液壓伺服比例控制

1、液壓伺服系統(tǒng)工作原理    1.1 液壓伺服系統(tǒng)工作原理    液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。    電液伺服系統(tǒng)通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了一些重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。    液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量，如位移、速度或力等，能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時(shí)，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)的工作原理可由圖

2、1來說明。    圖1所示為一個(gè)對(duì)管道流量進(jìn)行連續(xù)控制的電液伺服系統(tǒng)。在大口徑流體管道1中，閥板2的轉(zhuǎn)角變化會(huì)產(chǎn)生節(jié)流作用而起到調(diào)節(jié)流量qT的作用。閥板轉(zhuǎn)動(dòng)由液壓缸帶動(dòng)齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)系統(tǒng)的輸入量是電位器5的給定值xi。對(duì)應(yīng)給定值xi，有一定的電壓輸給放大器7，放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)加到伺服閥的電磁線圈上，使閥芯相應(yīng)地產(chǎn)生一定的開口量xv。閥開口xv使液壓油進(jìn)入液壓缸上腔，推動(dòng)液壓缸向下移動(dòng)。液壓缸下腔的油液則經(jīng)伺服閥流回油箱。液壓缸的向下移動(dòng)，使齒輪、齒條帶動(dòng)閥板產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，液壓缸活塞桿也帶動(dòng)電位器6的觸點(diǎn)下移xp。當(dāng)xp所對(duì)應(yīng)的電壓

3、與xi所對(duì)應(yīng)的電壓相等時(shí)，兩電壓之差為零。這時(shí)，放大器的輸出電流亦為零，伺服閥關(guān)閉，液壓缸帶動(dòng)的閥板停在相應(yīng)的qT位置。圖1 管道流量（或靜壓力）的電液伺服系統(tǒng)1流體管道；2閥板；3齒輪、齒條；4液壓缸；5給定電位器；6流量傳感電位器；7放大器；8電液伺服閥    在控制系統(tǒng)中，將被控制對(duì)象的輸出信號(hào)回輸?shù)较到y(tǒng)的輸入端，并與給定值進(jìn)行比較而形成偏差信號(hào)以產(chǎn)生對(duì)被控對(duì)象的控制作用，這種控制形式稱之為反饋控制。反饋信號(hào)與給定信號(hào)符號(hào)相反，即總是形成差值，這種反饋稱之為負(fù)反饋。用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是反饋控制的基本特征。而對(duì)圖1所示的實(shí)例中，電位器6

4、就是反饋裝置，偏差信號(hào)就是給定信號(hào)電壓與反饋信號(hào)電壓在放大器輸入端產(chǎn)生的u。    圖2 給出對(duì)應(yīng)圖1實(shí)例的方框圖?？刂葡到y(tǒng)常用方框圖表示系統(tǒng)各元件之間的聯(lián)系。上圖方框中用文字表示了各元件，后面將介紹方框圖采用數(shù)學(xué)公式的表達(dá)形式。圖2 伺服系統(tǒng)實(shí)例的方框圖液壓伺服系統(tǒng)的組成    液壓伺服系統(tǒng)的組成    由上面舉例可見，液壓伺服系統(tǒng)是由以下一些基本元件組成；    輸入元件將給定值加于系統(tǒng)的輸入端的元件。該元件可以是機(jī)械的、電氣的、液

5、壓的或者是其它的組合形式。    反饋測(cè)量元件測(cè)量系統(tǒng)的輸出量并轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)的元件。各種類形的傳感器常用作反饋測(cè)量元件。    比較元件將輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相比較，得出誤差信號(hào)的元件。    放大、能量轉(zhuǎn)換元件將誤差信號(hào)放大，并將各種形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓能量的元件。電氣伺服放大器、電液伺服閥均屬于此類元件；    執(zhí)行元件將產(chǎn)生調(diào)節(jié)動(dòng)作的液壓能量加于控制對(duì)象上的元件，如液壓缸或液壓馬達(dá)。   &#

6、160;控制對(duì)象各類生產(chǎn)設(shè)備，如機(jī)器工作臺(tái)、刀架等。液壓伺服數(shù)學(xué)模型    2.1 數(shù)學(xué)模型    為了對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行定量研究，應(yīng)找出系統(tǒng)中各變量（物理量）之間的關(guān)系。不但要搞清楚其靜態(tài)關(guān)系，還要知道其動(dòng)態(tài)特性，即各物理量隨時(shí)間而變化的過程。描述這些變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱之為數(shù)學(xué)模型。    2.1.1 微分方程    伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為可用各變量及其各階導(dǎo)數(shù)所組成的微分方程來描述。當(dāng)微分方程各階導(dǎo)數(shù)為零時(shí)，則變成表示各變量間靜態(tài)關(guān)

7、系的代數(shù)方程。有了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程就可知道系統(tǒng)各變量的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為。該微分方程就是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。    2.1.2 拉氏變換與傳遞函數(shù)    拉氏變換全稱為拉普拉斯變換。它是將時(shí)間域的原函數(shù)f（t）變換成復(fù)變量s域的象函數(shù)F（s），將時(shí)間域的微分方程變換成s域的代數(shù)方程。再通過代數(shù)運(yùn)算求出變量為s的代數(shù)方程解。最后通過拉氏反變換得到變量為t的原函數(shù)的解。    數(shù)學(xué)上將時(shí)域原函數(shù)f（t）的拉氏變換定義為如下積分：    而拉氏逆變

8、換則記為    實(shí)際應(yīng)用中并不需要對(duì)原函數(shù)逐一作積分運(yùn)算，與查對(duì)數(shù)表相似，查拉氏變換表（表1）即可求得。    拉氏變換在解微分方程過程中有如下幾個(gè)性質(zhì)或定理：    （1）線性性質(zhì)    設(shè)則有    式中 B任意常數(shù)。    （2）迭加原理        這一性質(zhì)極為重要，它

9、使我們可以不作拉氏逆變換就能預(yù)料系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)行為。    （6）初值定理    微分方程表征了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，它在經(jīng)過拉氏變換后生成了代數(shù)方程，仍然表征了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。    如果所有起始條件為零，設(shè)系統(tǒng)（或元件）輸出y(t)的拉氏變換為Y（s）和輸入x（t）的拉氏變換為X（s），則經(jīng)過代數(shù)運(yùn)算得（1）    G（s）為一個(gè)以s為變量的函數(shù)，我們稱這個(gè)函數(shù)為系統(tǒng)（或元件）的傳遞函數(shù)。故系統(tǒng)（或元件）的動(dòng)態(tài)特性也可用其傳遞函數(shù)來表示。傳遞

10、函數(shù)是經(jīng)典控制理論中一個(gè)重要的概念。    用常系數(shù)線性微分方程表示的系統(tǒng)（或元件），在初始條件為零的條件下，經(jīng)拉氏變換后，微分方程中n階的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)相應(yīng)地變換為sn項(xiàng)，而系數(shù)不變。即拉氏變換后所得代數(shù)方程為一系數(shù)與原微分方程相同，以sn代替n階導(dǎo)數(shù)的多項(xiàng)式，移項(xiàng)后就是其傳遞函數(shù)。故一個(gè)系統(tǒng)（或元件）的傳遞函數(shù)極易求得。表1 拉氏變換表（部分） 原函數(shù)（t）拉氏變換函數(shù)F（s）原函數(shù)圖形（t0）1單位脈沖函數(shù)（t）= 12單位階躍函數(shù)=1(t0)=0(t0)3t4tn56（1-）7sint8cost9sin（t+）10cos（t+）11cosbt1

11、2131415sinht16cosht    例 如圖3所示為一個(gè)質(zhì)量-彈性-油阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)的力平衡微分方程為（2）    式中  M質(zhì)量；          x質(zhì)量的位移；         BC阻尼系數(shù)；         k彈簧剛度。 圖3 質(zhì)

12、量-彈性-油阻尼系統(tǒng)    經(jīng)拉氏變換得 （3）    寫成傳遞函數(shù)為（4）方框圖及其等效變換    圖4 所示是一種文字形式的方框圖，它表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各元件的功用及它們之間的相互連結(jié)和信號(hào)傳遞線路。這種方框圖又稱作結(jié)構(gòu)方框圖。另一種方框圖即“函數(shù)方塊圖”，就是將元件或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)寫在相應(yīng)的方框中，用箭頭線將這些方框連接起來，如圖4所示。指向方框圖的箭頭表示對(duì)其輸入信號(hào)；從方框圖出來的箭頭表示輸出。圖中圓圈表示比較點(diǎn)，亦稱加減點(diǎn)，它對(duì)二個(gè)以上信號(hào)根據(jù)其正、負(fù)進(jìn)行代

13、數(shù)運(yùn)算。同一信號(hào)線上的各引出信號(hào)，數(shù)值與性質(zhì)完全相同。方框圖輸出信號(hào)的因次，等于輸入信號(hào)的因次與方程中傳遞函數(shù)因次的乘積。 圖4 系統(tǒng)方框圖1輸入信號(hào)；2比較點(diǎn)；3引出信號(hào)；4輸出信號(hào)    方框圖等效變換、簡(jiǎn)化法則見表2。表2 方塊圖變換法則序號(hào)原方塊圖等效方塊圖1234567891011121314電液伺服閥    電液伺服閥    電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件，它能夠把微小的電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓能（流量和壓力）輸出。它的性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的

14、影響很大。因此，它是電液控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。為了能夠正確設(shè)計(jì)和使用電液控制系統(tǒng)，必須掌握不同類型和性能的電液伺服閥。    伺服閥輸入信號(hào)是由電氣元件來完成的。電氣元件在傳輸、運(yùn)算和參量的轉(zhuǎn)換等方面既快速又簡(jiǎn)便，而且可以把各種物理量轉(zhuǎn)換成為電量。所以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛使用電氣裝置作為電信號(hào)的比較、放大、反饋檢測(cè)等元件；而液壓元件具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、功率放大倍率高，線性度好，死區(qū)小，靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可作為電液轉(zhuǎn)換功率放大的元件。因此，在一控制系統(tǒng)中常以電氣為“神經(jīng)”，以機(jī)械為“骨架”，以液壓控制為“肌肉”最大限度地發(fā)揮機(jī)電、液

15、的長(zhǎng)處。    由于電液伺服閥的種類很多，但各種伺服閥的工作原理又基本相似，其分析研究的方法也大體相同，故今以常用的力反饋兩級(jí)電液伺服閥和位置反饋的雙級(jí)滑閥式伺服閥為重點(diǎn)，討論它的基本方程、傳遞函數(shù)、方塊圖及其特性分析。其它伺服閥只介紹其工作原理，同時(shí)也介紹伺服閥的性能參數(shù)及其測(cè)試方法。電液伺服閥的組成    電液伺服閥在電液控制系統(tǒng)中的地位如圖27所示。電液伺服閥包括電力轉(zhuǎn)換器、力位移轉(zhuǎn)換器、前置級(jí)放大器和功率放大器等四部分。    3.1.1 電力轉(zhuǎn)換器 

16、60;  包括力矩馬達(dá)（轉(zhuǎn)動(dòng)）或力馬達(dá)（直線運(yùn)動(dòng)），可把電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為力信號(hào)。    3.1.2 力位移轉(zhuǎn)換器    包括鈕簧、彈簧管或彈簧，可把力信號(hào)變?yōu)槲灰菩盘?hào)而輸出。    3.1.3 前置級(jí)放大器    包括滑閥放大器、噴嘴擋板放大器、射流管放大器。    3.1.4 功率放大器滑閥放大器    由功率放大器輸出的液體流量則具有一

17、定的壓力，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行工作。 圖27 電液控制系統(tǒng)方塊圖電液伺服閥的分類    電液伺服閥的分類    電液伺服閥的種類很多，根據(jù)它的結(jié)構(gòu)和機(jī)能可作如下分類：    1）按液壓放大級(jí)數(shù)，可分為單級(jí)伺服閥、兩級(jí)伺服閥和三級(jí)伺服閥，其中兩級(jí)伺服閥應(yīng)用較廣。    2）按液壓前置級(jí)的結(jié)構(gòu)形式，可分為單噴嘴擋板式、雙噴嘴擋板式、滑閥式、射流管式和偏轉(zhuǎn)板射流式。    3）按反饋形式可分為位置

18、反饋、流量反饋和壓力反饋。    4）按電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置可分為動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式。    5）按輸出量形式可分為流量伺服閥和壓力控制伺服閥。    6）按輸入信號(hào)形式可分為連續(xù)控制式和脈寬調(diào)制式。伺服閥的工作原理    伺服閥的工作原理    下面介紹兩種主要的伺服閥工作原理。    3.3.1力反饋式電液伺服閥    力

19、反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)和原理如圖28所示，無信號(hào)電流輸入時(shí)，銜鐵和擋板處于中間位置。這時(shí)噴嘴4二腔的壓力pa=pb，滑閥7二端壓力相等，滑閥處于零位。輸入電流后，電磁力矩使銜鐵2連同擋板偏轉(zhuǎn)角。設(shè)為順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，則由于擋板的偏移使papb，滑閥向右移動(dòng)?；y的移動(dòng)，通過反饋彈簧片又帶動(dòng)擋板和銜鐵反方向旋轉(zhuǎn)（逆時(shí)針），二噴嘴壓力差又減小。在銜鐵的原始平衡位置（無信號(hào)時(shí)的位置）附近，力矩馬達(dá)的電磁力矩、滑閥二端壓差通過彈簧片作用于銜鐵的力矩以及噴嘴壓力作用于擋板的力矩三者取得平衡，銜鐵就不再運(yùn)動(dòng)。同時(shí)作用于滑閥上的油壓力與反饋彈簧變形力相互平衡，滑閥在離開零位一段距離的位置上定位。這種依靠力矩平衡來

20、決定滑閥位置的方式稱為力反饋式。如果忽略噴嘴作用于擋板上的力，則馬達(dá)電磁力矩與滑閥二端不平衡壓力所產(chǎn)生的力矩平衡，彈簧片也只是受到電磁力矩的作用。因此其變形，也就是滑閥離開零位的距離和電磁力矩成正比。同時(shí)由于力矩馬達(dá)的電磁力矩和輸入電流成正比，所以滑閥的位移與輸入的電流成正比，也就是通過滑閥的流量與輸入電流成正比，并且電流的極性決定液流的方向，這樣便滿足了對(duì)電液伺服閥的功能要求。 圖28  力反饋式伺服閥的工作原理1永久磁鐵；2銜鐵；3扭軸；4噴嘴；5彈簧片；6過濾器；7滑閥；8線圈；9軛鐵    由于采用了力反饋，力矩馬達(dá)基本上在零

21、位附近工作，只要求其輸出電磁力矩與輸入電流成正比（不象位置反饋中要求力矩馬達(dá)銜鐵位移和輸入電流成正比），因此線性度易于達(dá)到。另外滑閥的位移量在電磁力矩一定的情況下，決定于反饋彈簧的剛度，滑閥位移量便于調(diào)節(jié)，這給設(shè)計(jì)帶來了方便。    采用了銜鐵式力矩馬達(dá)和噴嘴擋板使伺服閥結(jié)構(gòu)極為緊湊，并且動(dòng)特性好。但這種伺服閥工藝要求高，造價(jià)高，對(duì)于油的過濾精度的要求也較高。所以這種伺服閥適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)特性好的場(chǎng)合。    力反饋式電液伺服閥的方框圖如圖29。 圖29  力反饋式伺服閥方框圖 

22、   3.3.2 位置反饋式伺服閥    圖30為二級(jí)滑閥式位置反饋伺服閥結(jié)構(gòu)。該類型電液伺服閥由電磁部分，控制滑閥和主滑閥組成。    電磁部分是一只力馬達(dá)，原理如前所述。動(dòng)圈靠彈簧定位。前置放大器采用滑閥式（一級(jí)滑閥）。    如圖所示，在平衡位置（零位）時(shí)，壓力油從P腔進(jìn)入，分別通過P腔槽，閥套窗口，固定節(jié)流孔3、5到達(dá)上、下控制窗口，然后再通過主閥（二級(jí)閥芯）的回油口回油箱。    輸入正向信號(hào)電流

23、時(shí)，動(dòng)圈向下移動(dòng)，一級(jí)閥芯隨之下移。這時(shí)，上控制窗口的過流面積減小，下控制窗口的過流面積增大。所以上控制腔壓力升高而下控制腔的壓力降低，使作用在主閥芯（二級(jí)閥芯）兩端的液壓力失去平衡。主閥芯在這一液壓力作用下向下移動(dòng)。主閥芯下移，使上控制窗口的過流面積逐漸增大，下控制窗口的過流面積逐漸縮小。當(dāng)主閥芯移動(dòng)到上、下控制窗口過流面積重新相等的位置時(shí)，作用于主閥芯兩端的液壓力重新平衡。主閥芯就停留在新的平衡位置上，形成一定的開口。這時(shí)，壓力油由P腔通過主閥芯的工作邊到A腔而供給負(fù)載?；赜蛣t通過B腔，主閥芯的工作邊到T腔回油箱。    輸入信號(hào)電流反向時(shí)，閥的動(dòng)作

24、過程與此相反。油流反向?yàn)镻B，AT。    上述工作過程中，動(dòng)圈的位移量，一級(jí)閥芯（先導(dǎo)閥芯）的位移量與主閥芯的位移量均相等。因動(dòng)圈的位移量與輸入信號(hào)電流成正比，所以輸出的流量和輸入信號(hào)電流成正比。 圖30 位置反饋伺服閥結(jié)構(gòu)1閥體；2閥套；3固定節(jié)流口；4二級(jí)閥芯；5固定節(jié)流口；6一級(jí)閥芯；7線圈；8下彈簧；9上彈簧；10磁鋼    二級(jí)滑閥型位置反饋式伺服閥的方框圖如圖31所示。    該型電液伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，容易維護(hù)，可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)油液清潔

25、度要求不太高。 圖31 位置反饋式電液伺服閥方框圖電液伺服閥的基本特性    3.4.1輸入電流-輸出流量特性    空載時(shí)輸出流量和輸入信號(hào)電流之間的關(guān)系，常用空載流量特性曲線來表示（圖32）。由這一曲線可得到該閥的額定值、線性度、滯環(huán)、流量增益等特性。    額定電流IR在這一電流范圍內(nèi)，閥的輸出流量與輸入信號(hào)電流成正比。    額定空載流量在額定壓力與額定電流下閥的空載流量。    

26、;線性度q-I曲線直線性的度量。 圖32  空載流量特性曲線IR額定電流；q0最大空載流量；tan流量增益    滯環(huán)主要用來表明信號(hào)電流改變方向時(shí)，由摩擦力、磁滯等原因使I-q曲線不重合的程度。常以曲線上同一流量下電流最大差值Imax與閥的額定電流IR之比來表示。    流量增益qL與I之比值，即q-I曲線的平均斜率。    3.4.2 壓力增益特性    在一定供油壓力下，在輸入電流I和負(fù)載壓力pL=p1p2曲線

27、上，比值pL/I稱為壓力增益。當(dāng)負(fù)載流量保持為零時(shí)，在零位（中間平衡位置）附近的壓力增益稱為零位壓力增益。零位壓力增益與主滑閥的開口形式有關(guān)，以零開口形式最高。提高供油壓力ps也可提高零位壓力增益。但這一特性主要與閥的制造質(zhì)量有關(guān)。提高零位壓力增益，對(duì)于減小不靈敏區(qū)、提高精度有作用，但對(duì)穩(wěn)定性起相反的作用。圖33是零開口伺服閥的零位壓力增益特性曲線。 圖33 零位壓力增益特性曲線    3.4.3 負(fù)載壓力、流量特性    這一特性往往是選用伺服閥的主要依據(jù)。圖34即為負(fù)載壓力-流量特性曲線。 

28、   3.4.4 對(duì)數(shù)頻率特性    它表示電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性。幅頻曲線中一3dB時(shí)頻率為該閥的頻寬。其值越大則該閥的工作頻率范圍越大。對(duì)數(shù)頻率特性也是分析伺服系統(tǒng)動(dòng)特性以及設(shè)計(jì)、綜合電液伺服系統(tǒng)的依據(jù)。圖35即為閥的對(duì)數(shù)頻率特性曲線。    3.4.5 零飄與零偏    伺服閥由于供油壓力的變化和工作油溫度的變化而引起的零位（QL=pL=0的幾何位置）變化稱為零飄。零飄一般用使其恢復(fù)位所需加的電流值與額定電流值之比來衡量。這一比值越小越好。另

29、外，由于制造、調(diào)整、裝配的差別，控制線圈中不加電流時(shí)，滑閥不一定位于中位。有時(shí)必須加一定的電流才能使其恢復(fù)中位（零位）。這一現(xiàn)象稱為零偏。零偏以使閥恢復(fù)零位所需加之電流值與額定電流值之比來衡量。 圖34  負(fù)載壓力-流量特性曲線 圖35  對(duì)數(shù)頻率特性曲線    3.4.6 不靈敏度    由于不靈敏區(qū)的存在，伺服閥只有在輸入信號(hào)電流達(dá)一定值時(shí)才會(huì)改變狀態(tài)。使伺服閥發(fā)生狀態(tài)變化的最小電流與額定電流之比稱為不靈敏度。其值愈小愈好。液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)  

30、0; 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)

31、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

32、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)一個(gè)好的控制系統(tǒng)，必須充分

33、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

34、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；    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   

35、 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)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&

36、#160; 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

37、統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)特性。此外，動(dòng)力元件參數(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

38、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?#160;   4.3.2 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

39、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=pLA；         pL伺服閥工作壓力；  

40、;       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

41、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

42、出特性曲線從外側(cè)完全包圍負(fù)載軌跡曲線，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   

43、;  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   

44、; 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)

45、，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，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)

46、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?？扇?5%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。 

47、;   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