考試版——液壓比例與伺服控制系統(tǒng)(2013)

1、液壓傳動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)與液壓控制控制系統(tǒng)的關(guān)系 液壓控制技術(shù)是在液壓傳動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的（介質(zhì)相同、元件大部分相同、遵循的物理規(guī)律相同、融合了控制理論） 目的不同（傳遞動(dòng)力；對(duì)運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行精確的控制） 組成不同（5個(gè)組成部分、開環(huán)；7個(gè)組成部分、閉環(huán)） 設(shè)計(jì)理念不同（以靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)為主；靜動(dòng)態(tài)結(jié)合，動(dòng)態(tài)性能為主） 特點(diǎn)不同（有的缺點(diǎn)被放大（對(duì)污染的敏感度），有點(diǎn)缺點(diǎn)被消除（傳動(dòng)比）液壓比例比例控制與伺服控制控制的關(guān)系 產(chǎn)生的背景不同 定位不同 性能不同 應(yīng)用范圍不同 經(jīng)過不同的發(fā)展道路，出現(xiàn)了交叉點(diǎn) 比例方向流量復(fù)合閥與伺服閥的異同點(diǎn)液壓控制的發(fā)展歷程液壓控制的發(fā)展歷程液壓控制系統(tǒng)的基本要點(diǎn) 含

2、有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng) 液壓技術(shù)、流體力學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的結(jié)合 采用閥控或泵控兩種方式 閥控：液壓放大及控制元件-圓柱滑閥 泵控：控制元件-變量機(jī)構(gòu) 機(jī)電液一體化為特征 大量采用新技術(shù) 核心控制元件：伺服閥、比例閥1.2液壓控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理指令元件中樞元件執(zhí)行元件被控對(duì)象反饋元件液壓油源液壓控制系統(tǒng)的組成： 輸入元件：（指令元件）給出輸入信號(hào)(指令信號(hào))加于系統(tǒng)的輸入端，是機(jī)械的、電氣的、氣動(dòng)的等。如靠模、指令電位器或計(jì)算機(jī)等。 反饋測(cè)量元件：測(cè)量系統(tǒng)的輸出并轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)。這類元件也是多種形式的。各種傳感器常作為反饋測(cè)量元件。 比較元件：將反饋信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比

3、較，給出偏差信號(hào)。 放大轉(zhuǎn)換元件（中樞元件）：將偏差信號(hào)故大、轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)(流量或壓力)。如伺服放大器、機(jī)液伺服閥、電液伺服閥、電液比例方向流量閥等。 執(zhí)行元件：產(chǎn)生調(diào)節(jié)動(dòng)作加于控制對(duì)象上，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)任務(wù)。如液壓缸和液壓馬達(dá)等。 控制對(duì)象：被控制的機(jī)器設(shè)備或物體，即負(fù)載。 液壓能源裝置：定壓源1.3 液壓控制系統(tǒng)的分類一、按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律分類 定值控制系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)為定值時(shí)稱為定值控制系統(tǒng)。 程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)按預(yù)先給定的規(guī)律變化時(shí)，稱為程序控制系統(tǒng) 伺服控制系統(tǒng)：也稱隨動(dòng)系統(tǒng)，其輸入信號(hào)是時(shí)間的未知函數(shù)，而輸出量能夠準(zhǔn)確、快速地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。 比例控制系統(tǒng)二、

4、按被控物理量的名稱分類 位置伺服控制系統(tǒng)、速度伺服控制系統(tǒng)、其它物理量的控制系統(tǒng)。三、按液壓動(dòng)力元件的控制方式或液壓控制元件的形式分類 節(jié)流式控制(閥控式)系統(tǒng)：閥控液壓缸系統(tǒng)和閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng) 容積式控制系統(tǒng)：伺服變量泵系統(tǒng)和伺服變量馬達(dá)系統(tǒng)。四、按信號(hào)傳遞介質(zhì)的形式分類 機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)、電氣液壓伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)等。1.4 1.4 液壓控制系統(tǒng)的特點(diǎn)液壓控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： (1)液壓元件的功率重量比和力矩-慣量比大 可以組成結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、加速性好的控制系統(tǒng)。 (2)液壓動(dòng)力元件快速性好，系統(tǒng)響應(yīng)快。 (3)液壓控制系統(tǒng)抗負(fù)載的剛度大，即輸出位移受負(fù)載變化的影響小，

5、定位準(zhǔn)確，控制精度高。缺點(diǎn)： (1) 液壓元件，特別是精密的液壓控制元件(如電液伺服閥)抗污染能力差，對(duì)工作油液的清潔度要求高。 (2) 油溫變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響。 (3) 當(dāng)液壓元件的密封設(shè)計(jì)、制造相使用維護(hù)不當(dāng)時(shí)容易引起外漏，造成環(huán)境污染。 (4) 液壓元件制造精度要求高，成本高。 (5) 液壓能源的獲得和遠(yuǎn)距離傳輸都不如電氣系統(tǒng)方便1.5 1.5 液壓控制系統(tǒng)的發(fā)展概況液壓控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 液壓控制是一 門新興的科學(xué)技術(shù)。它不但是液壓技術(shù)的一個(gè)重要分支而且也是控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。 在第一次和第二次世界大戰(zhàn)期間及以后，由于軍事工業(yè)的刺激，液壓伺服控制因響應(yīng)快、精度高、

6、功率重量比大等特點(diǎn)而受到特別的重視，特別是近幾十年，隨著整個(gè)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，促使液壓控制得到迅速發(fā)展，使這門技術(shù)無論在元件和系統(tǒng)分面，還是在評(píng)論與應(yīng)用方面都日趨完善和成熟，形成一門新興的科學(xué)技術(shù)。 目前，液壓控制系統(tǒng)已成為工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。什么是液壓放大元件 圓柱滑閥 雙噴嘴擋板閥 射流管閥液壓放大元件的分類 也稱液壓放大器 一種以機(jī)械運(yùn)動(dòng)來控制流體動(dòng)力的元件 將輸入的位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為流量或壓力輸出 既是能量轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件滑閥的結(jié)構(gòu)分類及其特點(diǎn) 通道數(shù)（4、3、2） 工作邊數(shù)（4、2、1） 凸肩數(shù)（2、3、4） 預(yù)開口型式（+、0、-） 液壓動(dòng)力元

7、件(或稱液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu))是由液壓放大元件(液壓比控制元件)、液壓執(zhí)行元件以及負(fù)載組成。有四種基本型式的液壓動(dòng)力元件：閥控液壓缸、閥控液壓馬達(dá)、泵控液壓缸、泵控液壓馬達(dá)。液壓動(dòng)力元件的基本概念及其分類閥控缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)主要性能參數(shù)為閥控液壓缸的增益Kq/Ap、液壓固有頻率、液壓阻尼比 動(dòng)力機(jī)構(gòu)的增益Kq/Ap直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和精度。提高增益可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。 液壓固有頻率表示液壓動(dòng)力元件的響應(yīng)速度。在液壓伺服系統(tǒng)中，液壓固有頻率往往是整個(gè)系統(tǒng)中最低的頻率，它限制了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)提高液壓固有頻率。 液壓阻尼比表示系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性

8、。為了獲得滿意的性能，液壓阻尼比應(yīng)具有適當(dāng)?shù)闹?。提高液壓阻尼比?duì)改變系統(tǒng)的性能是十分重要的 如何提高如何提高“閥控缸閥控缸”動(dòng)力機(jī)構(gòu)的液壓固動(dòng)力機(jī)構(gòu)的液壓固有頻率有頻率 液壓固有頻率表示液壓動(dòng)力元件的響應(yīng)速度。在液壓伺服系統(tǒng)中，液壓固有頻率往往是整個(gè)系統(tǒng)中最低的頻率，它限制了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)提高液壓固有頻率。提高液壓固有頻率的方法主要有： （1）提高油液的體積彈性模量；（可通過提高供油壓力來實(shí)現(xiàn)） （2）使閥與液壓缸盡量靠近，采用直而短的管路，盡量縮小無效容積； （3）盡量縮短管路，減小管路中油液的附加質(zhì)量 3.4三種動(dòng)力機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)比較 控制元件相同，執(zhí)行元件不同

9、（閥控缸與閥控馬達(dá)）時(shí)的比較：兩者的動(dòng)態(tài)特性完全相同完全相同（只需做變量替換，數(shù)學(xué)模型即完全一致） 控制元件不同，執(zhí)行元件相同（閥控馬達(dá)與泵控馬達(dá)）時(shí)的比較：兩者的動(dòng)態(tài)特性類似類似（數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)一致，但參數(shù)特征不同）4.1 電液伺服閥的組成及用途 電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)（或力馬達(dá)）、液壓放大器（先導(dǎo)級(jí)和功率級(jí)）、反饋機(jī)構(gòu)三部分組成。 電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(hào)(流量與壓力)輸出。 電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。4.2 電液伺服閥的分類按液壓放大級(jí)數(shù)分為： 單級(jí)

10、伺服閥 此類閥結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但由于力矩馬達(dá)或力馬達(dá)輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸出流量有限，對(duì)負(fù)裁動(dòng)態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決于負(fù)載動(dòng)態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于低壓、小流量和負(fù)載動(dòng)態(tài)變化不大的場合。 兩級(jí)伺服閥 此類閥克服了單級(jí)伺服閥缺點(diǎn)，是最常用的型式。 三級(jí)伺服閥 此類閥通常是由一個(gè)兩級(jí)伺服閥作前置級(jí)控制第三級(jí)功率滑閥功率級(jí)滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)功率級(jí)滑閥閥芯的定位。三級(jí)伺服閥通常只用在大流量的場合。按第一級(jí)閥的結(jié)構(gòu)形式可分為： 滑閥 噴嘴擋板閥（雙噴嘴擋板閥） 射流管閥 偏轉(zhuǎn)板射流閥按反饋形式可分為： 滑閥位置反饋 負(fù)載流量反饋 負(fù)載壓力

11、反饋按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中可分為： 濕式 可使力矩馬達(dá)受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達(dá)持性變壞 干式 可使力矩馬達(dá)不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的 4.4 電液伺服閥的性能參數(shù)一、靜態(tài)特性 電液流量伺服閥的靜態(tài)性能，可根據(jù)測(cè)試所得到負(fù)載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性等曲線等性能指標(biāo)加以評(píng)定。包括1、壓力-流量特性2、空載流量特性流量曲線非常有用，它不僅給出閥的極性、額定空載流量、名義流量增益，而且從中還可以得到閥的線件度、對(duì)稱度、滯環(huán)、分辨率，并揭示閥的零區(qū)特性。3、壓力特性 壓力特性曲線是輸出流量為零(兩個(gè)負(fù)載油門關(guān)閉)時(shí)，負(fù)載壓降與輸入電流呈回環(huán)狀

12、的函數(shù)曲線。4、內(nèi)泄漏特性5、零漂五、電液比例閥 電液比例閥的概念及分類 電液比例閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 電液比例控制系統(tǒng)5.1 電液比例閥的概念及分類 電液比例控制閥簡稱比例閥，它是一種按輸入電訊號(hào)的強(qiáng)弱連續(xù)地、按比例地控制系統(tǒng)流量和壓力的閥。 根據(jù)用途的不同可分為四類： 電液比例壓力閥 電液比例流量閥 電液比例換向閥 電液比例復(fù)合閥5.2 電液比例閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 在結(jié)構(gòu)上，比例閥是在普通液壓控制閥的基礎(chǔ)上，引入比例電磁鐵用以代替原來的手調(diào)部分，以實(shí)現(xiàn)其輸出的壓力或流量按輸入的電流或電壓成比例地變化的控制。 由于比例閥一般都有壓力補(bǔ)償性能，所以它的輸出壓力和流量可以不受負(fù)載變化的影響。與手動(dòng)調(diào)節(jié)的普

13、通液壓閥相比，它能提高系統(tǒng)參數(shù)的控制水平；由于比例電磁鐵的功率較大，能夠直接對(duì)閥進(jìn)行控制，因此結(jié)構(gòu)比較簡單； 比例電磁鐵的尺寸和慣性較大，使得閥的動(dòng)態(tài)特性較差，只能滿足一般機(jī)械的要求，因此從控制方式和使用性能來講，比例閥是介于普通液壓閥與電液伺服閥之間的液壓元件。(a) 結(jié)構(gòu)原理圖 (b) 吸力特性圖 比例電磁鐵及其吸力特性圖1-端蓋；2線圈；3限位環(huán)；4隔磁環(huán)；5殼體；6內(nèi)蓋；7-外蓋；8調(diào)節(jié)螺栓；9彈簧；10銜鐵；11支撐環(huán)；12導(dǎo)向管 電液比例閥控制原理框圖 先導(dǎo)式電液比例方向閥1-彈簧；2手動(dòng)應(yīng)急按鈕；3-比例電磁鐵4先導(dǎo)閥；5、8測(cè)壓閥芯；6-先導(dǎo)閥閥芯；7-阻尼孔；9-液動(dòng)換向閥；

14、10-控制腔；11-主閥芯12345比例方向閥直控式閥芯不帶位移電反饋4/3比例方向閥，直動(dòng)式，帶集成電控器，位移電反饋並閥芯位置監(jiān)控 由帶中心螺紋和可更換線圈的比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)，集成在閥中的電控器用來控制電磁鐵並檢測(cè)閥芯位移。 擁有對(duì)稱的閥芯遮蓋，可對(duì)運(yùn)行方向和閥芯中位進(jìn)行檢測(cè)。此外，該閥可產(chǎn)生階躍函數(shù)用來補(bǔ)償遮蓋的影響，也就是說，閥芯可以快速通過遮蓋區(qū)域。 閥主要應(yīng)用於對(duì)安全性要求比較高的機(jī)器上，例如對(duì)壓機(jī)進(jìn)行控制。 比例電磁鐵結(jié)構(gòu)比例電磁鐵與普通電磁鐵吸力比較六、電液控制系統(tǒng) 電液控制系統(tǒng)的組成及工作原理 電液控制系統(tǒng)的分類 電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)步驟、機(jī)電液一體化的設(shè)計(jì)思路、伺服油源的

15、特點(diǎn)）6.1 電液伺服系統(tǒng)的組成及工作原理閥控式電液位置伺服控制系統(tǒng)工作原理 滑閥是轉(zhuǎn)換放大元件，它將輸入的機(jī)械信號(hào)(閥芯位移)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)(流量、壓力)輸出，并加以功率放大。液壓缸是執(zhí)行元件，輸入是壓力油的流量，輸出是運(yùn)動(dòng)速度(或位移)?；y閥體與液壓缸體剛性連結(jié)在一起，構(gòu)成反饋回路。因此，這是個(gè)閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。閥控式電液位置伺服控制系統(tǒng)的工作原理方塊圖泵控式電液速度伺服控制系統(tǒng)工作原理泵控式電液速度控制系統(tǒng)的工作原理方塊圖6.2 電液伺服系統(tǒng)的分類電液伺服系統(tǒng)的分類一、模擬伺服系統(tǒng)一、模擬伺服系統(tǒng)在模擬伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)都是連續(xù)的模擬量，模擬伺服系在模擬伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)

16、都是連續(xù)的模擬量，模擬伺服系統(tǒng)重復(fù)精度高，但分辨能力較低統(tǒng)重復(fù)精度高，但分辨能力較低(絕對(duì)精度低絕對(duì)精度低)。伺服系統(tǒng)的精度。伺服系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于檢測(cè)裝置的精度，另外模擬式檢測(cè)裝置的精在很大程度上取決于檢測(cè)裝置的精度，另外模擬式檢測(cè)裝置的精度一般低于數(shù)字式檢測(cè)裝置所以模擬伺服系統(tǒng)分辨能力低于數(shù)度一般低于數(shù)字式檢測(cè)裝置所以模擬伺服系統(tǒng)分辨能力低于數(shù)字伺服系統(tǒng)。另外模擬伺服系統(tǒng)中微小信號(hào)容易受到噪聲和零漂字伺服系統(tǒng)。另外模擬伺服系統(tǒng)中微小信號(hào)容易受到噪聲和零漂的影響、因此當(dāng)輸入信號(hào)接近或小于輸入端的噪聲和零漂時(shí)，就的影響、因此當(dāng)輸入信號(hào)接近或小于輸入端的噪聲和零漂時(shí)，就不能進(jìn)行有效的控

17、制了。不能進(jìn)行有效的控制了。二、二、 數(shù)字伺服系統(tǒng)數(shù)字伺服系統(tǒng) 在數(shù)字伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)或部分信號(hào)是離散在數(shù)字伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)或部分信號(hào)是離散參量。因此數(shù)字伺服系統(tǒng)又分為全數(shù)字伺服系統(tǒng)和數(shù)參量。因此數(shù)字伺服系統(tǒng)又分為全數(shù)字伺服系統(tǒng)和數(shù)字字模擬伺服系統(tǒng)兩種。模擬伺服系統(tǒng)兩種。數(shù)模混合式電液控制系統(tǒng) 指令器、比較器：計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、PLC、專用控制器等。 控制元件：常規(guī)伺服閥或比例閥。 反饋元件：常規(guī)傳感器或總線傳感器。 采用總線控制技術(shù)。6.3 電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 電液控制系統(tǒng)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的區(qū)別 電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 明確設(shè)計(jì)要求。 擬定控制方案，畫出系統(tǒng)圖。 靜態(tài)計(jì)算，確定動(dòng)力元件參數(shù)，選擇系統(tǒng)的組成元件。 動(dòng)態(tài)計(jì)算，確定系統(tǒng)組成元件的動(dòng)態(tài)參數(shù)，畫出方框圖，計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和精度。 校驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，如有需要，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。 伺服油源設(shè)計(jì)?！懊鞔_設(shè)計(jì)要求明確設(shè)計(jì)要求”都包括