液壓伺服控制

關(guān)于液壓伺服控制第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2概述

液壓動力元件=液壓放大元件

+液壓執(zhí)行元件液壓放大元件（液壓控制元件）：液壓控制閥、伺服變量泵液壓執(zhí)行元件：液壓缸、液壓馬達

機-液耦合（換能）元件四種基本型式的液壓動力元件：

閥控（節(jié)流控制）系統(tǒng)：閥控缸，閥控馬達；

泵控（容積控制）系統(tǒng)：泵控缸、泵控馬達。

液壓動力元件是一個關(guān)鍵性的部件，它的動態(tài)特性在很大程度上決定著整個系統(tǒng)的性能。第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月33.1四通閥控制液壓缸零開口四邊滑閥+對稱液壓缸

四通閥控制液壓缸Xvp1p2V1V2xpFLQ1Q2一、基本方程

1）液壓控制閥的流量方程

2）液壓缸流量連續(xù)性方程

3）液壓缸與負載的力平衡方程（一）滑閥的流量方程假設(shè)：

1）零開口四邊滑閥

2）四個節(jié)流窗口是匹配對稱的

3）供油壓力恒定，回油壓力為零第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月4（二）液壓缸流量連續(xù)性方程假設(shè)：

1）閥與液壓缸的連接管道對稱且短而粗，管道中的壓力損失和管道動態(tài)可以忽略

2）液壓缸每個工作腔內(nèi)各處壓力相等，油溫和體積彈性模量為常數(shù)

3）液壓缸內(nèi)外泄漏均為層流流動總流量=推動活塞運動所需流量

+經(jīng)過活塞密封的內(nèi)泄漏流量

+經(jīng)過活塞桿密封處的外泄漏流量

+油液壓縮和腔體變形所需的流量第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5流入液壓缸進油腔的流量：從液壓缸回油腔流出的流量：液體是可壓縮的。液體等效容積彈性模數(shù)βe表示容器中油液的容積變化率與壓力增長量之間的關(guān)系M第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月6

動態(tài)分析時，需要考慮泄漏和油液壓縮性的影響，則流入液壓缸的流量與流出液壓缸的流量不相等，為了簡化分析，定義負載流量為：第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月7要使壓縮流量相等，應使液壓缸兩腔的初始容積相等，即活塞在中間位置時，

1）液體壓縮性影響最大，固有頻率最低

2）阻尼比最小因此，系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。所以，分析時，應取活塞的中間位置作為初始位置。流量方程可整理成：推動液壓缸運動所需流量+總泄漏流量+總壓縮流量第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月8（三）液壓缸和負載的力平衡方程

負載力一般包括慣性力、粘性阻尼力、彈性力和任意外負載力。液壓缸的輸出力與負載力的平衡方程為：

此外，還存在庫侖摩擦等非線性負載，但采用線性化的方法分析系統(tǒng)的動態(tài)特性時，必須將這些非線性負載忽略。第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月9二、方塊圖與傳遞函數(shù)閥控液壓缸的三個基本方程完全描述了閥控液壓缸的動態(tài)特性，將其拉式變換，則：Kq-+++xvxpQLFLMts2+Bps+k+Kc適合于負載慣量小、動態(tài)過程較快的場合。第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月10Kq-+xvxpPLFL-適合于負載慣量和泄漏系數(shù)都較大，而動態(tài)過程比較緩慢的場合。第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月11合并三個基本方程，消去中間交量QL及pL，可得到閥芯輸入位移和外負載力同時作用時液壓缸活塞的總輸出位移：式中，，包括泄漏在內(nèi)的總的壓力流量系數(shù)。液壓缸活塞的空載速度外負載力作用引起的速度降低慣性力、粘性力、彈性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度慣性力、粘性力、彈性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度活塞運動速度第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月12（一）沒有彈性負載（K=0）的情況

1）很多情況，以慣性負載為主。

2）液壓馬達伺服系統(tǒng)中，彈性負載很少見。

3）粘性阻尼系數(shù)Bp一般很小，所以由粘性摩擦力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度比活塞的運動速度小得多，可忽略不計。三、傳遞函數(shù)簡化對特征方程的簡化。因式分解，化為標準形式?；蚴街笑豩——液壓固有頻率

ζh——阻尼比第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月13如果粘性摩擦系數(shù)Bp可以略去，則

對于指令輸入xv的傳遞函數(shù)為：對于干擾輸入FL的傳遞函數(shù)為：第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月14（二）有彈性負載（K≠0）的情況閥控液壓缸中，彈性負載比較常見：1）帶對中彈簧的功率級滑閥2）材料試驗機的負載是硬彈簧或粘性阻尼系數(shù)Bp一般很小所以：kh——液壓彈簧剛度：液壓缸完全封閉的兩腔由于液體的壓縮性而形成的第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月15ω0——綜合固有頻率

ζ0——綜合阻尼比將對應項系數(shù)相等，可得：滿足時，有：第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月16Kps——總壓力增益

ωr——慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率穩(wěn)態(tài)時閥輸入位移所引起的液壓缸活塞的輸出位移外負載力作用所引起的活塞輸出位移的減小量1）彈性負載使積分環(huán)節(jié)變成慣性環(huán)節(jié)2）隨著負載彈簧剛度減小，轉(zhuǎn)折頻率將變低，慣性環(huán)節(jié)接近積分環(huán)節(jié)第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月17（三）其它的簡化情況K=0時出現(xiàn)積分環(huán)節(jié)第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月18是負載質(zhì)量與液壓缸工作腔中的油也壓縮性所形成的液壓彈簧相互作用的結(jié)果。假設(shè)：液壓缸無摩擦、無泄漏由于液體的壓縮性，當活塞受到外力作用產(chǎn)生位移時，一腔壓力升高，另一腔壓力降低2）液壓固有頻率

被壓縮液體產(chǎn)生的復位力與活塞位移成比例，其作用相當于一個線性液壓彈簧，總液壓彈簧剛度為：總液壓彈簧剛度是液壓缸兩腔液壓彈簧剛度的并聯(lián)。第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月19Mtkhx

彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)當活塞處在中間位置時，液壓彈簧剛度最小，當在兩端時，V1或V2為零，液壓彈簧剛度最大。液壓彈簧與負載質(zhì)量相互作用所構(gòu)成系統(tǒng)的固有頻率，中間位置時，其值為：液壓彈簧剛度是在液壓缸兩腔完全封閉的情況下推導出來的，實際上由于閥的開度和液壓缸的泄漏的影響，液壓缸不可能完全封閉，因此在穩(wěn)態(tài)下不存在彈簧剛度。動態(tài)時，在一定頻率范圍內(nèi)來不及泄漏，相等于一種密封狀態(tài)，因此液壓彈簧是一個動態(tài)彈簧。第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月20在液壓伺服系統(tǒng)中，液壓固有頻率限制了系統(tǒng)的響應速度。提高液壓固有頻率的方法：（1）增大液壓缸活塞面積Ap（有時，Ap主要由負載決定）h與Ap不成比例關(guān)系壓縮容積Vt隨之增大同樣的負載速度，所需負載流量增大，閥、連接管道、液壓能源裝置的尺寸重量也隨之增大（2）減小總壓縮容積Vt

（主要是減少無效容積和連接管道容積）使閥靠近液壓缸，最好裝在一起選擇合適的執(zhí)行元件：長行程輸出力小時用液壓馬達，反之用液壓缸（3）減小折算到活塞上的總質(zhì)量Mt（活塞質(zhì)量+負載折算到活塞上的質(zhì)量+液壓缸兩腔的油液質(zhì)量+閥與液壓缸連接管道中的油液折算質(zhì)量）（4）提高油液的有效體積模量βe（700~1400MPa，或?qū)崪y）

影響因素：受油液壓縮性、管道及剛體機械柔性、油液中所含空氣（最嚴重）要盡量減少混入空氣，避免使用軟管第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月213）液壓阻尼比決定因素：總流量-壓力系數(shù)Kce、負載粘性阻尼Bp因為：Bp<<Kce，Ctp<<Kc，所以h主要由Kc決定。零位時系統(tǒng)的穩(wěn)定性最差由于庫侖摩擦等因素的影響，實際的零位阻尼比要比計算值（按Kc0計算）大，至少為0.1~0.2，或更高一些。Kc隨工作點不同會有很大的變化。在閥芯位移xv和負載壓力pL較大時，由于Kc值增大使液壓阻尼比急劇增大，可使h>1，其變化范圍達20~30倍。因此，是一個難以預測的軟量。零位阻尼比小，阻尼比變化范圍大是液壓伺服系統(tǒng)的一個特點第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月22液壓阻尼比表示系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。液壓伺服系統(tǒng)一般低阻尼，提高的辦法有：（1）設(shè)置旁路泄漏通道（增加泄漏系數(shù)Ctp）但：增大了功率損失降低了系統(tǒng)的總壓力增益和系統(tǒng)的剛度，增加了外負載力引起的誤差系統(tǒng)性能受溫度變化的影響大（2）采用正開口閥但：降低了系統(tǒng)剛度泄漏引起的損失更大非線性流量增益穩(wěn)態(tài)液動力變化（3）增加負載的粘性阻尼（需要另設(shè)阻尼器，增加了結(jié)構(gòu)復雜性）第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月231）動態(tài)位置剛度特性動態(tài)位置柔度，其倒數(shù)即為動態(tài)位置剛度慣性環(huán)節(jié)+比例環(huán)節(jié)+理想微分環(huán)節(jié)+二階微分環(huán)節(jié)因為h很小，所以2hh<h負號表示負載力增加使輸出減小動態(tài)位置剛度與負載干擾力FL的變化頻率有關(guān)2.對干擾輸入FL的頻率響應分析第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月24（1）在

<2hh

的低頻段上，慣性環(huán)節(jié)和二階微分環(huán)節(jié)不起作用，則=0時，得靜態(tài)位置剛度在恒定的外負載力作用下，由于泄漏的影響，活塞將連續(xù)不斷地移動，沒有確定的位置。隨著頻率的增加，泄漏的影響越來越小，動態(tài)位置剛度隨頻率成比例增大。/秒(s－1)20lg|G|dB1閥控缸動態(tài)剛度幅頻特性20lgAp2Kce20lgkh第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月25（2）在

2hh

<<h的中頻段上，比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)和理想微分環(huán)節(jié)同時起作用，動態(tài)位置剛度為一常數(shù)：在中頻段上，由于負載干擾力的變化頻率較高，液壓缸工作腔的油液來不及泄漏，可以看成是完全封閉的，其動態(tài)位置剛度就等于液壓剛度。（3）在

>h的高頻段上，二階微分環(huán)節(jié)起主要作用，動態(tài)位置剛度由負載慣性所決定。動態(tài)位置剛度隨頻率的二次方增加，但一般很少在此頻率范圍工作。第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月262）動態(tài)速度剛度特性

<2hh

的低頻段上的動態(tài)速度剛度為：此時，液壓缸相當于一個阻尼系數(shù)為Ap2/Kce的粘性阻尼器。從物理意義上說，在低頻時因負載壓差產(chǎn)生的泄漏流量被很小的泄漏通道所阻礙，產(chǎn)生粘性阻尼作用。=0時，得靜態(tài)速度剛度第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月27（二）有彈性負載（K≠0）時的頻率響應分析

有彈性負載時，活塞位移對閥芯位移的傳遞函數(shù)為：

其主要性能參數(shù)有：

為位置放大系數(shù)，其中總壓力增益Kps包含閥的壓力增益Kp，其隨工作點在很大范圍內(nèi)變化，零位時最大。另外，位置放大系數(shù)還和負載剛度有關(guān)，這與無彈性負載時不同。第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月28穿越頻率20lg|G|dB0/秒(s－1)1負載剛度使穿越頻率降低了上式再一次說明，負載剛度比較小時，它對動態(tài)特性的影響可忽略。K≠0時，總流量-壓力系數(shù)Kce影響1）位置放大系數(shù)2）慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率3）0，從而影響高頻段諧振峰值和相頻特性形狀，影響系統(tǒng)的幅值裕量但不影響：穿越頻率，因此不影響快速性第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月29第三章液壓動力元件

3.1四通閥控制液壓缸

3.2四通閥控液壓馬達

3.3三通閥控制液壓缸

3.4泵控液壓馬達

3.5液壓動力元件與負載的匹配

本章介紹第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月30

3.2四通閥控制液壓馬達常用的液壓動力元件，分析方法與閥控液壓缸的相同。

四邊閥控制液壓馬達p1p2V1V2TLpSTXvQ1Q2θmBA第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月31第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月32閥控液壓馬達，彈簧負載很少見，即G=0，另外由于：所以：通常負載粘性阻尼系數(shù)Bm很小，所以：

第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月33三通閥控制液壓缸常用作機液伺服系統(tǒng)的動力元件，如仿形機床和力操縱系統(tǒng)中3.3三通閥控制液壓缸pcXv三通閥控缸的結(jié)構(gòu)原理圖A

QLpspsFLxp第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月34第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月35Bp比阻尼系數(shù)Ah2/Kce小得多，即：第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月36當負載剛度k=0時，則：

三通閥控缸和四通閥控缸傳遞函數(shù)的形式一樣，但前者液壓固有頻率h和阻尼比h（Bp=0）均是后者的原因是：只有一個控制腔，只形成一個液壓彈簧因此，四通閥控缸的動態(tài)響應要好得多。第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月37第三章液壓動力元件

3.1四通閥控制液壓缸

3.2四通閥控液壓馬達

3.3三通閥控制液壓缸

3.4泵控液壓馬達

3.5液壓動力元件與負載的匹配本章介紹第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月383.4泵控液壓馬達pm第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月39一、基本方程變量泵的流量方程為：V0

——一個腔室的總?cè)莘e變量泵的排量為：其增量方程的拉氏變換為：液壓馬達高壓腔的流量連續(xù)性方程為：其增量方程的拉氏變換為：液壓馬達和負載的力矩平衡方程為：其增量方程的拉氏變換為：第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月40第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月411）液壓固有頻率較低只有一個控制管道，1/√2

液壓泵的工作腔容積大2）阻尼比較小，但較恒定。

Ct<Kce，總是欠阻尼，但基本恒定。設(shè)置旁路泄漏通道或內(nèi)部壓力反饋以獲得滿意的阻尼比3）增益Kqp/Dm和靜態(tài)速度剛度Dm2/Ct比較恒定。4）動態(tài)剛度不好，但靜態(tài)剛度很好（Ct較小）三、泵控液壓馬達與閥控液壓馬達的比較第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月42第三章液壓動力元件

3.1四通閥控制液壓缸

3.2四通閥控液壓馬達

3.3三通閥控制液壓缸

3.4泵控液壓馬達

3.5液壓動力元件與負載的匹配

本章介紹第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月43負載匹配是指液壓動力元件的輸出特性與負載特性之間的配合3.5液壓動力元件與負載的匹配一、負載特性負載：液壓執(zhí)行元件運動時所遇到的各種阻力（或阻力矩）慣性負載、彈性負載、粘性阻尼負載、摩擦負載、重力負載等負載特性：負載力與負載速度之間的關(guān)系負載特性與負載類型和負載的運動規(guī)律有關(guān)負載軌跡：以負載力為橫坐標，負載速度為縱坐標所畫出的曲線第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月44（一）、慣性負載特性慣性負載力可表示為：設(shè)慣性負載的位移為正弦運動，即：則負載軌跡方程為：將其聯(lián)立可得：最大負載速度與成正比：最大負載力與2成正比：因此，增加時正橢圓的橫軸比縱軸增加快因慣性力隨速度增大而減小，因此負載軌跡點沿逆時針旋轉(zhuǎn)第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月45（四）、摩擦負載特性靜摩擦力+動摩擦力=干摩擦力若靜摩擦力≈動摩擦力，則此時的干摩擦力稱為庫侖摩擦力。

靜摩擦負載軌跡動摩擦負載軌跡第45頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月46（五）、合成負載特性慣性、粘性、彈性負載合成軌跡方程為：負載軌跡隨頻率增加而加大，設(shè)計時應考慮最大工作頻率時的負載軌跡（有外干擾和不是正弦運動時，很復雜）。最有用的工況點：最大功率、最大速度、最大負載力第46頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月47二、等效負載的計算假設(shè)：1）齒輪是絕對剛性的2）齒輪的慣量和游隙為零則：結(jié)論：將慣量、粘性阻尼系數(shù)、剛度折算到轉(zhuǎn)數(shù)高的軸時，需除以i2即可