第四章機(jī)液伺服系統(tǒng)

第4章機(jī)液伺服系統(tǒng)本章摘要

概念：由機(jī)械反饋裝置和液壓動(dòng)力元件所組成的反饋控制系統(tǒng)稱為機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)。主要用來：進(jìn)行位置控制，也可以用來控制其它物理量，如原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制等。第4章機(jī)液伺服系統(tǒng)本章摘要

機(jī)液位置伺服系統(tǒng)(掌握：數(shù)學(xué)模型建立、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、補(bǔ)償和校正的方法）結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響(實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響）動(dòng)壓反饋裝置（掌握：動(dòng)壓反饋裝置如何改變系統(tǒng)的阻尼系數(shù)的）液壓轉(zhuǎn)矩放大器

由液壓放大元件和液壓執(zhí)行元件所組成的液壓動(dòng)力元件，實(shí)際上就是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。如果將液壓執(zhí)行元件的輸出位移量與指令信號(hào)相比較后的誤差信號(hào)再控制液莊放大元件，就是閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

也就是說，在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，通過負(fù)反饋裝置—即比較元件+測(cè)量反饋元件就可以構(gòu)成閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)。第4章機(jī)液伺服系統(tǒng)

將輸入量與反饋量比較后的誤差信號(hào)對(duì)輸出量不斷調(diào)整以求減少誤差的系統(tǒng)稱隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。如果比較反饋元件由機(jī)械元件充當(dāng)，則稱為“機(jī)液伺服系統(tǒng)”，以區(qū)別于電反饋系統(tǒng)。

“機(jī)液伺服系統(tǒng)”廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)舵面控制、火炮瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)操縱、車輛轉(zhuǎn)向控制、仿形機(jī)床以及伺服變量泵等處。

第4章機(jī)液伺服系統(tǒng)第4章機(jī)液伺服系統(tǒng)4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋-----典型機(jī)液伺服系統(tǒng)）

－、工作原理及傳遞函數(shù)

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、易維修XPXi升力阻力飛機(jī)舵機(jī)液控制系統(tǒng)上應(yīng)用pS飛機(jī)舵機(jī)指令位移比較杠桿舵機(jī)位移XPXV-杠桿比較XP手XiX1X2比較反饋原理X1指令baXi舵機(jī)位移-X2XPabXPXi舵機(jī)位移XV手動(dòng)XV=X1-X24.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

指令液壓動(dòng)力元件擾動(dòng)液壓缸飛機(jī)舵機(jī)XPXV伺服閥液壓能源pS飛機(jī)舵機(jī)XV文字方框圖XPXi比較杠桿舵機(jī)位移手動(dòng)ab-杠桿比較Xi比較元件要求：1）與指令元件相連（手）2）與被控對(duì)象相連（舵機(jī)）3）與放大元件相連（閥芯）

－、工作原理及傳遞函數(shù)

指令液壓動(dòng)力元件擾動(dòng)液壓缸飛機(jī)舵機(jī)XPXV伺服閥液壓能源-杠桿比較Xi由第三章分析，假設(shè)沒有彈性負(fù)載液壓缸活塞的輸出位移是：

－、工作原理及傳遞函數(shù)

動(dòng)力元件-杠桿比較Xi閥控缸傳遞函數(shù)指令液壓動(dòng)力元件擾動(dòng)液壓缸飛機(jī)舵機(jī)XPXV伺服閥液壓能源-杠桿比較Xi

－、方框圖及傳遞函數(shù)

動(dòng)力元件-杠桿比較Xi開環(huán)傳遞函數(shù)

一、工作原理及傳遞函數(shù)

開環(huán)傳遞函數(shù)4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

開環(huán)傳遞函數(shù)4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

1、開環(huán)傳遞函數(shù)中：低頻段曲線斜率是-20dec分貝；2、高頻時(shí)由于加二階振蕩環(huán)節(jié)，曲線曲線斜率是-60dec分貝；在低頻穿越頻率時(shí)，相位裕量γ＝180°+φ（wc）3、當(dāng)頻率升高到液壓固有頻率，幅頻曲線出現(xiàn)諧振位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)相角是-180°4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）

系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：相角裕量γ大于零，γ＝180°+φ(wc)一般要求：γ＝30°～60°幅值裕量Kg大于零，Kg＝－L（wg）（dB)，一般要求Kg＞6dB從博德圖中可得：

Kv≈wc影響機(jī)液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素：1系統(tǒng)開環(huán)增益（↓）2積分環(huán)節(jié)（Ⅰ型系統(tǒng)穩(wěn)定性好、Ⅱ差、Ⅲ難以穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中盡量不要出現(xiàn)第2個(gè)積分環(huán)節(jié)）3系統(tǒng)固有頻率和阻尼比（↑）4延時(shí)環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié)：（會(huì)給系統(tǒng)帶來滯后，從而減小相角儲(chǔ)備降低穩(wěn)定性，例反饋機(jī)械加彈簧機(jī)構(gòu)，則延時(shí)響應(yīng)，降低穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減小延時(shí)環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié)）4.1外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)幅值穩(wěn)定性裕量：系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件控制理論中所討論的穩(wěn)定性是指自由振蕩下的穩(wěn)定性，即討論輸入線性定常系統(tǒng)為零而初始偏差不為零時(shí)，自由振蕩是收斂的還是發(fā)散的。線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：是特征方程的根具有負(fù)實(shí)部；或者說系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)均位于復(fù)平面的左半部。穩(wěn)定判據(jù)：（1）勞斯判據(jù)：是一種代數(shù)判據(jù)（2）乃氏判據(jù)：是一種幾何判據(jù)（3）對(duì)數(shù)頻率特性的穩(wěn)定判據(jù)即利用開環(huán)系統(tǒng)的波德圖來判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二、穩(wěn)定性分析

Routh穩(wěn)定判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件…設(shè)系統(tǒng)特征方程為各項(xiàng)除以an并分解因式…

…

……

………

………

…

……

…..二、穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件系統(tǒng)特征方程式的系數(shù)按下列形式排列成Routh表

……

……….……

…….………二、穩(wěn)定性分析

機(jī)液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)定裕量

在不考慮外干擾力FL的影響時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為由開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，就可以進(jìn)行機(jī)液伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)分析

該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

二、穩(wěn)定性分析

機(jī)液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)和穩(wěn)定裕量

其特征方程為Routh表如下……….系統(tǒng)的頻域指標(biāo)

:

1、開環(huán)頻域指標(biāo)：穿越頻率：wc

(又稱增益交界頻率）。指開環(huán)波德圖上幅頻特性的幅值（增益）L=0處的頻率值。相位裕量γ：指在wc處[開環(huán)剪切（穿越）頻率]的開環(huán)相頻特性與－180°線的相位差，即γ＝180°+φ(wc)。一般要求：γ＝30°～60°幅值裕量Kg：又稱增益裕量。指在相位等于－180°時(shí)的頻率處

wg處（稱相位交界頻率）幅頻特性幅值的相反數(shù)，即Kg＝－L（wg）（dB)，一般要求Kg＞6dB。

系統(tǒng)的頻域指標(biāo)

2、閉環(huán)頻域指標(biāo)：諧振頻率：wγ

。指閉環(huán)波德圖上的幅值（增益）為最大Lmax處的頻率值。一般要求wγ

＞300rad/s。諧振峰值Mγ：指對(duì)應(yīng)于Lmax的閉環(huán)頻率特性的幅值，一般要求Mγ＜1.04閉環(huán)截止頻率wb：指閉環(huán)波德圖上,當(dāng)幅值特性的增益值下降到零頻率處增益值以下3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。相應(yīng)0～wb稱為系統(tǒng)頻寬。一般要求wb

＝0～400rad/s。系統(tǒng)頻寬有時(shí)稱幅頻寬，用w-3dB

表示。-90°帶寬w-90°

。指在閉環(huán)波德圖上，零頻率到相頻特性＝-90°處所對(duì)應(yīng)頻率的頻率范圍，一般要求w-90＝0～350rad/s。帶寬w-90

有時(shí)稱相頻寬二、穩(wěn)定性分析

一般取

這時(shí)位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是

0.1-0.2

為了防止系統(tǒng)中元件參數(shù)變化的影響，應(yīng)保證穩(wěn)定性有一定的儲(chǔ)備，稱為穩(wěn)定裕度。它又分幅值裕度和相位裕度.幅值裕度:相位裕度:一般，相位角40o～60o，幅值裕量要大于6dB,即可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。穿越頻率相位裕量30°～60°幅值裕量二、穩(wěn)定性分析

幅值穩(wěn)定性裕量

1二、穩(wěn)定性計(jì)算舉例

由Routh判據(jù)知，穩(wěn)定性條件為

193.7<2×791×0.3=474.6，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。二、穩(wěn)定性計(jì)算舉例

手工繪制Bode圖時(shí)，一般取

4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響一、基本方程與傳遞函數(shù)：以往系統(tǒng)分析忽略了結(jié)構(gòu)柔度，采用集中參數(shù)法，忽略了各個(gè)子系統(tǒng)之間連接的柔度，實(shí)際上應(yīng)采用分布參數(shù)法，考慮個(gè)體差異，重點(diǎn)考慮子系統(tǒng)連接彈簧對(duì)系統(tǒng)柔度性的影響注：三大方程：1、閥的能量方程、2、缸的能量方程-----解決流量參數(shù)問題（Q)

3、負(fù)載的受力方程------解決壓力的參數(shù)問題(P)4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響一、基本方程與傳遞函數(shù)：KS1—液壓缸缸體的固定剛度KS2—液壓缸缸體的固定剛度4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響一、基本方程與傳遞函數(shù)：4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響負(fù)載經(jīng)過等效以后的質(zhì)量固定結(jié)構(gòu)的固有頻率連接結(jié)構(gòu)的固有頻率結(jié)構(gòu)諧振頻率---------見P714.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響特性由結(jié)構(gòu)剛度KS2決定，含有二階振蕩環(huán)節(jié)，且阻尼比為0決定特性的是綜合固有頻率和阻尼比，二階微分環(huán)節(jié)的存在，對(duì)諧振峰值有個(gè)抵消作用4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響不同的環(huán)節(jié)留在系統(tǒng)中的頻率不同；影響穩(wěn)定性和帶寬的頻率是各環(huán)節(jié)中最小幅值頻率。結(jié)論：1、結(jié)構(gòu)剛度和負(fù)載質(zhì)量構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)諧振系統(tǒng)，且與液壓耦合成液壓—機(jī)械綜合諧振系統(tǒng)。2、綜合剛度本身是液壓彈簧剛度和結(jié)構(gòu)剛度串聯(lián)后的剛度，所以綜合諧振頻率要比液壓固有頻率和結(jié)構(gòu)諧振頻率都低。即：對(duì)于一個(gè)考慮結(jié)構(gòu)柔度系統(tǒng)，其頻率由其剛度決定，是液壓剛度和結(jié)構(gòu)剛度綜合在一起后得到的剛度值，這些剛度值在液壓系統(tǒng)中實(shí)際是通過串聯(lián)的方式共同工作的。通過串聯(lián)，綜合剛度是最低的，其綜合頻率是很低的。3、結(jié)構(gòu)剛度是結(jié)構(gòu)柔度的倒數(shù)-----這是結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響活塞位移Xp對(duì)閥芯位移Xv的傳遞函數(shù)為：4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響檢測(cè)量是負(fù)載端面取出的4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響二階微分環(huán)節(jié)的存在，對(duì)諧振峰值有個(gè)抵消作用，頻率曲線變b曲線。4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響提高綜合諧振頻率和綜合阻尼比的方法由于結(jié)構(gòu)柔度的影響，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)諧振與液壓諧振的耦合，使系統(tǒng)出現(xiàn)了一個(gè)頻率低、阻尼小的綜合諧振。1、提高綜合諧振頻率的途徑：1）提高結(jié)構(gòu)諧振頻率。提高結(jié)構(gòu)剛度KS，減少負(fù)載質(zhì)量ML（或慣量），可以提高結(jié)構(gòu)諧振頻率；2）增大執(zhí)行元件到負(fù)載的傳動(dòng)比，傳動(dòng)比增大使折算到執(zhí)行元件輸出端的等效負(fù)載質(zhì)量（或等效負(fù)載慣量）減少，提高了液壓固有頻率，從而提高了綜合諧振頻率。3）若負(fù)載結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，可以通過提高液壓彈簧剛度來提高液壓固有頻率。

2、提高綜合阻尼比的途徑綜合阻尼比主要是由閥提供，可以采用增大和的辦法來提高。對(duì)于這種共振性的負(fù)載，更常用的辦法是在液壓缸兩腔之間連接一個(gè)機(jī)液瞬態(tài)壓力反饋網(wǎng)絡(luò)，或采用壓力反饋或動(dòng)壓反饋伺服閥。在系統(tǒng)中附加電的壓力反饋或壓力微分反饋網(wǎng)絡(luò)也可起到同樣的作用。

4.3動(dòng)壓反饋裝置

主要內(nèi)容：4.3動(dòng)壓反饋裝置

液壓伺服系統(tǒng)往往是欠阻尼（0.1—0.2），優(yōu)良系統(tǒng)為0.6-0.8，液壓阻尼比小直接影響到的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和精度。因此提高阻尼比，對(duì)改善系統(tǒng)性能是十分重要的。

可以采取的方法：1）在液壓缸兩腔之間設(shè)置旁路泄漏通道，2）采用正開口滑閥都可以增加系統(tǒng)的阻尼，但增加了功率損失，降低了系統(tǒng)的靜剛度。

采用動(dòng)壓反饋可以有效地提高阻尼比，而又避免了上述缺點(diǎn)。因此動(dòng)壓反饋是液壓系統(tǒng)中最常用的增加阻尼的方法。4.3動(dòng)壓反饋裝置4.3動(dòng)壓反饋裝置4.3動(dòng)壓反饋裝置4.3動(dòng)壓反饋裝置三大基本方程：4.3動(dòng)壓反饋裝置4.3動(dòng)壓反饋裝置下面分析：由液阻和彈簧活塞蓄能器組成的動(dòng)壓反饋裝置對(duì)伺服系統(tǒng)性能的改善情況。分析液壓缸與負(fù)載的力平衡方程時(shí)，為了說明動(dòng)壓反饋的作用，故假定負(fù)載只有慣性力。4.3動(dòng)壓反饋裝置4.3動(dòng)壓反饋裝置P75,當(dāng)活塞面積增加，液阻系數(shù)和彈簧剛度降低，時(shí)間常數(shù)增加，增加阻尼比，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。4.3動(dòng)壓反饋裝置注意：只考慮慣性負(fù)載三、傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化液壓固有頻率不變：液壓阻尼比：注意：阻尼比增加一項(xiàng)，增加了阻尼比：附加阻尼比：由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，壓力無變化，不存在壓力微分環(huán)節(jié)，，附加阻尼比為零：措施：可以使總流量壓力系數(shù)盡量地小，以便提高系統(tǒng)的靜剛度，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性可由動(dòng)壓反饋裝置來保證，這就可以同時(shí)滿足靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩方面的要求為使阻尼比在0.5-0.8，相頻不變，則：趨向于04.4液壓轉(zhuǎn)矩放大器

液壓轉(zhuǎn)矩放大器結(jié)構(gòu)原理圖1－滑閥2－螺桿3－反饋螺母4－液壓馬達(dá)

液壓轉(zhuǎn)矩放大器由步進(jìn)電機(jī)通過加速齒輪驅(qū)動(dòng)，就構(gòu)成了電液步進(jìn)馬達(dá)。轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖數(shù)成比例；轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成比例。電液步進(jìn)馬達(dá)在開環(huán)數(shù)字程序控制機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用5.5液壓轉(zhuǎn)矩放大器

方框圖及傳遞函數(shù)

開環(huán)傳遞函數(shù)為----輸入轉(zhuǎn)角t

----螺桿導(dǎo)程。

從而可進(jìn)行穩(wěn)定性及誤差分析閉環(huán)傳遞函數(shù)

5.5液壓轉(zhuǎn)矩放大器

小結(jié)

第三章中所討論的閥控缸，閥控馬達(dá)及泵控馬達(dá)等都是開環(huán)控制。這一章講的是在開環(huán)動(dòng)力元件的基礎(chǔ)上，加上反饋裝置后就組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用機(jī)械反饋元件的系統(tǒng)稱為機(jī)液控制。

分析機(jī)液系統(tǒng)時(shí)，首先要分析其工作原理。先必須從實(shí)際系統(tǒng)中找出比較元件，弄清比較方式，明確指令信號(hào)和被控對(duì)象；然后研究閥、缸（動(dòng)力元件）的類型，在此基礎(chǔ)上就可以建立全部基本方程，由基本方程即可求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。有了傳遞函數(shù)，就可以按照制理論分析其靜態(tài)動(dòng)態(tài)品質(zhì)。小結(jié)

機(jī)液伺服系統(tǒng)工作可靠。但是，如果設(shè)計(jì)時(shí)各參數(shù)選擇不