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1、液压元件与系统设计, 液压系统设计 （第四讲）,电液控制系统设计（回顾）1 电液控制系统分类按控制物理量分类（位置、速度、力）按液压控制元件控制方式的不同分类（阀控、泵控）根据输入信号形式和信号处理手段分类（模拟、数字、混合等）2 电液位置控制系统电液位置控制系统组成和方块图性能分析A稳定性分析Kv2hh (0.20.4) hB位置控制系统的闭环频率特性当h 和Kv/h较小时， c b Kv，nc h，2nc 2h Kv/h C系统的精度分析 系统闭环静态刚度为 干扰力矩引起位置误差为,3校正方法（滞后校正、速度加速度反馈） 4速度、力控制系统的特点、组成、性能分析及精度分析,5 电液伺服系统
2、的设计步骤 弄清设计要求； 拟定设计方案； 进行负载匹配； 选定电液伺服阀的伺服放大器； 设计液压伺服缸； 设计液压泵站； 分析系统性能； 进行必要的补偿； 进行系统调试； 进行技术总结。 以上步骤不是单方向的，会有交叉反复。,分析计算步骤 1) 明确设计要求 (A) 负载分析（负载类型、绘制负载特性） (B) 控制性能要求（控制类型、动静态要求） (C) 工作环境要求及其它（环境、能源及其它）2) 方案选择 (A) 拟定控制方案（泵控？阀控？缸？马达？） (B) 画出系统原理图3) 静态计算 (A)负载计算（负载轨迹、最佳匹配、执行元件、阀及泵的主要参数） (B)根据最大流量和最大压力设计或
3、选择所需各液压元件。 (C)选择系统中其它电放大元件、反馈元件、传感器。（误差分配）4) 动态计算 分析各元件的动态特性，画出系统方块图，求出系统传递函数，画出系统开环频率特性，分析稳定性及稳定裕量，计算闭环频宽。 计算系统开环增益，静态误差。 如不满足设计要求，进行校正，直到满足为止。5) 选择液压能源及原动机 P、Q、油液的清洁度及空气含量应满足要求,电液位置控制系统设计实例一设有一数控机床工作台的位置需要连接控制，其技术要求为： 指令速度信号输入时引起的速度误差为： ev5mm 干扰输入引起的位置误差为： epf = 0.2mm 给定设计参数为： 工作台质量 m1000 kg 最大加速度
4、 amax1m/s2 最大行程 S50 cm 最大速度 v=8cm/s 工作台最大摩擦力 Ff2000N 最大切削力 Fc500 N 供油压力 ps6.3MPa 反馈传感器增益 Kf1Vcm,(1)确定系统方案采用伺服阀控制液压缸的系统结构。,(2)确定工作台速度和负载力的关系 负载力由切削力Fc，摩擦力Ff和惯性力Fa等组成。 惯性力Fa按最大加速度考虑 Famamax1000N 系统在最恶劣的负载条件下工作时的总负载力F3500N。工作台速度和负载力的关系曲线如下图所示。,(3)确定液压缸有效工作面积A和结构尺寸D，d 令负载压力pL=2/3ps，因为F=ApL，所以 A=3F/(2ps)
5、=8.3cm2 现确定液压缸活塞直径D及活塞杆直径d。 因为A/4(D2d2)，取dD0.5代入上式得 D3.75cm， 圆整取D=4cm，d=2.2cm 校核有效工作面积A得 A=8.04cm2，取A8cm2。(4)确定伺服阀规格 最大速度工况时负载压降为pLF/A=4.375MPa 伺服阀压降pvps-pL=1.925MPa， 负载流量qL=vmA3.84 Lmin 查伺服阀样本，阀压降7MPa，额定电流IR为30mA时，流量为8l/min的伺服阀就可满足多ps1.925MPa，输出流量qL3.84Lmin的要求。,(5)确定系统传递函数,(A)电液伺服阀的传递函数额定流量81/min的伺
6、服阀在供油压力ps6.3MPa时的空载流量为7.6l/min，阀的增益为,伺服阀生产厂提供了sv=600rad/s，sv=0.5的数值。 电液伺服阀的传递函数,(B)液压缸的传递函数,设,取,代入h式中得,所以得到液压缸的传递函数为：,(C)反馈传感器的传递函数,(D)电放大器的传递函数待定,(E)系统的开环增益,(6)系统开环频率特性从图中可见，系统频宽f-3dB时，稳定裕量为5dB和90。,(7)计算系统稳态误差 指令输入最大速度v=8cms时的误差为, 干扰输入引起的误差：干扰有伺服放大器温度零飘、伺服阀的零飘和磁滞及执行元件的不良灵敏度等，将其总和折合成伺服阀输入电流的干扰为f0.02
7、 IR，对这个干扰来说，系统属于0型，当其在一段时间内为常量时，系统的位置误差为,可见，系统达到了原定设计指标。,电液位置控制系统设计实例二 1设计要求 假定电液伺服系统需要驱动质量m160kg的负载作正弦规律运动，最大振幅为Y5mm，最高速度为45cms，最大加速度为l0g100m/s2，工作频率范围为1100Hz。客户指定供油压力为21MPa。快速性要求是100Hz时相位移小于180。 2设计方案,其中信号源由客户自备，其他元件在后面具体选定或设计。,3负载匹配 (1)供油压力pa 客户指定供油压力为21MPa。 (2)活塞有效面积A 负载质量为160kg，活塞质量估计为10kg，因此总移
8、动质量为160十10170kg。最大加速度为10g 100m/s2，所需最大推力应为 Fm=mYm17010017000N,取活塞直径D52mm，活塞杆直径d40mm。(3)伺服阀额定流量QR,考虑留出10的余量，取QR18 L/min。,(4)匹配情况假定负载阻尼系数b1000Ns/m，负载弹簧刚度k20kN/m，针对外特性曲线（最大功能曲线）上的B、M和N三个拐点的参数，算出对应于三个拐点的负载特性曲线。,从这三个拐点的负载特性可以看出，以M点为设计工况点进行负载匹配是有道理的。从图中可见，驱动特性以一定的余量包围负载特性，匹配成功。,4伺服阀和放大器 选用北京机械工业自动化研究所的DYC
9、F-B16-18型动圈滑阀式电液伺服阀，其额定流量为18Lmin，供油压力范围是2.531.5MPa，额定电流为150mA，单线圈电阻为560，固有频率为120Hz，阻尼比为0.5。 选用与该伺服阀配套的YCF-1型伺服放大器。 5伺服缸 伺服缸行程取为S2Y十62(5)十616mm。反馈传感器选用阜新传感器厂FX-71型直流差动变压器，量程士10mm，精度0.2，供电电压915V(DC)，满量程输出电压土2V(DC)。壳体外径20mm，放在直径40mm的活塞杆的空心孔里是没有问题的。 伺服阀直接装在缸体上。活塞处采用间隙密封。活塞杆处采用锥形静压轴承。 6液压泵站 采用蓄能器，负载所需流量为
10、2Qm2YmA/20.458.6710-42.8410-4m3s14.9Lmin，取泵站流量为20Lmin。 液压缸一次行程所需油液体积为VAS8.6710-40.018.6710-6m38.6710-3L。选用NXQ-L0.6331.5-A型皮囊式蓄能器。,7性能分析 1）建立传递函数 已经确定，差动变压器在工作行程土5mm时的输出电压是土lv。对应最大振幅5mm的指令信号也是1V。输入放大器的误差信号最大为lV，如令此时放大器输出额定电流150mA，则放大器增益KA150mA1V。 伺服阀的无载流量QNL31.18Lmin，所以伺服阀增益KSV(31.18Lmin)150mA。 液压缸增益
11、为活塞有效面积的倒数，即是KCYL1A18.67cm2。 反馈增益KF1V5mm。 于是，环路增益,已知伺服阀固有频率0120Hz2120rads，阻尼比00.5，于是,2）稳定性、快速型分析（课后自己进行）,需要说明的是：当幅频和相频特性绘制在一张图上时的看图方法。从图中可以看出，系统开环对数幅频特性在19.32Hz处穿越0 dB轴，相位裕度为80.6；开环对数相频特性在120Hz处达到180，幅值裕度为16dB。系统有足够的稳定裕度，调试时可以适当提高环路增益。,结束The End,电液速度控制系统实例速度控制系统给定设计参数为： 负载转动惯量 J0.43kgm2 最大负载转矩 T49Nm
12、 转速范围 n=34195 r/min 供油压力 ps7.84MPa 速度传感器增益 Kfv0.19Vs/rad性能指标为： 跟踪精度 l r/min 完成准确跟踪的时间 0.9s,(1)决定系统控制方案采用伺服阀控制液压马达的阀控系统。,(2)确定马达排量取,则马达排量为,或,选取BMl10摆线液压马达，其排量为Dm=10210-6m3/r或Dm=16310-7m3/rad(3)选择伺服阀规格伺服阀流量为：,此时阀的压降为：,查伺服阀样本，选用QDYC63型，额定电流为30mA，供油压力为7.84MPa时的额定空载流量为1.0510-3m3s。,(4)确定传递函数,(A)电液伺服阀的传递函数
13、伺服阀的增益,由样本得：,于是电液伺服阀的传递函数为,(B) 液压马达的传递函数马达油腔容腔与伺服阀到马达间容积之和为,又取,则：,取：,于是液压马达的传递函数为,速度传感器的传递函数,积分放大器的传递函数,(5)绘制系统开环频率特性,由图可见，为了满足系统稳定性的条件，取开环频率特性的相位滞后180点上的幅值裕量为6分贝，此时的角稳定裕量为87 ，由于幅值稳定裕量不能减小，所以穿越频率不能再增加。,(6)确定系统开环增益及积分放大器增益开环增益：,由系统波德图知，在区间c内，L()是一条斜率为-20dB/dec的直线，所以：,求得积分放大器的增益为,(7)速度控制系统的开环传递函数系统的开环传递函数为,(8)计算系统的稳态误差 因为系统是I型系统，对速度指令信号误差为零，满足了跟踪精度为l r/min的要求。,
