液壓伺服系統(tǒng)課程課件11

第四章機(jī)液伺服系統(tǒng)P664.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)4.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響4.3液壓校正與動(dòng)壓反饋4.4機(jī)液扭矩放大器1液壓動(dòng)力元件是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。

4.1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)如果將液壓執(zhí)行元件的輸出位移反饋到放大元件的輸入位移，就可構(gòu)成閉環(huán)機(jī)液位置控制系統(tǒng)。閉環(huán)機(jī)液位置控制系統(tǒng)主要用于輸出功率不大于10kW的場(chǎng)合：小型飛機(jī)的舵面、火炮瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、車輛轉(zhuǎn)向、仿型機(jī)床等控制場(chǎng)合。P662bxipSxp3MLApa（一）工作原理3bxipSxp3MLApaxixv1

4bxipSxp3ApaML5xixv1

xvxv2

xpba(4-1)(4-2)6+BKqAp-+-xixpxvaa+bba+bFLKiKf圖4-27(4-3)8(二)穩(wěn)定性分析用Routh判據(jù)判別穩(wěn)定最為方便。閉環(huán)特征式為由Routh判據(jù)得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為(4-6)94.2結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響101112131415161718192021224.3液壓壓校校正正與與動(dòng)動(dòng)壓壓反反饋饋設(shè)計(jì)計(jì)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的主主要要問(wèn)問(wèn)題題是是設(shè)設(shè)法法滿滿足足系系統(tǒng)統(tǒng)的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)和和靜靜態(tài)態(tài)要要求求。。為了了提提高高靜靜態(tài)態(tài)精精度度，，希希望望系系統(tǒng)統(tǒng)的的增增益益高高，，但但高高增增益益的的系系統(tǒng)統(tǒng)又又不不易易穩(wěn)穩(wěn)定定。。如如果果既既要要有有高高增增益益而而又又希希望望保保證證穩(wěn)穩(wěn)定定，，須須在在模模型型中中添添加加一一些些其其它它環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)，，為為此此目目的的而而在在系系統(tǒng)統(tǒng)中中添添加加的的元元件件就就是是校校正正元元件件。。234.3液壓壓校校正正與與動(dòng)動(dòng)壓壓反反饋饋4.3.1基本本液液壓壓校校正正元元件件4.3.2液壓壓超超前前校校正正4.3.3液壓壓滯滯后后校校正正4.3.4反饋饋校校正正4.3.5靜壓壓反反饋饋校校正正4.3.6動(dòng)壓壓反反饋饋校校正正24校正正元元件件一一般般都都用用電電子子元元件件。。因電電子子元元件件的的信信號(hào)號(hào)的的傳傳輸輸、、運(yùn)運(yùn)算算都都較較簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單、、成成熟熟，，且且使使用用方方便便、、可可靠靠、、精精度度高高。。在電電液液控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中廣廣泛泛應(yīng)應(yīng)用用電電校校正正，，但但是是在在機(jī)機(jī)液液系系統(tǒng)統(tǒng)中中本本來(lái)來(lái)就就沒沒有有電電元元件件，，若若要要采采用用電電校校正正反反而而不不方方便便，，也也有有采采用用非非電電校校正正方方式式的的。。如如機(jī)機(jī)械械的的、、氣氣功功的的或或液液壓壓的的校校正正元元件件。。由于于液液壓壓系系統(tǒng)統(tǒng)中中本本來(lái)來(lái)就就有有液液壓壓能能源源，，再再附附加加一一些些液液壓壓元元件件作作校校正正是是很很方方便便的的。。不不過(guò)過(guò)，，機(jī)機(jī)械械元元件件都都是是有有慣慣性性的的，，時(shí)時(shí)間間常常數(shù)數(shù)大大于于電電校校正正元元件件。。254.3.1基本本液液壓壓校校正正元元件件校正正元元件件主主要要由由耗耗能能、、儲(chǔ)儲(chǔ)能能和和放放大大等等元元件件組組成成。。26(一)儲(chǔ)能能元元件件最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單可可靠靠的的機(jī)機(jī)械械儲(chǔ)儲(chǔ)能能元元件件就就是是彈彈簧簧。。它它受受力力變變形形儲(chǔ)儲(chǔ)存存能能量量，，力力撤撤消消后后復(fù)復(fù)元元而而放放出出能能量量。。另另外外，，機(jī)機(jī)械械彈彈簧簧還還是是力力-位移移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換元元件件，，其其線線性性好好，，工工作作可可靠靠。。27(二)放大大元元件件閥缸缸組組合合就就是是最最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的的放放大大元元件件。。作為為校校正正元元件件，，它它所所需需要要的的功功事事必必然然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于于系系統(tǒng)統(tǒng)負(fù)負(fù)載載運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)的的功功率率，，也也就就是是作作校校正正元元件件用用的的小小液液壓壓缸缸必必然然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于于作作執(zhí)執(zhí)行行元元件件用用的的液液壓壓缸缸。。因此此，，小小液液壓壓缸缸的的質(zhì)質(zhì)量量可可忽忽略略不不計(jì)計(jì)。。這這樣樣，，閥閥控控缸缸的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)式式(3-18)中，，因因h很高高而而略略去去振振蕩蕩環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)，，就就成成為為式中:Kq——閥的流量增益益，Ap——小液壓缸的活活塞面積。由此可見，用用閥-缸組成的元件件，不僅是放放大元件，而而且還是一個(gè)個(gè)積分元件。。28(三)耗能元件——阻尼器流量通過(guò)節(jié)流流口，就消耗耗能量。所以以用小液壓缸缸及節(jié)流器就就組成液壓阻阻尼器。如圖5.1(a)，在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)過(guò)程中，活塞塞一側(cè)的液體體將通過(guò)節(jié)流流孔流入另一一側(cè)，流量通通過(guò)節(jié)流孔而而產(chǎn)生壓力降降p，p=p1p2，p作用在活塞面面積A上就形成阻滯滯活塞運(yùn)動(dòng)的的阻尼力。圖5.1阻尼器結(jié)構(gòu)原原理圖(a)內(nèi)阻尼器xp2p129(三)耗能元件——阻尼器流量通過(guò)節(jié)流流口，就消耗耗能量。所以以用小液壓缸缸及節(jié)流器就就組成液壓阻阻尼器。圖5.1(b)中的節(jié)流孔安安置在缸外油油路中，稱外外阻尼器，其其工作原理與與活塞上開節(jié)節(jié)流孔的內(nèi)阻阻尼器完全一一樣。圖5.1阻尼器結(jié)構(gòu)原原理圖(b)外阻尼器xp2p130令阻尼活塞的的位移為x，阻尼活塞的面面為A，通過(guò)節(jié)流小孔孔的流量為Q，略去活塞徑向向間隙中的泄泄漏，就有式中p1——阻尼活塞運(yùn)動(dòng)動(dòng)前方油腔壓壓力；p2——阻尼活塞運(yùn)動(dòng)動(dòng)背面油腔壓壓力；Re——雷諾數(shù)，Re=vd/，其中，=/，為液體動(dòng)力粘度度，液體運(yùn)動(dòng)粘度度，為液體密度；；——液體重度，=g。取節(jié)流小孔的的直徑為d，長(zhǎng)度為l，液體流過(guò)小孔孔時(shí)的平均流流速為v，節(jié)流小孔層流流沿程阻力損損失的計(jì)算式式為(5-2)31因?yàn)樗允街?，R——節(jié)流小孔液阻阻，計(jì)算式為為活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的的阻尼力F為(5-4)(5-5)(5-6)式中B為阻尼器的阻阻尼系數(shù)，計(jì)計(jì)算式為32圖5.1所示是阻尼器器原理圖，液液壓缸兩側(cè)充充滿油液而沒沒有泄漏。實(shí)實(shí)際中必然有有泄漏，因此此必須為阻尼尼缸充油。如圖5.2所示，阻尼缸缸可接通高壓壓能源，也可可接通回油油油路。圖5.2有源阻尼器原原理圖a)接能源，b)接油箱xp2p1xp2p1ps33圖5.3所示為液壓超超前校正元件件的結(jié)構(gòu)原理理圖。它由阻尼器及及彈簧組成。。輸入信號(hào)xi加在阻尼活塞塞上，在阻尼尼缸體上取出出輸出信號(hào)xo。圖5.3液壓超前校正正元件xokxiB4.3.2液壓超前校正正34阻尼系數(shù)B，力方程為經(jīng)過(guò)整理，可可得(5-8)時(shí)間常數(shù)(5-9)如果時(shí)間常數(shù)數(shù)很小，慣性性環(huán)節(jié)項(xiàng)可略略去，則(5-8)可近似為純微微分環(huán)節(jié)。354.3.3液壓滯后校正正圖5.4液壓滯后校正元件xokxiBba36圖5.4液壓滯后校正元件xokxiB根據(jù)力平衡方方程經(jīng)整理，上式式可寫為(5-10)時(shí)間常數(shù)(5-11)由式(5-10)可見，這是慣慣性環(huán)節(jié)。即即圖5.4所示元件為慣慣性元件，也也就是滯后元元件。37圖5.5所示是一個(gè)外外反饋機(jī)液伺伺服系統(tǒng)。系系統(tǒng)中無(wú)電元元件存在，無(wú)無(wú)法使用電校校正。采用在在主控信號(hào)的的前向通道中中串接液壓校校正元件，液液壓校正元件件的輸入量是是位移y，輸出量是閥芯芯位移xv。液壓校正元件件的力方程為為整理后38由式(5-12)可見，圖5.5所示元件為慣慣性加微分。。由于>1，慣性環(huán)節(jié)的的轉(zhuǎn)折頻率低低而微分環(huán)節(jié)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率率高，從而低低頻段滯后，，高頻段又超超前。(5-12)(5-13)(5-14)39-+xixpyba+baa+b+xixpxvaa+bKq/Ap圖5.6液壓滯后校正正的機(jī)液伺服服系統(tǒng)方塊圖圖合理選用校正正元件的時(shí)間間常數(shù)T，系數(shù)，并使使(1/T)<c，就可使使校正正后的的系統(tǒng)統(tǒng)在低低頻時(shí)時(shí)有較較大的的增益益，從從而提提高了了系統(tǒng)統(tǒng)精度度，又又不影影響穩(wěn)穩(wěn)定性性及系系統(tǒng)的的頻寬寬。4020lg|G|dB0/秒(s－1)1-20dB/dec-20dB/dec圖5.7系統(tǒng)開開環(huán)波波德圖圖4120lg|G|dB0/秒(s－1)1-20dB/dec-20dB/dec圖5.7系統(tǒng)開開環(huán)波波德圖圖42校正元元件，，既可可以串串聯(lián)在在前向向通路路中(如圖5.5所示)，也可可以加加在反反饋回回路中中，即即并聯(lián)聯(lián)校正正。4.3.4反饋校校正圖5.8所示的的結(jié)構(gòu)構(gòu)是在在外反反饋機(jī)機(jī)液伺伺服系系統(tǒng)的的反饋饋回路路中設(shè)設(shè)置了了簡(jiǎn)單單的滯滯后校校正元元件。。43根據(jù)圖圖5.4及式(5-10)，可知知這種種液壓壓校正正元件件的傳傳遞函函數(shù)為為由于閥閥控缸缸的傳傳遞函函數(shù)式式(3.18)早已求求得，，再根根據(jù)圖圖5.8(a)的結(jié)構(gòu)構(gòu)原理理圖，，就可可以直直接畫畫出這這種系系統(tǒng)的的方塊塊圖如如圖5.8(b)，由圖可可見，，在反反饋回回路中中有一一個(gè)慣慣性環(huán)環(huán)節(jié)。。44BkxpMpSyabxvxi圖5.8反饋回回路中中有液液壓滯滯后校校正元元件(a)結(jié)構(gòu)原原理圖圖Recent45-+xixpba+bxixpxvaa+bKq/Ap圖5.8反饋回回路中中有液液壓滯滯后校校正元元件(b)框圖464.3.5靜壓反反饋校校正在第三三章中中討論論各種種液壓壓動(dòng)力力元件件時(shí)，，已經(jīng)經(jīng)知道道液壓壓系統(tǒng)統(tǒng)本身身的阻阻尼系系數(shù)比比較小小，容容易出出現(xiàn)欠欠阻尼尼而使使系統(tǒng)統(tǒng)不穩(wěn)穩(wěn)定。。為了了使系系統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定，，可以以用故故意增增加能能耗和和降低低剛度度的辦辦法，，使漏漏損加加大和和Kc提高。。實(shí)踐踐證明明這個(gè)個(gè)辦法法也確確實(shí)有有效。。如果果既希希望增增加阻阻尼而而又不不希望望增大大能耗耗及降降低剛剛度，，可采采用壓壓力反反饋校校正。。47現(xiàn)在，，仍以以第三三章中中著重重討論論過(guò)的的四通通閥控控缸為為例來(lái)來(lái)說(shuō)明明。為為簡(jiǎn)單單起見見，假假設(shè)沒沒有彈彈性負(fù)負(fù)載。。根據(jù)據(jù)基本本方程程(3-2)、(3-8)及(3-9)式，可可直接接畫出出閥控控缸方方塊圖圖于圖圖5.9(a)。若取Kce=Kc+Ctp，令時(shí)間間常數(shù)數(shù)T1及T2為(5-15)(5-16)再通過(guò)過(guò)方塊塊圖結(jié)結(jié)構(gòu)變變換，，圖5.9(a)可以畫畫成圖圖5.9(b)。48已知閥閥缸系系統(tǒng)的的液壓壓固有有頻率率h及阻尼尼系數(shù)數(shù)h為(3-14)(3-15)圖5.9四通閥閥控缸缸系統(tǒng)統(tǒng)加靜靜壓反反饋(a)四通閥閥控缸缸系統(tǒng)統(tǒng)方塊塊圖；；(b)方塊圖圖變換換；(c)增加靜靜壓反反饋后后的方方塊圖圖；(d)有靜壓壓反饋饋后的的系統(tǒng)統(tǒng)方塊塊圖變變換；；(e)有靜壓壓反饋饋的系系統(tǒng)方方塊圖圖變換換49(a)Kq-+++xvxpQLFLMts2+Bps+KcKq-++xvxpQLFL+pLpL(b)50增大Kce，可以增增大h，從而使使系統(tǒng)統(tǒng)易于于穩(wěn)定定。為此，，可以以在圖圖5.9(b)中的Kce(T1s+1)環(huán)節(jié)旁旁并聯(lián)聯(lián)二個(gè)個(gè)壓力力負(fù)反反饋的的比例例環(huán)節(jié)節(jié)K1，如圖圖5.9(c)所示，，將靜靜壓力力pL反饋回回去。。圖5.9(c)經(jīng)過(guò)結(jié)結(jié)構(gòu)變變換可可畫成成圖5.9(d)。比較圖圖5.9(b)與5.9(d)可見，，增加加了壓壓力負(fù)負(fù)反饋饋環(huán)節(jié)節(jié)K1后，使使原來(lái)來(lái)的Kce項(xiàng)變成成(Kce+K1)項(xiàng)。令令增加加了壓壓力反反饋后后的阻阻尼系系數(shù)為為’h，并與無(wú)無(wú)壓力力反饋饋的阻阻尼系系數(shù)h(3-15)式對(duì)比比，可可知51(5-17)阻尼系系數(shù)為為’h>h，有利于于穩(wěn)定定。增增加K1有利于于穩(wěn)定定的結(jié)結(jié)論是是在方方塊圖圖上處處分析析得到到的。。環(huán)節(jié)K1的機(jī)能能是把把轉(zhuǎn)化化為流流量，，在實(shí)實(shí)際結(jié)結(jié)構(gòu)中中不容容易設(shè)設(shè)計(jì)出出能將將壓力力轉(zhuǎn)換換為流流量的的具體體裝置置。如果將將圖5.9(c)變換成成圖5.9(e)，即將壓壓力pL通過(guò)比比例環(huán)環(huán)節(jié)K1/Kq轉(zhuǎn)換為為位移移量xf。這種把把壓力力轉(zhuǎn)化化為位位移的的裝置置是不不難實(shí)實(shí)現(xiàn)的的。52增加壓壓力反反饋后后對(duì)系系統(tǒng)的的液壓壓固有有頻率率h無(wú)影響響。因因?yàn)榭偪倝毫αα髁苛肯禂?shù)數(shù)與動(dòng)動(dòng)力元元件剛剛度成成反比比，見見(3-24)式，增增加壓壓力反反饋后后使Kce項(xiàng)變成成(Kce+K1)項(xiàng)，因因而剛剛度下下降，，系統(tǒng)統(tǒng)的抗抗干擾擾能力力下降降，這這是靜靜壓反反饋校校正的的不足足之處處。534.3.6動(dòng)壓反反饋校校正如前所所述，，在系系統(tǒng)中中加入入靜壓壓反饋饋后，，穩(wěn)定定性改改善而而剛度度下降降。穩(wěn)穩(wěn)定性性是動(dòng)動(dòng)態(tài)指指標(biāo)，，當(dāng)系系統(tǒng)已已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)定，，阻尼尼系數(shù)數(shù)的大大小也也就沒沒有什什么意意義了了，剛剛度主主要是是穩(wěn)態(tài)態(tài)指標(biāo)標(biāo)，在在干擾擾力的的作用用下，，系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤誤差小小，就就是剛剛度好好；瞬瞬態(tài)時(shí)時(shí)，剛剛度大大點(diǎn)或或小點(diǎn)點(diǎn)關(guān)系系不大大。所所以，，希望望瞬態(tài)態(tài)時(shí)具具有壓壓力反反饋以以提高高阻尼尼系數(shù)數(shù)，雖雖剛度度有所所降低低但關(guān)關(guān)系不不大。。穩(wěn)態(tài)態(tài)時(shí)用用不著著提高高阻尼尼系數(shù)數(shù)，不不需要要壓力力反饋饋，剛剛度也也不致致降低低。這這樣，，可將將靜壓壓反饋饋改為為動(dòng)壓壓反饋饋，亦亦即將將壓力力的變變化率率反饋饋回去去。瞬瞬態(tài)時(shí)時(shí)，壓壓力的的變化化大，，反饋饋?zhàn)饔糜么?；；穩(wěn)態(tài)態(tài)時(shí)，，變化化率為為零，，即沒沒有反反饋。。54圖5.9(c)中所加的的靜壓反反饋元件件幾乎是是一個(gè)比比例環(huán)節(jié)節(jié)。如果果將此反反饋元件件改為能能反映壓壓力瞬變變情況的的微分元元件，就就是動(dòng)壓壓反饋了了。一般般所用動(dòng)動(dòng)態(tài)反饋饋元件的的傳遞函函數(shù)為Ts/(Ts+1)。將圖5.9(e)中的靜壓壓反饋元元件K1/Kq改為如圖圖5.10(a)所示的動(dòng)動(dòng)壓反饋饋元件；；其數(shù)學(xué)學(xué)模型為為式中xf——?jiǎng)訅悍答侌佋牡妮敵鑫晃灰?；K1——?jiǎng)訅悍答侌佋牡谋壤３?shù)；T3——?jiǎng)訅悍答侌佋牡臅r(shí)間常常數(shù)。(5-18)55結(jié)構(gòu)變換換后，圖圖5.10(a)即成圖5.10(b)，比較圖5.9(b)和5.10(b)，可以看到到影響靜靜態(tài)剛度度的因素素都是Kce，就是說(shuō)加加了動(dòng)態(tài)態(tài)壓力反反饋后的的剛度與與未加壓壓力反饋饋的剛度度是一樣樣的。