液压伺服控制3章0综述

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1、第三章第三章 液压动力元件液压动力元件 3.1 3.1 四通阀控制液压缸四通阀控制液压缸 3.2 3.2 四通阀控制液压马达四通阀控制液压马达 3.3 3.3 三通阀控制液压缸三通阀控制液压缸 3.4 3.4 泵控液压马达泵控液压马达 3.5 3.5 液压动力元件与负载的匹配液压动力元件与负载的匹配 本本 章章 介介 绍绍 1 概概 述述 液压动力元件 = 液压放大元件 + 液压执行元件 液压放大元件（液压控制元件）：液压控制阀、伺 服变量泵 液压执行元件：液压缸、液压马达 机-液耦合（换能）元件 四种基本型式的液压动力元件： 阀控（节流控制）系统：阀控缸，阀控马达； 泵控（容积控制）系统：泵

2、控缸、泵控马达。 液压动力元件是一个关键性的部件，它的动态特性在 很大程度上决定着整个系统的性能。 2 3.1 3.1 四通阀控制液压缸四通阀控制液压缸 零开口四边滑阀 + 对称液压缸 四通阀控制液压缸 X Xv v p1 p2 V1 V2 xp F FL L Q1 Q2 一、基本方程 1）液压控制阀的流量方程 2）液压缸流量连续性方程 3）液压缸与负载的力平衡方程 （一）滑阀的流量方程 假设： 1）零开口四边滑阀 2）四个节流窗口是匹配对称的 3）供油压力恒定，回油压力为零 3 （二）液压缸流量连续性方程 假设： 1）阀与液压缸的连接管道对称且短而粗，管道中的压力 损失和管道动态可以忽略 2

3、）液压缸每个工作腔内各处压力相等，油温和体积弹性 模量为常数 3）液压缸内外泄漏均为层流流动 总流量 = 推动活塞运动所需流量 + 经过活塞密封的内泄漏流量 + 经过活塞杆密封处的外泄漏流量 + 油液压缩和腔体变形所需的流量 4 流入液压缸进油腔的流量： 从液压缸回油腔流出的流量： 液体是可压缩的。液体等效容积弹性模数e表示容器中油液 的容积变化率与压力增长量之间的关系 M 5 动态分析时，需要考虑泄漏和油液压缩性的影响，则流入 液压缸的流量与流出液压缸的流量不相等，为了简化分析，定 义负载流量为： 6 要使压缩流量相等，应使液压缸两腔的初始容积相等，即 活塞在中间位置时， 1）液体压缩性影响

4、最大，固有频率最低 2）阻尼比最小 因此，系统稳定性最差。所以，分析时，应取活塞的中间位置作为初 始位置。 流量方程可整理成 ：推动液压缸运动所需流量+总泄漏 流量+总压缩流量 7 （三）液压缸和负载的力平衡方程 负载力一般包括惯性力、粘性阻尼力、弹性力和任意外负 载力。 液压缸的输出力与负载力的平衡方程为： 此外，还存在库仑摩擦等非线性负载，但采用线性化的方 法分析系统的动态特性时，必须将这些非线性负载忽略。 8 二、方块图与传递函数 阀控液压缸的三个基本方程完全描述了阀控液压缸的动态特 性，将其拉式变换，则： Kq - + + + + xv xp QL FL Mts2+Bps+k + +

5、Kc 适合于负载 惯量小、动 态过程较快 的场合。 9 Kq - + xv xp PL FL - - 适合于负载惯量和泄漏 系数都较大，而动态过 程比较缓慢的场合。 10 合并三个基本方程，消去中间交量QL及pL，可得到阀芯输入 位移和外负载力同时作用时液压缸活塞的总输出位移： 式中， ，包括泄漏在内的总的压力流量系数。 液压缸活塞的空载速度 外负载力作用引起的速度降低 惯性力、粘性力、弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度 惯性力、粘性力、弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度 活塞运动速度 11 （一）没有弹性负载 （K=0）的情况 1）很多情况，以惯性负载为主。 2）液压马达伺服系统中，

6、弹性负载很少见。 3）粘性阻尼系数Bp一般很小，所以由粘性摩擦力引起的 泄漏流量所产生的活塞速度比活塞的运动速度小得多，可忽 略不计。 三、传递函数简化 对特征方程的简化。因式分解，化为标准形式。 或 式中 h 液压固有频率 h阻尼比 12 如果粘性摩擦系数Bp可以略去，则 对于指令输入xv的传递函数为： 对于干扰输入FL的传递函数为： 13 （二）有弹性负载 （K0）的情况 阀控液压缸中，弹性负载比较常见： 1）带对中弹簧的功率级滑阀 2）材料试验机的负载是硬弹簧 或 粘性阻尼系数Bp一般很小 所以： kh 液压弹簧刚度：液压缸完全封闭的两腔由于液体的 压缩性而形成的 14 0 综合固有频率

7、 0综合阻尼比 将对应项系数相等，可得： 满足 时，有： 15 Kps 总压力增益 r惯性环节的转折频率 稳态时阀输入位移所引起的液压缸活塞的输出位移 外负载力作用所引起的活塞输出位移的减小量 1）弹性负载使积分环节变 成惯性环节 2）随着负载弹簧刚度减小 ，转折频率将变低，惯性环 节接近积分环节 16 （三）其它的简化情况 K=0K=0时出现积分环节时出现积分环节 17 是负载质量与液压缸工作腔中的油也压缩性所形成的液压弹簧相互作用的 结果。 假设：液压缸无摩擦、无泄漏 由于液体的压缩性，当活塞受到外力作用产生位移时，一腔压力升高，另 一腔压力降低 2）液压固有频率 被压缩液体产生的复位力与

8、活塞位移成 比例，其作用相当于一个线性液压弹簧 ，总液压弹簧刚度为： 总液压弹簧刚度是液压缸两腔液压弹簧刚度的并联并联。 18 Mt kh x 弹簧-质量系统 当活塞处在中间位置时，液压弹簧刚度最小，当在两端时，V1或 V2为零，液压弹簧刚度最大。 液压弹簧与负载质量相互作用所构成系统的固有频率，中间位置 时，其值为： 液压弹簧刚度是在液压缸两腔完全封闭的情况下推导出来的，实 际上由于阀的开度和液压缸的泄漏的影响，液压缸不可能完全封 闭，因此在稳态下不存在弹簧刚度稳态下不存在弹簧刚度。 动态时，在一定频率范围内来不及泄漏，相等于一种密封状态， 因此液压弹簧是一个动态弹簧。 19 在液压伺服系统

9、中，液压固有频率限制了系统的响应速度。提高液压 固有频率的方法： （1）增大液压缸活塞面积Ap（有时，Ap主要由负载决定） h与Ap不成比例关系 压缩容积Vt随之增大 同样的负载速度，所需负载流量增大，阀、连接管道、液压能源 装置的尺寸重量也随之增大 （2）减小总压缩容积Vt （主要是减少无效容积和连接管道容积） 使阀靠近液压缸，最好装在一起 选择合适的执行元件：长行程输出力小时用液压马达，反之用液 压缸 （3）减小折算到活塞上的总质量Mt（活塞质量 + 负载折算到活塞上的 质量 + 液压缸两腔的油液质量 + 阀与液压缸连接管道中的油液折算 质量） （4）提高油液的有效体积模量e（700140

10、0MPa，或实测） 影响因素：受油液压缩性、管道及刚体机械柔性、油液中所含空气 （最严重） 要尽量减少混入空气，避免使用软管 20 3）液压阻尼比 决定因素：总流量-压力系数Kce、负载粘性阻尼Bp 因为：Bp h h 的高频段的高频段上，二阶微分环节起主要作用，动态位置刚度由 负载惯性所决定。动态位置刚度随频率的二次方增加随频率的二次方增加，但一般很少在此频 率范围工作。 25 2）动态速度刚度特性 2hh 的低频段上的动态速度刚度为： 此时，液压缸相当于一个阻尼系数为阻尼系数为A A p p 2 2 /K/Kce ce的粘性阻尼器 的粘性阻尼器。 从物理意义上说，在低频时因负载压差产生的泄

11、漏流量被很小的泄漏通道 所阻碍，产生粘性阻尼作用。 =0时，得静态速度刚度 26 （二）有弹性负载 （K0）时的频率响应分析 有弹性负载时，活塞位移对阀芯位移的传递函数为： 其主要性能参数有： 为位置放大系数，其中总压力增益Kps包含阀的压 力增益Kp，其随工作点在很大范围内变化，零位时最大。 另外，位置放大系数还和负载刚度有关和负载刚度有关，这与无弹性负载 时不同。 27 穿越频率 20lg|G| dB 0 /秒(s1) 1 负载刚度使穿越频率降低了负载刚度使穿越频率降低了 上式再一次说明，负载刚度比较小时，它 对动态特性的影响可忽略。 K0时，总流量总流量- -压力系数压力系数KKce c

12、e影响 1）位置放大系数 2）惯性环节的转折频率 3）0，从而影响高频段谐振峰值和相频特性形状，影响系统的幅值裕量 但不影响：穿越频率，因此不影响快速性 28 第三章第三章 液压动力元件液压动力元件 3.1 3.1 四通阀控制液压缸四通阀控制液压缸 3.2 3.2 四通阀控液压马达四通阀控液压马达 3.3 3.3 三通阀控制液压缸三通阀控制液压缸 3.4 3.4 泵控液压马达泵控液压马达 3.5 3.5 液压动力元件与负载的匹配液压动力元件与负载的匹配 本本 章章 介介 绍绍 29 3.2 3.2 四通阀控制液压马达四通阀控制液压马达 常用的液压动力元件，分析方法与阀控液压缸的相同。 四边阀控

13、制液压马达 p1 p2 V1 V2 T TL L p pS S T T X Xv v Q Q 1 1 Q Q 2 2 mm B B A A 30 31 阀控液压马达，弹簧负载很少见，即阀控液压马达，弹簧负载很少见，即G G = 0 = 0，另外由于： 所以： 通常负载粘性阻尼系数Bm很小，所以： 32 三通阀控制液压缸常用作机液伺服系统机液伺服系统的动力元件 ，如仿形机床和力操纵系统中 3.3 3.3 三通阀控制液压缸三通阀控制液压缸 pc X Xv v 三通阀控缸的结构原理图 A QL ps ps F FL L xp 33 34 Bp比阻尼系数Ah2/Kce小得多，即： 35 当负载刚度k=

14、0时，则： 三通阀控缸和四通阀控缸传递函数的形式一样，但前者 液压固有频率h和阻尼比h（Bp=0）均是后者的 原因是：只有一个控制腔一个控制腔，只形成一个液压弹簧一个液压弹簧 因此，四通阀控缸的动态响应要好得多。 36 第三章第三章 液压动力元件液压动力元件 3.1 3.1 四通阀控制液压缸四通阀控制液压缸 3.2 3.2 四通阀控液压马达四通阀控液压马达 3.3 3.3 三通阀控制液压缸三通阀控制液压缸 3.4 3.4 泵控液压马达泵控液压马达 3.5 3.5 液压动力元件与负载的匹配液压动力元件与负载的匹配 本本 章章 介介 绍绍 37 3.4 3.4 泵控液压马达泵控液压马达 p m 3

15、8 一、基本方程一、基本方程 变量泵的变量泵的流量方程为： V0 一个腔室的总容积 变量泵的排量为： 其增量方程的拉氏变换增量方程的拉氏变换为： 液压马达高压腔液压马达高压腔的流量连续性方程为： 其增量方程的拉氏变换增量方程的拉氏变换为： 液压马达和负载马达和负载的力矩平衡方程为： 其增量方程增量方程的拉氏变换为： 39 40 1）液压固有频率较低液压固有频率较低 l 只有一个控制管道，1/2 l 液压泵的工作腔容积大 2）阻尼比较小，但较恒定阻尼比较小，但较恒定。 l CtKce，总是欠阻尼，但基本恒定。 l 设置旁路泄漏通道或内部压力反馈以获得满意的阻尼比 3）增益增益K Kqp qp/D

16、 /D m m 和静态速度刚度和静态速度刚度D D m m 2 2 /C/C t t 比较恒定比较恒定。 4）动态刚度不好，但静态刚度很好（动态刚度不好，但静态刚度很好（C C t t 较小）较小） 三、泵控液压马达与阀控液压马达的比较三、泵控液压马达与阀控液压马达的比较 41 第三章第三章 液压动力元件液压动力元件 3.1 3.1 四通阀控制液压缸四通阀控制液压缸 3.2 3.2 四通阀控液压马达四通阀控液压马达 3.3 3.3 三通阀控制液压缸三通阀控制液压缸 3.4 3.4 泵控液压马达泵控液压马达 3.5 3.5 液压动力元件与负载的匹配液压动力元件与负载的匹配 本本 章章 介介 绍绍 42 负载匹配负载匹配是指液压动力元件的输出特性与负载特性之间的配 合 3