液壓伺服控制系統(tǒng)(2014)

1、液壓伺服控制系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng) 第一章Introduction緒 論Outlinel開環(huán)液壓控制系統(tǒng)與液壓伺服控制系統(tǒng)l液壓伺服控制系統(tǒng)分類l液壓伺服控制系統(tǒng)特點l發(fā)展趨勢及歷程l液壓伺服系統(tǒng)的應用1.1 開環(huán)液壓控制系統(tǒng)與液壓伺服控制系統(tǒng)三種液壓控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)用開關(guān)閥建構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)電磁換向閥的閥芯有三個工作位置，左位、中位和右位?？梢钥刂朴吐返耐〝嗯c切換。對每一個閥口油路來說只有兩種狀態(tài)，即完全打開和完全關(guān)閉，所以電磁換向閥歸類于電磁液壓開關(guān)閥。 20150619000開環(huán)控制系統(tǒng)用比例閥建構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)比例液壓閥采用電信號控制閥芯進行漸變移動，從而控制閥口開度漸變變化，調(diào)節(jié)比例液

2、壓閥的壓降和流量等，并在一定程度上實現(xiàn)流量與控制信號間呈現(xiàn)比例變化。 20150619000液壓伺服控制系統(tǒng)用伺服閥建構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)電液伺服閥是高性能液壓控制元件，具有很高的控制精度、很快的響應速度，不足的是電液伺服閥價格很高。閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)，不僅存在控制器對被控對象的前向控制作用，還存在被控對象對控制器的反饋作用。開環(huán)液壓控制系統(tǒng)與液壓伺服控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)比較開環(huán)液壓控制采用普通液壓閥和比例液壓閥的開環(huán)控制系統(tǒng)與液壓傳動系統(tǒng)有很大的技術(shù)重合，它們幾乎采用相同類型的液壓元件和液壓回路。開環(huán)液壓控制系統(tǒng)性能主要由所用液壓元件的性能實現(xiàn)。開環(huán)系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)各個組成元件的精度，系統(tǒng)

3、的響應特性直接與各個組成元件的響應特性有關(guān)。液壓開環(huán)控制系統(tǒng)無法對外部干擾和內(nèi)部參數(shù)變化引起的系統(tǒng)輸出變化進行抑制或補償。從系統(tǒng)設(shè)計方面看，開環(huán)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，開環(huán)液壓控制系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的，因此系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)安裝等均相對容易，而且還可以借鑒液壓傳動系統(tǒng)的分析與設(shè)計經(jīng)驗。開環(huán)液壓控制系統(tǒng)與液壓傳動系統(tǒng)具有較多的共性，區(qū)別主要是側(cè)重點有所不同。開環(huán)液壓系統(tǒng)經(jīng)常用于控制精度要求不高，外部環(huán)境干擾較小，內(nèi)部參數(shù)變化不大，并且允許系統(tǒng)響應速度較慢的情況。開環(huán)液壓控制系統(tǒng)與閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)閉環(huán)液壓控制閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)經(jīng)常采用電液伺服閥或直驅(qū)閥作控制元件。電液伺服閥和直驅(qū)閥是高性能液壓控制元

4、件，它們內(nèi)部含有閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，因而這兩類閥具有很高的控制精度、很快的響應速度。通常，閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)也稱液壓反饋控制系統(tǒng)，它依據(jù)反饋作用原理工作。反饋控制的基本思想是以偏差來消除或抑制偏差，反饋控制系統(tǒng)是利用偏差進行工作的。通過比較元件將反饋元件檢測到的被控對象信息與系統(tǒng)指令元件的控制指令進行比較形成偏差信號。這個偏差信號經(jīng)過能量放大，從而能夠驅(qū)動大功率液壓控制閥，控制液壓執(zhí)行元件，驅(qū)動與控制被控對象。閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題，控制精度與動態(tài)響應速度均需細致設(shè)計與調(diào)試，所以閉環(huán)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試等均較為繁瑣。但是采用閉環(huán)控制(反饋控制)方式，用

5、精度相對不高、抗干擾能力相對不強的液壓元件有可能建構(gòu)控制精度高和抗干擾能力強的控制系統(tǒng)，或者在現(xiàn)有液壓元件性能的條件下，有可能利用閉環(huán)控制獲取更好的控制系統(tǒng)性能及控制效果。反饋控制有開環(huán)控制無法實現(xiàn)的優(yōu)點。201506190001.2液壓伺服控制系統(tǒng)分類1）按照控制系統(tǒng)完成的任務(wù)分類按照控制系統(tǒng)完成的任務(wù)類型，液壓控制系統(tǒng)可以分為液壓伺服控制系統(tǒng)和液壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。2）按照控制系統(tǒng)各組成元件的線性情況分類按照控制系統(tǒng)是否包含非線性組成元件，液壓控制系統(tǒng)可以分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。3）按照控制系統(tǒng)各組成元件中控制信號的連續(xù)情況分類按照控制系統(tǒng)中控制信號是否均為連續(xù)信號，液壓控制系統(tǒng)可以分為連續(xù)

6、系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。4）按照被控物理量分類按照被控物理量不同，液壓反饋控制系統(tǒng)可以分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)和其它物理量控制系統(tǒng)。1.2液壓伺服控制系統(tǒng)分類5）按照液壓控制元件或控制方式分類按照液壓控制元件類型或控制方式不同，液壓反饋控制系統(tǒng)可以分為閥控系統(tǒng)（節(jié)流控制方式）和泵控系統(tǒng)（容積控制方式）。進一步按照液壓執(zhí)行元件分類，閥控系統(tǒng)可分為閥控液壓缸系統(tǒng)和閥控液壓馬達系統(tǒng)；泵控系統(tǒng)可分為泵控液壓缸系統(tǒng)和泵控液壓馬達系統(tǒng)。6）按照信號傳遞介質(zhì)分類按照控制信號傳遞介質(zhì)不同，液壓控制系統(tǒng)可分為機械液壓控制系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)等。1.3液壓伺服控制系統(tǒng)特點液壓反饋控制主要優(yōu)點概括如下：

7、（1）體積小和重量輕液壓元件具有很大的功率重量比和力矩慣量比(或力-質(zhì)量比)，因此液壓系統(tǒng)的功率傳遞密度大。在同樣控制功率或同樣控制負載情況下，采用液壓控制技術(shù)可以建構(gòu)結(jié)構(gòu)更緊湊、體積更小、重量更輕和動態(tài)響應更快的液壓控制系統(tǒng)。（2）剛度大、精度高、響應快液壓工作液體積模量大，泄漏小，液壓控制系統(tǒng)具有很大靜態(tài)剛度。液壓伺服系統(tǒng)可以提供更大的動態(tài)剛度。液壓控制系統(tǒng)的剛度大，則負載力干擾產(chǎn)生的液壓執(zhí)行機構(gòu)位移誤差較小，系統(tǒng)控制精度較高，響應控制指令的速度較快。（3）驅(qū)動力大，適合重載直接驅(qū)動液壓控制系統(tǒng)采用靜液壓驅(qū)動方式，具有液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動力大的優(yōu)點。在同樣體積情況下，液壓系統(tǒng)可以發(fā)出更大力（或

8、力矩）。在同樣負載條件下，液壓控制更適合直接驅(qū)動。優(yōu)點20150619000優(yōu)點（4）調(diào)速范圍寬，速度控制方式多樣靜液壓驅(qū)動方式易于實現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍寬。例如液壓仿真轉(zhuǎn)臺的閥控馬達轉(zhuǎn)速范圍可以實現(xiàn)0.0004/s至200/s連續(xù)變速。速度控制有閥控方式、變轉(zhuǎn)速泵控、變排量泵控等多種方式適應不同被控對象需求。（5）自潤滑、自冷卻和長壽命液壓工作液具有良好潤滑特性和冷卻作用。液壓元件工作時元件磨損小，液壓工作液能夠帶走工作過程中產(chǎn)生的熱量，液壓控制系統(tǒng)具有更長的工作壽命。（6）易于實現(xiàn)安全保護液壓回路中易于設(shè)置壓力保護安全閥或其他過載保護機構(gòu)。液壓系統(tǒng)能可靠地進行頻繁的帶負載啟動和制動，以及進

9、行正反向直線或回轉(zhuǎn)運動。 缺點液壓反饋控制的主要缺點概括如下：（1）抗工作液污染能力差超過80%的液壓系統(tǒng)故障與工作液污染有關(guān)。與液壓傳動系統(tǒng)相比，液壓控制系統(tǒng)對工作液污染更為敏感。高壓液壓泵馬達和精密的液壓控制元件(如電液伺服閥)抗污染能力差，對工作液的污染較為敏感。與電液伺服閥比較，比例控制閥和直驅(qū)閥的抗污染能力較強，與普通電磁換向閥相當，且性能較好，甚至接近電液伺服閥。（2）對溫度變化敏感工作液溫度變化大時，其粘度等指標變化很大，工作液粘度變化對控制系統(tǒng)的性能影響很大。溫度過高或過低，密封元件密封性能降低，甚至失效。液壓系統(tǒng)需要進行熱平衡設(shè)計。需注意到：液壓系統(tǒng)的冷卻方面也有良好設(shè)計范例

10、，如飛機的液壓系統(tǒng)冷卻與燃油供給系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計。（3）存在泄漏隱患當液壓元件的密封設(shè)計、制造和使用維護不當時，容易引發(fā)泄漏故障，外泄漏還會造成環(huán)境污染。注意到：密封技術(shù)發(fā)展迅速，它的進步大大減少了工作液泄漏隱患。缺點（4）制造難，成本高液壓反饋系統(tǒng)中包含許多超精密配合的零件部件，如伺服閥等，因此液壓控制存在制造精度要求高和制造成本高的問題。同時也應注意到：制造難、精度高的液壓元件通常由專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)制造，液壓反饋系統(tǒng)構(gòu)建可以直接選購精密液壓控制元件，而不是自行設(shè)計制造全部液壓元件，從而減低了液壓反饋系統(tǒng)的制造難度。還應注意到：一些低成本、制造工藝性好的、高性能的液壓控制元件不斷被開發(fā)出來，如直驅(qū)

11、閥的結(jié)構(gòu)相對簡單，制造成本較低，且性能接近電液伺服閥。（5）不適于遠距離傳輸且需液壓能源液壓工作液具有粘性，因此遠距離傳輸損失大，不適合長距離傳輸。液壓系統(tǒng)需要配套的液壓能源站，液壓能源使用不如電能便捷。應該注意到：直驅(qū)泵控系統(tǒng)不需要集中的液壓能源站，連接各個液壓作動器系統(tǒng)的只有電纜。1.4液壓伺服控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢及歷程20150619000公元前240年，在古埃及出現(xiàn)了人類歷史上第一個液壓反饋系統(tǒng)水鐘。公元前200多年阿基米德（Archimedes）關(guān)于浮力的論述實際上是液體壓強（壓力）的理論研究成果。1650年，帕斯卡提出了帕斯卡原理。它描繪了靜態(tài)液體中的壓力傳播規(guī)律。1686年，牛頓揭示

12、了粘性液體的內(nèi)摩擦定律。18世紀，流體力學的連續(xù)性方程被建立起來。1795年，英國出現(xiàn)了世界上第一臺水壓機，液壓傳動開始進入工程領(lǐng)域。1873年，伺服馬達（servo motor）一詞出現(xiàn)，它指用曲柄連桿反饋輪船舵機運動自動關(guān)閉舵機操縱助力蒸汽裝置的反饋控制機構(gòu)。1877年，Edward John Routh 提出了線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。1895年，Adolf Hurwitz 發(fā)表了線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。1906年前，液壓傳動與控制技術(shù)應用于海軍戰(zhàn)艦炮塔的俯仰控制。1914年前，液壓伺服控制技術(shù)出現(xiàn)在海軍艦艇舵機的操控裝置上。1932年，Harry Nyquist 發(fā)表了關(guān)于奈奎斯特判據(jù)的

13、論文。 發(fā)展歷程（續(xù)1）1934年，伺服機構(gòu)（servomechanism）一詞出現(xiàn)，Harold Locke Hanzen給出了定義：“一個功率放大裝置，其放大部件是根據(jù)系統(tǒng)輸入與輸出的差來驅(qū)動輸出的。”1939年前，液壓控制技術(shù)得到高速發(fā)展，射流管閥、噴嘴擋板閥等許多控制閥原理出現(xiàn)。出現(xiàn)一種具有永磁馬達及接收機械及電信號兩種輸入的雙輸入閥，并在航空領(lǐng)域應用。1940年，滑閥特性和液壓伺服控制理論研究出現(xiàn)。Hendrik Bode 發(fā)表了關(guān)于最小相位系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性關(guān)系的Bode定理。1945年前，用螺線管驅(qū)動的單級開環(huán)控制閥建立的液壓伺服系統(tǒng)出現(xiàn)。1946年，伺服閥的關(guān)鍵組件及技術(shù)相

14、繼出現(xiàn)，例如力矩馬達、兩級閥、帶反饋的兩級閥。壓力21MPa飛機液壓控制系統(tǒng)出現(xiàn)。1948年，N. Wiener出版Cybernetics（控制論）。1950年，單噴嘴兩級伺服閥出現(xiàn)。1953年至1955年間，機械反饋式兩級伺服閥、雙噴嘴兩級伺服閥、干式力矩馬達相繼出現(xiàn)。1957年，兩級射流管伺服閥和三級電反饋伺服閥出現(xiàn)。發(fā)展歷程（續(xù)2）1960年前后，伺服閥技術(shù)空前發(fā)展，大量伺服閥技術(shù)專利等文獻出現(xiàn)，出現(xiàn)大量伺服閥生產(chǎn)廠家。當時的伺服閥已具有許多現(xiàn)代伺服閥的特征。1960年，Blackburn, J. F.等. 出版了Fluid power control（流體動力控制）圖書。1962年，E

15、rnest E. Lewis, Hansjioerg Stern. 出版Design of hydraulic control systems（液壓控制系統(tǒng)設(shè)計）圖書。1963年，面向工業(yè)應用的系列伺服閥產(chǎn)品出現(xiàn)。1967年，Herbert E. Merritt 出版Hydraulic control systems圖書。1973年，工業(yè)標準接口伺服閥出現(xiàn)。射流管先導級及電反饋的平板型伺服閥研制成功。1974年，低成本、大流量的三級電反饋伺服閥出現(xiàn)。不帶閉環(huán)的比例閥出現(xiàn)。1976年，Herbert E. Merritt 的液壓控制系統(tǒng)（Hydraulic control systems）中文譯

16、本出版。1980年前后，幾部液壓控制系統(tǒng)的中文教材和專著出版。發(fā)展歷程（續(xù)3）1980年后，開始直驅(qū)閥（direct drive valve, DDV）研制。1990年后，直驅(qū)閥獲得了重大進展。1997年，無閥直驅(qū)液壓伺服技術(shù)出現(xiàn)。美國將DDV閥用于航空靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)。飛機上出現(xiàn)35MPa液壓控制系統(tǒng)。1998年，四級電液伺服閥出現(xiàn)。2000年，直驅(qū)容積控制（direct drive volume control，DDVC）獲得實際應用。2006年，應用直驅(qū)容積控制技術(shù)的產(chǎn)品出現(xiàn)。例如采用DDVC技術(shù)的注射機、壓力機和冶金設(shè)備等。 液壓伺服控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢液壓控制技術(shù)的發(fā)展方向可以概括為集成化

17、、數(shù)字化、微型化、超大型化和超重型化發(fā)展。插裝等新型安裝方式的液壓元件獲得廣泛應用，多個多種功能的液壓控制閥可安裝到一個油路塊上實現(xiàn)復雜功能，體現(xiàn)了集成化發(fā)展趨勢。電子技術(shù)特別是總線技術(shù)發(fā)展，促使液壓技術(shù)向數(shù)字方向發(fā)展。在液壓閥內(nèi)部嵌入安裝了電子控制電子電路，液壓控制閥可以接收數(shù)字信號，并可通過計算機程序來改變液壓控制閥的性能，實現(xiàn)數(shù)字化補償?shù)裙δ?。新材料和新技術(shù)的發(fā)展及在液壓控制領(lǐng)域應用促使新型液壓控制元件研制出來。特別是體積小、性能高的液壓元件。液壓元件小型化和微型化為液壓控制技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域應用創(chuàng)造了條件，如機器人、醫(yī)療器械、運動機械。2001年液壓伺服控制技術(shù)開始出現(xiàn)在F1賽車上 ，用

18、于完成動力轉(zhuǎn)向、檔位選擇、油門控制等功能的系統(tǒng) 201506190001.5 液壓控制系統(tǒng)應用l應用分析l應用案例應用分析液壓伺服控制、液壓開關(guān)控制、機電伺服控制液壓伺服控制系統(tǒng)在動態(tài)響應頻率方面遠高于液壓傳動系統(tǒng)、液壓開關(guān)控制；液壓控制系統(tǒng)與機電控制系統(tǒng)應用領(lǐng)域具有互補性;液壓伺服控制系統(tǒng)具有更高動態(tài)特性與更大的驅(qū)動能力。 應用分析在各種設(shè)備上，液壓控制應用情況依據(jù)各個專業(yè)領(lǐng)域設(shè)備特點，采用合理的參數(shù)設(shè)計液壓控制系統(tǒng)，液壓控制在上述多個領(lǐng)域都可以勝任。 應用分析飛行器上的不同設(shè)備同一臺機器設(shè)備上，不同用途和功能的裝置在系統(tǒng)動態(tài)特性、驅(qū)動控制能力、運動速度范圍等方面都是不同的。 應用案例l材料試驗機材料試驗機l四自由度飛行模擬器四自由度飛行模擬器l超大型地震實驗臺超大型地震實驗臺l飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)l機器動物機器動物l兩足機器人兩足機器人應用案例 1材料力學實驗機大功率、材料試驗加載大多采用了液壓控制。 應用案例 1 材料力學實驗機閉環(huán)控制，位置反饋，力反饋，計算機控制應用案例 2四自四