機(jī)電一體化——電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、6.電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1 概述電液控制系統(tǒng)是常用機(jī)電一體化系統(tǒng)之一。它是將計(jì)算機(jī)電控和液壓傳動(dòng)結(jié)合在一起， 既發(fā)揮了計(jì)算機(jī)控制或電控制技術(shù)的靈活性，又體現(xiàn)了液壓傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)， 充分顯示出大功率機(jī)電控制技術(shù)的優(yōu)越性。電液控制系統(tǒng)的種類很多，可以從不同的角度分類，而每一種分類方法都代表一定的特征：1）根據(jù)輸入信號(hào)的形式和信號(hào)處理手段可人為數(shù)字控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)、直流控 制系統(tǒng)、電液開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)。2）根據(jù)輸入信號(hào)的形式和信號(hào)處理手段可分為數(shù)字控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)、直流控 制系統(tǒng)、交流控制系統(tǒng)、振幅控制系統(tǒng)、相位控制系統(tǒng)。3）根據(jù)被控量的物理量的名稱可分為置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、力或壓力控制系

2、統(tǒng) 等。4）根據(jù)動(dòng)力元件的控制方式可分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)。5）根據(jù)所采用的反饋形式可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。本章主要介紹電液控制系統(tǒng)的組成、控制元件，系統(tǒng)數(shù)字模型以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。6.2 電液控制元件電液控制元件主要包括電液伺服閥、電液比例閥、電液數(shù)字閥以及由數(shù)字閥組成的電液步進(jìn)缸、步進(jìn)馬達(dá)、步進(jìn)泵等。它膠是電液控制系統(tǒng)中的電-液能量轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件，它能夠?qū)⑿」β实碾娦盘?hào)輸入轉(zhuǎn)換為大功率的液 壓能（流量與壓力）或機(jī)械能的輸出。在電液控制系統(tǒng)中，將電氣部分與液壓部 分連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，主要有電液伺服閥、電液比例閥、電 液數(shù)字閥以及各種電磁開(kāi)關(guān)閥等

3、。電液控制閥是電液控制系統(tǒng)的核心，為了正確地設(shè)計(jì)和使用電液控制系統(tǒng)，就必須掌握不同類型電液控制閥的原理和性能。6.2.1 控制元件的驅(qū)動(dòng)6.2.1.1 電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器有“力電機(jī)（馬達(dá)）”、“力矩電機(jī)（馬達(dá)）”以及直流伺服電動(dòng)機(jī)和步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，它將輸入的電信號(hào)（電流或電壓）轉(zhuǎn)換為力或力矩輸出，去操縱閥動(dòng)作，推行 一個(gè)小位移。因此，電氣 -機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液控制閥中的驅(qū)動(dòng)裝置，其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性 在電液控制閥的設(shè)計(jì)和性能中都起著重要的作用。根據(jù)使用電液控制閥的不同，其結(jié)構(gòu)有所不同。主要有用于電液伺服閥或電液比例閥的動(dòng)圈式電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器、動(dòng)鐵式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和

4、伺服電動(dòng)機(jī)等。直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已在第四章詳細(xì)介紹過(guò)，在此僅介紹動(dòng)圈式電氣一機(jī)械轉(zhuǎn)換器和動(dòng)鐵式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器基本結(jié)構(gòu)原理及情能要求。（1）動(dòng)圈式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器1）工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖6.1所示，它是基于位于磁場(chǎng)中動(dòng)圈上的載流導(dǎo)體受力作用的基本原理。恒定磁場(chǎng)由永久磁鋼4產(chǎn)生，再配以導(dǎo)磁體組成定子。 載流導(dǎo)體做成動(dòng)圈，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞。 通過(guò)導(dǎo)流裝置將電流引至動(dòng)圈，無(wú)需換向器。通過(guò)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受一正比于電流、磁通密度和導(dǎo)線長(zhǎng)度的力， 使動(dòng)圈產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)圈的電感直流影響其動(dòng)態(tài)性能，為了減小其時(shí)間常數(shù)，一般電感都做得較小。為了使其有足夠的通頻帶，動(dòng)圈質(zhì)量較小，但卻要求有好的剛

5、度以保證較高的機(jī)械諧振頻率。動(dòng)圈式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用在電液伺服閥上驅(qū)動(dòng)滑閥。2）主要性能要求提高比推力降低其不均勻度比推力是指單位電流的推力。 推力大對(duì)其動(dòng)作時(shí)間的縮短有利。提高氣隙磁通密度是增加比推力的有效辦法。為滿足各項(xiàng)動(dòng)靜態(tài)性能的要求，還希望在工作范圍內(nèi)比推力均勻。較長(zhǎng)動(dòng)圈的電機(jī)由于工作行程內(nèi)漏磁的不均勻，其比推力比短動(dòng)圈的電機(jī)要小。減小漏磁場(chǎng)漏磁不僅降低了磁鋼的利用率，也影響電機(jī)參數(shù)和電機(jī)性能。在結(jié)構(gòu)減小氣隙等措施上采用縮短磁路長(zhǎng)度、使磁路各部分配合緊密、減小外表面的尖角和棱角、 來(lái)減小漏磁。（2）動(dòng)鐵式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器1）工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在機(jī)電控制技術(shù)中用得較多的是開(kāi)關(guān)式電磁

6、鐵、比例電磁鐵和力矩電動(dòng)機(jī)。開(kāi)關(guān)式電磁鐵早已廣泛應(yīng)用。交流電磁鐵有較大的推力，且電源的 采用比較方便。交流電磁鐵的缺點(diǎn)主要是它在未吸合時(shí)線圈電流較大，因而不宜反復(fù)反啟動(dòng)。 特別是當(dāng)由于某種原因， 動(dòng)鐵的移動(dòng)被阻（卡死）時(shí)， 造成電流過(guò)大，使電磁鐵燒環(huán)。因而在某些電磁鐵帶動(dòng)的負(fù)載有可能卡死 的應(yīng)用場(chǎng)合，希望采用直流電磁鐵。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)及特性如圖6.2所示。它具有特殊的導(dǎo)套， 導(dǎo)套左右兩段由導(dǎo)磁材料制成，中間用一段非導(dǎo)磁材料焊接而成，其錐形端部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。這樣，導(dǎo)套和銜鐵組成的特殊磁路使銜鐵在一定的工作范圍內(nèi)電 磁鐵的吸力只和電流有關(guān)，而與銜鐵的位置無(wú)關(guān)。圖6.2b表示 普通電磁鐵和 比例電磁鐵

7、力-位移特性的比較。圈中 橫坐標(biāo)是銜鐵的位移，縱坐標(biāo)是電磁 力。從圖中可以看出，當(dāng)比例電磁鐵的 n區(qū)域工作時(shí)，電磁力的銜鐵的位置無(wú)關(guān)，只取決于工作電流。圖6.3是力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。上下導(dǎo)磁體1、4在左右氣隙產(chǎn)生極化磁場(chǎng)，由于銜鐵5和極靴之間的四個(gè)氣隙是相等的，所以銜鐵受到的電磁力相互抵消而銜鐵維持不動(dòng)。當(dāng)控制線圈3通電流時(shí)，由于極化磁場(chǎng)與控制線圈磁路的相互作用而使銜鐵產(chǎn)生與控制電流的大小和方向相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁力矩大于負(fù)載及大于固定彈簧管6變形的力矩時(shí)，銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。這種力矩電動(dòng)機(jī)有高的工作頻率，動(dòng)作靈敏，功率/重時(shí)比大，但轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小，材料性能及制造精度要求較高，因而價(jià)格較昂貴，較廣泛地用

8、于電液伺服或比例機(jī)構(gòu)。圖6.2比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)及特性圖6.3力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖1 上導(dǎo)磁體；2磁鋼；3 一線圈；4 下導(dǎo)磁體；5銜鐵；6彈簧管；7線圈引出線2）靜態(tài)特性圖6.4為比例電磁鐵的靜態(tài)特性。圖中Fm、i、yM分別為電磁力、工作電流、銜鐵的額定工作位移，下標(biāo)max表示其最大值。從圖中可看到電磁力-行程曲線近似是一組平行線, 電磁力-電流曲線近似是一組直線。從圖中還可以看到，當(dāng)電流（或行程）增加時(shí)電磁力的 變化和電流（或行程）減小時(shí)電磁力的變化曲線不重合，稱為滯環(huán)特性。這是由于電磁材料 的滯環(huán)性能和運(yùn)動(dòng)的摩擦力所造成的。一般在使用時(shí)用疊加顫振信號(hào)來(lái)減小此滯環(huán)。6.2.1.2 液壓放大

9、元件液壓放大元件是一種功率放大器，也稱液壓放大器。它以輸入的 機(jī)械運(yùn)動(dòng)連續(xù)地控制輸出的流體壓力和流量。從結(jié)構(gòu)形式上看，液壓 放大元件主要有滑閥、噴嘴擋板閥、射流管閥等三類。其中滑閥的結(jié) 構(gòu)形式較多，應(yīng)用出較普遍，既可用于液壓前置級(jí)放大器也可用于液 壓功率級(jí)放大器。噴嘴擋板閥和射流閥主要用作液壓前置放大器。圖6.4比例電磁鐵的靜態(tài)特性（1）噴嘴擋板閥噴嘴擋板閉閥的工作原理如圖6.5所示。它由噴嘴2、固定節(jié)流孔1和擋板3組成。擋板和噴嘴之間形成一個(gè)可變節(jié)流口，擋板一般由扭軸或彈簧去承，擋板的位置由輸入信號(hào)控制。對(duì)于噴嘴擋板閥，當(dāng)壓力油Ps進(jìn)入閥后，分別通過(guò)兩個(gè)液阻相等的固定節(jié)流口 1,再經(jīng)噴嘴和擋

10、板間的可變節(jié)流口a、b內(nèi)分別形成壓力 P1、作用在液壓缸的左、右腔。當(dāng)擋板上沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，擋板處于中間位置，噴嘴和擋板間的可變節(jié)流口液阻相等，作用在液壓缸左、右腔力 P1和P2相等，液壓缸不動(dòng)。當(dāng)輸入信號(hào)作用于擋板上時(shí)，例如使擋板 向左偏轉(zhuǎn)，可變節(jié)流口 a減小，液阻增加，壓力 P1增高；同時(shí)，可變節(jié)流口 b增大，液阻減 小，壓力P2降低，作用在液壓缸左、右腔壓力P1P2,液壓缸向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)輸入信號(hào)相反時(shí)，液壓缸向相反方向運(yùn)動(dòng)。圖6.5噴嘴擋板閥(2)射流管閥圖6.6為射流管閥工作原理圖。當(dāng)射流管1在中間位置時(shí)，接收器2上兩相受流孔接收的油液及壓力相等，則活塞不動(dòng)。當(dāng)射流管偏離中央位置時(shí)，由于

11、射到兩孔的流量不同，在 活塞腔的二腔產(chǎn)生壓力差使活塞運(yùn)動(dòng)。操縱射流管的力比操縱噴嘴擋板的力大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，但這種閥的抗污染性能較好。由于存在一定的功率損耗，因此一般作為控制閥的前置級(jí)使用，但應(yīng)用范圍比噴嘴擋板閥小。圖6.6射流管閥(3)滑閥滑閥具有良好的控制功能，功率放大系數(shù)大，因此電液控制閥的功率放大級(jí)均采用滑閥。但 是滑閥的靈敏度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)較低， 要求的控制力較大，因此稍大一點(diǎn)的閥需要有前級(jí)放大 (一 般為噴嘴擋板閥或射流閥)。根據(jù)滑閥工作邊的數(shù)目，可分成雙邊滑閥和四邊滑閥。圖 6.7 為四邊滑閥及其等效電路。一般雙邊滑閥用于控制單出桿缸，四邊滑閥用于控制雙出桿缸，滑閥的閥口可以看作一

12、個(gè)液流阻力， 通過(guò)閥口的流量和閥口兩端的壓差是平方關(guān)系， 這給線 性傳遞函數(shù)的推導(dǎo)帶來(lái)困難?；y的流量 -壓力關(guān)系可以寫(xiě)成(6.1 )Ql CdWXv (Ps Pl) QL(Xv, p)式中Q通過(guò)閥口的輸出流量；Cd閥口流量系數(shù)；w 閥口沿圓周方向的寬度，即閥口的面積梯度;xv閥口開(kāi)度；Ps滑閥供油壓力;R負(fù)載壓降；油液的密度。上式的全微分為圖6.7四邊滑閥及等效電路(a)四邊涔閥原理圖；(b)等效電路圖QlQl(Xv, P)xvxvQl(Xv, p)PlPl(6.2)令Kq Ql/ Xv為閥的流量增益；Ke Ql/ Pl為閥的流量-壓力系數(shù)；KqQl/ Xv為閥的壓力的增益。 此三個(gè)系數(shù)是表

13、征閥的動(dòng)、 靜態(tài)特性的重要參數(shù)。 經(jīng)上述線性化處理后， 流量微小變化的公式可寫(xiě)成Ql Kq Xv Ke PL(6.3 )滑閥輸出最大功率(效率)時(shí)得負(fù)載壓力pL和負(fù)載流量Ql ,可由輸出功率 N閥出=PLQ對(duì)負(fù)載壓力Pl求極大值得Pl |ps 3 3(6.4 )QomQL3式中Q 0m供油壓力下的最大穿載流量，Q0m Cd wxvm . ps廠；Xvm 滑閥在最大開(kāi)口時(shí)閥芯的位移。6.1.1 電液伺服閥6.1.1.1. 電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理電液伺服閥是一種接受電氣模擬信號(hào)后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥。根據(jù)輸出液壓信號(hào)的不同，電液伺服閥可以分為最液流量伺服閥和電液壓力伺服閥。圖6.8

14、是電液流量伺服閥的原理圖。它由電磁和液壓兩部分組成。電磁部分早永磁式力矩馬達(dá)，由永 久磁鐵、導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈和彈簧管所組成。液壓部分是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩級(jí)液壓放大器， 前置級(jí)是雙噴嘴擋板閥，功率級(jí)是四通滑閥，滑閥通過(guò)反饋桿與銜鐵擋板組件相連。力矩馬達(dá)把輸入的電信號(hào)(電流)轉(zhuǎn)換為力矩輸出。無(wú)信號(hào)電流時(shí)，銜鐵由彈簧管支承 在上下導(dǎo)磁體的中間位置，永外磁鐵在四個(gè)氣隙中產(chǎn)生的極化磁通g是相同的，力矩馬達(dá)無(wú)力矩輸出。此時(shí)，擋板處于兩個(gè)噴嘴的中間位置，噴嘴擋板閥輸出的控制壓力Pip=Bp,滑閥在反饋桿小球的約束下也處于中間位置，閥無(wú)液壓信號(hào)輸出。 若有信號(hào)電流輸入時(shí)，控制線圈產(chǎn)生控制磁通。c,其大小與方向

15、由信號(hào)電流所決定。如圖 6.8所示，在氣隙b、c中， 4 c與4 g方向相反。因此，氣隙 b、c中的合成磁通大于 a、d中的合成磁通，于是，在銜鐵 上產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻拇帕?，使銜鐵繞彈簧管中心逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)。同時(shí)，使擋板向右偏移，噴嘴擋板的右間隙減小而左間隙增大，控制壓力pip增大、pip減小，推動(dòng)滑閥左移。同時(shí)，使反饋桿產(chǎn)生彈性變形，對(duì)銜鐵擋板組件產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻姆戳亍．?dāng)作用有銜鐵擋板組件上的磁力矩、彈簧管反力矩、反饋桿反力矩等諸力矩達(dá)到平衡時(shí)，滑閥停止運(yùn)動(dòng)，取得 一個(gè)平衡位置，并有相應(yīng)的流量輸出?；y位移、擋板位移、 力矩馬達(dá)輸出力矩都依次與輸入信號(hào)電流成比例地變化，在負(fù)載壓差一定時(shí)

16、，閥的輸出流量也與信號(hào)電流成比例。 當(dāng)輸入信號(hào)電流反向時(shí)， 閥的輸出流量也 反向。所以，這是一種流量控制電液伺服閥。電液伺服閥的類型和結(jié)構(gòu)形式很多，但是，都是由電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器和液壓放大器所構(gòu)成的，如圖6.9所示。電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)閥的 運(yùn)動(dòng)又去控制液壓液體動(dòng)力（流量與壓力）。電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力或力矩很小，在流量比較大的情況下，無(wú)法用它來(lái)直接驅(qū)動(dòng)功率閥，此時(shí)，需要增加液壓前置放大級(jí)將電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出加以放大，再來(lái)控制功率閥，這就構(gòu)成了多級(jí)電液伺服閥。前置級(jí)可以采用滑閥、噴嘴擋板閥或射流管閥，功率級(jí)幾乎都是采用滑閥。6.2.2.2.電液伺服閥的工

17、作特性（1）靜特性電液伺服閥的靜態(tài)特性又分為流量特性和壓力特性，其中流量特性根據(jù)負(fù)荷情況還可以再細(xì)分為空載流量（Q）特性和負(fù)載流量（Q）特性。電液伺服閥在穩(wěn)定工作時(shí)，若無(wú)外加 載荷，則在額定供油壓力作用下，輸入信號(hào)電流i所產(chǎn)生的控制流量變化規(guī)律即為空載流量特性，如圖6.10所示圖中兩條線不重合是由磁滯原因造成的。該曲線的斜率即為伺服閥的 流量增益Kp （流量放大系數(shù)），可以寫(xiě)成如下形式KP -Q（6.5）i圖6.11a是電液液服閥的負(fù)載流量特性曲線， 它表明電液伺服閥工作時(shí)負(fù)載流量 Q與負(fù) 載壓力PL之間的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載壓力 PL為2/3ps時(shí)，伺服閥輸出功率最大效率最高。 Pa為進(jìn) 油壓力。（

18、2）壓力特性壓力特性是指油管壓力為7MPa時(shí)，堵死負(fù)載油口后，使輸入電流在額定值范圍內(nèi)改變時(shí)，輸出壓力Pl的變化曲線。該曲線的效率就是伺服閥的壓力增益KP,從圖中可以看出，輸入電流有很小的增量 i時(shí)，負(fù)載壓力就趨于飽和，可見(jiàn)壓力增益是很大的，如圖 6.11b所示。 圖中的兩條曲線也是由于磁滯原因造成的。（3）動(dòng)態(tài)特性電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性常用對(duì)數(shù)頻率特性表示，負(fù)載壓力為0,輸入電流為等幅變頻的正弦信號(hào)時(shí)，輸出流量間的振幅比和頻率的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)，如圖6.11b所示，振幅比用分貝（dB）表示，有振幅比 201l A Ao式中a o低頻時(shí)輸出流量的振幅；A 1 某一頻率下輸出流量的振幅。當(dāng)非對(duì)數(shù)振

19、幅比A/Ao=0.7時(shí)，對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)振幅比為-3dB,對(duì)應(yīng)的頻率稱寬。頻寬過(guò)窄， 則系統(tǒng)反應(yīng)速度低，頻寬過(guò)寬，則可能將電噪聲和高頻干擾傳往負(fù)載。相位差是指輸出流量 變化的相位角對(duì)于輸入正弦電流信號(hào)的相位角的差值，單位是度。如果電液伺服閥的動(dòng)態(tài)品則表明質(zhì)優(yōu)良，則伺服閥的輸出流量幅值的減小和相位角的滯后是比較小的。相位差越大,輸出流量相位角滯后越大。6.2.3電液比例閥電液比例閥是根據(jù)電信號(hào)的大小對(duì)壓力或流量按比例進(jìn)行遠(yuǎn)距離的控制的一種閥。它具有電液伺服閥的某些優(yōu)點(diǎn)，但不是一般的電液伺服閥。而是在普通液壓控制閥的基礎(chǔ)上加上電氣控制部分（電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件）發(fā)展起來(lái)的，電氣控制部分包括放大器及比例電磁

20、 鐵。將控制信號(hào)加入電放大器，使比例電磁鐵按比例產(chǎn)生控制力與位移，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力與流量的比較控制。電液比例閥與普通控制閥一樣，有壓力控制閥、流量控制閥、新聞自由控制閥。根據(jù)使 用的電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，電液比例閥主要有以下三類：1）電磁式比例閥采用比例電磁鐵，根據(jù)輸入的電氣信號(hào)來(lái)控制輸出的液壓參數(shù)。2）電動(dòng)式比例閥采用直流伺服電機(jī)，根據(jù)輸入電氣信號(hào)來(lái)控制輸出的液壓參數(shù)。伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸入的信號(hào)，輸出一定的轉(zhuǎn)速，再經(jīng)過(guò)齒輪-凸輪或齒輪-齒條（或絲杠等）減速和變換機(jī)構(gòu)輸出位移或力。3）電液式比較閥 采用力矩馬達(dá)（或力馬達(dá)）和噴嘴擋板的結(jié)構(gòu)為先導(dǎo)控制級(jí)（類似 伺服閥的前置級(jí)）。力矩馬達(dá)根據(jù)輸入電信號(hào)，

21、通過(guò)與它連接在一起的擋板輸出位移（或角 位移），改變擋板和噴嘴之間的距離，使流阻變化來(lái)進(jìn)行控制。6.2.3.1.電液比例壓力閥電液比例壓力閥有比例先導(dǎo)壓力閥、比例溢流閥、比例減壓閥、比例順序閥等類型。比例先導(dǎo)壓力閥有電磁式比例先導(dǎo)壓力閥、電動(dòng)式比例先導(dǎo)減壓閥、電液式比例先導(dǎo)壓力控制閥。它們都是在一般的壓力先導(dǎo)閥上取消調(diào)壓手輪，分別以電磁鐵、直流伺服電機(jī)、力矩（或力）馬達(dá)等電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件代替，圖6.12是電磁鐵式的比例先導(dǎo)壓力閥。由圖可見(jiàn)，當(dāng)處于平衡狀態(tài)的閥芯 3剛要打開(kāi)時(shí)，彈簧2右端作用的電磁力等于彈簧左端作用的液壓力， 即pA=Kx （6.6） 式中P 液體壓力；A一閥芯的受壓面積；K一

22、彈簧剛度； X一彈簧變形量。而比例電磁鐵的吸力為 Fp=Kx,所以pFp,油液壓力與比例電磁鐵吸力成正比。比例閥的電磁鐵吸力特性如圖 6.13所示。圖中實(shí)線表示電磁吸力，虛線表示彈簧反力，s為電磁鐵的可動(dòng)鐵心與下軻鐵的距離。由圖可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)于鐵心的某一位置s,可求出與彈簧反力相平衡的點(diǎn)a1、a2、，從而可求出電磁鐵的電流 -吸力（I-FP）曲線，如圖6.14所示。當(dāng)電 流連續(xù)變化時(shí)，吸力即按 I-F p曲線變化。若I-F p曲線接近于線性，則 pal ,即油液壓力P 可以通過(guò)給定電流I的大小來(lái)調(diào)整，并且 P與I按比例變化。電液比例壓力先導(dǎo)閥與二級(jí)式溢流閥、減壓閥、順序閥的主閥組成相應(yīng)的電液比例壓

23、力控制閥（比例溢流閥、比例減壓閥、比例順序閥）。例如，電液比例溢流閥就是由比例先導(dǎo)閥和普通溢流閥的主閥部分組成的。圖6.15是電動(dòng)式比例溢流閥的典型結(jié)構(gòu)。它由電動(dòng)式比例先導(dǎo)壓力閥（直流伺服電機(jī)-錐閥式比例先導(dǎo)閥）和普通的二級(jí)同心座閥式溢流閥的主閥部分組成。當(dāng)向伺服電動(dòng)機(jī)的電樞輸入電氣信號(hào)后，伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速并通過(guò)齒輪-凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成位移，以壓縮彈簧，調(diào)整錐閥彈簧力，同時(shí)通過(guò)反饋電位器同輸入信號(hào)比較，當(dāng)輸入信 號(hào)和反饋信號(hào)差值為零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，先導(dǎo)閥的調(diào)節(jié)壓力被給定。來(lái)自主閥腔的輸出壓力通過(guò)閥的阻尼孔反饋到先導(dǎo)錐閥，當(dāng)作用在錐閥上的液壓力同由伺服電動(dòng)機(jī)給定的彈簧力相平衡時(shí)，主閥和先導(dǎo)

24、錐閥都關(guān)閉。當(dāng)液壓力大于彈簧力時(shí)，先導(dǎo)錐閥打開(kāi)，主閥芯 上下腔由于閥體反饋通道中阻尼器節(jié)流千萬(wàn)的壓差而使主閥芯動(dòng)作。因此只要改變輸入伺服電動(dòng)機(jī)的電氣信號(hào)就可以連續(xù)比例地控制主閥的輸出壓力。圖6.16是這種閥的控制方框圖。6.2.1.2.電液比例調(diào)速閥在調(diào)速閥中，將節(jié)流閥的節(jié)流口大小由比例電磁鐵來(lái)控制就成了電液比例調(diào)速閥，如圖6.17所示。這里，節(jié)流閥的閥芯 2處于彈簧4的作用力與電磁鐵 1的吸力相平衡的位置上。 通過(guò)流量的大小由節(jié)流口的開(kāi)口面積f的大小決定，即2 Q Cf J- p （6.7） P因?yàn)槎ú顪p壓閥3保證了 p恒定，所以 gf，而f=兀dx（x為閥芯開(kāi)口量，d為閥芯 直徑）故通過(guò)的

25、流量 Q與電磁鐵鐵心的位移（等于 x）成比例。圖6.18所示為電磁鐵的電流-位移曲線。給定某個(gè)電流值I ,就有與之對(duì)應(yīng)的鐵心位移量x,x=s ma,-s（s為電磁鐵的銜鐵與下軻鐵的距離，Smax為最大距離），即節(jié)流閥有相應(yīng)的開(kāi)口面積。所以，通過(guò)的流量與電信號(hào)成正比。此類閥除作調(diào)速閥外，還可用作切換閥（二位二通 換向閥）。6.2.3.3.電液比例換向閥電液比例換向閥是電液比例壓力閥與液動(dòng)換向閥的組合。一般用電液比例減壓閥作為先導(dǎo)級(jí)，利用電液比例減壓閥的出口壓力來(lái)控制液動(dòng)換向閥的正向和反向開(kāi)口量的大小，從而控制流量大小和液流方向。圖6.19所示為電液比例換向閥的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)直流電信號(hào)號(hào)電磁鐵5時(shí)

26、，電磁鐵將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移，使雙向減壓閥芯4向右移動(dòng)。這時(shí)從 P 口進(jìn)入的壓力為 Pb的液壓油經(jīng)減壓閥減至 P1后從油道D至液動(dòng)換向閥芯 2的右端，抖動(dòng)閥芯 2向左移動(dòng)，B孔與壓 力油路P相通。在油道D上有反饋油孔 C,將P1引至減壓閥芯4的右端。當(dāng)P1作用在減壓 閥芯右端的力與電磁鐵的電磁力相等時(shí)，減壓閥芯即處于平衡狀態(tài)。與此相對(duì)應(yīng)，液動(dòng)換向閥有一定的開(kāi)口量。當(dāng)輸入電信號(hào)加至電磁鐵3時(shí)，液動(dòng)換向閥芯 2向右移動(dòng)，使A孔與壓力油路P相通。因此，閥的輸出流量大小和液流方向可以由輸入電信號(hào)的大小及方向來(lái)控制。 此外，在液動(dòng)換向閥的兩端蓋子上分別設(shè)有節(jié)流閥1和6,根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)液動(dòng)換向閥的換向

27、時(shí)間。為了避免負(fù)載變化對(duì)執(zhí)行元件速度的影響，往往將電液比例換向閥與定差減壓閥或溢流閥組合在一起，成為比例復(fù)合閥。6.2.4電液數(shù)字元件用數(shù)字信號(hào)直接控制的液壓元件，稱為電液數(shù)字元件。 它與其他電液控制元件相同，也是由電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置和普通的液壓元件組成的。電液數(shù)字元件主要有電液數(shù)字閥、電液 數(shù)字泵、電液步進(jìn)液壓缸以及電液步進(jìn)液壓馬達(dá)等。電液數(shù)字元件可直接與計(jì)算機(jī)接口，不需要D/A轉(zhuǎn)換器。與電液伺服元件、電液比例元件相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，價(jià)格低 廉，抗污染能力強(qiáng)，重復(fù)性好，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。6.2.4.1.1 電液數(shù)字閥電液數(shù)字閥與其他電液控制閥一樣，主要有流量控制閥、壓力控制閥以及

28、方向控制閥等，按電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置可分為有增量式數(shù)字控制閥和脈寬調(diào)制式數(shù)字閥兩種結(jié)構(gòu)類型。增量式數(shù)字閥就是用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓閥，如圖6.20所示是一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)字流量閥。當(dāng)計(jì)算機(jī)給出信號(hào)后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠2使旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為軸向位移，帶動(dòng)節(jié)流閥閥芯3移動(dòng)，閥口開(kāi)啟。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的步數(shù)，相當(dāng)于閥芯一定的開(kāi)度。脈寬調(diào)制式數(shù)字閥是用脈寬調(diào)制原理控制的高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥，由于只有“開(kāi)”、“關(guān)”二種工作狀態(tài)，因而有結(jié)構(gòu)緊湊合、價(jià)格低廉、抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。這種數(shù)字閥的電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置是電磁鐵或力（矩）馬達(dá)。如圖 6.21所示為力矩馬達(dá)和球閥組合的高速開(kāi)關(guān)型 數(shù)字閥。當(dāng)力

29、矩馬達(dá)線圈通電時(shí)，銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)先導(dǎo)級(jí)球閥向下運(yùn)動(dòng)。圖中球閥2向下關(guān)閉，L2腔與回油腔 作相通，使球4向上作用的液壓力大于向下的力，球 4上升，Pa腔與壓力 油Ps相通。左面的先導(dǎo)級(jí)因無(wú)力矩馬達(dá)的作用力，球閥 1因向上作用的液壓力較大，球 1 上升，L1腔與壓力油相通，球 3向下作用的液壓力大于向上的力，球3向下關(guān)閉，使Pa腔與回油腔Pr斷路。反之，當(dāng)另一線圈通電時(shí)，則4個(gè)球的方向相反，負(fù)載腔 PA與回油腔Pr相通。脈寬調(diào)制式數(shù)字閥的切換時(shí)間都在毫秒以內(nèi)，流量也比較小?？捎靡钥刂戚^小的流量， 也可用作先導(dǎo)級(jí)控制大流量的閥。6.2.422.電液步進(jìn)液壓馬達(dá)電液步進(jìn)馬達(dá)屬于增量式的電液伺服機(jī)構(gòu)。一

30、般是通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和控制閥接受數(shù)字控制電路發(fā)出的脈沖序列信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換與功率放大，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，輸出功率信號(hào)， 即輸出與輸入脈沖數(shù)成比例的角位移。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率較小，且輸出扭矩隨脈沖頻率的增大而減小，因此必須通過(guò)扭矩放大器進(jìn)行功率放大后來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。圖6.22為電液步進(jìn)馬達(dá)原理圖，它由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和液壓扭矩放大器兩部分組成。液壓扭矩放大器是一個(gè)帶機(jī)械反饋的液壓伺服機(jī)構(gòu)，由四通滑閥、液壓馬達(dá)以及閥芯端部上的螺桿和液壓馬達(dá)輸出軸上的螺母組合起來(lái)的反饋機(jī)構(gòu)組成。由圖可知，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在輸入脈沖作用下轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，經(jīng)過(guò)一對(duì)減速齒輪傳至四通滑閥，由于滑閥端部的螺桿和與液壓馬達(dá)軸上的螺母相配合引

31、起閥芯軸向移動(dòng)，使閥芯與閥套間形成開(kāi)口，壓力油經(jīng)閥口進(jìn)入液壓馬達(dá)使之旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)又通過(guò)螺母使閥芯恢復(fù)原位，關(guān)閉開(kāi)口，液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在反向脈沖作用下，反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓馬達(dá)也作反向運(yùn)動(dòng)。因此，液壓馬達(dá)總是跟隨步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成比例，而其轉(zhuǎn)速輸入脈沖頻率成比例。液壓扭矩放大器伺服閥的結(jié)構(gòu)，目前多采用四通滑閥，閥芯端部有螺桿， 它和液壓馬達(dá)輸出軸上的螺母一起構(gòu)成了反饋機(jī)構(gòu)。液壓馬達(dá)形式較多，大致有軸向柱塞式、軸向球塞式、徑向柱塞式和旋轉(zhuǎn)葉片。其中以點(diǎn)接觸的軸向柱塞式液壓馬達(dá)較為普遍，與其他形式相比較，這種馬達(dá)制造工藝簡(jiǎn)單，速度高，轉(zhuǎn)速可達(dá)3 00

32、0r/min。旋轉(zhuǎn)葉片式（動(dòng)葉片式）液壓馬達(dá)，由于起動(dòng)摩擦力矩較小，可以獲得較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，因此受到人們的重視。這種馬達(dá)能 在1-1 500r/min 的范圍內(nèi)工作，最高工作壓力可達(dá)140X 105-N/m2。6.2.4.3.電液步進(jìn)液壓缸電液步進(jìn)液壓缸是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和帶機(jī)械反饋的閥控液壓缸組成的，可用于控制直線位移，定位精度可達(dá)微米級(jí)。電液步進(jìn)液壓缸的分析方法與電液步進(jìn)馬達(dá)相同。下面僅介紹兩 種電液步進(jìn)液壓缸的結(jié)構(gòu)原理，如圖6.23所示，液壓放大器由三通閥和單活塞桿液壓缸組成，反饋機(jī)構(gòu)由與三通閥閥芯相連的螺桿和與活寨相連的螺母組成。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 能獲得高精度定位。工作原理：活塞4的桿側(cè)

33、有效面積為頭側(cè)的 1/2 ,始終向桿側(cè)供入供油壓力 Ps。頭側(cè)的 壓力由三通K控制于 0與Ps之間，活塞桿靜止時(shí)，頭側(cè)的壓力為Ps/2。如果沿從頭側(cè)看順時(shí)針?lè)较蚵曈憚窕y，則固定于活塞4上的螺母5與連接著閥芯7的螺桿3相互作用使閥芯 7右移，B 口經(jīng)三通閥與壓力源泉相通，頭側(cè)壓力高于PS/2,于是活塞4向左運(yùn)動(dòng)，直到閥芯7恢復(fù)原始平衡位置為止?；y逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)作相反， B 口通油箱，活塞4向右運(yùn) 動(dòng)。平衡活塞6用來(lái)防止活塞桿1內(nèi)腔的壓力把螺桿 3向右推，活塞右側(cè)引入B 口壓力，左 側(cè)通回油管。圖6.24表示另一種結(jié)構(gòu)形式的電液步進(jìn)液壓缸。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)具有梯形螺紋的螺桿1轉(zhuǎn)動(dòng)。向油口 2

34、供入壓力油，油腔3內(nèi)充滿壓力油。壓力油通過(guò)液壓缸活塞內(nèi)部通道4到達(dá)由螺桿來(lái)控制的油口 5,在靜止?fàn)顟B(tài)下，此油口關(guān)閉著。如果螺桿 1旋轉(zhuǎn)，螺紋頂部向 右移動(dòng)時(shí)，壓力油通過(guò)油口 5和螺桿槽道6進(jìn)入油腔7,推動(dòng)活塞8右移，直到油口 5關(guān)閉。 反之，如果螺桿反向旋轉(zhuǎn)，螺紋頂部左移，油口 5關(guān)閉，而油口 9開(kāi)啟，油腔7內(nèi)的油液經(jīng) 螺旋槽通道、油口 9、通道11和12回油箱。結(jié)果油腔 7的油壓降低，油腔 3的壓力推動(dòng)活 塞8左移，直到油口 9關(guān)閉，于是，活塞8跟隨螺桿螺紋頂部位置而運(yùn)動(dòng)。這里螺桿1相當(dāng)于一個(gè)三通滑閥。這種結(jié)構(gòu)省略了把閥芯旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，如螺桿、螺母等。但由于起滑閥作用的螺桿 1

35、變長(zhǎng)，且要求螺紋頂部有很高的精度，因此使加工困難。另外，由于控制油口不對(duì)稱，使螺桿受到徑向不平衡液壓力，為此須沿螺紋升程在圓周幾個(gè)地方等距離地布置油口，但增加了制造的困難。6.2.4.4.電液數(shù)字液壓泵圖6.25是數(shù)字變量泵示意圖。主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)（或絲杠螺母機(jī)構(gòu)）、先導(dǎo)閥、變量活塞、變量斜盤泵等組成。微機(jī)發(fā)出控制脈沖指令使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)或絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)先導(dǎo)閥芯移動(dòng)，變量活塞在控制壓力油的作用下跟隨先導(dǎo)閥芯移動(dòng)，變量活塞帶動(dòng)變量斜盤使其改變傾角，從而實(shí)現(xiàn)油泵的變量。在泵控系統(tǒng)中常用到這種數(shù)字變量泵，作為動(dòng)力元件。6.3液壓動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在電液控制系

36、統(tǒng)中采用液壓拖動(dòng)裝置作為動(dòng)力元件，因此液壓拖動(dòng)裝置也稱為液壓動(dòng)力元件，它由液壓放大元件和執(zhí)行元件組成。液壓動(dòng)力元件有四種基本形式：閥-液壓馬達(dá)組合裝置；閥-液壓缸組合裝置；泵-液壓馬達(dá)組合裝置；泵-液壓缸組合裝置。它們作 為被控對(duì)象可以組成兩種基本的控制系統(tǒng)：閥控（節(jié)流控制式）系統(tǒng)和泵控（容積控制式） 系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)和分析系統(tǒng)時(shí)其被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型占有非常重要的地位。6.3.1 閥控裝置的數(shù)學(xué)模型閥控裝置有閥控液壓缸和閥控液壓馬達(dá)兩種。由于它們的數(shù)學(xué)模型形式相同，故下面以閥控液壓缸為例， 建立其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。閥控液壓缸由滑閥和液壓缸組成組合裝置，有四邊滑閥-雙作用液壓缸和雙邊滑閥-差動(dòng)液壓缸等

37、。下面以四邊滑閥-雙作用液壓缸為例分析其動(dòng)態(tài)特性。四邊滑閥-雙作用液壓缸組合裝置如圖6.26所示。閥的線性流量方程由式（6.3 ）表示為Ql Kq xv Kc Pl（6.8）式中KqAxv流入滑閥的總流量流量；KcA Pl滑閥輸出的總流量增量；Q進(jìn)入閥控液壓缸裝置的總流量增量。由圖可知Q=Q-Q2對(duì)每一個(gè)活塞腔應(yīng)用連續(xù)性方程，則得到dV1 V1dpi，、Q1 Gp（Pi P2） CepPi （6.9）pdt e dtdV2 V2 dp2,、Ci p（ pi p2）Cep p2 Q2 （6.1。）pdt e dt式中QiQ流入液壓缸的流量；Pi流出液壓缸的流量；P2 液壓缸進(jìn)同腔的壓力；Vi進(jìn)油

38、腔體積（包括閥、連接管道和活塞腔的體積）；V2回油腔體積（包括閥、連接管道和活塞腔的體積）；Cp 液壓缸內(nèi)部泄漏系數(shù)；Cep 液壓缸外部泄漏系數(shù)；Bc系統(tǒng)的有效容積彈性系數(shù)（包括油、連接管道及腔體的機(jī)械柔度）活塞腔的體積可以寫(xiě)成MV01Axp(6.11 )V2 V02 Axp（6.12）式中A活塞面積；K活塞的位移；V）1進(jìn)油腔的初始容積；V回油腔的初始容積；當(dāng)活塞處在中間位置時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性最差，此時(shí)V）1=V02=V（6.13）總壓縮容積為V=V+V=M1+V2=2M（6.14）這個(gè)容積是一個(gè)常數(shù)，與活塞位置有關(guān)。在初始容積相等的條件下，由式（6.9）和式（6.10）可以得到流量連續(xù)性方程為

39、Qldxp adVt dpL4 e dt(6.15)式中Ctp 液壓缸的總泄漏系數(shù),CtpCipCep2其增量的拉氏變換式為QlAs xp Ctp Pl活塞動(dòng)態(tài)力平衡方程式為Vt-S Pl4 e(6.16 )d2xpdxpApL Mt-Bpp KxD Fldt2dtp(6.17 )式中BP 活塞和負(fù)載折算到活塞上的總粘性阻尼系數(shù);M活塞和負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量;K負(fù)載的彈簧剛度；Fl作用在活塞上的外負(fù)載力。其拉氏變換式為2(6.18)A PLM tS xPBps xp l xp Fl方程（6.8）、（6.16）和（6.18）完全描述了閥-液壓缸組合裝置的動(dòng)態(tài)特性。1.閥-液壓缸組合裝置輸出位

40、移時(shí)的動(dòng)特性聯(lián)解方程（6.8 ）、（6.16 ）和（6.18 ）可得到活塞位移增量的拉氏變換式xpVtMt32s4 eA2S xv 與 1 A A24Kce MtceA2Vt sKe ceBpKceA2FlKVt 2 s4 eA2KceK不(6.19)式中，K;e = K+Cp為總流量-壓力系數(shù)。方程（6.19 ）給出了活塞對(duì)閥輸入位移和負(fù)載力擾動(dòng)的響應(yīng)特性。這個(gè)方程是通用的， 它適用于任何一種四邊閥和對(duì)稱雙作用液壓缸的組合。如，在兩級(jí)伺服閥中，用雙噴嘴擋板閥驅(qū)動(dòng)功率滑閥，這里的滑閥即相當(dāng)于活塞。如果閥-液壓缸組合是一個(gè)功率輸出元件,通常沒(méi)有彈簧負(fù)載，K=0O同時(shí)考慮到BpKcea2則式（6.

41、19）可簡(jiǎn)化為XPXvKce 1A2上Fl4 eKce4 eA2V VtMtKce ce2S-2 heMtBpVtA . Vt 4 A eMt其中，co h為阻尼液壓固有頻率；Eh為阻尼比。(6.20 )(6.21)(6.22)式（6.21 ）表示活塞在中間位置時(shí)的液壓固有頻率，此時(shí)液壓彈簧剛度&=4 3eA2/Vt。當(dāng)液壓缸腔封閉時(shí)，如果使活塞有一個(gè)小位移xp,則油液彈力 A （-B）將是21A( P1P2)eA2(-V01A xp(6.23 )由此得液壓缸兩腔的總液壓彈簧剛度為Kh eA2(V01V02(6.24)可見(jiàn)&是活塞位置的函數(shù)。當(dāng) V）1=V）2,即活塞處于中間位置時(shí)，&最低，從

42、而給出最低的固 有頻率。因此活塞在中間位置時(shí)，穩(wěn)定性最差。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到行程的一端時(shí)，較小腔的彈簧 剛度就起了主要作用，于是固有頻率就將增大。由式（6.20 ）可以得到活塞輸出位移對(duì)輸入位移和負(fù)載力擾動(dòng)的傳遞函數(shù)分別為Kq(6.25 )Xp A大 2 hs(s 1)hh式中，Kq為裝置的速度增益（或速度放大系數(shù)）AKcexpfL(1Vt4 eKces)s(S-二 s 1)(6.26 )方程（6.25 ）表示液壓缸活塞輸出位移對(duì)閥輸入位移xv （也可轉(zhuǎn)換成輸入流量Kq|A xv）的動(dòng)特性。它由速度放大系數(shù)、液壓缸固有頻率h和阻尼比hm個(gè)綜合參數(shù)所決定。因此這三個(gè)參數(shù)也就決定了動(dòng)力裝置的固有特性。方

43、程（6.26）表示液壓缸活塞輸出位移對(duì)負(fù)載力擾動(dòng)的特性，即指負(fù)載力變化對(duì)液壓缸活塞輸出速度的影響，反映了動(dòng)力裝置的動(dòng)態(tài)柔度 （或動(dòng)態(tài)剛度）特性。對(duì)閥-液壓缸組合裝置來(lái)說(shuō)，當(dāng)滿足（K/Kh）, / / 1和（Kce） KM t / A2 ） 2, /這兩個(gè)條件時(shí)，即考慮彈簧負(fù)載情況下，式（6.19）可簡(jiǎn)化為xpKqxv5i A2Vt4 eKces) Fl(sKceKceA22)(-h2 h 八s 1)h(6.27 )式中一階慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率為KceK/A2。對(duì)閥控液壓馬達(dá)，同樣由閥的線性化流量方程、進(jìn)出油腔的連續(xù)方程以及動(dòng)態(tài)力矩平衡方程 可得Ql Kq xv Ke pL（6.28 ）2dmVt

44、 dpLQl DmCtpPL（6.29）dt4 e dtd2 m d mDmPLjt產(chǎn) Bm m G m Tl（6.30）dtdt式中m液壓馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)角；Dm 液壓馬達(dá)的理論弧度排量;Bm 負(fù)載（折算到液壓馬達(dá)軸上）和液壓馬達(dá)內(nèi)部的總粘性阻尼系數(shù);Jt 液壓馬達(dá)和負(fù)載（折算到液壓馬達(dá)軸上）的總慣量;G負(fù)載的扭轉(zhuǎn)剛度;Tl-作用在馬達(dá)軸上的外加負(fù)載力矩。xv和 Tl以上三式完全描述了閥控液壓馬達(dá)組合裝置的動(dòng)態(tài)特性。分別求出其拉氏變換式后, 同樣可以聯(lián)解出馬達(dá)輸出軸的角位移或傳遞函數(shù)。其形式與閥控缸系統(tǒng)相同。例如同時(shí)作用時(shí)馬達(dá)輸出的總角位移增量為mVtJt4 eD參昭八、其中KqDmKce禧(1m

45、3/ Kce Jt、22 s ()S (1mD mVts) Tl4 eKceBmKceGVm ce22-)SDm 4 eDMKceGce52Dm(6.31)（6.20）可將液壓馬達(dá)總輸出表示為KqteVtXv (1Dm Dm 4 eK-S)Tlce14 eDms(2s-2h2 h 八s 1)h(6.(32)(6.(33)Kce eJtBmVtDm Vt4Dm ； eJt(6.34)以上閥控裝置數(shù)學(xué)模型通常作為電液位置控制系統(tǒng)中的被控制對(duì)象使用。2 .閥-液壓缸組合裝置輸出速度時(shí)的動(dòng)特性若將輸出速度與位移之間的拉氏變換關(guān)系vp S xp代入以上各式, pp可得閥-液壓缸組合裝置輸出為速度時(shí)的動(dòng)態(tài)

46、數(shù)學(xué)模型。這是在電液速度控制系統(tǒng)中用于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模 型。例如，由式（6.20）可得輸出信號(hào)和干擾信號(hào)同時(shí)作用時(shí)，液壓缸活塞桿輸出的速度信 號(hào)為Kq KceVtcetXvr(1 s) FlA A24 eKcee cevp s xp 2p ps22 h(s 1)hh活塞輸出速度對(duì)閥輸入位移及干擾力的傳遞函數(shù)分別為VpXvKqA Ls22vpFLL(1A2(2(斗hVt S)eKcee cehs 1)對(duì)于閥控液壓馬達(dá)，輸出軸的轉(zhuǎn)速對(duì)閥輸入位移（或流量）的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)形式相同。只是將 Vp、A、Mt、K、，由 n、Dm、Jt、G、替換即可。(-T S 1)hh（或輸入流量）的傳遞函數(shù)為BpS

47、1)K式相同。只是將F、A、Mt、K、由Dm、Jt、G、替換即可。3 .閥-液壓缸組合裝置輸出力時(shí)的動(dòng)特性在方程（6.8）、（6.16）和（6.18）中，不考慮干擾作用情況睛，令液壓缸輸出的負(fù)載力為F=A Vl ,聯(lián)解可得液壓缸活塞輸出作用力對(duì)閥芯輸入位移K qMt2A(SKceKxv S3(5VMS2 (上生)S 14 eKceKK 4 eKceKK ce K K 4 ete上式就是電液（壓）力控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。對(duì)于閥控液壓馬達(dá)，輸出軸的負(fù)載力矩對(duì)閥輸入位移（或流量）的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)形6.3.2泵控裝置的數(shù)學(xué)模型在電液控制系統(tǒng)中，常采用變量泵-定量馬達(dá)（缸）系統(tǒng)作為動(dòng)力元件。

48、如圖6.27所示, 系統(tǒng)由變量泵1、定量馬達(dá)2、安全閥4、溢流閥5、濾油器6、補(bǔ)油液壓泵7、電動(dòng)機(jī)（或 其他原動(dòng)機(jī)）8和油箱組成。在這個(gè)系統(tǒng)中，變量泵既是液壓能源又是主要的控制元件，改 變泵流量的大小和方向，就可以改變液壓馬達(dá)輸出速度的大小和方向。變量泵的原理在電液控制元件中已介紹。下介紹泵控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。圖6.27泵控液壓馬達(dá)系統(tǒng)1變量泵；2定量馬達(dá)；3安全閥；4單向閥；5溢流閥；6濾油器；7 補(bǔ)油液壓泵；8 電動(dòng)機(jī)在分析泵控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)，做以下幾點(diǎn)假設(shè)：1）泵與液壓馬達(dá)（缸）連接管道很矩，可以忽略管道中的壓力損失和管道動(dòng)態(tài)。并假設(shè)兩根管道完全相同，泵和液壓馬達(dá)（缸）腔的容積為常數(shù)。2

49、）泵與液壓馬達(dá)（缸）的內(nèi)外泄漏為層流流動(dòng)，與壓差在正比例，并假定泵與液壓馬 達(dá)（缸）的殼體壓力為大氣壓。3）各點(diǎn)液流密度為常數(shù)，僅是時(shí)間變化的函數(shù)。4）補(bǔ)油系統(tǒng)的工作無(wú)滯后，工作中低壓管道的壓力不變，等于補(bǔ)油壓力，即P2=Pr,只有高壓管道的壓力發(fā)生變化。5）輸入信號(hào)較小，管道中不發(fā)生壓力沖擊。管道中的壓力不超過(guò)安全閥的開(kāi)啟壓力， 因此可以不考慮壓力飽和的影響。6）假設(shè)泵的轉(zhuǎn)速為常數(shù)。忽略非線性因素，如液壓馬達(dá)的非線性摩擦力矩等。在這些假設(shè)條件下，系統(tǒng)的流量平衡方程為KD d m C PKp p DmCt Pi（6.35）dte dt變量泵調(diào)節(jié)角；p泵的角速度；Kp泵的排量梯度，由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決

50、定；Ct 泵和馬達(dá)的總泄漏系數(shù)；V0根管道的總?cè)莘e，包括泵和馬達(dá)的一個(gè)工作腔、連接管道以及與此有關(guān)聯(lián)的非主 要容積。此有關(guān)聯(lián)的非主要容積。其他符號(hào)的意義同前，其增量的拉氏變換式為K p p Dms mCt pl s pl（6.36 ）e假定負(fù)載為慣性、粘性和外負(fù)載力矩，則液壓馬達(dá)與負(fù)載間的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程為d2 m d mD m （plpr ）Jt _ 2 Bm TL（6.37）dtdt其增量的拉氏變換為2Dm pl M ts m Bm s mTL方程（6.36 ）和（6.38）完全描述了系統(tǒng)的特性。聯(lián)立求解兩方程可得Kp pDmCt(1VoeCts)TLVtJt3CtJtBmV、2 “BmC

51、t、5s (22)s (11)seDmD meD mD m(6.39 )B_C“通常，BmC11,故式（6.39 ）可簡(jiǎn)化為Dm其中Kp pDm2sS( -2 hD2e mV0 J tCt(12 h 小s 1)hCteJt2Dm ； V。s) TlBm(6.40 )(6.41 )V。2DmeJt(6.42)將方程（6.20）、（6.32）以及（6.40）進(jìn)行比較，可以看出，這些方程的形式都是相同的，因 此閥控裝置和泵控裝置的動(dòng)態(tài)特性從本質(zhì)上說(shuō)是沒(méi)有什么差別的。6.4系統(tǒng)的負(fù)載特性與負(fù)載的匹配在設(shè)計(jì)電液控制系統(tǒng)時(shí)，為了選擇最小的控制閥、 變量泵，最節(jié)省地確定閥的供油油源和變量泵的拖動(dòng)電動(dòng)規(guī)格，需

52、要采用負(fù)載匹配法。為了選擇合適的系統(tǒng)流量和壓力參數(shù)，也必須研究系統(tǒng)的負(fù)載特性。系統(tǒng)動(dòng)力元件電液控制閥或變量泵輸出特性與負(fù)載特性的配合叫負(fù)載匹配。系統(tǒng)的負(fù)載特性（負(fù)載軌跡）是執(zhí)行元件輸出軸上所受的負(fù)載阻力（力矩）與負(fù)載動(dòng)力元件所需運(yùn)動(dòng)速度（或轉(zhuǎn)速）間的關(guān)系。系統(tǒng)的輸出特性是將系統(tǒng)動(dòng)力元件的特性Q Pl關(guān)系用相應(yīng)的輸出軸上的負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度（或轉(zhuǎn)速）和負(fù)載力（力矩）來(lái)表示。6.4.1 系統(tǒng)的負(fù)載特性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分正弦運(yùn)動(dòng)（或近似正弦運(yùn)動(dòng)）和非正弦運(yùn)動(dòng)。對(duì)于非正弦運(yùn)動(dòng)負(fù)載的系統(tǒng)，也常常在正弦運(yùn)動(dòng)情況下來(lái)考慮其動(dòng)態(tài)品質(zhì)。因此如果按滿足頻域的動(dòng)態(tài)指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)也需在正弦運(yùn)動(dòng)下來(lái)研究其負(fù)載特性。1 .摩擦負(fù)

53、載特性摩擦負(fù)載包括靜摩擦力 Fs、干摩擦力（庫(kù)侖摩擦力）Fe和粘性摩擦力Fv,其相應(yīng)的負(fù)載軌跡 表示在圖6.28上。靜摩擦力是負(fù)載靜止并有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)所表現(xiàn)出的阻力，一量負(fù)載開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)便可略而不計(jì)，其軌跡圖如圖6.28a所示。干摩擦（庫(kù)侖摩擦）力和粘性摩擦力是負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)阻力。干摩擦力的大小與負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，其與負(fù)載運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，如圖6.28b所示。粘性摩擦力的大小與負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度成比例，如圖6.28c所示?？偰Σ亮槿?xiàng)摩擦力之和，其負(fù)載軌跡如圖6.28d所示。2 .彈簧負(fù)載特性假定彈簧變形速度為v vm cos t(6.43)式是、中vm最大彈簧變形速度；振動(dòng)角頻率。則彈簧位移x為,Vm .,F一、x vdt sin t (6.44)k式中F彈簧力；K 彈簧剛度。由式(6.43 )和(6.44)得到圖6.28摩擦負(fù)載特性(a)靜摩擦力；(b)干摩擦力；(c)粘性摩擦力；(d)總摩擦力2_22(6.45 )vFvmk這是個(gè)縱坐標(biāo)軸為 v,橫坐