液壓伺服控制1章

1、1 液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理及組成液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理及組成 液壓伺服控制的分類液壓伺服控制的分類 液壓伺服控制的優(yōu)缺點(diǎn)液壓伺服控制的優(yōu)缺點(diǎn) 液壓伺服控制的發(fā)展和應(yīng)用液壓伺服控制的發(fā)展和應(yīng)用 本章主要內(nèi)容為本章主要內(nèi)容為 ： 第一章第一章 緒論緒論 2 結(jié)束 The End 3 流體傳動(dòng)及控制學(xué)科流體傳動(dòng)及控制學(xué)科 機(jī)械機(jī)械- -電子電子- -液壓一體化的綜合學(xué)科液壓一體化的綜合學(xué)科 有壓流體的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了功率的傳送及傳遞。有壓流體的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了功率的傳送及傳遞。 借助計(jì)算機(jī)及其它電子元件借助計(jì)算機(jī)及其它電子元件, 流體控制元流體控制元 件和件和 動(dòng)力元件實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力的傳送、傳遞和高精度動(dòng)

2、力元件實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力的傳送、傳遞和高精度 的控制。的控制。 流體傳動(dòng)及控制學(xué)科定義流體傳動(dòng)及控制學(xué)科定義 泵泵 （能量轉(zhuǎn)換）（能量轉(zhuǎn)換） 控制元件控制元件 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 （能量轉(zhuǎn)換）（能量轉(zhuǎn)換） 機(jī)械能機(jī)械能壓力能壓力能 M Fv pQpQ M Fv 4 密閉容器 主動(dòng)柱塞 從動(dòng)柱塞 流體介質(zhì) 負(fù)載負(fù)載 F2 面積面積 A2 面積面積 A1 壓力壓力 p 主動(dòng)力主動(dòng)力 F1 5 密閉容器 主動(dòng)柱塞從動(dòng)柱塞 流體介質(zhì) 負(fù)載負(fù)載 F2 面積面積 A2 面積面積 A1 壓力壓力 p 主動(dòng)力主動(dòng)力 F1 v1 v2 Q 6 學(xué)習(xí)本門課的目的 熟悉、理解并掌握液壓控制元件的基本 特性 熟悉、理解并掌握

3、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本 方法和步驟。 具備從事液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的基本能力 和進(jìn)一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。 7 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 液壓放大元件液壓放大元件 液壓動(dòng)力元件液壓動(dòng)力元件 機(jī)液伺服系統(tǒng)機(jī)液伺服系統(tǒng) 電液伺服閥電液伺服閥 電液伺服系統(tǒng)及設(shè)計(jì)電液伺服系統(tǒng)及設(shè)計(jì) 8 考核方式考核方式 作業(yè)（作業(yè)（20%） 期末考試（閉卷考試期末考試（閉卷考試80分）分） 其它規(guī)定按學(xué)校文件執(zhí)行其它規(guī)定按學(xué)校文件執(zhí)行 9 1.1 1.1 液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理及組成液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理及組成 一、液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理一、液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理 二、液壓伺服控制系統(tǒng)的組成二、液壓伺服控制系統(tǒng)的組成 10

4、1)1)采用采用電壓比較電壓比較的的液壓液壓工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng) 傳感器1 被控對(duì)象 傳感器2 比較元件 執(zhí)行元件 放大元件 指令元件 11 控制系統(tǒng)組成： 被控對(duì)象 指令元件 比較元件 指令傳感器 反饋傳感器 動(dòng)力元件（閥、缸） Ui E UP 指令指令 Xi 液壓動(dòng)力元件液壓動(dòng)力元件 放大元件 12 2)2)采用采用電壓比較電壓比較的的電動(dòng)電動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng) 傳感器1 被控對(duì)象 傳感器2 比較元件 執(zhí)行元件 放大元件 指令元件 13 電動(dòng)力元件電動(dòng)力元件 Ui E UP 指令指令 Xi 電機(jī)電機(jī) 控制系統(tǒng)組成： 被控對(duì)象 指令元件 比較元件 指令傳感器

5、 反饋傳感器 動(dòng)力元件（可控硅、 電機(jī)） 將液壓動(dòng)力元件（伺將液壓動(dòng)力元件（伺 服閥、缸）換成電動(dòng)服閥、缸）換成電動(dòng) 力元件（可控硅與電力元件（可控硅與電 動(dòng)機(jī)）動(dòng)機(jī)） 14 3)3)采用采用力比較力比較的的液壓液壓工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng) 指令傳感器指令傳感器K1 反饋傳感器反饋傳感器K2 F1 F2 F1=Xi*K1 F2=Xp*K2 15 液壓動(dòng)力元件液壓動(dòng)力元件 采用力比采用力比 較方式，用彈簧較方式，用彈簧 作為位移作為位移-力傳力傳 感器，以閥芯作感器，以閥芯作 為力比較元件。為力比較元件。 DF 指令指令 Xi F1 F1 F2 F2 指令傳感器指令傳感器 反饋傳反饋

6、傳 感器感器 16 4)4)采用采用直接位置比較直接位置比較的的液壓液壓工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng) 指令元件與閥芯相連指令元件與閥芯相連 受控對(duì)象與閥套相連受控對(duì)象與閥套相連 Xi=X芯芯 Xp=X套套 17 閥芯與閥套閥芯與閥套 采用閥芯閥采用閥芯閥 套直較方式套直較方式 Xv 指令指令 Xi X芯 芯 X套 套 指令傳感器指令傳感器 反饋傳反饋傳 感器感器 18 ps p0 p1p2 A qq x y c 5) 計(jì)算機(jī)控制電液位置控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制電液位置控制系統(tǒng) 19 計(jì)算機(jī)控制電液位置控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制電液位置控制系統(tǒng)原理框圖原理框圖 信號(hào)信號(hào) 發(fā)生發(fā)生 20 XP Xi 6

7、) 飛機(jī)舵機(jī)機(jī)液控制系統(tǒng)飛機(jī)舵機(jī)機(jī)液控制系統(tǒng) pS 比較杠桿比較杠桿 XP XV 21 手手 Xi XV XP Xi XV XV =X1 -X2 L2 L1+ L2 X1 L1 L2 Xi -X2 L1 L2 L1 L1+ L2 X1 X2 22 液壓動(dòng)力元件液壓動(dòng)力元件 指令指令 Xi XV 1 2 1 2 XP Xi pS 比較杠桿比較杠桿 XV 23 y2 7) 電液仿形控制系統(tǒng)電液仿形控制系統(tǒng) 測(cè)量傳感器2 測(cè)量傳感器1 y1 ps p0 p1p2 A qq x 比較元件 與調(diào)節(jié)器 24 閉環(huán)控制系統(tǒng)由閉環(huán)控制系統(tǒng)由開(kāi)環(huán)控制（動(dòng)力）和和負(fù)反饋裝置兩部分組成；兩部分組成； 負(fù)反饋裝置由由

8、比較元件、測(cè)量反饋元件、調(diào)節(jié)器比較元件、測(cè)量反饋元件、調(diào)節(jié)器構(gòu)成；構(gòu)成； 開(kāi)環(huán)控制部分由由放大元件（放大元件（電液伺服閥電液伺服閥）、能量轉(zhuǎn)換元件（）、能量轉(zhuǎn)換元件（缸缸）、負(fù)）、負(fù) 載載構(gòu)成；構(gòu)成； 指令元件指令元件通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)控制通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)控制被控對(duì)象被控對(duì)象，使被控位移，使被控位移跟蹤指跟蹤指 令位移令位移 。 電液仿形控制系統(tǒng)原理框圖電液仿形控制系統(tǒng)原理框圖 指令指令 元件元件 其余部分為負(fù)反饋裝置 25 二、液壓伺服控制系統(tǒng)的組成二、液壓伺服控制系統(tǒng)的組成 輸入元件輸入元件 反饋測(cè)量元件反饋測(cè)量元件 比較元件比較元件 放大轉(zhuǎn)換元件放大轉(zhuǎn)換元件 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 控制對(duì)象控制對(duì)象 校

9、正裝置校正裝置 液壓能源裝置液壓能源裝置 26 1.2 1.2 液壓伺服控制的分類液壓伺服控制的分類 一、按輸入信號(hào)分類：一、按輸入信號(hào)分類： 1 定值控制系統(tǒng)：其本任務(wù)是抗干擾性 2 程序控制系統(tǒng)：按給定規(guī)律變化 3 伺服控制系統(tǒng)：隨動(dòng)（穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速） 二、按被控物理量分類：二、按被控物理量分類： 1 位置控制系統(tǒng)； 2 速度控制系統(tǒng)； 3 力控制系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)、負(fù)載力控制系統(tǒng) 4 加速度控制系統(tǒng) 5 壓力控制系統(tǒng) 27 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：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： 1)節(jié)流式（閥控式）控制系統(tǒng) 閥控液壓缸系統(tǒng)、閥控液

10、壓馬達(dá)系統(tǒng) 恒壓伺服系統(tǒng)、恒流伺服系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉、效率 高但閥的線性度差，用于系統(tǒng)性能要求不高的場(chǎng)合） 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快、控制精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：效率低 2)容積式（變量泵控制或變量馬達(dá)控制）控制系統(tǒng) 伺服變量泵系統(tǒng)、伺服變量馬達(dá)系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：效率高 缺點(diǎn)：響應(yīng)速度較慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操縱變量機(jī)構(gòu)需要單 獨(dú)的能源 28 四、按控策略分類：四、按控策略分類： 一般控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。 五、按信號(hào)傳遞介質(zhì)的形式分類：五、按信號(hào)傳遞介質(zhì)的形式分類： 1)機(jī)械-液壓 控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便 缺點(diǎn)：校正、增益調(diào)整不方便，摩擦間隙 應(yīng)用：響應(yīng)和精度要求不是很

11、高的位置控制系統(tǒng) 2)電氣-液壓控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：綜合電氣與液壓的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)信號(hào)的測(cè)量、校正、 放大比較方便，且響應(yīng)速度快，抗負(fù)載剛度大 3)氣動(dòng)-液壓控制系統(tǒng)。 偏差信號(hào)的檢測(cè)和初始放大均采用氣動(dòng)元件完成 優(yōu)點(diǎn)：氣動(dòng)測(cè)量靈敏度高、工作可靠、可在惡劣的環(huán)境 中工作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：需要?dú)庠吹雀綄僭O(shè)備 此外還有此外還有模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)之分之分 。 29 一、液壓伺服控制的優(yōu)點(diǎn)一、液壓伺服控制的優(yōu)點(diǎn) 轉(zhuǎn)動(dòng)：轉(zhuǎn)動(dòng)： 電機(jī)：同功率時(shí)電機(jī)：同功率時(shí)慣性大慣性大-響應(yīng)慢響應(yīng)慢； 液壓馬達(dá)：同功率時(shí)液壓馬達(dá)：同功率時(shí)慣性小慣性小-響應(yīng)快響應(yīng)快。 直線運(yùn)動(dòng)：直線運(yùn)動(dòng)： 電傳動(dòng)：

12、電傳動(dòng)：齒輪齒輪+齒條齒條+電機(jī)電機(jī)-慢、難慢、難； 液壓缸驅(qū)動(dòng)：液壓缸驅(qū)動(dòng)：-快、易快、易。 30 設(shè)有一充滿流體的密閉容腔, 其內(nèi)流體容積 V =1L, 其內(nèi)壓 力p =10MPa, 設(shè)將其內(nèi)的能量在時(shí)間間隔 t = 0.1Sec內(nèi)釋放出來(lái) 我們可計(jì)算出此間的平均功率N為: W10100 1 . 0 1011010 3 36 t pV 1)1)適應(yīng)于功率大的場(chǎng)合適應(yīng)于功率大的場(chǎng)合 31 2)2)適應(yīng)于要求剛度大、響應(yīng)快的場(chǎng)合適應(yīng)于要求剛度大、響應(yīng)快的場(chǎng)合 設(shè)有一液柱如圖 所示，其液柱剛度 K 和液柱的固有頻率可由下兩式計(jì)算： K EA V 2 K M EA MV 2 通常, 液體的體積模量

13、E=2.1109Pa, 當(dāng)A= 3.8510-3m2， V=3.8510-4m3，M=20kg時(shí), 液柱剛度 K 和液柱固有頻率分別 為 K EA V 2932 4 7 21 10385 10 385 10 80810 .( .) . .(N/ m) K M 80810 20 2010 1320 7 . ( / s)Hz L M L=0.1m D=70mm 32 3)3)液壓伺服系統(tǒng)抗負(fù)載的剛度大液壓伺服系統(tǒng)抗負(fù)載的剛度大 1）液壓剛度高，允許較大的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，故高精度， 高響應(yīng)。 2）油液的可壓縮性很小，泄露也很小，故速度剛度大， 組成閉環(huán)時(shí)位置剛度也大。可采用開(kāi)環(huán)控制 電動(dòng)機(jī)的位置剛度接

14、近于零，只能采用閉環(huán)控制。 氣動(dòng)系統(tǒng)由于氣體可壓縮性的影響，其剛度只有液壓系 統(tǒng)1/400。 33 4)4)適應(yīng)于要求自動(dòng)化程度高適應(yīng)于要求自動(dòng)化程度高, , 要求控制精度高的場(chǎng)合要求控制精度高的場(chǎng)合 流體傳動(dòng)及控制由于其控制部分直接采用電控件，易于 電控及計(jì)算機(jī)控制、可柔性大；由于系統(tǒng)剛度高，又可引入 閉環(huán)控制元件，易于達(dá)到高精度的控制。 在大型設(shè)備、自動(dòng)化程度高的設(shè)備，一方面要求功率大， 另一方面要求精度高，由于現(xiàn)代化要求生產(chǎn)速度快、生產(chǎn)程 序靈活，因此，機(jī)-電-液一體化系統(tǒng)變成為了首選。 在軍工設(shè)備方面上也是如此。 可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工作，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工作， 控制精度可達(dá)控制精度可達(dá)0.1m以

15、上以上 34 5)5)其它優(yōu)點(diǎn)其它優(yōu)點(diǎn) 潤(rùn)滑性好，壽命長(zhǎng) 調(diào)速范圍寬，低速穩(wěn)定性好 能量存儲(chǔ)較方便（蓄能器） 過(guò)載保護(hù)容易 易冷卻 35 二、液壓伺服控制的缺點(diǎn)二、液壓伺服控制的缺點(diǎn) 1) 元件元件制造精度高制造精度高, 通常機(jī)械精度為微米級(jí)通常機(jī)械精度為微米級(jí), 故故 對(duì)顆粒雜質(zhì)的過(guò)濾要求高對(duì)顆粒雜質(zhì)的過(guò)濾要求高, 這一點(diǎn)今天在這一點(diǎn)今天在技術(shù)上技術(shù)上已不已不 存在任何困難，但系統(tǒng)存在任何困難，但系統(tǒng)造價(jià)高造價(jià)高； 2) 綜合學(xué)科多綜合學(xué)科多, 因而因而技術(shù)含量高技術(shù)含量高, 維護(hù)困難；維護(hù)困難； 3) 易污染環(huán)境；易污染環(huán)境； 4) 易因堵塞造成故障；易因堵塞造成故障； 5) 系統(tǒng)性能受油溫變化的影響（油液的體積彈性系統(tǒng)性能受油溫變化的影響（油液的體積彈性 模量）；模量）； 6) 液壓能源的獲得和遠(yuǎn)距離傳輸都不如電氣系統(tǒng)液壓能源的獲得和遠(yuǎn)距離傳輸都不如電氣系統(tǒng) 方便。方便。 36 1.4 1.4 液