機器人驅(qū)動及控制 課件 第6章 液壓控制元件基礎(chǔ)

機器人驅(qū)動及控制第6章液壓控制元件基礎(chǔ)●學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握液壓伺服控制系統(tǒng)原理及特點了解液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類掌握滑閥靜態(tài)特性分析方法掌握零開口四邊滑閥靜態(tài)特性掌握正開口四邊滑閥靜態(tài)特性了解滑閥輸出功率及效率掌握四邊閥控缸傳遞函數(shù)建立和特性01020304050607

機器人驅(qū)動控制最常見的驅(qū)動方式為電力驅(qū)動，但電力驅(qū)動的輸出功率較小、驅(qū)動器與機器人關(guān)節(jié)連接處的減速齒輪等傳動元件易磨損或破壞，在一些大功率作業(yè)場合，一般采用液壓驅(qū)動控制。

液壓驅(qū)動具有高功率、高帶寬、快響應(yīng)及精確性，能夠滿足機器人尤其是特種機器人戶外或野外作業(yè)所需要的高負(fù)荷及快速運動需求。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用內(nèi)燃機提供能源動力，通過添加燃料進行快速補給，具有續(xù)航能力長，比電力驅(qū)動更具優(yōu)勢。大狗機器人排澇機器人林業(yè)機器人6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

液壓伺服控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、抗負(fù)載剛度大、功率-重量比大、體積小和重量輕等優(yōu)點，在機器人驅(qū)動控制領(lǐng)域占據(jù)重要位置。相比電力伺服控制系統(tǒng)，其動態(tài)調(diào)整能力更強。2025/2/126.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

液壓伺服控制系統(tǒng)是以液壓動力元件作驅(qū)動裝置所組成的反饋控制系統(tǒng)。輸出量（位移、速度和力）能夠自動、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。同時，還對輸入信號進行功率放大，因此也是一個功率放大裝置。6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

液壓泵是系統(tǒng)壓力源，以恒定的壓力向系統(tǒng)供油，供油壓力由溢流閥調(diào)定。

液壓動力元件由四邊滑閥和液壓缸組成?；y是轉(zhuǎn)換放大元件，將輸入的機械信號（閥芯位移）轉(zhuǎn)換成液壓信號（流量、壓力）輸出，并加以功率放大。

液壓缸是執(zhí)行元件，輸入壓力油流量，輸出運動速度或位移。滑閥閥體與液壓缸缸體集成于一體，構(gòu)成反饋回路。此系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。2025/2/126.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

當(dāng)滑閥閥芯處于閥套中位（零位）時，閥的四個窗口均關(guān)閉（閥芯凸肩寬度=閥套窗口寬度），閥沒有流量輸出，液壓缸不動。

給閥芯輸入位移xi，則窗口a、b便有一個相應(yīng)開口量xv=xi，壓力油經(jīng)窗口a進入液壓缸右腔，推動缸體右移，液壓缸左腔油液經(jīng)窗口b回油。缸體右移的同時，帶動閥體也右移xp，使閥的開口量減小，即xv=xi-xp。

缸體位移=閥芯位移(xi=xp)，閥的開口量xv=0，閥的輸出流量為零，液壓缸停止運動，達(dá)到一個新的平衡，從而完成了液壓缸輸出位移對閥芯輸入位移的跟隨運動。2025/2/126.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

這個系統(tǒng)輸出位移之所以能自動、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入位移的變化，是因為閥體與液壓缸缸體集成于一體，構(gòu)成了負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。

控制過程中液壓缸的輸出位移能夠持續(xù)不斷地反饋到閥體上，與滑閥閥芯輸入位移相比較，得出兩者之間的位置偏差，這個位置偏差就是滑閥的開口量。

滑閥有開口量就有壓力油輸出到液壓缸，驅(qū)動液壓缸運動，使閥的開口量（偏差）減小，直至輸出位移與輸入位移相同。即此系統(tǒng)是靠偏差工作，用偏差來消除偏差，這就是反饋控制的原理。2025/2/12

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)中，移動滑閥閥芯所需要的信號功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達(dá)到很大，這是一個功率放大裝置。功率放大所需的能量由液壓能源提供，由伺服系統(tǒng)偏差的大小自動進行供給能量的控制。因此，液壓伺服系統(tǒng)也是一個控制液壓能源輸出的裝置。6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

該系統(tǒng)控制工作臺（負(fù)載）的位置，使之按照指令電位器給定的規(guī)律變化。系統(tǒng)由指令電位器、反饋電位器、電子放大器、電液伺服閥、液壓缸和工作臺組成。

由于采用電液伺服閥作為液壓控制元件，所以也稱為閥控式電液位置伺服系統(tǒng)。2025/2/12

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

指令電位器將動觸點位置指令xi轉(zhuǎn)換成指令電壓ur，被控制的工作臺位置xp由反饋電位器檢測并轉(zhuǎn)換為反饋電壓uf。兩線性電位器接成橋式電路，得到偏差電壓ue=ur-uf=K(xi-xp)，K=U/x0為電位器增益。

當(dāng)工作臺位置xp與指令位置xi一致時，電橋輸出偏差電壓ue=0，此時伺服放大器輸出電流為零，電液伺服閥處于中位（零位），沒有流量輸出，工作臺靜止。2025/2/12

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.1液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理及組成

指令電位器動觸點位置發(fā)生變化時，如向右移動一個位移△xi，在工作臺位置發(fā)生變化之前，電橋輸出偏差電壓ue=K△xi，偏差電壓經(jīng)伺服放大器放大后變?yōu)殡娏餍盘柸タ刂齐娨核欧y，電液伺服閥輸出壓力油到液壓缸推動工作臺右移。

隨工作臺的移動，電橋輸出偏差電壓逐漸減小，當(dāng)工作臺位移=指令電位器位移(△xp=△xi)時，電橋輸出偏差電壓為零，工作臺停止運動。若指令電位器動觸點反向運動，工作臺也反向跟隨運動。2025/2/12

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

以液壓為能源，具有功率放大作用，是一個功率放大裝置。功率放大所需能源由壓力油源提供，供給能量大小是由轉(zhuǎn)換元件根據(jù)系統(tǒng)偏差大小調(diào)節(jié)。

液壓控制系統(tǒng)是一個自動跟蹤系統(tǒng)（即隨動系統(tǒng)）。伺服控制系統(tǒng)中，液壓缸的位移按輸入指令的變化規(guī)律變化。即系統(tǒng)的輸出量能夠自動跟隨輸入量的變化而變化。

液壓控制系統(tǒng)是一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)，依靠偏差信號工作。此類系統(tǒng)都是靠偏差信號進行調(diào)節(jié)，按照控制理論中負(fù)反饋控制原理來工作的，即以偏差來消除偏差。液壓伺服控制系統(tǒng)特點2025/2/12

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

輸入元件也稱指令元件，它給出輸入信號（指令信號）加于系統(tǒng)的輸入端?？梢允菣C械、電氣等。

比較元件也稱比較器，它將反饋信號與輸入信號進行比較，給出偏差信號。

放大轉(zhuǎn)換元件將比較元件給出的偏差信號進行放大、并進行能量轉(zhuǎn)換，以液壓信號（流量或壓力）的形式輸入執(zhí)行機構(gòu)，控制執(zhí)行元件運動，如伺服放大器、機液伺服閥和電液伺服閥等。系統(tǒng)組成2025/2/12

6.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述

執(zhí)行元件按指令規(guī)律動作，驅(qū)動被控對象做功，實現(xiàn)調(diào)節(jié)任務(wù)，如液壓缸和液壓馬達(dá)等。

反饋測量元件測量系統(tǒng)的輸出并轉(zhuǎn)換為反饋信號，這類元件也有多種形式，位移、速度、壓力或拉力等各種類型傳感器就是常用的反饋測量元件。

被控對象它是與執(zhí)行元件可動部分相連接并一起運動的機構(gòu)或裝置，即系統(tǒng)所要控制的對象，即負(fù)載。系統(tǒng)組成2025/2/126.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.2液壓伺服控制優(yōu)缺點

優(yōu)點

功率-重量比和力矩-慣量比（或力-質(zhì)量比）大電氣元件最小尺寸取決于最大有效磁通密度和功率損耗產(chǎn)生的發(fā)熱量，而最大有效磁通密度受磁性材料磁飽和限制，散熱困難，故結(jié)構(gòu)尺寸大，功率-重量比和力矩-慣量比小。液壓元件功率損耗產(chǎn)生的熱量可由油液帶到散熱器進行散熱，尺寸主要取決于最大工作壓力。由于最大工作壓力可以很高（可達(dá)32MPa），所以液壓元件的體積小、重量輕，而輸出力或力矩卻很大，使功率-重量比和力矩-慣量比（或力-質(zhì)量比）大。

快速性好，系統(tǒng)響應(yīng)快液壓系統(tǒng)中油液的體積彈性模量大，由油液壓縮形成的液壓彈簧剛度大，而液壓動力元件的慣量比較小，所以由液壓彈簧剛度和負(fù)載慣量耦合成的液壓固有頻率高，故系統(tǒng)的響應(yīng)速度快。2025/2/126.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.2液壓伺服控制優(yōu)缺點

優(yōu)點

液壓伺服系統(tǒng)抗負(fù)載的剛度大輸出位移受負(fù)載變化的影響小，定位準(zhǔn)確，控制精度高。由于液壓固有頻率高，允許液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)有較大的開環(huán)放大系數(shù)，因此可獲得較高的精度和響應(yīng)速度。而液壓系統(tǒng)中油液的壓縮性和泄漏都很小，故液壓動力元件速度剛度大，組成閉環(huán)系統(tǒng)時位置剛度也大。

液壓伺服系統(tǒng)體積小、重量輕、控制精度高和響應(yīng)速度快。而且還具有潤滑性好、壽命長；調(diào)速范圍寬、低速穩(wěn)定性好；動力通過油管傳輸較方便；能量借助蓄能器存儲較便捷；液壓執(zhí)行元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩種形式，工作適應(yīng)性強；過載易保護；系統(tǒng)溫升方便解決等優(yōu)點。2025/2/126.1液壓伺服控制系統(tǒng)概述6.1.2液壓伺服控制優(yōu)缺點

缺點

液壓元件特別是精密的液壓控制元件（電液伺服閥）抗污染能力差，對工作油液清潔度要求高，污染的油液會使閥磨損而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作。這是液壓伺服系統(tǒng)發(fā)生故障的主要因素。因此液壓伺服系統(tǒng)必須采用精細(xì)過濾器。

油液的體積彈性模量隨油溫和混入油中的空氣含量而變化。油液的黏度也隨油溫變化而變化。因此油溫變化對系統(tǒng)的性能影響很大。

液壓元件的密封設(shè)計、制造和維護不當(dāng)時，容易引起外泄，造成環(huán)境污染。

液壓元件制造精度要求高，成本高。

液壓能源的獲得和遠(yuǎn)距離傳輸都不如電氣系統(tǒng)方便。2025/2/126.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類

液壓控制閥是一種以機械運動來控制液體動力的元件。它將輸入的較小功率的機械信號（位移或轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換為較大功率的可連續(xù)控制的液壓信號（流量或壓力）輸出，也稱為液壓放大器。它既是能量轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件。

液壓控制閥具有結(jié)構(gòu)簡單、單位體積輸出功率大、工作可靠和動態(tài)性能好等優(yōu)點。

液壓控制閥按其結(jié)構(gòu)和工作原理不同可分為圓柱滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥三類，其中滑閥的控制性能好，在液壓伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛。2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

圓柱滑閥是節(jié)流式元件，借助于閥芯與閥套間的相對運動改變節(jié)流口面積的大小，對液體流量或壓力進行控制。

圓柱滑閥分為四通閥、三通閥和二通閥。

四通閥有兩個控制口，可用來控制雙作用液壓缸或液壓馬達(dá)的往復(fù)運動。

三通閥有一個控制口，控制差動液壓缸的一個方向移動。

二通閥有一個可變節(jié)流口，和一個固定節(jié)流孔配合使用，才能控制一腔的壓力，用來控制差動液壓缸。

按進、出閥通道數(shù)劃分2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

圓柱滑閥分為四邊、雙邊和單邊滑閥。四邊滑閥(a-c)有四個可控的節(jié)流口，控制性能最好；雙邊滑閥(d-e)有兩個可控的節(jié)流口，控制性能次之；單邊滑閥(f)只有一個可控的節(jié)流口，控制性能最差。

按滑閥工作邊數(shù)劃分

按閥套窗口形狀劃分

有矩形、圓形和三角形等多種閥套窗口形狀。矩形窗口與閥芯位移成比例，可以獲得線性的流量增益（零開口閥），用得最多。圓形窗口工藝性好，但流量增益是非線性的，用于要求不高的場合。2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

按滑閥預(yù)開口形式劃分

圓柱滑閥分為正開口（負(fù)重疊）、零開口（零重疊）和負(fù)開口（正重疊）三種形式。

閥的預(yù)開口形式對其性能特別是中位（零位）附近特性影響較大。2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.1圓柱滑閥

零開口滑閥的流量與閥芯位移呈線性。線性的流量增益對反饋控制非常有利，應(yīng)用最廣泛，但加工制造困難。

負(fù)開口滑閥閥口密封性好，零位泄漏小，但流量增益曲線存在死區(qū)非線性，對反饋控制非常不利，故很少采用。

正開口滑閥零位時閥口是部分開啟的，零位泄漏較大。

按滑閥預(yù)開口形式劃分

按閥芯凸肩數(shù)劃分

有兩凸肩、三凸肩和四凸肩滑閥。二通閥一般采用兩個凸肩，三、四通閥由兩個或以上閥芯凸肩組成。二凸肩四邊閥閥芯軸向移動時導(dǎo)向性差，三、四凸肩四邊閥導(dǎo)向性和密封性好，是常用形式。2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.2噴嘴擋板閥

噴嘴擋板閥是節(jié)流式元件，由噴嘴、擋板和固定節(jié)流口組成。擋板可繞支撐軸擺動，利用擋板位移來調(diào)節(jié)噴嘴與擋板之間的環(huán)狀節(jié)流面積，從而改變噴嘴腔兩邊的壓力。噴嘴兩邊的壓力差與擋板位移成正比。

有單噴嘴擋板閥和雙噴嘴擋板閥兩種。雙噴嘴擋板閥有較高功率放大倍數(shù)，應(yīng)用較多。2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.2噴嘴擋板閥

噴嘴擋板閥與圓柱滑閥相比，結(jié)構(gòu)簡單，不需要有嚴(yán)格的制造公差，擋板一般懸掛在溢流腔內(nèi)，體積和慣量小，移動過程幾乎沒有摩擦，所需控制力小、響應(yīng)快、動作靈敏度高、抗污染能力強，但零位泄漏大、功率小，通常用在小功率液壓控制系統(tǒng)中或多級控制閥的前置級。2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.3射流管閥

射流管閥是基于動量轉(zhuǎn)換原理的分流式元件，由射流管和接收器組成。射流管可繞支撐軸偏轉(zhuǎn)。

無信號輸入，射流口處于閥中位，射流被兩接收口均勻接收，兩接收器內(nèi)壓力相等。

有輸入信號，射流口偏離中位，接收射流多的接收口內(nèi)產(chǎn)生較高壓力，接收射流少的接收口內(nèi)產(chǎn)生較小壓力。上述壓差可以用于驅(qū)動負(fù)載液壓缸運動。

從射流管噴嘴處高速噴出的液體，形成的液流動能在擴散形接收器內(nèi)恢復(fù)成壓力能。兩接收嘴內(nèi)壓力差與射流管位移成正比。2025/2/12

6.2液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類6.2.3射流管閥

射流管閥結(jié)構(gòu)簡單、加工精度低、抗污染能力強和對油液清潔度要求不高，但慣量大、響應(yīng)速度低、零位泄漏流量大、油液黏度變化對特性影響較大和低溫特性較差。

適用于低壓、小功率的場合，用在小功率液壓控制系統(tǒng)或多級控制閥的前置級。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

滑閥靜態(tài)特性（壓力-流量特性）指穩(wěn)態(tài)情況下，閥的負(fù)載流量、、負(fù)載壓力和滑閥位移即三者之間的關(guān)系，即表示滑閥工作能力和性能，對液壓伺服系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的計算具有重要意義。

閥的靜態(tài)特性可用方程、曲線或特性參數(shù)（閥的系數(shù)）表示。最常用的是壓力-流量曲線圖，它能夠全面描述控制閥靜態(tài)特性。

壓力-流量方程表達(dá)式

建立理想四邊滑閥的一般模型，四邊滑閥及等效橋路（見下頁圖）。模型中預(yù)開口量U

(0≤U≤xvmax)，其中xvmax是相對于零位的最大閥芯位移。

以中位為基準(zhǔn)，閥芯向兩側(cè)移動最大位移xvmax>0。若U=0，為零開口閥；0<U<xvmax為小正開口閥；U=xvmax閥芯在其全部行程內(nèi)運動時，閥都是正開口的，表示為全程正開口閥。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

壓力-流量方程表達(dá)式

滑閥四個可變節(jié)流口以四個可變液阻表示，組成一個四臂可變的全橋。通過每一橋臂的流量qi

(i=1~4)，壓降pi

(i=1~4)，qL負(fù)載流量，pL負(fù)載壓降，ps供油壓力，qs供油流量，p0回油壓力。

液壓能源是理想的恒壓源，供油壓力ps為常數(shù)，回油壓力p0=0。

忽略管道和閥腔內(nèi)的壓力損失。為簡化分析做如下假設(shè)：

液體是不可壓縮的。

各節(jié)流口流量系數(shù)相等。即

各閥口是矩形窗口，滑閥結(jié)構(gòu)上各閥口是匹配與對稱的。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析由橋路的壓力平衡得匹配且對稱閥空載（PL=0）時，與負(fù)載相連的兩個管道中壓力均為ps/2。加負(fù)載后，一個管道壓力升高恰等于另一個管道壓力降低值。即通過橋路斜對角線上的兩個橋臂壓降也是相等的。即上式聯(lián)立求解：根據(jù)橋路流量平衡得各橋臂的流量方程為閥套油路面積梯度為W，滑閥結(jié)構(gòu)上閥口是匹配與對稱的，閥芯位移為xv時，即閥對稱閥匹配

預(yù)開口范圍內(nèi)，四邊滑閥流量公式2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析匹配且對稱閥通過液壓橋路斜對角線上的兩個橋臂流量相等。聯(lián)立求解：令恒壓源下，閥芯位移為xv時的負(fù)載流量將上式除以，歸一化處理得式中分別表示歸一化的負(fù)載流量、負(fù)載壓力、閥芯位移、預(yù)開口量，均是無因次量。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

歸一化后的方程簡化為：

系統(tǒng)供油流量為：適用范圍為閥芯位移為，即正開口段。它表示四個閥口全部有工作油液流過時四邊滑閥的負(fù)載流量方程。滑閥閥芯工作范圍是即。閥口1、3關(guān)閉，全部負(fù)載流量流經(jīng)閥口2、4。

閥芯在范圍內(nèi)四邊滑閥流量公式閥口2、4關(guān)閉，全部負(fù)載流量流經(jīng)閥口1、3。

閥芯在范圍內(nèi)四邊滑閥流量公式

閥芯在其全部運行行程內(nèi)四邊滑閥流量公式2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

理想零開口四邊滑閥靜態(tài)特性

理想零開口四邊滑閥沒有預(yù)開口量相應(yīng)理想滑閥壓力-流量方程為描述四邊滑閥靜態(tài)特性的曲線有流量特性曲線、壓力特性曲線和壓力-流量曲線三種。流量特性指負(fù)載壓降為常數(shù)時，負(fù)載流量與閥芯位移之間的關(guān)系。

流量特性曲線負(fù)載壓降時的流量特性稱為空載流量特性，相應(yīng)曲線為空載流量特性曲線。由上式可得空載流量特性式

壓力特性曲線壓力特性指負(fù)載流量為常數(shù)時負(fù)載壓降與閥芯位移之間的關(guān)系2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

壓力-流量特性曲線壓力-流量曲線指閥芯位移一定時，負(fù)載流量與負(fù)載壓降與之間關(guān)系的圖形描述。以閥芯位移為閥開口狀態(tài)變量，從閥芯全部行程范圍內(nèi)壓力-流量曲線可知，閥口開度越小，壓力-流量曲線越趨近水平線。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

實際零開口四邊滑閥靜態(tài)特性

實際與理想滑閥結(jié)構(gòu)上主要區(qū)別：

理想滑閥閥芯與閥套之間無間隙，閥口銳邊無圓角，無泄漏。

實際滑閥閥芯與閥套之間有間隙，閥口銳邊有圓角，有泄漏。

泄漏流量曲線

閥口銳邊圓角、閥芯與閥套間隙等因素會產(chǎn)生閥口泄漏現(xiàn)象。

滑閥泄漏流量與閥芯位移關(guān)系可以用泄漏流量曲線表示。閥芯在中位（零位）時泄漏流量最大，隨閥芯位移

增大，泄漏流量急劇下降至很小數(shù)值（幾乎為零）。保持供油壓力恒定，改變閥芯位移

，測出滑閥泄漏流量，可畫出泄漏流量曲線2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

理想正開口四邊滑閥靜態(tài)特性

壓力特性曲線供油壓力一定，改變閥芯位移

，測出相應(yīng)負(fù)載壓力，畫出實際零開口四邊滑閥壓力特性曲線。原點附近曲線斜率很大，閥芯只要有一個很小位移即，負(fù)載壓力很快就能上升到供油壓力。

按預(yù)開口量不同，理想正開口四邊滑閥分為小正開口滑閥和全程正開口滑閥兩類。

小正開口滑閥預(yù)開口量較小，只有閥芯位于中位附近時，這類正開口滑閥在正開口狀態(tài)（四個閥口同時工作）工作。

全程正開口滑閥的預(yù)開口量等于閥行程，即在閥芯行程范圍內(nèi)這類正開口滑閥始終在正開口狀態(tài)工作。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

流量特性曲線負(fù)載壓力，代入理想零開口四邊滑閥靜態(tài)特性公式得，畫出小正開口四邊滑閥空載流量特性曲線。

壓力特性曲線負(fù)載流量，代入理想零開口四邊滑閥靜態(tài)特性公式，畫出理想小正開口四邊滑閥壓力特性曲線。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

小正開口理想四邊滑閥壓力-流量曲線小正開口條件，以閥口開度為條件變量，利用閥芯在全部運動行程內(nèi)四邊滑閥流量公式，畫出壓力-流量曲線?；y預(yù)開口范圍內(nèi)壓力-流量曲線是一族負(fù)斜率曲線。線性度比零開口四邊滑閥好得多。閥芯在零位附近，負(fù)載壓力和負(fù)載流量有較好線性關(guān)系。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

全程正開口理想四邊滑閥壓力-流量曲線全程正開口理想四邊滑閥的預(yù)開口量是滑閥的全部行程，則負(fù)載流量方程可寫為上式描述了四個閥口全部有油液流過時四邊滑閥的負(fù)載流量方程，根據(jù)此方程可以畫出理想正開口滑閥的壓力-流量曲線。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

滑閥線性化分析

由四邊滑閥負(fù)載流量公式可知，恒壓源供油時，控制滑閥的負(fù)載流量為負(fù)載壓力和閥芯位移的函數(shù)，即

滑閥線性化流量方程與閥系數(shù)在某一特定工作點，，對變量即和的各階導(dǎo)數(shù)均存在，則可在該工作點附近小范圍內(nèi)，將上式按泰勒級數(shù)展開：忽略高階無窮小，左式可寫成這是壓力-流量方程以增量形式表示的線性化表達(dá)式。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

流量增益

它是流量特性曲線上某一工作點處的曲線切線斜率。

流量增益表示負(fù)載壓降一定時，滑閥單位輸入位移所引起的負(fù)載流量變化的大小。

值越大，閥對負(fù)載流量的控制就越靈敏。

流量-壓力系數(shù)

流量-壓力系數(shù)表示閥開度一定時，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化大小。

值小，負(fù)載力變化引起的負(fù)載流量變化越大，即閥剛度大。

是系統(tǒng)中的一種阻尼，系統(tǒng)振動加劇時，負(fù)載壓力的增大使閥輸出給系統(tǒng)的流量減小，有助于系統(tǒng)振動的衰減。

壓力增益（壓力靈敏度）

它是壓力特性曲線的切線斜率。

壓力增益是指時，單位輸入閥芯位移所引起的負(fù)載壓力變化的大小。

值大，閥對負(fù)載壓力的控制靈敏度高。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

因為所以流量增益、流量-壓力系數(shù)和壓力增益的關(guān)系為

流量增益、流量-壓力系數(shù)和壓力增益是表示閥靜態(tài)特性的重要參數(shù)，被稱為閥系數(shù)。

負(fù)載流量增量公式可以簡化為

上式線性化滑閥負(fù)載流量方程，適用于負(fù)載流量可線性化各種結(jié)構(gòu)的液壓控制閥。液壓控制系統(tǒng)中常用上式作為控制閥的數(shù)學(xué)模型。

閥系數(shù)

流量增益是反饋控制系統(tǒng)開環(huán)增益的組成部分。

流量增益增大，則系統(tǒng)開環(huán)增益也成比例增大，流量增益對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)誤差有直接影響。

壓力增益反映負(fù)載壓力對閥芯位移變化的敏感狀況，表示液壓閥控制大負(fù)載壓力的能力。

系統(tǒng)中壓力增益不直接顯現(xiàn)，是通過流量-壓力系數(shù)來影響系統(tǒng)。

壓力增益增大，流量-壓力系數(shù)減小。

干擾力和力矩通過流量-壓力系數(shù)影響系統(tǒng)。

減小干擾力和力矩對控制系統(tǒng)影響，希望閥的流量-壓力系數(shù)小，系統(tǒng)容易獲得較高的剛度和精度。2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

零位閥系數(shù)

零位是空載流量特性曲線、壓力特性曲線和壓力-流量曲線的原點。零位閥系數(shù)是相關(guān)曲線在原點處的斜率。

閥系數(shù)隨閥工作點的變化而變化。

反饋控制的滑閥經(jīng)常在零位附近工作。

當(dāng)工作點在零位處的閥系數(shù)稱為零位閥系數(shù)，分別表示為

矩形閥口伺服閥的零位流量增益最大，流量-壓力系數(shù)最小，系統(tǒng)阻尼比最低。壓力-流量特性原點對系統(tǒng)穩(wěn)定性來說是穩(wěn)定性最差的點。

如果一個系統(tǒng)在零位工作點能穩(wěn)定工作，那么在其他工作點也能穩(wěn)定工作。

在進行系統(tǒng)分析時以原點處的靜態(tài)放大系數(shù)作為閥的性能參數(shù)。

理想零開口四邊滑閥零位閥系數(shù)

理想零開口四邊滑閥在零位對負(fù)載流量方程求導(dǎo)得零位閥系數(shù)：2025/2/126.3滑閥靜態(tài)特性分析

實際零開口四邊滑閥零位閥系數(shù)

實際零開口閥的零位壓力增益主要取決于閥的徑向間隙值，而與閥的面積梯度無關(guān)。

正開口四邊滑閥的零位流量增益是理想零開口四邊滑閥的兩倍。

正開口四邊滑閥提高零位流量增益并改善壓力-流量曲線的線性度。

正開口四邊滑閥零位閥系數(shù)

理想零開口四邊滑閥在零位對負(fù)載流量方程求導(dǎo)，得正開口四邊滑閥零位閥系數(shù)：2025/2/12

6.4閥控系統(tǒng)功率及效率簡化為輸出功率為最大值時pL：

液壓泵供油壓力，供油流量，閥的負(fù)載壓力，負(fù)載流量，則零開口四邊滑閥的輸出功率（負(fù)載功率）為最大輸出功率：2025/2/12

采用變量泵供油時，由于變量泵可自動調(diào)節(jié)其供油流量qs來滿足負(fù)載流量qL要求，因此qs=qL，那么閥在最大輸出功率時，系統(tǒng)最高效率為

在時，整個液壓伺服系統(tǒng)效率最高，閥的輸出功率最大，故通常取作為閥的設(shè)計負(fù)載壓力。

采用定量泵加溢流閥作為液壓能源時，定量泵供油流量等于或大于閥的最大負(fù)載流量qLmax（即閥最大空載流量q0m）。閥在最大輸出功率時，系統(tǒng)最高效率為

該系統(tǒng)效率比較低，但結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護方便，在中、小功率系統(tǒng)仍獲得廣泛應(yīng)用。6.4閥控系統(tǒng)功率及效率2025/2/12

6.5液壓動力元件

液壓動力元件由液壓控制元件（或稱液壓放大元件）和液壓執(zhí)行元件組成。

液壓控制元件是液壓控制閥或伺服變量泵，液壓執(zhí)行元件是液壓缸或液壓馬達(dá)。

組成閥控液壓缸、閥控液壓馬達(dá)、泵控液壓缸和泵控液壓馬達(dá)四種基本型式的液壓動力元件。

閥控液壓缸和閥控液壓馬達(dá)構(gòu)成的閥控系統(tǒng)又稱節(jié)流控制系統(tǒng)，是通過液壓控制閥控制從油源流入執(zhí)行元件的流量，從而改變執(zhí)行元件的輸出速度。該系統(tǒng)通常采用恒壓油源，使供油壓力恒定。

泵控液壓缸和泵控液壓馬達(dá)構(gòu)成的泵控系統(tǒng)又稱容積控制系統(tǒng)，是通過改變伺服變量泵的排量改變流入執(zhí)行元件的流量，進而改變執(zhí)行元件的輸出速度。該系統(tǒng)的壓力取決于負(fù)載。2025/2/126.5液壓動力元件

四邊閥控液壓缸基本方程的建立

由零開口四邊滑閥和對稱液壓缸組成。

這種閥控系統(tǒng)動態(tài)特性取決于控制閥和液壓缸的動態(tài)特性，并與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)。

假定系統(tǒng)負(fù)載由質(zhì)量、彈簧和黏性阻尼組成，且系統(tǒng)為單自由度系統(tǒng)。

液壓動力元件是液壓伺服系統(tǒng)中重要的組成部分，它的動態(tài)特性對大多數(shù)液壓伺服系統(tǒng)的性能有著決定性的影響，其傳遞函數(shù)是分析整個液壓伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2025/2/126.5液壓動力元件

滑閥流量方程

流入進油腔的流量和從回油腔流出的流量分別為

系統(tǒng)處于動態(tài)及考慮泄漏的情況，故負(fù)載流量為

利用對上式線性化得

液壓缸流量連續(xù)方程

從閥流入液壓缸左腔的流量q1除了推動活塞運動外，還要補償缸內(nèi)、外泄漏和液體壓縮及管道等的膨脹所需的流量。

流入液壓缸進油腔的流量q1

液壓缸回油腔流出的流量q22025/2/126.5液壓動力元件

液壓缸流量連續(xù)方程

由以上兩式可得負(fù)載流量連續(xù)方程：

上式簡化可得

Vt為液壓缸兩腔的總?cè)莘e為常數(shù)

Cs1為總泄漏系數(shù)

左式是四邊閥控液壓缸流量連續(xù)性方程的常用形式。

負(fù)載流量包含推動液壓缸活塞運動所需的流量、總泄漏流量和總壓縮流量。2025/2/126.5液壓動力元件

液壓缸負(fù)載力平衡方程

液壓缸的輸出力與負(fù)載力相平衡。負(fù)載力一般包括活塞與負(fù)載的慣性力、黏性阻尼力、彈性負(fù)載力以及其他外干擾力。

上述三式是四邊閥控液壓動力元件的基本方程，它們確定了系統(tǒng)的動態(tài)特性。

初始狀態(tài)液體壓縮性影響最大，液壓剛度最小、動力元件固有頻率最低、阻尼比最小，系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。所以初始狀態(tài)點是系統(tǒng)最不利的工作點。

mt為活塞及由負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量。

Bt為活塞及負(fù)載等運動件的黏性阻尼系數(shù)。

Kt為負(fù)載運動時的彈簧剛度。

FL為作用在活塞上的外干擾力。2025/2/126.5液壓動力元件

四邊閥控液壓缸框圖與傳遞函數(shù)

將上三式進行拉普拉斯變換得

消去中間變量QL和PL，可以求得閥芯輸入位移xv和外干擾力FL同時作用下液壓缸活塞的總輸出位移為

為總壓力流量系數(shù)，

分子第一項是液壓缸活塞的空載速度，第二項是外干擾力作用下引起的速度降低。

分母第一項是慣性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度；第二項是慣性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度；第三項是黏性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度；第四項是活塞運動速度；第五項是黏性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度；第六項是彈性力變化引起的壓縮流量所產(chǎn)生的活塞速度；第七項是彈性力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞速度。2025/2/12

6.5液壓動力元件

閥芯位移xv是指令（輸入）信號，F(xiàn)L是外干擾信號，由上式可求出液壓缸活塞位移對閥芯位移的傳遞函數(shù)Xt/xv和對外干擾力的傳遞函數(shù)Xt/FL。

以負(fù)載流量為基礎(chǔ)的框圖適用于負(fù)載慣量較小、動態(tài)過程較快的場合。

以負(fù)載壓力為基礎(chǔ)的框圖適用于負(fù)載慣量和泄漏系數(shù)較大，而動態(tài)過程比較緩慢的場合。2025/2/126.5液壓動力元件

沒有彈性負(fù)載整理得液壓缸活塞總輸出位移為

伺服系統(tǒng)的負(fù)載在多數(shù)情況下是以慣性負(fù)載為主，而彈性負(fù)載很小或沒有，此時。為液壓固有頻率為液壓相對阻尼系數(shù)

上式給出了以慣性負(fù)載為主時的閥控液壓缸的動態(tài)特性。2025/2/126.5液壓動力元件

分子中第一項可認(rèn)為xv輸入下液壓缸的輸出速度，第二項給出了因外干擾造成的速度降低。

對指令輸入xv的傳遞函數(shù)為

對外干擾輸入FL的傳遞函數(shù)為2025/2/126.5液壓動力元件

有彈性負(fù)載整理得

有些兩級液壓放大元件采用對中彈簧反饋定位，前置級放大元件控制功率級放大，因功率級閥芯有對中彈簧，彈性負(fù)載較大，不能忽略，。粘性阻尼系數(shù)Bt較小，可忽略。

液壓缸活塞總輸出位移為

上頁PPT公式中分母積分環(huán)節(jié)s改為慣性環(huán)節(jié)，既是有彈性負(fù)載的傳遞函數(shù)。2025/2/126.5液壓動力元件

考慮