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1、液压元件与系统设计 液压系统设计 第三讲 电液控制系统设计1电液控制系统分类按控制物理量分类位置控制系统 速度控制系统 力控制系统按液压控制元件控制方式的不同分类阀控系统 泵控系统根据输入信号形式和信号处理手段分类数字控制系统 模拟控制系统 直流控制系统 交流控制系统 数模混合控制系统 2电液位置控制系统特点 系统输出的位置同系统的输入量之间始终保持一定的比例关系 1 电液位置控制系统组成和方块图 角度同步变压器机可以看作为比例环节 交流放大和解调器同样视为比例环节 伺服放大器的输入电压与输出电流近似成比例 伺服阀的传递函数 式中i 马达轴与负载间齿轮传动比 TL 系统输出轴阻力矩 只考虑惯性
2、负载 则阀控马达的滑阀位移对马达输出转角的传递函数为 则系统的方块图为 2 性能分析A 稳定性分析 系统的开环传递函数为 式中Kv 系统开环增益 系统的开环传递函数为 式中Kv 系统开环增益 单位反馈时 系统的闭环传递函数为 利用劳斯判据可知 欲使系统稳定 需满足 Kv 2 h h h值的计算不易准确又不易测定 一般取 h 0 1 0 2 所以系统稳定条件为Kv 0 2 0 4 h为了防止系统中由于元件参数变化造成的影响 也为了得到满意的性能指标 一般相位裕量在30 60 之间 幅值裕量为6 12分贝 故特征方程为 B 位置控制系统的闭环频率特性系统的闭环传递函数为 分母的三次多项式可以分解为
3、一个一阶因式和一个二阶因式的乘积 闭环惯性环节转折频率的无因次曲线 b Kv 当 h和Kv h较小时 当 h和Kv h较小时 nc h 当 h和Kv h较小时 2 nc 2 h Kv h C 系统的精度分析A 静态误差对于只有惯性负载的位置控制系统 对输入信号来说 系统的结构是I型 I型系统没有位置误差而只有速度误差 速度误差等于输入速度Vi被开环放大系数除 即 系统对于干扰信号的闭环传递函数为 此式称为系统闭环柔度特性 其倒数即为闭环刚度特性 系统闭环静态刚度为 对于干扰信号TL来说 系统的结构是零型 干扰力矩引起位置误差为 B 伺服阀死区和零飘引起的位置误差如果伺服阀的死区 液压马达和负载
4、摩擦的死区折合为电流误差 il 电液伺服阀的零飘为 i2 伺服放大器零飘折合到电液伺服阀为 i3 这些因素引起的位置误差为 Ke Kd Kf 反馈取出点经反馈通路到伺服阀输入的增益 C 测量元件的误差测量元件与负载连接 测量元件的固有误差 安装调试和校准误差会反映到输出轴上 其值假设为 a 总位置误差为 D 位置控制系统的校正A 串联滞后校正作用 提高开环增益以提高精度 其传递函数为 式中 超前环节的转折频率 滞后超前比 1 典型滞后校正网络 校正后系统的开环传递函数为 加入滞后校正的位置系统开环波德图 一般要求 选择不超过10 20 Kg 10 20dB 40 60 c位于 rc和 h之间的
5、 20dB dec区间 参数选取方法 当 c确定后 取 rc 1 4 1 5 c 调整 rc满足稳定裕量要求 B 速度及加速度反馈校正 反馈校正回路的闭环传递函数为 式中K1 单有速度反馈校正时校正回路的开环增益 且 K2 单有加速度反馈校正时校正回路的开环增益 且 只有速度反馈校正 即K2 0时 系统的开环增益由Kv下降到Kv 1 K1 固有频率由 h增加到 阻尼比由 h降低到 提高反馈回路外的增益Ke 可以补偿Kv的下降 只有加速度反馈时 Kv h不变而阻尼比 h提高 提高了稳定性 整个位置系统开环传递函数 有速度反馈后的系统开环波德图 加速度反馈的实质是把输出速度变化率超前反馈 以阻止输
6、出量的变化而形成阻尼 提高了系统等速输入时的平稳性 二阶以上系统用加速度反馈有利于平稳调速 故常用这种校正 加入速度 加速度反馈校正后 加速度 速度反馈参数选择原则 1 根据希望的 h h求得K1 K2 2 进一步求出Kfa Kfv 求出K v可判定Ka的值3 通常 h h有一定限度 要求增大后的 c以 20dB dec穿过零分贝线 加入速度及加速度反馈的系统开环波德图 3电液速度控制系统1 电液速度控制系统的组成及控制方式小功率 阀 马达组合 大功率 变量泵 液压马达组合 A 伺服阀控制液压马达 B 变量泵 定量马达闭环控制 2 速度控制系统的分析与校正A 速度控制系统的分析以阀控马达为例
7、系统的负载是惯性负载 伺服阀认为是一个比例环节 系统的开环传递函数为 K0为速度控制系统开环增益 是零型系统 对速度阶跃输入时 速度偏差随速度增大而增大 这是一个有差系统 因此实际上是一个速度调节器 曲线以 40dB dec穿过零分贝线 所以穿越频率处相位裕量很小 如果系统不作简化 考虑到 h和 c之间有其它滞后环节 穿越频率 c之处的斜率将是 60dB dec或 80dB dec 系统的相位滞后又将增加90 或180 系统肯定是不稳定 即使勉强稳定 由于K0的下降 系统的精度下降 因此速度控制必须校正 才能可靠稳定地工作 B 速度控制系统的校正最简单的校正方法是加滞后校正 相当于低频段增加了
8、惯性环节 这时穿越频率附近的斜率为 20dB dec 校正后系统的开环传递函数为 由于 h一般为0 1 0 2 从稳定条件出发Kv c 0 2 0 4 h 设计校正网络就是要确定K0及T1g c一1g 1 T 1gK0即K0 T c滞后网络的时间常数为 确定 c后选K0及T再确定R及C 经过校正的系统穿越频率比未校正的系统的穿越频率低 使闭环响应速度变慢 4力 压力 控制系统力伺服系统广泛应用于工业的材料试验机 线材或带材张力控制 轧钢机的压下和车辆刹车装置 本系统具有精度高 响应速度快 功率大 结构紧凑和使用方便等优点 在力控制系统中被控制量是力 虽然在位置或速度控制系统中 要带动负载运动也
9、有力的输出 但这种力不是被控制量而是取决于被控制量 位置 速度 和外负载力 同样在力控制系统中 位移和速度取决于输出力和受力对象本身的状态 1 力控制系统的组成 2 控制系统的性能分析及校正若负载质量是M 负载粘性阻尼是B和负载弹簧刚度是k时 则基本方程为 力传感器的变换方程为 式中Kf 力传感器增益 从阀芯位移xv至力F的小闭环传递函数为 令 取 系统的传递函数为 式中 因为 所以 开环系统中出现压力增益 说明系统输出是力 由于力控制系统的开环传递函数中有一个二阶微分环节 对于不同负载工况的开环波德图有很大差别 下面就两种负载工况来讨论近似的方法 开环传递函数中的二阶微分环节与二阶振荡环节抵消 仅剩惯性环节 由于 3很小 2与 3很接近 3处的谐振峰也不利于稳定 未经校正的电液力控制系统是一个零型系统 开环增益kv中有压力增益kp 因为流量伺服阀中kp很高 所以kv很大 为了保证稳定性要降低ka及kf 以降低kv 阻尼系数 3很低 谐振峰值会超过零分贝线 为了系统稳定 需要校正 通常在 2前加一个二阶惯性环节以保证稳定 3与 2距离加大 当k很小而 1相对于其它频率很小时 可以把惯性环节看成是积分环节
