第6章電液伺服系統(tǒng)(1)

1、本章摘要 介紹電液伺服系統(tǒng)類型，重點(diǎn)講述了三種典介紹電液伺服系統(tǒng)類型，重點(diǎn)講述了三種典型電液伺服系統(tǒng)（位置、速度、力）的分析，型電液伺服系統(tǒng)（位置、速度、力）的分析，并對電液伺服系統(tǒng)的校正方法加以論述。并對電液伺服系統(tǒng)的校正方法加以論述。9.1 電液伺服系統(tǒng)的類型電液伺服系統(tǒng)的類型一、模擬伺服系統(tǒng)一、模擬伺服系統(tǒng)在模擬伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)都是連續(xù)的模擬量，模擬伺服系統(tǒng)重復(fù)精在模擬伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)都是連續(xù)的模擬量，模擬伺服系統(tǒng)重復(fù)精度高，但分辨能力較低度高，但分辨能力較低(絕對精度低絕對精度低)。伺服系統(tǒng)的精度在很大程度上取決。伺服系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于檢測裝置的精度，另外模擬式檢測裝

2、置的精度一般低于數(shù)字式檢測裝于檢測裝置的精度，另外模擬式檢測裝置的精度一般低于數(shù)字式檢測裝置所以模擬伺服系統(tǒng)分辨能力低于數(shù)字伺服系統(tǒng)。另外模擬伺服系統(tǒng)中置所以模擬伺服系統(tǒng)分辨能力低于數(shù)字伺服系統(tǒng)。另外模擬伺服系統(tǒng)中微小信號(hào)容易受到噪聲和零漂的影響、因此當(dāng)輸入信號(hào)接近或小于輸入端微小信號(hào)容易受到噪聲和零漂的影響、因此當(dāng)輸入信號(hào)接近或小于輸入端的噪聲和零漂時(shí)，就不能進(jìn)行有效的控制了。的噪聲和零漂時(shí)，就不能進(jìn)行有效的控制了。二、二、 數(shù)字伺服系統(tǒng)數(shù)字伺服系統(tǒng)在數(shù)字伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)或部分信號(hào)是離散參量。因此數(shù)字伺服系在數(shù)字伺服系統(tǒng)中，全部信號(hào)或部分信號(hào)是離散參量。因此數(shù)字伺服系統(tǒng)又分為全數(shù)字伺服系

3、統(tǒng)和數(shù)字統(tǒng)又分為全數(shù)字伺服系統(tǒng)和數(shù)字模擬伺服系統(tǒng)兩種。模擬伺服系統(tǒng)兩種。6.1 電液伺服系統(tǒng)的類型電液伺服系統(tǒng)的類型9.2 9.2 電液位置伺服系統(tǒng)的分析電液位置伺服系統(tǒng)的分析9.2.1系統(tǒng)的組成及其傳遞函數(shù)系統(tǒng)的組成及其傳遞函數(shù) 電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)力元件不外乎閥控式和泵控式兩種基本型式，但電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)力元件不外乎閥控式和泵控式兩種基本型式，但由于所采用的指令裝置、反饋測量裝置和相應(yīng)的放大、校正的電子部件由于所采用的指令裝置、反饋測量裝置和相應(yīng)的放大、校正的電子部件不同，就構(gòu)成了不同的系統(tǒng)。不同，就構(gòu)成了不同的系統(tǒng)。如果采用電位器如果采用電位器作為指令裝置和反饋測量作為指令裝置和反饋測量裝置

4、，就可以裝置，就可以構(gòu)成直流構(gòu)成直流電液位置伺服系統(tǒng)電液位置伺服系統(tǒng)（如第一章所介紹的雙電位器電液（如第一章所介紹的雙電位器電液位置伺服系統(tǒng)）。位置伺服系統(tǒng)）。當(dāng)當(dāng)采用自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器采用自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器作為指令裝置和反饋測量作為指令裝置和反饋測量裝置時(shí)，就可裝置時(shí)，就可構(gòu)成交流構(gòu)成交流電液位置伺服系統(tǒng)。電液位置伺服系統(tǒng)。二、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析角度同步變壓器機(jī)可以看作為比例環(huán)節(jié)：交流放大和解調(diào)器同樣視為比例環(huán)節(jié)：伺服放大器的輸入電壓與輸出電流近似成比例：伺服閥的傳遞函數(shù)：二、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析二、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析式中 i馬達(dá)軸與負(fù)載間齒輪傳動(dòng)比； TL系統(tǒng)輸出軸阻力矩；只考慮慣性負(fù)載，則閥

5、控馬達(dá)的滑閥位移對馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)為只考慮慣性負(fù)載，則閥控馬達(dá)的滑閥位移對馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)為二、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為式中 Kv系統(tǒng)開環(huán)增益。 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為式中 Kv系統(tǒng)開環(huán)增益。 單位反饋時(shí)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為利用勞斯判據(jù)可知，欲使系統(tǒng)穩(wěn)定，需滿足： Kv2 h h h值的計(jì)算不易準(zhǔn)確又不易測定。一般取 h=0.10.2。所以系統(tǒng)穩(wěn)定條件為 Kv(0.20.4) h 為了防止系統(tǒng)中由于元件參數(shù)變化造成的影響，也為了得到滿意的性能指標(biāo)，一般相位裕量在3060 之間，幅值裕量為612分貝。故特征方程為： B位置控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為分母

6、的三次多項(xiàng)式可以分解為一個(gè)一階因式和一個(gè)二階因式的乘積： 閉環(huán)慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率的無因次曲線 b Kv 當(dāng)h和Kv/h較小時(shí)， 當(dāng)h和Kv/h較小時(shí)， nc h 當(dāng)h和Kv/h較小時(shí)， 2 nc 2 hKv/ h 簡化方框圖：系統(tǒng)的閉環(huán)剛度特性系統(tǒng)的閉環(huán)剛度特性 系統(tǒng)的閉環(huán)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的開環(huán)剛度，系統(tǒng)的閉環(huán)剛度與開環(huán)放大系數(shù)成正比。為了減小由外負(fù)載力矩所引起的位置誤差，希望提高外環(huán)放大系數(shù)，但開環(huán)放大系數(shù)的提高受系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制。為了得到較高的閉環(huán)剛度，可以在系統(tǒng)中加入校正裝置，如滯后校正或在小回路中加入速度反饋校正等。 6.3 電液伺服系統(tǒng)的校正以上討論了比例控制的電液位置伺服系統(tǒng)，其性能

7、主要由動(dòng)力元件參數(shù)所決定，對這種系統(tǒng)，單純靠調(diào)整增益往往滿足不了系統(tǒng)的全部性能指標(biāo)，這時(shí)就要對系統(tǒng)進(jìn)行校正，高性能的電液伺服系統(tǒng)一般都要加校正裝置。一、滯后校正滯后校正的主要作用是通過提高低頻段增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，或者在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的條件下，通過降低系統(tǒng)高頻段的增益，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 系統(tǒng)對于干擾信號(hào)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)對于干擾信號(hào)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 此式稱為系統(tǒng)閉環(huán)柔度特性，其倒數(shù)即為閉環(huán)剛度特性：其倒數(shù)即為閉環(huán)剛度特性：系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)剛度為系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)剛度為對于干擾信號(hào)對于干擾信號(hào)TL來說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是來說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是零型，干擾力矩引起位置誤差為：零型，干擾力矩引起位置誤差為：

8、 伺服閥死區(qū)和零飄引起的位置誤差伺服閥死區(qū)和零飄引起的位置誤差 ： 如果伺服閥的死區(qū)、液壓馬達(dá)和負(fù)載摩擦的死區(qū)折合為電流誤差如果伺服閥的死區(qū)、液壓馬達(dá)和負(fù)載摩擦的死區(qū)折合為電流誤差 il，電液，電液伺服閥的零飄為伺服閥的零飄為 i2，伺服放大器零飄折合到電液伺服閥為，伺服放大器零飄折合到電液伺服閥為 i3；這些因素引；這些因素引起的位置誤差為起的位置誤差為Ke、Kd、Kf反饋取出點(diǎn)經(jīng)反饋通路到伺服閥輸入的增益。 C) 測量元件的誤差 測量元件與負(fù)載連接，測量元件的固有誤差、安裝調(diào)試和校準(zhǔn)誤差會(huì)反映到輸出軸上，其值假設(shè)為a。 總位置誤差為：總位置誤差為： 位置控制系統(tǒng)的校正位置控制系統(tǒng)的校正A)

9、串聯(lián)滯后校正串聯(lián)滯后校正作用：提高開環(huán)增益以提高精度，其傳遞函數(shù)為：作用：提高開環(huán)增益以提高精度，其傳遞函數(shù)為：式中 1rcRC超前環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；滯后超前比 1。典型滯后校正網(wǎng)絡(luò) 校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為加入滯后校正的位置系統(tǒng)開環(huán)波德圖一般要求：選擇不超過1020；Kg1020dB、4060；c 位于rc和h之間的-20dB/dec區(qū)間。參數(shù)選取方法：當(dāng)c確定后，取rc(1/41/5) c，調(diào)整rc 滿足穩(wěn)定裕量要求。 B) 速度及加速度反饋校正速度及加速度反饋校正反饋校正回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中 K1單有速度反饋校正時(shí)校正回路的開環(huán)增益，且 K2單有加速度反饋校

10、正時(shí)校正回路的開環(huán)增益，且只有速度反饋校正，即K20時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)增益由Kv下降到Kv / (1+K1)，固有頻率由h增加到11hK，阻尼比由 h降低到1/1hK，提高反饋回路外的增益Ke，可以補(bǔ)償Kv的下降。只有加速度反饋時(shí)，Kv、h不變而阻尼比 h提高，提高了穩(wěn)定性。 整個(gè)位置系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)整個(gè)位置系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)有速度反饋后的系統(tǒng)開環(huán)波德圖 速度反饋校正：主要速度反饋校正：主要提高主回路提高主回路的靜態(tài)剛度，減少速度反饋回路的靜態(tài)剛度，減少速度反饋回路內(nèi)的干擾和非線件的影響，提高內(nèi)的干擾和非線件的影響，提高系統(tǒng)的靜態(tài)精度。系統(tǒng)的靜態(tài)精度。加速度反饋：加速度反饋：主要是提高系統(tǒng)的主要是提

11、高系統(tǒng)的阻尼。低阻尼是限制液壓伺服系阻尼。低阻尼是限制液壓伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)的主要原因，如果能統(tǒng)性能指標(biāo)的主要原因，如果能將阻尼比提高到將阻尼比提高到0.4以上，系統(tǒng)以上，系統(tǒng)的性能可以得到顯著的改善。的性能可以得到顯著的改善。 根據(jù)需要速度反饋與加速度反饋根據(jù)需要速度反饋與加速度反饋可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用?？梢詥为?dú)使用，也可以聯(lián)合使用。 加速度、速度反饋參數(shù)選擇原則：加速度、速度反饋參數(shù)選擇原則：1）根據(jù)希望的）根據(jù)希望的 h、 h求得求得K1、K2，2）進(jìn)一步求出）進(jìn)一步求出Kfa、Kfv，求出，求出Kv可可判定判定Ka的值的值3）通常）通常 h、 h有一定限度。要求有一定限度。要求增

12、大后的增大后的 c以以-20dB/dec穿過零分貝穿過零分貝線。線。 加入速度及加速度反饋的系統(tǒng)開環(huán)波德圖加入速度，加速度反饋校正后： 加速度反饋的實(shí)質(zhì)是把輸出速度變化率超前反饋，以阻止輸出量加速度反饋的實(shí)質(zhì)是把輸出速度變化率超前反饋，以阻止輸出量的變化而形成阻尼。提高了系統(tǒng)等速輸入時(shí)的平穩(wěn)性。二階以上系統(tǒng)的變化而形成阻尼。提高了系統(tǒng)等速輸入時(shí)的平穩(wěn)性。二階以上系統(tǒng)用加速度反饋有利于平穩(wěn)調(diào)速，故常用這種校正。用加速度反饋有利于平穩(wěn)調(diào)速，故常用這種校正。三、壓力反饋和動(dòng)壓反饋校正：三、壓力反饋和動(dòng)壓反饋校正： 采用壓力反饋和動(dòng)壓反饋校正的目的是提高系統(tǒng)的阻尼。負(fù)采用壓力反饋和動(dòng)壓反饋校正的目的是

13、提高系統(tǒng)的阻尼。負(fù)載壓力隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)而變化。當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)加劇時(shí)，負(fù)載壓力也載壓力隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)而變化。當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)加劇時(shí)，負(fù)載壓力也增大。如果將負(fù)載壓力加以反饋，使輸入系統(tǒng)的流量減少則增大。如果將負(fù)載壓力加以反饋，使輸入系統(tǒng)的流量減少則系統(tǒng)的振動(dòng)將減弱。起到了增加系統(tǒng)阻尼的作用?？梢詠碛脡合到y(tǒng)的振動(dòng)將減弱。起到了增加系統(tǒng)阻尼的作用。可以來用壓力反饋伺服閥或功壓反饋伺服閥實(shí)現(xiàn)壓力反饋和動(dòng)壓反饋。也力反饋伺服閥或功壓反饋伺服閥實(shí)現(xiàn)壓力反饋和動(dòng)壓反饋。也可以采用液壓機(jī)械網(wǎng)絡(luò)或電反饋實(shí)現(xiàn)壓力反饋或動(dòng)壓反饋?？梢圆捎靡簤簷C(jī)械網(wǎng)絡(luò)或電反饋實(shí)現(xiàn)壓力反饋或動(dòng)壓反饋。6.4 電液速度控制系統(tǒng)一、閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)速

14、度控制系統(tǒng)是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，必須要加校正環(huán)節(jié)，可以考慮加滯后校正和積分校正。 二、泵控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)泵控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。1、泵控開環(huán)速度控制系統(tǒng)變量泵的斜盤角由比例放大器、伺服閥、液壓缸和位移傳感器組成的位置回路控制。通過改變變量泵斜盤角來控制供給液壓馬達(dá)的流量，以此來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)槭情_環(huán)控制，受負(fù)載和溫度變化的影響較大，控制精度差。2、帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng)、帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng)它是在開環(huán)速度控制的基礎(chǔ)上，增加速度傳感器將液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)它是在開環(huán)速度控制的基礎(chǔ)上，增加速度傳感器將液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋。構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。速度

15、反饋信號(hào)與速度指令信速進(jìn)行反饋。構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。速度反饋信號(hào)與速度指令信號(hào)的差值經(jīng)積分放大器加到變量伺服機(jī)構(gòu)的輸入端、使泵的流號(hào)的差值經(jīng)積分放大器加到變量伺服機(jī)構(gòu)的輸入端、使泵的流量向減小速度誤差的方向變化。采用積分放大器是為了使開環(huán)量向減小速度誤差的方向變化。采用積分放大器是為了使開環(huán)系統(tǒng)具有積分特性。構(gòu)成系統(tǒng)具有積分特性。構(gòu)成I型無差系統(tǒng)。通常由于變量伺服機(jī)型無差系統(tǒng)。通常由于變量伺服機(jī)構(gòu)的慣性很小，液壓缸構(gòu)的慣性很小，液壓缸負(fù)載的固有頻率很高閥控液壓缸可負(fù)載的固有頻率很高閥控液壓缸可以看成積分環(huán)節(jié)，變量伺服機(jī)構(gòu)基本上可以看成是比例環(huán)以看成積分環(huán)節(jié)，變量伺服機(jī)構(gòu)基本上可以看成是比例環(huán)節(jié)系

16、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特件主要出泵控液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)所決定。節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特件主要出泵控液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)所決定。3、不帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng)、不帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng) 如果將變量伺服機(jī)構(gòu)的位置反饋去掉，并將積分放大器改為比如果將變量伺服機(jī)構(gòu)的位置反饋去掉，并將積分放大器改為比例放大器可得到閉環(huán)這種速度控制系統(tǒng)。因?yàn)樽兞克欧C(jī)構(gòu)例放大器可得到閉環(huán)這種速度控制系統(tǒng)。因?yàn)樽兞克欧C(jī)構(gòu)中的液壓缸本身含有積分環(huán)節(jié)所以放大器應(yīng)采用比例放大中的液壓缸本身含有積分環(huán)節(jié)所以放大器應(yīng)采用比例放大器，系統(tǒng)仍是器，系統(tǒng)仍是I型系統(tǒng)。由于積分環(huán)節(jié)是在伺服閥和變量泵斜盤型系統(tǒng)。由于積分環(huán)節(jié)是在伺服閥和變量泵斜盤力的后面，所以

17、伺服閥零漂和斜盤力等引起的靜差仍然存在。力的后面，所以伺服閥零漂和斜盤力等引起的靜差仍然存在。變量機(jī)構(gòu)開環(huán)控制，抗干擾能力差易受零漂、摩擦等影響。變量機(jī)構(gòu)開環(huán)控制，抗干擾能力差易受零漂、摩擦等影響。5.6 電液力控制系統(tǒng)以力為被調(diào)量的液壓伺服校制系統(tǒng)稱為液壓力控制系統(tǒng)。在工以力為被調(diào)量的液壓伺服校制系統(tǒng)稱為液壓力控制系統(tǒng)。在工程實(shí)際中，力控制系統(tǒng)應(yīng)用的很多，如材料試驗(yàn)機(jī)、結(jié)構(gòu)物疲程實(shí)際中，力控制系統(tǒng)應(yīng)用的很多，如材料試驗(yàn)機(jī)、結(jié)構(gòu)物疲勞試驗(yàn)機(jī)、軋機(jī)張力控制系統(tǒng)、車輪剎車裝置等都采用電液力勞試驗(yàn)機(jī)、軋機(jī)張力控制系統(tǒng)、車輪剎車裝置等都采用電液力控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理

18、電液力控制系統(tǒng)主要由伺服放大器、電液伺服閥、液壓電液力控制系統(tǒng)主要由伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸和力傳感器等組成。缸和力傳感器等組成。 原理：原理：當(dāng)指今裝置發(fā)出的指令電壓信號(hào)作用于系統(tǒng)時(shí)，液壓缸便當(dāng)指今裝置發(fā)出的指令電壓信號(hào)作用于系統(tǒng)時(shí)，液壓缸便有輸出力。有輸出力。 該力由力傳感器檢測轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號(hào)與指令電壓信號(hào)該力由力傳感器檢測轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號(hào)與指令電壓信號(hào)相比較，得出偏差電壓信號(hào)。相比較，得出偏差電壓信號(hào)。 此偏差信號(hào)經(jīng)伺服放大器放大后輸入到伺服閥，使伺服閥此偏差信號(hào)經(jīng)伺服放大器放大后輸入到伺服閥，使伺服閥產(chǎn)生負(fù)載壓差作用于液壓缸活塞上，使輸出力向減小誤差的方產(chǎn)生負(fù)載壓差作用于液壓缸活塞上，使輸出力向減小誤差的方向變化，直至輸出力等于指令信號(hào)所規(guī)定的值為止。向變化，直至輸出力等于指令信號(hào)所規(guī)定的值為止。在穩(wěn)態(tài)情況下，輸出力與偏差信