第六章電液控制系統(tǒng)

第六章電液控制系統(tǒng)第1頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月第六章電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)綜合了電氣和液壓兩方面的特長，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、信號處理和各種參量反饋靈活等優(yōu)點電液伺服系統(tǒng)適合于負(fù)載質(zhì)量大、響應(yīng)速度快的場合，應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和軍事工業(yè)各個領(lǐng)域第2頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.電液伺服系統(tǒng)的類型按控制元件分：閥控、泵控按輸入與輸出關(guān)系分：開環(huán)控制、閉環(huán)環(huán)控制按輸入指令分：模擬伺服系統(tǒng)、數(shù)字伺服系統(tǒng)6.1.1模擬伺服系統(tǒng)全部信號都是模擬量信號可以是直流或交流特點：重復(fù)精度高，分辨力較低（絕對精度低），精度很大程度取決于檢測裝置的精度，微小信號易受噪聲和零漂影響電液伺服系統(tǒng)分類按輸出參量分：位置控制、速度控制、力控制第3頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.電液伺服系統(tǒng)的類型6.1.2數(shù)字伺服系統(tǒng)數(shù)字伺服系統(tǒng)中部分或全部信號是離散參量全數(shù)字系統(tǒng)中動力元件通過數(shù)字閥或電液步進(jìn)馬達(dá)能夠接受數(shù)字量數(shù)?；旌舷到y(tǒng)利用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字指令轉(zhuǎn)換成模擬量輸給控制元件，A/D轉(zhuǎn)換器將輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量反饋到輸入端進(jìn)行比較特點是分辨率高，絕對精度高、受噪聲和零漂影響小第4頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.電液位置伺服系統(tǒng)的分析電液位置伺服系統(tǒng)是最基本和最常用的伺服系統(tǒng)廣泛用于機(jī)床工作臺位置、軋機(jī)板厚、帶材跑偏、飛機(jī)和輪船的舵機(jī)控制，雷達(dá)和火炮控制系統(tǒng)及振動試驗臺等6.2.1系統(tǒng)組成及其傳遞函數(shù)自整角機(jī)作為角差檢測裝置的位置伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)傳遞函數(shù)是各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的組合

自整角機(jī)傳遞函數(shù)：角誤差很小時自整角機(jī)增益為：第5頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.電液位置伺服系統(tǒng)的分析

相敏放大器傳遞函數(shù)：相敏放大器頻響很高，其動態(tài)相對液壓動力元件可忽略，可看成比例環(huán)節(jié)。增益：伺服放大器傳遞函數(shù)：伺服放大器頻響很高，是比例環(huán)節(jié)。增益：伺服閥頻寬3-5倍液壓頻率時，伺服閥可近似為二階振蕩環(huán)節(jié)伺服閥頻寬5-10液壓頻率時，伺服閥可近似為二階振蕩環(huán)節(jié)電液伺服閥傳遞函數(shù)：伺服閥頻寬與液壓頻率相近時，伺服閥可近似為二階振蕩環(huán)節(jié)第6頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.電液位置伺服系統(tǒng)的分析設(shè)不考慮彈性負(fù)載和結(jié)構(gòu)柔度影響，閥控馬達(dá)動態(tài)方程為：式中是齒輪傳動比于是可得系統(tǒng)方框圖伺服閥響應(yīng)較液壓動力元件快得多，可忽略閥的動態(tài)性，看作比例環(huán)節(jié)。系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)簡化為：可得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：式中開環(huán)增益第7頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.電液位置伺服系統(tǒng)的分析6.2.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析簡化后系統(tǒng)方框圖對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)與機(jī)液伺服系統(tǒng)的相同，系統(tǒng)穩(wěn)定條件仍是：通常要求系統(tǒng)有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定余量，相位余量應(yīng)在30o～60o之間，增益余量20lgKg>6db（或Kg>2）Kg是諧振頻率處的幅值比通過適當(dāng)?shù)膮?shù)匹配保證系統(tǒng)的相位余量和增益余量第8頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正電液位置伺服系統(tǒng)性能主要由動力元件參數(shù)ωh和ζh決定單純調(diào)節(jié)增益往往滿足不了系統(tǒng)的全部性能要求，因此就要對系統(tǒng)進(jìn)行校正系統(tǒng)校正注意其特點：液壓位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)通常簡化為一個由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)的組合液壓阻尼比較小，致使增益余量不足而相位余量有余參數(shù)變化大，阻尼比隨工作點變動在很大范圍內(nèi)變化可用滯后校正、速度與加速度反饋校正、壓力反饋和動壓反饋校正進(jìn)行校正第9頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.1滯后校正滯后校正通過提高低頻段增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的條件下，降低高頻段增益保證系統(tǒng)穩(wěn)定性滯后校正由電阻電容組成的無源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)串接在前向通路的相敏放大器和功率放大器之間的直流部分中傳遞函數(shù)為：式中ωrc=1/RC:超前環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率R、C:電阻和電容，α>1:滯后超前比第10頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正由于α>1:滯后時間常數(shù)大于超前時間常數(shù)，網(wǎng)絡(luò)具有純相位滯后特征滯后網(wǎng)絡(luò)是一個低通濾波器，利用它的高頻衰減性，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下提高系統(tǒng)的低頻增益，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能或在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的條件下降低高頻增益保證系統(tǒng)穩(wěn)定性滯后校正利用了高頻衰減特性而非相位滯后在阻尼比小的系統(tǒng)中，提高增益的限制因素是增益余量，而不是相位余量有余前面的電液位置伺服系統(tǒng)加入滯后校正后傳遞函數(shù)成為式中KVC=αKv是校正后的速度增益第11頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正設(shè)計滯后網(wǎng)絡(luò)確定參數(shù)步驟：1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定速度增益Kvc2）利用確定的Kvc畫出伯德圖（曲線2）檢查相位和增益余量是否滿足要求3）不滿足則確定新的增益穿越頻率ωrc使

φc(ωc)=-180o+[γ+(5o～12o)]γ是要求的相位余量，增加5o～12o是為了補(bǔ)償滯后網(wǎng)絡(luò)在ωc引起的相位滯后4）選擇轉(zhuǎn)折頻率ωrc:ωrc=(1/4～1/5)ωc5）由Kvc=αKv=αωc確定α.通常α=10圖中曲線1為校正后幅頻特性第12頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正校正使速度增益提高了α倍，速度誤差減小了α倍回路增益提高，減小了元件參數(shù)變化和非線性因數(shù)影響滯后校正降低了穿越頻率，是穿越頻率附近相位滯后增大。特別是低頻側(cè)相位滯后較大如果低頻相位小于-180o，開環(huán)增益減小時系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定為補(bǔ)償滯后校正網(wǎng)絡(luò)的衰減，需將放大器增益增加α倍，或增設(shè)增益放大裝置第13頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.2速度與加速度反饋校正速度反饋校正主要是提高主回路靜態(tài)剛度，減小反饋回路的干擾和非線性影響，提高系統(tǒng)靜態(tài)精度加速度反饋主要是提高系統(tǒng)阻尼比根據(jù)需要速度反饋和加速度反饋可單獨使用，也可同時使用前述位置伺服系統(tǒng)利用測速發(fā)電機(jī)將馬達(dá)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號在速度反饋電壓信號后接微分電路或微分放大器將速度和加速度電壓信號反饋到功率放大器輸入端構(gòu)成了速度和加速度反饋第14頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.2速度與加速度反饋校正設(shè)伺服閥響應(yīng)速度很快，則可看成比例環(huán)節(jié)，即可求得速度與加速度反饋校正系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)K1=KaKsvKfv/Dm只有速度反饋校正時校正回路的開環(huán)增益系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：K2=KaKsvKfa/Dm只有加速度反饋校正時校正回路的開環(huán)增益Kv=KeKdKsvKa/Dmi系統(tǒng)未校正時的開環(huán)增益第15頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.2速度與加速度反饋校正只有速度反饋校正時K2=0，開環(huán)增益降為Kv/(1+K1)，固有頻率增大為阻尼比減小為校正后阻尼比和固有頻率的乘積等于校正前的兩者乘積，系統(tǒng)固有頻率提高有利于提高系統(tǒng)頻寬，可通過其它途徑增大阻尼比如果只有加速度反饋校正K1=0，系統(tǒng)開環(huán)增益Kv和固有頻率ωh均不變，阻尼比因K2而增加。因此，增加K2可顯著降低諧振峰值而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增大開環(huán)增益和頻寬?？梢?，速度反饋是以犧牲阻尼和增益來換取系統(tǒng)頻寬加速度反饋可以增加系統(tǒng)阻尼第16頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.3壓力反饋和動壓反饋校正采用壓力反饋和動壓反饋的目的是為了提高系統(tǒng)阻尼可采用壓力反饋伺服閥或動壓反饋伺服閥實現(xiàn)壓力反饋和動壓反饋，也可采用液壓機(jī)械網(wǎng)絡(luò)或電反饋實現(xiàn)（1）壓力反饋校正用壓差或壓力傳感器檢測液壓執(zhí)行器負(fù)載壓力反饋到功率放大器輸入端構(gòu)成壓力反饋系統(tǒng)放塊圖第17頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.3壓力反饋和動壓反饋校正（1）壓力反饋校正壓力反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)式中校正后系統(tǒng)阻尼比壓力反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)開環(huán)增益可見，壓力反饋不改變系開閉環(huán)增益Kv和液壓頻率ωh，而使阻尼比增加壓力反饋是通過增加系統(tǒng)的總流量壓力系數(shù)來提高阻尼比的，這樣就降低了系統(tǒng)的靜剛度第18頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.3壓力反饋和動壓反饋校正（2）動壓壓力反饋校正動壓力反饋可以提高系統(tǒng)的阻尼，而又不降低系統(tǒng)的靜剛度將壓力傳感器的放大器換成微分放大器就可構(gòu)成動壓反饋動壓反饋校正在前面已經(jīng)討論過了，這里不再重復(fù)第19頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.電液速度控制系統(tǒng)實際工程中常需速度控制。例如：發(fā)動機(jī)調(diào)速，機(jī)床進(jìn)給裝置速度控制，雷達(dá)天線、炮塔、轉(zhuǎn)臺等裝備中的速度控制電液位置伺服系統(tǒng)中常有速度反饋回路提高系統(tǒng)剛度和精度閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)原理方塊圖、系統(tǒng)方塊圖和開環(huán)傳遞函數(shù)式中K0=KaKsvKfv/Dm系統(tǒng)開環(huán)增益

Ka是放大器增益

Ksv是伺服閥流量增益

Kfv是測速發(fā)電機(jī)增益這是個零型系統(tǒng)，對速度階躍輸入是有差的第20頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.電液速度控制系統(tǒng)系統(tǒng)開環(huán)伯德圖在穿越頻率ωc處相位余量很小如果ωc和ωh之間有被忽略的環(huán)節(jié)，即使開環(huán)增益K0=1，系統(tǒng)也不易穩(wěn)定。因此系統(tǒng)必須校正才能穩(wěn)定在伺服閥前的電子放大器電路中串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)校正校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)式中Tc=RC時間常數(shù)第21頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.電液速度控制系統(tǒng)用RC滯后網(wǎng)絡(luò)校正后的系統(tǒng)方框圖和伯德圖為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，諧振峰值不應(yīng)超過零分貝線，因此須滿足：由伯德圖的幾何關(guān)系可求出滯后網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)：可以看出：校正后的的穿越頻率比校正前低得多。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，不得不犧牲響應(yīng)速度和精度為提高精度可采用積分放大器校正，使零型系統(tǒng)變成I型系統(tǒng)（用速度傳感器代替位移傳感器即可）第22頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.電液力控制系統(tǒng)力控制系統(tǒng)用于材料試驗機(jī)、結(jié)構(gòu)疲勞試驗機(jī)、軋機(jī)張力控制、車輪剎車控制等6.5.1系統(tǒng)組成及原理系統(tǒng)組成如圖6.5.2基本方程與開環(huán)傳遞函數(shù)電壓誤差信號力傳感器方程伺服放大器動態(tài)可忽略伺服閥傳遞函數(shù)式中：Ur是指令電壓信號，Uf是反饋電壓，KfF是力傳感器增益，F(xiàn)g是液壓缸輸出力，Ka是伺服放大器增益，Xv是伺服閥閥芯位移，Kxv是伺服閥增益，Gsv(s)是Ksv=1時伺服閥傳遞函數(shù)第23頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.電液力控制系統(tǒng)假定負(fù)載為質(zhì)量、彈性和阻尼，則閥控液壓缸的動態(tài)可用下面3個方程描述：考慮電液伺服閥和傳感器可得力控制系統(tǒng)方塊圖，其中Kce=Kc+Ctp第24頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.電液力控制系統(tǒng)閥芯Xv至液壓缸輸出力Fg的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)分母與前面的液壓閥控制液壓缸的形式相同，不同的是分子上多了一個二階微分環(huán)節(jié)。通常負(fù)載的阻尼系數(shù)Bp很小，可以忽略。上式可簡化為液壓彈簧剛度如果滿足上式可近似為式中負(fù)載固有頻率

第25頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.電液力控制系統(tǒng)液壓彈簧與負(fù)載彈簧串聯(lián)耦合的剛度與阻尼系數(shù)之比液壓彈簧與負(fù)載彈簧并聯(lián)耦合的剛度與負(fù)載質(zhì)量形成的固有頻率于是電液力控制伺服控制系統(tǒng)方塊圖簡化為右圖阻尼比，Kq/Kce是總壓力增益。式中系統(tǒng)開環(huán)增益開環(huán)傳遞函數(shù)第26頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.電液力控制系統(tǒng)如果伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于ωm和ω0，可將伺服閥看成比例環(huán)節(jié)。這時系統(tǒng)開環(huán)伯德圖為:討論兩種特殊情況：1）K>>Kh，即負(fù)載剛度遠(yuǎn)大于液壓彈簧剛度。這時。二階振蕩環(huán)節(jié)與與二階微分分環(huán)節(jié)近似抵消，系統(tǒng)動特性主要由液體壓縮形成的慣性環(huán)節(jié)決定2）K<<Kh，即負(fù)載剛度遠(yuǎn)小于液壓