第 6 章 電液速度控制系統(tǒng)

1、第 6 章 電液速度控制系統(tǒng)主要介紹速度控制系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方式， 電液速度控制的特性分析及校正，要求熟練掌握速度控制的特性分析及其校正方法等速度控制回路6.1電液速度控制系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方式 液壓速度控制系統(tǒng)通常有液壓缸輸出速度控制系統(tǒng)和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)兩種 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)分為： 閥控液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)、 泵控液壓馬達(dá)開環(huán)速度控制系統(tǒng)、 泵控液壓馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)、 位置開環(huán)泵控液壓馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)1、閥控液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)控制信號偏差電壓積分放大器伺服閥液壓馬達(dá)負(fù)載VVA3/ms/rad s流量角速度速度傳感器控制電流閥控液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)2、泵控液壓馬達(dá)開環(huán)速度控制

2、系統(tǒng)3、泵控液壓馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)4、位置開環(huán)泵控液壓馬達(dá)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)6.2電液速度控制系統(tǒng)的分析 6.2.1 速度控制系統(tǒng)的方塊圖及傳遞函數(shù) 在這里以閥控液壓馬達(dá)為例展開討論，假定系統(tǒng)只有慣性負(fù)載，而彈性負(fù)載、粘性負(fù)載均為零 馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)角速度對閥位移的傳遞函數(shù)為： 忽略伺服閥、伺服放大器等電器元件的動態(tài)時，閥控液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)方塊圖。22/21qmmhvhhKDsXseaK221/2(1)mhhhDssmmsvKfKVVV伺服放大器伺服閥馬達(dá)和負(fù)載速度傳感器速度控制信號 開環(huán)傳遞函數(shù)為 速度系統(tǒng)開環(huán)增益 閉環(huán)傳遞函數(shù)為022( )21hhhKG sss01easvfmKK K KD

3、202220( )2hhhhhKsssK 6.2.2 速度控制系統(tǒng)的分析 由開環(huán)傳遞函數(shù)可知，該系統(tǒng)為零型有差系統(tǒng)，輸出速度偏差隨速度的增大而增大，這說明不能由位置系統(tǒng)簡單地用速度反饋來實(shí)現(xiàn)速度控制，這不但存在速度偏差的問題，還可能使系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定或穩(wěn)定裕量較小。Frequency (rad/sec)-50050From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 917 Magnitude (dB): -0

4、.0146 101102103104-180-135-90-450Phase (deg) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 915 Phase (deg): -177 00.050.10.150.20.250.300.20.40.60.811.21.41.61.82Step Responset/ (sec)角速度/V6.2.3. 速度控制系統(tǒng)的校正 1、無源網(wǎng)絡(luò)校正 最簡單的校正方法是在伺服閥前面加入一個RC滯后無源網(wǎng)絡(luò)，其工作原理圖如圖傳遞函數(shù)為0111iEsE111RCT 則經(jīng)過R

5、C無源網(wǎng)絡(luò)校正后的速度控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 若速度控制系統(tǒng)所需的剪切頻率 已知，則 有：0221( )2(1)(1)hhhKG ssssc01lglglgcKT0cKT 設(shè)液壓速度控制系統(tǒng)，其特征參數(shù) ， ， 。所需的剪切頻率為 ，試確定RC無源網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù) 或轉(zhuǎn)折頻率 ，并求該速度控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性及階躍響應(yīng)曲線。 解：根據(jù)所需的剪切頻率 及速度開環(huán)增益 ， 可得： 速度控制系統(tǒng)通過RC無源網(wǎng)絡(luò)校正后的開環(huán)頻率傳遞函數(shù)為200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)2002

6、00G ssss 設(shè)液壓速度控制系統(tǒng)，其特征參數(shù) ， ， 。所需的剪切頻率為 ，試確定RC無源網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù) 或轉(zhuǎn)折頻率 ，并求該速度控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性及階躍響應(yīng)曲線。 解：根據(jù)所需的剪切頻率 及速度開環(huán)增益 ， 可得： 速度控制系統(tǒng)通過RC無源網(wǎng)絡(luò)校正后的開環(huán)頻率傳遞函數(shù)為200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 設(shè)液壓速度控制系統(tǒng)，其特征參數(shù) ， ， 。所需的剪切頻率為 ，試確定RC無源網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù) 或轉(zhuǎn)折頻率 ，并求該速度控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性

7、及階躍響應(yīng)曲線。 解：根據(jù)所需的剪切頻率 及速度開環(huán)增益 ， 可得： 速度控制系統(tǒng)通過RC無源網(wǎng)絡(luò)校正后的開環(huán)頻率傳遞函數(shù)為200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 設(shè)液壓速度控制系統(tǒng)，其特征參數(shù) ， ， 。所需的剪切頻率為 ，試確定RC無源網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù) 或轉(zhuǎn)折頻率 ，并求該速度控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性及階躍響應(yīng)曲線。 解：根據(jù)所需的剪切頻率 及速度開環(huán)增益 ， 可得： 速度控制系統(tǒng)通過RC無源網(wǎng)絡(luò)校正后的開環(huán)頻率傳遞函數(shù)為200rad/sh0.1h020

8、 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 設(shè)液壓速度控制系統(tǒng)，其特征參數(shù) ， ， 。所需的剪切頻率為 ，試確定RC無源網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù) 或轉(zhuǎn)折頻率 ，并求該速度控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性及階躍響應(yīng)曲線。 解：根據(jù)所需的剪切頻率 及速度開環(huán)增益 ， 可得： 速度控制系統(tǒng)通過RC無源網(wǎng)絡(luò)校正后的開環(huán)頻率傳遞函數(shù)為200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 該速度

9、控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型Frequency (rad/sec)-150-100-50050From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 20 Magnitude (dB): 0.0647 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 202 Magnitude (dB): -6.5 10-2

10、10-1100101102103104-270-180-900Phase (deg) System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 200 Phase (deg): -180 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 20 Phase (deg): -88.3 Step Responset/ (sec)角速度/V00.050.10.150.20.250.300.10.20.30.40.50.6

11、0.70.80.91From: Input Point To: Output Point2、有源網(wǎng)絡(luò)校正 有源校正網(wǎng)絡(luò)，它由高增益、高輸入阻抗、寬頻帶的直流放大器與外加輸入阻抗和反饋?zhàn)杩箻?gòu)成。 其輸入輸出之間的傳遞函數(shù)為 積分常數(shù)：1oiEETsTRC 通過積分放大器校正后的速度控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 根據(jù)傳遞函數(shù)的頻率特性，可知 ，即積分放大器的時間常數(shù)為22( )2(1)hhhKG ssss0KKT0cKKT0cKT 設(shè)液壓速度控制系統(tǒng)，其特征參數(shù) ， ， 。所需的剪切頻率為 ，試確定試確定積分放大器時間常數(shù) ，并給出速度控制系統(tǒng)通過有源網(wǎng)絡(luò)積分放大器校正后的開環(huán)頻率特性及階躍響應(yīng)曲線。

12、 解：根據(jù)希望的剪切頻率 可求得積分常數(shù)200rad/sh0.1h020 1/sK 20/crad s20/crad s020120cKT020201KKT 通過積分校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為2220( )0.2(1)200200G ssss-150-100-50050Magnitude (dB)101102103104-270-225-180-135-90Phase (deg)Gm = 6.02 dB (at 200 rad/sec) , Pm = 88.8 deg (at 20.2 rad/sec)Frequency (rad/sec)Step Responset/ (sec)角速度/V00.

13、050.10.150.20.250.300.20.40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point6.3電液速度控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)舉例 例6.3 設(shè)電液速度控制系統(tǒng)，試分析該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過加入積分校正使系統(tǒng)具有剪切頻率 20.21.41350350ssmm2伺服放大器伺服閥馬達(dá)和負(fù)載速度傳感器速度控制信號22400011576576ss0.05R齒輪傳動1.25100/crad s 解：SIMULINK仿真模型如下圖所示Frequency (rad/sec)-150-100-50050From: Input Point To: Outpu

14、t PointMagnitude (dB) System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 469 Magnitude (dB): 34.9 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 1.44e+003 Magnitude (dB): 0.133 101102103104105-360-270-180-900Phase (deg) System: untitled_1 I/O: Input Po

15、int to Output Point Frequency (rad/sec): 469 Phase (deg): -180 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 1.44e+003 Phase (deg): -314 Step Responset/ (sec)角速度/V00.511.522.533.5x 10-3012345678From: Input Point To: Output Point 為使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度，采用積分放大器代替原來的比例放大器，根據(jù)系統(tǒng)快速性的要求，取

16、剪切頻率 則可求得積分常數(shù)100/crad s01001100cKTFrequency (rad/sec)-300-200-1000100From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 243 Magnitude (dB): -7.91 System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 101 Magnitud

17、e (dB): 0.0177 101102103104105-540-360-1800Phase (deg) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 243 Phase (deg): -180 System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 101 Phase (deg): -124 Step Responset/ (sec)角速度/V00.010.020.030.040.050.0600.20.

18、40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point System: y616_1 I/O: Input Point to Output Point Time (sec): 0.0175 Amplitude: 1 例6.4 具有彈性負(fù)載的液壓速度控制系統(tǒng)，如果忽略伺服放大器、伺服閥、位置傳感器的動態(tài)，可用下圖所示的方塊圖描述。試分析該系統(tǒng)當(dāng) 、 、 、 時的動態(tài)特性，并加入適當(dāng)?shù)男Ｕb置，使系統(tǒng)能穩(wěn)定正常地工作并要求其穩(wěn)態(tài)誤差為零。0401/sK 10rad/sr0100rad/s00.1 解：其開環(huán)傳遞函數(shù)為 可畫出當(dāng) 時的SIMULINK仿真模型

19、2240( )0.2(1)(1)10100100sG ssssFrequency (rad/sec)-50050100From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 100 Magnitude (dB): 65.7 10-1100101102103-180-90090Phase (deg) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Freque

20、ncy (rad/sec): 100 Phase (deg): -84.1 Step Responset/ (sec)速度/V05010015020025000.20.40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point 系統(tǒng)階躍響應(yīng)隨時間的加大很快衰減為零，系統(tǒng)不能正常工作。為使系統(tǒng)能穩(wěn)定正常地工作，可以在伺服閥前加入兩個積分放大器進(jìn)行校正，加入積分校正后的速度控制系統(tǒng)的仿真模型Frequency (rad/sec)-200-150-100-50050100From: Input Point To: Output PointMagnitude (d

21、B) System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 19.2 Magnitude (dB): -0.05 System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 58.5 Magnitude (dB): -15.2 10-1100101102103-360-270-180-90Phase (deg) System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad

22、/sec): 58.3 Phase (deg): -180 System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 19.1 Phase (deg): -155 Step Responset/ (sec)速度/V00.511.522.500.511.5From: Input Point To: Output Point 例6.5 設(shè)有閥控液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，其工作原理圖如圖所示。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為；負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 ，最大負(fù)載扭矩 ，馬達(dá)轉(zhuǎn)速范圍為 ，供油壓力為 ，速度傳感器系數(shù) ，試設(shè)計(jì)該速度控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)跟蹤

23、誤差小于 ，系統(tǒng)過渡過程時間 。 20.5Kg mJ 60N mLT 188.41256/minnrad560 10 Pasp 0.2V s/radTK 1%0.9secst 解：取最大負(fù)載壓力為 馬達(dá)排量為 選取已有的馬達(dá)，其排量為 伺服閥流量為 閥壓降5240 10 Pa3Lspp5353526.28 609.42 10 m /r1.5 10 m /rad40 10LmLTDp531.63 10 m /radmD533max1256 1.63 1020.4 10 m /minmQnD5120 10 Pa3svsLspppp 選擇QDY1_C63型伺服閥，該閥額定電流為0.03A，當(dāng)供油壓力

24、 時，其空載流量為 ，閥的固有頻率為340rad/s ，阻尼比為 0.7。伺服閥增益為 伺服閥的傳遞函數(shù)為5137 10 Pasp 331.05 10 m /s3301.05 100.035m /(s A)0.03svRQKI22220.03521.411340340svsvsvsvKQssIss 設(shè)有效容積為 則閥控液壓馬達(dá)動力機(jī)構(gòu)固有頻率為 則閥控液壓馬達(dá)動力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)為 積分放大器的傳遞函數(shù)為6350 10 mtV86.9 10e28210744 6.9 101.6310171.2rad/s5 100.5emhtDV J5222210.6135 1020.411171.2171.2mm

25、hhhDssQssaKIus 于是可得該速度控制系統(tǒng)方塊圖Frequency (rad/sec)-200-150-100-50050From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 146 Magnitude (dB): -6.67 System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 30.9 Magnitude (dB):

26、0.0324 100101102103104-450-360-270-180-90Phase (deg) System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 147 Phase (deg): -180 System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 30.8 Phase (deg): -102 Step Responset/ (sec)角速度/V00.020.040.060.080.10.120.140.1600.20.

27、40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point 例6.6 設(shè)有泵控液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)給定參數(shù)為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 ，轉(zhuǎn)速范圍 ，最大負(fù)載扭矩 ，供油壓力 。系統(tǒng)精度要求轉(zhuǎn)速偏差1%，上升時間 。235Kg.mJ 12.56753.6/ minnrad450N mLT 9.8MPasp 1.0secrt 解： 1、馬達(dá)的確定 取最大負(fù)載壓力 則馬達(dá)排量為選擇BM3-63擺線馬達(dá)，其參數(shù)如下： 2、液壓泵的確定 選取ZBY-75液控變量泵，其主要參數(shù)為0.6666670.6666667 9.86.533MPaLspp4364500.68888 1

28、0/6.533 10LmLTDmradp6399 10 m /radmD 其主要參數(shù)為：排量 供油壓力 液控時間 液控壓力 控制油缸直徑 行程 面積630119 10/pDmrad20.6MPasp 0.6sec2.94MPaLpp345 10 md324 10 mL 4215.9 10 mA 3、控制液壓泵伺服閥的確定 設(shè)液壓泵流量從零到最大流量之間所用的時間為 0.9sec，則所需調(diào)整的最大流量為 取供油壓力為 則閥壓降為 選QDY2D16伺服閥，其參數(shù)為額定電流為0.01A ，額定壓力為13.7Mpa ，空載流量為 ，則實(shí)際空載流量為3453/24 1015.9 10/0.94.3 10

29、 m /secQLA t5.88spMPa5.882.942.94Mpasvp53010 10 m /secQ430.5.880.655 10 m /sec13.7QQ 4、泵斜盤角位置控制系統(tǒng)方塊圖及其傳遞函數(shù)4230.655 100.655 10 m /sec/A0.01svK1000rad/secsv 閥控液壓缸傳遞函數(shù)由下述確定 斜盤轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量折算到活塞桿的質(zhì)量與活塞質(zhì)量之和為 反饋系數(shù)為2411628.93 1/m15.9 10A43431.141.14 15.9 1024 100.435 10tVALm25.56Kgm 2828444 6.9 1015.9102505rad

30、/s0.435 1025.56ehtAVm1V/mfKFrequency (rad/sec)-200-150-100-50050100From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 949 Magnitude (dB): -10.9 System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 274 Magnitude (dB): 0.0627 101102103104105-540-360-1800Phase (deg) System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 950 Phase (deg): -180 System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency