《電液控制系統》PPT課件

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1、第六章第六章 電液伺服系統電液伺服系統6.1.電液伺服系統的類型電液伺服系統的類型6.2.電液位置伺服系統分析電液位置伺服系統分析6.3.電液伺服系統校正電液伺服系統校正6.4.電液速度伺服系統分析電液速度伺服系統分析6.5.電液力伺服系統分析電液力伺服系統分析第六章第六章 電液伺服系統電液伺服系統n電液伺服系統綜合了電氣和液壓兩方面的電液伺服系統綜合了電氣和液壓兩方面的特長，具有控制精度高、響應速度快、輸特長，具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大、信號處理和各種參量反饋靈活出功率大、信號處理和各種參量反饋靈活等優點等優點n電液伺服系統適合于負載質量大、響應速電液伺服系統適合于負載質量大、響

2、應速度快的場合，應用于國民經濟和軍事工業度快的場合，應用于國民經濟和軍事工業各個領域各個領域6.1.電液伺服系統的類型電液伺服系統的類型按控制元件分：閥控、泵控按控制元件分：閥控、泵控按輸入與輸出關系分：開環控制、閉環環控制按輸入與輸出關系分：開環控制、閉環環控制按輸入指令分：模擬伺服系統、數字伺服系統按輸入指令分：模擬伺服系統、數字伺服系統模擬伺服系統模擬伺服系統n全部信號都是模擬量全部信號都是模擬量n信號可以是直流或交流信號可以是直流或交流n特點：重復精度高，分辨力較低（絕對精度低），精度很大特點：重復精度高，分辨力較低（絕對精度低），精度很大程度取決于檢測裝置的精度，微小信號易受噪聲和零

3、漂影響程度取決于檢測裝置的精度，微小信號易受噪聲和零漂影響n電液伺服系統分類電液伺服系統分類按輸出參量分：位置控制、按輸出參量分：位置控制、速度控制、力控制速度控制、力控制6.1.電液伺服系統的類型電液伺服系統的類型6.1.2 數字伺服系統數字伺服系統n數字伺服系統中部分或全部信號是離散參量數字伺服系統中部分或全部信號是離散參量n全數字系統中動力元件通過數字閥或電液步進馬達能夠接受全數字系統中動力元件通過數字閥或電液步進馬達能夠接受數字量數字量n數?；旌舷到y利用數?；旌舷到y利用D/A轉換器將數字指令轉換成模擬量輸給控轉換器將數字指令轉換成模擬量輸給控制元件，制元件，A/D轉換器將輸出的模擬量轉

4、換成數字量反饋到輸入轉換器將輸出的模擬量轉換成數字量反饋到輸入端進行比較端進行比較n特點是分辨率高，絕對精度高、受噪聲和零漂影響小特點是分辨率高，絕對精度高、受噪聲和零漂影響小6.2.電液位置伺服系統的分析電液位置伺服系統的分析n電液位置伺服系統是最基本和最常用的伺服系統電液位置伺服系統是最基本和最常用的伺服系統n廣泛用于機床工作臺位置、軋機板厚、帶材跑偏、飛機和輪廣泛用于機床工作臺位置、軋機板厚、帶材跑偏、飛機和輪船的舵機控制，雷達和火炮控制系統及振動試驗臺等船的舵機控制，雷達和火炮控制系統及振動試驗臺等6.2.1 系統組成及其傳遞函數系統組成及其傳遞函數自整角機作為角差檢測裝置自整角機作為

5、角差檢測裝置的位置伺服系統。的位置伺服系統。系統傳遞函數是各環節傳遞函數的組合系統傳遞函數是各環節傳遞函數的組合ccrcKU )sin(crecKUn自整角機傳遞函數：自整角機傳遞函數：crcrcr)sin(角誤差角誤差 很小時很小時 自整角機增益為：自整角機增益為：6.2.電液位置伺服系統的分析電液位置伺服系統的分析 n 相敏放大器傳遞函數：相敏放大器傳遞函數：相敏放大器頻響很高，其動態相對液壓動相敏放大器頻響很高，其動態相對液壓動力元件可忽略，可看成比例環節。增益：力元件可忽略，可看成比例環節。增益：dcgKUUagKUIn 伺服放大器傳遞函數：伺服放大器傳遞函數：伺服放大器頻響很高，是比

6、例環節。增益：伺服放大器頻響很高，是比例環節。增益：伺服閥頻寬伺服閥頻寬3-5倍液壓頻率時，倍液壓頻率時，伺服閥可近似為二階振蕩環節伺服閥可近似為二階振蕩環節1)(0sTKIQSGKsvsvsvsv伺服閥頻寬伺服閥頻寬5-10液壓頻率時，液壓頻率時，伺服閥可近似為二階振蕩環節伺服閥可近似為二階振蕩環節svsvsvKIQsGK0)(n 電液伺服閥傳遞函數：電液伺服閥傳遞函數：伺服閥頻寬與液壓頻率相近時，伺服閥頻寬與液壓頻率相近時，伺服閥可近似為二階振蕩環節伺服閥可近似為二階振蕩環節12)()(20ssKIQsGKsvsvsvsvsvsv6.2.電液位置伺服系統的分析電液位置伺服系統的分析n設不考

7、慮彈性負載和結構柔度設不考慮彈性負載和結構柔度影響，閥控馬達動態方程為：影響，閥控馬達動態方程為：)12()41(12220sssTsKViDKQDhhhLceetmcemm式中式中cmi是齒輪傳動比是齒輪傳動比n于是可得系統方框圖于是可得系統方框圖n伺服閥響應較液壓動力元件快得多，可忽略閥的動態性，看作伺服閥響應較液壓動力元件快得多，可忽略閥的動態性，看作比例環節。系統開環傳遞函數簡化為：比例環節。系統開環傳遞函數簡化為：可得系統開環傳遞函數：可得系統開環傳遞函數：)12()()()(22hhhsvvsssGKsHsG)12()()(22hhhvssKsHsG式中式中msvadcviDKKK

8、KK開環增益開環增益6.2.電液位置伺服系統的分析電液位置伺服系統的分析6.2.2 系統穩定性分析系統穩定性分析n簡化后系統方框圖簡化后系統方框圖n對應的開環傳遞函數與機液伺服對應的開環傳遞函數與機液伺服系統的相同，系統穩定條件仍是：系統的相同，系統穩定條件仍是：hhvK2n通常要求系統有適當的穩定余通常要求系統有適當的穩定余量，相位余量應在量，相位余量應在30o60o之間，之間，增益余量增益余量20lgKg6db（或（或Kg2）Kg是諧振頻率處的幅值比是諧振頻率處的幅值比n通過適當的參數匹配保證系統的相位余量和增益余量通過適當的參數匹配保證系統的相位余量和增益余量6.3.電液伺服系統的校正電

9、液伺服系統的校正n電液位置伺服系統性能主要由動力元件參數電液位置伺服系統性能主要由動力元件參數h 和和h決定決定n單純調節增益往往滿足不了系統的全部性能要求，因此就要對單純調節增益往往滿足不了系統的全部性能要求，因此就要對系統進行校正系統進行校正n系統校正注意其特點：系統校正注意其特點：液壓位置伺服系統的開環傳遞函數通常簡化為一個由比例環節、液壓位置伺服系統的開環傳遞函數通常簡化為一個由比例環節、積分環節和二階振蕩環節的組合積分環節和二階振蕩環節的組合液壓阻尼比較小，致使增益余量不足而相位余量有余液壓阻尼比較小，致使增益余量不足而相位余量有余參數變化大，阻尼比隨工作點變動在很大范圍內變化參數變

10、化大，阻尼比隨工作點變動在很大范圍內變化可用滯后校正、速度與加速度反饋校正、壓力反饋和動壓反饋可用滯后校正、速度與加速度反饋校正、壓力反饋和動壓反饋校正進行校正校正進行校正6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正6.3.1 滯后校正滯后校正n滯后校正通過提高低頻段增益，減小系統穩態誤差滯后校正通過提高低頻段增益，減小系統穩態誤差n在保證系統穩態精度的條件下，降低高頻段增益保證系統穩定在保證系統穩態精度的條件下，降低高頻段增益保證系統穩定性性n滯后校正由電阻電容組成的無源網絡實現滯后校正由電阻電容組成的無源網絡實現n串接在前向通路的相敏放大器和功率放大器之間的直流部分中串接在前向通路的相敏放

11、大器和功率放大器之間的直流部分中n傳遞函數為：傳遞函數為：式中式中rc=1/RC:超前環節轉折頻率超前環節轉折頻率R、C:電阻和電容，電阻和電容，1:滯后超前比滯后超前比11)()()(rcrciocsssususG6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正n由于由于1:滯后時間常數大于超前時間常滯后時間常數大于超前時間常數，網絡具有純相位滯后特征數，網絡具有純相位滯后特征n滯后網絡是一個低通濾波器，利用它的滯后網絡是一個低通濾波器，利用它的高頻衰減性，高頻衰減性，在保證系統穩定的條件下提在保證系統穩定的條件下提高系統的低頻增益，改善系統穩態性能高系統的低頻增益，改善系統穩態性能n或在保證系

12、統穩態精度的條件下降低高或在保證系統穩態精度的條件下降低高頻增益保證系統穩定性頻增益保證系統穩定性n滯后校正利用了高頻衰減特性而非相位滯后滯后校正利用了高頻衰減特性而非相位滯后n在阻尼比小的系統中，提高增益的限制因素是增益余量，而不在阻尼比小的系統中，提高增益的限制因素是增益余量，而不是相位余量有余是相位余量有余n前面的電液位置伺服系統加入前面的電液位置伺服系統加入滯后校正后傳遞函數成為滯后校正后傳遞函數成為式中式中KVC=Kv是校正后的速度增益是校正后的速度增益)12)(1()1()()(22hhhrcrcvcssssKsHsG6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正n設計滯后網絡確定參

13、數步驟：設計滯后網絡確定參數步驟：1）根據穩態誤差要求確定速度增益）根據穩態誤差要求確定速度增益Kvc2）利用確定的）利用確定的Kvc畫出伯德圖（曲線畫出伯德圖（曲線2）檢）檢查相位和增益余量是否滿足要求查相位和增益余量是否滿足要求3）不滿足則確定新的增益穿越頻率）不滿足則確定新的增益穿越頻率rc使使 c(c)=-180o+(5o 12o)是要求的相位余量，增加是要求的相位余量，增加5o 12o是為了是為了補償滯后網絡在補償滯后網絡在c引起的相位滯后引起的相位滯后4）選擇轉折頻率）選擇轉折頻率rc:rc=(1/41/5)c5）由）由Kvc=Kv=c確定確定.通常通常=10圖中曲線圖中曲線1為校

14、正后幅頻特性為校正后幅頻特性6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正n校正使速度增益提高了校正使速度增益提高了倍，倍，速度誤差減速度誤差減小了小了倍倍n回路增益提高，減小了元件參數變化和回路增益提高，減小了元件參數變化和非線性因數影響非線性因數影響n滯后校正降低了穿越頻率，是穿越頻率滯后校正降低了穿越頻率，是穿越頻率附近相位滯后增大。特別是低頻側相位附近相位滯后增大。特別是低頻側相位滯后較大滯后較大n如果低頻相位小于如果低頻相位小于-180o，開環增益減小，開環增益減小時系統可能變得不穩定時系統可能變得不穩定n為補償滯后校正網絡的衰減，需將放大為補償滯后校正網絡的衰減，需將放大器增益增加器

15、增益增加倍，或增設增益放大裝置倍，或增設增益放大裝置6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正6.3.2 速度與加速度反饋校正速度與加速度反饋校正n速度反饋校正主要是提高主回路靜態剛度，減小反饋回路的干速度反饋校正主要是提高主回路靜態剛度，減小反饋回路的干擾和非線性影響，提高系統靜態精度擾和非線性影響，提高系統靜態精度n加速度反饋主要是提高系統阻尼比加速度反饋主要是提高系統阻尼比n根據需要速度反饋和加速度反饋可單獨使用，也可同時使用根據需要速度反饋和加速度反饋可單獨使用，也可同時使用n前述位置伺服系統利用測速發電機將馬達轉速轉換成電壓信號前述位置伺服系統利用測速發電機將馬達轉速轉換成電壓信號

16、n在速度反饋電壓信號后接微分電路或微分放大器在速度反饋電壓信號后接微分電路或微分放大器n將速度和加速度電壓信號反饋到功率放大器輸入端構成了速度將速度和加速度電壓信號反饋到功率放大器輸入端構成了速度和加速度反饋和加速度反饋6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正6.3.2 速度與加速度反饋校正速度與加速度反饋校正svsvsvKGKn設伺服閥響應速度很快，則可看成比例環節，即設伺服閥響應速度很快，則可看成比例環節，即可求得速度與加速度反饋校正系統閉環傳遞函數可求得速度與加速度反饋校正系統閉環傳遞函數)1)1(2)1()1(/121221sKKKssKDKKUhhhmvcagmhK1=KaKsv

17、Kfv/Dm只有速度反饋校正時校正回路的開環增益只有速度反饋校正時校正回路的開環增益系統開環傳遞函數為：系統開環傳遞函數為：K2=KaKsvKfa/Dm只有加速度反饋校正時校正回路的開環增益只有加速度反饋校正時校正回路的開環增益)1)1(2)1()1/()()(121221sKKKssKKsHsGhhhvhKv=KeKdKsvKa/Dmi系統未校正時的開環增益系統未校正時的開環增益6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正6.3.2 速度與加速度反饋校正速度與加速度反饋校正n只有速度反饋校正時只有速度反饋校正時K2=0，開環增益降為，開環增益降為Kv/(1+K1)，固有頻率，固有頻率增大為增

18、大為 阻尼比減小為阻尼比減小為 n校正后阻尼比和固有頻率的乘積等于校正前的兩者乘積，系統校正后阻尼比和固有頻率的乘積等于校正前的兩者乘積，系統固有頻率提高有利于提高系統頻寬，可通過其它途徑增大阻尼比固有頻率提高有利于提高系統頻寬，可通過其它途徑增大阻尼比n如果只有加速度反饋校正如果只有加速度反饋校正 K1=0，系統開環增益，系統開環增益Kv和固有頻率和固有頻率h均不變，阻尼比因均不變，阻尼比因K2而增加。而增加。因此，增加因此，增加K2可顯著降低諧振峰可顯著降低諧振峰值而提高系統穩定性、增大開環增益和頻寬。值而提高系統穩定性、增大開環增益和頻寬。n可見，速度反饋是以犧牲阻尼和增益來換取系統頻寬

19、可見，速度反饋是以犧牲阻尼和增益來換取系統頻寬n加速度反饋可以增加系統阻尼加速度反饋可以增加系統阻尼)1)1(2)1()1/()()(121221sKKKssKKsHsGhhhvh11Kh11/Kh6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正6.3.3 壓力反饋和動壓反饋校正壓力反饋和動壓反饋校正n采用壓力反饋和動壓反饋的目的是為了提高系統阻尼采用壓力反饋和動壓反饋的目的是為了提高系統阻尼n可采用壓力反饋伺服閥或動壓反饋伺服閥實現壓力反饋和動壓可采用壓力反饋伺服閥或動壓反饋伺服閥實現壓力反饋和動壓反饋，也可采用液壓機械網絡或電反饋實現反饋，也可采用液壓機械網絡或電反饋實現（1）壓力反饋校正）壓

20、力反饋校正n用壓差或壓力傳感器檢測液壓執行器負載壓力反饋到功率放大用壓差或壓力傳感器檢測液壓執行器負載壓力反饋到功率放大器輸入端構成壓力反饋器輸入端構成壓力反饋n系統放塊圖系統放塊圖6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正6.3.3 壓力反饋和動壓反饋校正壓力反饋和動壓反饋校正)12(/22sssDKKUhmsvagmhh（1）壓力反饋校正）壓力反饋校正n壓力反饋的閉環傳遞函數壓力反饋的閉環傳遞函數式中式中ttemfpsvacemhtfpsvahhVJDKKKKDJKKK22校正后系統阻尼比校正后系統阻尼比)12()()(22sssKsHsGhvhh壓力反饋的開環傳遞函數壓力反饋的開環傳遞

21、函數系統開環增益系統開環增益iDKKKKKmsvadev/n可見，壓力反饋不改變系開閉環增益可見，壓力反饋不改變系開閉環增益Kv和液壓頻率和液壓頻率h，而使阻，而使阻尼比增加尼比增加n壓力反饋是通過增加系統的總流量壓力系數來提高阻尼比的，壓力反饋是通過增加系統的總流量壓力系數來提高阻尼比的，這樣就降低了系統的靜剛度這樣就降低了系統的靜剛度6.3.電液伺服系統的校正電液伺服系統的校正6.3.3 壓力反饋和動壓反饋校正壓力反饋和動壓反饋校正（2）動壓壓力反饋校正）動壓壓力反饋校正n動壓力反饋可以提高系統的阻尼，而又不降低系統的靜剛度動壓力反饋可以提高系統的阻尼，而又不降低系統的靜剛度n將壓力傳感器

22、的放大器換成微分放大器就可構成動壓反饋將壓力傳感器的放大器換成微分放大器就可構成動壓反饋n動壓反饋校正在前面已經討論過了，這里不再重復動壓反饋校正在前面已經討論過了，這里不再重復6.4.電液速度控制系統電液速度控制系統n實際工程中常需速度控制。例如：發動機調速，機床進給裝置實際工程中常需速度控制。例如：發動機調速，機床進給裝置速度控制，雷達天線、炮塔、速度控制，雷達天線、炮塔、轉臺等裝備中的速度控制轉臺等裝備中的速度控制n電液位置伺服系統中常有速度反饋回路提高系統剛度和精度電液位置伺服系統中常有速度反饋回路提高系統剛度和精度閥控馬達速度控制系統原理方塊圖、系統方塊圖和開環傳遞函數閥控馬達速度控

23、制系統原理方塊圖、系統方塊圖和開環傳遞函數12)()(220hhhsKsHsG式中式中K0=KaKsvKfv/Dm系統開環增益系統開環增益 Ka是放大器增益是放大器增益 Ksv是伺服閥流量增益是伺服閥流量增益 Kfv是測速發電機增益是測速發電機增益這是個零型系統，對速度階躍輸入是有差的這是個零型系統，對速度階躍輸入是有差的6.4.電液速度控制系統電液速度控制系統n系統開環伯德圖在穿越頻率系統開環伯德圖在穿越頻率c處相位余量很小處相位余量很小n如果如果c和和h之間有被忽略的環節，即使開環增益之間有被忽略的環節，即使開環增益K0=1，系統也，系統也不易穩定。因此系統必須校正才能穩定不易穩定。因此系

24、統必須校正才能穩定n在伺服閥前的電子放大器電路中串聯在伺服閥前的電子放大器電路中串聯RC網絡校正網絡校正n校正網絡的傳遞函數校正網絡的傳遞函數式中式中Tc=RC時間常數時間常數sTuucio116.4.電液速度控制系統電液速度控制系統n用用RC滯后網絡校正后的系統方框滯后網絡校正后的系統方框圖和伯德圖圖和伯德圖n為保證系統穩定，諧振峰值不應為保證系統穩定，諧振峰值不應超過零分貝線，因此須滿足：超過零分貝線，因此須滿足：hhhc)042.0(2n由伯德圖的幾何關系可求出滯后網絡的時由伯德圖的幾何關系可求出滯后網絡的時間常數：間常數：n可以看出：校正后的的穿越頻率比校正前可以看出：校正后的的穿越頻

25、率比校正前低得多。為了保證系統穩定，不得不犧牲低得多。為了保證系統穩定，不得不犧牲響應速度和精度響應速度和精度n為提高精度可采用積分放大器校正，使零為提高精度可采用積分放大器校正，使零型系統變成型系統變成I型系統（用速度傳感器代替位型系統（用速度傳感器代替位移傳感器即可）移傳感器即可）cKT/06.5.電液力控制系統電液力控制系統)(sGKIXsvxvvn力控制系統用于材料試驗機、結構疲勞試驗機、軋機張力控力控制系統用于材料試驗機、結構疲勞試驗機、軋機張力控制、車輪剎車控制等制、車輪剎車控制等6.5.1 系統組成及原理系統組成及原理系統組成如圖系統組成如圖6.5.2 基本方程與開環傳遞函數基本

26、方程與開環傳遞函數電壓誤差信號電壓誤差信號力傳感器方程力傳感器方程伺服放大器動態可忽略伺服放大器動態可忽略伺服閥傳遞函數伺服閥傳遞函數式中：式中：Ur是指令電壓信號，是指令電壓信號，Uf是反饋電壓，是反饋電壓，KfF是力傳感器增益，是力傳感器增益，Fg是液壓缸輸出力，是液壓缸輸出力，Ka是伺服放大器增益，是伺服放大器增益，Xv是伺服閥閥芯位是伺服閥閥芯位移，移，Kxv是伺服閥增益，是伺服閥增益，Gsv(s)是是Ksv=1時伺服閥傳遞函數時伺服閥傳遞函數eaUKI gfFfFKUfrcUUU6.5.電液力控制系統電液力控制系統PPPPtLPgKXsXBXsmPAF2LcvqLPKXKQLetLt

27、pPPLsPVPCsXAQ4n假定負載為質量、彈性和阻尼，則閥控液壓缸的動態可用下面假定負載為質量、彈性和阻尼，則閥控液壓缸的動態可用下面3個方程描述：個方程描述：考慮電液伺服閥和傳感器可得力控制系統方塊圖，其中考慮電液伺服閥和傳感器可得力控制系統方塊圖，其中Kce=Kc+Ctp6.5.電液力控制系統電液力控制系統1)()1(222322sKKAKKAsKmsKKKmAsKmAKKXFcehcethcettPceqvgPpP閥芯閥芯Xv至液壓缸輸出力至液壓缸輸出力Fg的傳遞函數的傳遞函數n傳遞函數分母與前面的液壓閥控制液壓缸的形式相同，不同傳遞函數分母與前面的液壓閥控制液壓缸的形式相同，不同的

28、是分子上多了一個二階微分環節。的是分子上多了一個二階微分環節。n通常負載的阻尼系數通常負載的阻尼系數Bp很小，可以忽略。上式可簡化為很小，可以忽略。上式可簡化為tphVAK24液壓彈簧剛度液壓彈簧剛度222222322)41()4(4)1(pcepetpceppetppcetpettetpqvgAKKsAKVAKBsAVBAKmsAVmsKBsKmKAKXF如果滿足如果滿足1)/1(22hPtceKKAKmK上式可近似為上式可近似為)12)(1()11(0020222ssssAKKXFmPceqvg式中式中 負載固有頻率負載固有頻率LmmK 6.5.電液力控制系統電液力控制系統 液壓彈簧與負載

29、彈簧串聯耦合的剛度與阻尼系數之比液壓彈簧與負載彈簧串聯耦合的剛度與阻尼系數之比)11/(2kKAKhPcer)/(1 42100htceeKKVKKKKKhmhh110液壓彈簧與負載彈簧并聯耦合的剛度與負載質液壓彈簧與負載彈簧并聯耦合的剛度與負載質量形成的固有頻率量形成的固有頻率n于是電液力控制伺服控于是電液力控制伺服控制系統方塊圖簡化為右圖制系統方塊圖簡化為右圖阻尼比，阻尼比，Kq/Kce是總壓力增益。是總壓力增益。式中式中 系統開環增益系統開環增益fFPceqxvaKAKKKKK 0)12)(1()1)()()(00202220sssssGKsHsGrmsvn開環傳遞函數開環傳遞函數6.5

30、.電液力控制系統電液力控制系統n如果伺服閥的固有頻率遠大于如果伺服閥的固有頻率遠大于m和和0，可將伺服閥看成比例環，可將伺服閥看成比例環節。這時系統開環伯德圖為節。這時系統開環伯德圖為:n討論兩種特殊情況：討論兩種特殊情況：1）KKh，即負載剛度遠大于，即負載剛度遠大于液壓彈簧剛度。這時液壓彈簧剛度。這時 tmPhcermKAKK02,。二階振蕩環節與與二階微分分環節。二階振蕩環節與與二階微分分環節近似抵消，系統動特性主要由液體壓縮形成的慣性環節決定近似抵消，系統動特性主要由液體壓縮形成的慣性環節決定tmthhPcermKmKAKK02,2）K1時時在在K/Kh1時時PfFqxvahcAKKKKKPfFqxvacAKKKKK