方塊圖。如對(duì)直線位置控制系統(tǒng)一般采用閥控液壓缸的方案，方塊圖如圖36所示。圖36 閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)方塊圖表6 液壓伺服系統(tǒng)控制方式的基本類型伺服系統(tǒng)控制信號(hào)控制參數(shù)運(yùn)動(dòng)類型元件組成機(jī)液電液氣液電氣液模擬量數(shù)字量位移量位置、速度、加速度、力、力矩、壓力直線運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)1.閥控制：閥-液壓缸，閥-液壓馬達(dá)2.容積控制：變量泵-液壓缸；變量泵-液壓馬達(dá)；閥-液壓缸-變量泵-液壓馬達(dá)3.其它：步近式力矩馬達(dá)4.3 動(dòng)力元件參數(shù)選擇動(dòng)力元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。它的一個(gè)主要作用是在整個(gè)工作循環(huán)中使負(fù)載按要求的速度運(yùn)動(dòng)。其次，它的主要性能參數(shù)能滿足整個(gè)系統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)特性。此外，動(dòng)力元件參

6、數(shù)的選擇還必須考慮與負(fù)載參數(shù)的最佳匹配，以保證系統(tǒng)的功耗最小，效率高。動(dòng)力元件的主要參數(shù)包括系統(tǒng)的供油壓力、液壓缸的有效面積（或液壓馬達(dá)排量）、伺服閥的流量。當(dāng)選定液壓馬達(dá)作執(zhí)行元件時(shí)，還應(yīng)包括齒輪的傳動(dòng)比。4.3.1 供油壓力的選擇選用較高的供油壓力，在相同輸出功率條件下，可減小執(zhí)行元件液壓缸的活塞面積（或液壓馬達(dá)的排量），因而泵和動(dòng)力元件尺寸小重量輕，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)油腔的容積減小，容積彈性模數(shù)增大，有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是隨供油壓力增加，由于受材料強(qiáng)度的限制，液壓元件的尺寸和重量也有增加的趨勢(shì)，元件的加工精度也要求提高，系統(tǒng)的造價(jià)也隨之提高。同時(shí)，高壓時(shí)，泄漏大，發(fā)熱高，系統(tǒng)功率

7、損失增加，噪聲加大，元件壽命降低，維護(hù)也較困難。所以條件允許時(shí)，通常還是選用較低的供油壓力。常用的供油壓力等級(jí)為7MPa到28MPa，可根據(jù)系統(tǒng)的要求和結(jié)構(gòu)限制條件選擇適當(dāng)?shù)墓┯蛪毫Α?.3.2 伺服閥流量與執(zhí)行元件尺寸的確定如上所述，動(dòng)力元件參數(shù)選擇除應(yīng)滿足拖動(dòng)負(fù)載和系統(tǒng)性能兩方面的要求外，還應(yīng)考慮與負(fù)載的最佳匹配。下面著重介紹與負(fù)載最佳匹配問題。（1）動(dòng)力元件的輸出特性將伺服閥的流量壓力曲線經(jīng)坐標(biāo)變換繪于FL平面上，所得的拋物線即為動(dòng)力元件穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出特性，見圖37。圖37 參數(shù)變化對(duì)動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出特性的影響a）供油壓力變化；b）伺服閥容量變化；c）液壓缸面積變化圖中 FL負(fù)載力，F(xiàn)L=pL

8、A； pL伺服閥工作壓力； A液壓缸有效面積；液壓缸活塞速度，； qL伺服閥的流量； q0伺服閥的空載流量； ps供油壓力。由圖37可見，當(dāng)伺服閥規(guī)格和液壓缸面積不變，提高供油壓力，曲線向外擴(kuò)展，最大功率提高，最大功率點(diǎn)右移，如圖37a。當(dāng)供油壓力和液壓缸面積不變，加大伺服閥規(guī)格，曲線變高，曲線的頂點(diǎn)A ps不變，最大功率提高，最大功率點(diǎn)不變，如圖37b。當(dāng)供油壓力和伺服閥規(guī)格不變，加大液壓缸面積A，曲線變低，頂點(diǎn)右移，最大功率不變，最大功率點(diǎn)右移，如圖37c。（2）負(fù)載最佳匹配圖解法在負(fù)載軌跡曲線FL平面上，畫出動(dòng)力元件輸出特性曲線，調(diào)整參數(shù)，使動(dòng)力元件輸出特性曲線從外側(cè)完全包圍負(fù)載軌跡曲線

9、，即可保證動(dòng)力元件能夠拖動(dòng)負(fù)載。在圖38中，曲線1、2、3代表三條動(dòng)力元件的輸出特性曲線。曲線2與負(fù)載軌跡最大功率點(diǎn)c相切，符合負(fù)載最佳匹配條件，而曲線1、3上的工作點(diǎn)和b，雖能拖動(dòng)負(fù)載，但效率都較低。（3）負(fù)載最佳匹配的解析法參見液壓動(dòng)力元件的負(fù)載匹配。（4）近似計(jì)算法在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)動(dòng)力元件時(shí)常采用近似計(jì)算法，即按最大負(fù)載力FLmax選擇動(dòng)力元件。在動(dòng)力元件輸出特性曲線上，限定 FLmaxpLA= ，并認(rèn)為負(fù)載力、最大速度和最大加速度是同時(shí)出現(xiàn)的，這樣液壓缸的有效面積可按下式計(jì)算： （37）圖38 動(dòng)力元件與負(fù)載匹配圖形按式37求得A值后，可計(jì)算負(fù)載流量qL，即可根據(jù)閥的壓降從伺服閥樣本

10、上選擇合適的伺服閥。近似計(jì)算法應(yīng)用簡(jiǎn)便，然而是偏于保守的計(jì)算方法。采用這種方法可以保證系統(tǒng)的性能，但傳遞效率稍低。（5）按液壓固有頻率選擇動(dòng)力元件對(duì)功率和負(fù)載很小的液壓伺服系統(tǒng)來說，功率損耗不是主要問題，可以根據(jù)系統(tǒng)要求的液壓固有頻率來確定動(dòng)力元件。四邊滑閥控制的液壓缸，其活塞的有效面積為（38）二邊滑閥控制的液壓缸，其活塞的有效面積為（39）液壓固有頻率h可以按系統(tǒng)要求頻寬的（510）倍來確定。對(duì)一些干擾力大，負(fù)載軌跡形狀比較復(fù)雜的系統(tǒng)，不能按上述的幾種方法計(jì)算動(dòng)力元件，只能通過作圖法來確定動(dòng)力元件。計(jì)算閥控液壓馬達(dá)組合的動(dòng)力元件時(shí)，只要將上述計(jì)算方法中液壓缸的有效面積A換成液壓馬達(dá)的排量D

11、，負(fù)載力FL換成負(fù)載力矩TL，負(fù)載速度換成液壓馬達(dá)的角速度，就可以得到相應(yīng)的計(jì)算公式。當(dāng)系統(tǒng)采用了減速機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意把負(fù)載慣量、負(fù)載力、負(fù)載的位移、速度、加速度等參數(shù)都轉(zhuǎn)換到液壓馬達(dá)的軸上才能作為計(jì)算的參數(shù)。減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比選擇的原則是：在滿足液壓固有頻率的要求下，傳動(dòng)比最小，這就是最佳傳動(dòng)比。4.3.3 伺服閥的選擇根據(jù)所確定的供油壓力ps和由負(fù)載流量qL（即要求伺服閥輸出的流量）計(jì)算得到的伺服閥空載流量q0，即可由伺服閥樣本確定伺服閥的規(guī)格。因?yàn)樗欧y輸出流量是限制系統(tǒng)頻寬的一個(gè)重要因素，所以伺服閥流量應(yīng)留有余量。通常可取15%左右的負(fù)載流量作為伺服閥的流量?jī)?chǔ)備。除了流量參數(shù)外，在選擇伺服閥

12、時(shí)，還應(yīng)考慮以下因素：1）伺服閥的流量增益線性好。在位置控制系統(tǒng)中，一般選用零開口的流量閥，因?yàn)檫@類閥具有較高的壓力增益，可使動(dòng)力元件有較大的剛度，并可提高系統(tǒng)的快速性與控制精度。2）伺服閥的頻寬應(yīng)滿足系統(tǒng)頻寬的要求。一般伺服閥的頻寬應(yīng)大于系統(tǒng)頻寬的5倍，以減小伺服閥對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響。3）伺服閥的零點(diǎn)漂移、溫度漂移和不靈敏區(qū)應(yīng)盡量小，保證由此引起的系統(tǒng)誤差不超出設(shè)計(jì)要求。4）其它要求，如對(duì)零位泄漏、抗污染能力、電功率、壽命和價(jià)格等，都有一定要求。4.3.4 執(zhí)行元件的選擇液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響系統(tǒng)性能的好壞。執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)，除了按本節(jié)所述的方法確定液

13、壓缸有效面積A（或液壓馬達(dá)排量D）的最佳值外，還涉及密封、強(qiáng)度、摩擦阻力、安裝結(jié)構(gòu)等問題。4.4 反饋傳感器的選擇根據(jù)所檢測(cè)的物理量，反饋傳感器可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和力（或壓力）傳感器。它們分別用于不同類型的液壓伺服系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的反饋元件。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度主要決定于系統(tǒng)的給定元件和反饋元件的精度，因此合理選擇反饋傳感器十分重要。傳感器的頻寬一般應(yīng)選擇為控制系統(tǒng)頻寬的510倍，這是為了給系統(tǒng)提供被測(cè)量的瞬時(shí)真值，減少相位滯后。傳感器的頻寬對(duì)一般系統(tǒng)都能滿足要求，因此傳感器的傳遞函數(shù)可近似按比例環(huán)節(jié)來考慮。4.5 確定系統(tǒng)方塊圖根據(jù)系統(tǒng)原理圖及系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即

14、可構(gòu)成系統(tǒng)的方塊圖。根據(jù)系統(tǒng)的方塊圖可直接寫出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。閥控液壓缸和閥控液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)二者的傳遞函數(shù)具有相同的結(jié)構(gòu)形式，只要把相應(yīng)的符號(hào)變換一下即可。4.6 繪制系統(tǒng)開環(huán)波德圖并確定開環(huán)增益系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算與分析在這里是采用頻率法。首先根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，求出波德圖。在繪制波德圖時(shí)，需要確定系統(tǒng)的開環(huán)增益K。改變系統(tǒng)的開環(huán)增益K時(shí)，開環(huán)波德圖上幅頻曲線只升高或降低一個(gè)常數(shù)，曲線的形狀不變，其相頻曲線也不變。波德圖上幅頻曲線的低頻段、穿越頻率以及幅值增益裕量分別反映了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、截止頻率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以可根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)所要求的穩(wěn)態(tài)精度、頻寬以及相對(duì)穩(wěn)定性，在開環(huán)波德圖上調(diào)整幅頻

15、曲線位置的高低，來獲得與閉環(huán)系統(tǒng)要求相適應(yīng)的K值。4.6.1 由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度要求確定K由控制原理可知，不同類型控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度決定于系統(tǒng)的開環(huán)增益。因此，可以由系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)精度的要求和系統(tǒng)的類型計(jì)算得到系統(tǒng)應(yīng)具有的開環(huán)增益K。4.6.2由系統(tǒng)的頻寬要求確定K分析二階或三階系統(tǒng)特性與波德圖的關(guān)系知道，當(dāng)h和K/h都很小時(shí)，可近似認(rèn)為系統(tǒng)的頻寬等于開環(huán)對(duì)數(shù)幅值曲線的穿越頻率，即-3dBc，所以可繪制對(duì)數(shù)幅頻曲線，使c在數(shù)值上等于系統(tǒng)要求的-3dB值，如圖39所示。由此圖可得K值。圖39 由-3dB繪制開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性a）0型系統(tǒng)；b）I型系統(tǒng)4.6.3 由系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性確定K系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性可用幅值裕量和相位裕量來表示。根據(jù)系統(tǒng)要求的幅值裕量和相位裕量來繪制開環(huán)波德圖，同樣也可以得到K。見圖40。實(shí)際上通過作圖來確定系統(tǒng)的開環(huán)增益K，往往要綜合考慮，盡可能