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1、液压伺服控制系统的工作原理及组成液压伺服控制系统的工作原理及组成液压伺服控制的分类液压伺服控制的分类液压伺服控制的优缺点液压伺服控制的优缺点液压伺服控制的发展和应用液压伺服控制的发展和应用本章主要内容为本章主要内容为 ：1结束The End2 流体传动及控制学科流体传动及控制学科机械机械- -电子电子- -液压一体化的综合学科液压一体化的综合学科 有压流体的流动实现了功率的传送及传递。有压流体的流动实现了功率的传送及传递。 借助计算机及其它电子元件借助计算机及其它电子元件, 流体控制元流体控制元 件和件和 动力元件实现了对动力的传送、传递和高精度动力元件实现了对动力的传送、传递和高精度 的控制
2、。的控制。 流体传动及控制学科定义流体传动及控制学科定义泵泵（能量转换）（能量转换）控制元件控制元件执行元件执行元件（能量转换）（能量转换）机械能机械能压力能压力能MFvpQpQMFv3密闭容器主动柱塞从动柱塞流体介质负载负载 F2面积面积 A2面积面积 A1压力压力 p主动力主动力 F14密闭容器主动柱塞从动柱塞流体介质负载负载 F2面积面积 A2面积面积 A1压力压力 p主动力主动力 F1 v1 v2Q5学习本门课的目的熟悉、理解并掌握液压控制元件的基本特性熟悉、理解并掌握液压系统设计的基本方法和步骤。具备从事液压系统设计工作的基本能力和进一步学习的基础。6课程内容课程内容液压放大元件液压
3、放大元件液压动力元件液压动力元件机液伺服系统机液伺服系统电液伺服阀电液伺服阀电液伺服系统及设计电液伺服系统及设计7考核方式考核方式作业（作业（20%）期末考试（闭卷考试期末考试（闭卷考试80分）分）其它规定按学校文件执行其它规定按学校文件执行81.1 1.1 液压伺服控制系统的工作原理及组成液压伺服控制系统的工作原理及组成一、液压伺服控制系统的工作原理一、液压伺服控制系统的工作原理二、液压伺服控制系统的组成二、液压伺服控制系统的组成91)1)采用采用电压比较电压比较的的液压液压工作台位置控制系统工作台位置控制系统传感器1被控对象传感器2比较元件执行元件放大元件指令元件10控制框图控制框图控制框
4、图控制框图控制系统组成：被控对象指令元件比较元件指令传感器反馈传感器动力元件（阀、缸）扰扰 动动指令指令指令指令电位器电位器电位器电位器反馈反馈反馈反馈电位器电位器电位器电位器伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源I I I I液液液液压缸压缸压缸压缸电放大电放大电放大电放大KaKaKaKaI I I IUiE-电压电压电压电压比较比较比较比较UPKaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令Xi液压动力元件液压动力元件放大元件112)2)采用采用电压比较电压比较的的电动电动工作台位置控制系统工作台位置控制系统传感器1被控
5、对象传感器2比较元件执行元件放大元件指令元件12电动力元件电动力元件控制框图控制框图控制框图控制框图扰扰 动动指令指令指令指令电位器电位器电位器电位器反馈反馈反馈反馈电位器电位器电位器电位器可控硅可控硅可控硅可控硅电源电源电源电源I I I I电放大电放大电放大电放大KaKaKaKaE E E EUiE-电压电压电压电压比较比较比较比较UPKaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令Xi电机电机控制系统组成：被控对象指令元件比较元件指令传感器反馈传感器动力元件（可控硅、电机）将液压动力元件（伺将液压动力元件（伺服阀、缸）换成电动服阀、缸）
6、换成电动力元件（可控硅与电力元件（可控硅与电动机）动机）133)3)采用采用力比较力比较的的液压液压工作台位置控制系统工作台位置控制系统指令传感器指令传感器K1反馈传感器反馈传感器K2F1F2F1=Xi*K1F2=Xp*K214液压动力元件液压动力元件控制框图控制框图控制框图控制框图 采用力比采用力比较方式，用弹簧较方式，用弹簧作为位移作为位移-力传力传感器，以阀芯作感器，以阀芯作为力比较元件。为力比较元件。扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸1 1 1 1K1+K2K1+K2K1+K2K1+K2DF-力比较力比较力比较力比较KaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工
7、作台工作台工作台工作台指令指令XiF1F1F2F2指令指令指令指令传感器传感器传感器传感器K1K1K1K1指令传感器指令传感器反馈反馈反馈反馈传感器传感器传感器传感器K2K2K2K2反馈传反馈传感器感器伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源x xv v154)4)采用采用直接位置比较直接位置比较的的液压液压工作台位置控制系统工作台位置控制系统指令元件与阀芯相连指令元件与阀芯相连受控对象与阀套相连受控对象与阀套相连Xi=X芯芯Xp=X套套16阀芯与阀套阀芯与阀套控制框图控制框图控制框图控制框图采用阀芯阀采用阀芯阀套直较方式套直较方式扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸Xv-位置比
8、较位置比较位置比较位置比较KaKaKaKa被控被控被控被控工作台工作台工作台工作台X XP P工作台工作台工作台工作台指令指令XiX芯芯X套套1 1 1 1指令传感器指令传感器1 1 1 1反馈传反馈传感器感器伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀17 ps p0p1p2Aqq阀芯阀芯阀芯阀芯输入输入输入输入x输出输出输出输出 y力矩力矩力矩力矩马达马达马达马达cPLCPLC位移传感器位移传感器位移传感器位移传感器A-D/D-AA-D/D-A转换转换转换转换工作台工作台工作台工作台恒压力油源恒压力油源恒压力油源恒压力油源放大电路放大电路放大电路放大电路负载负载负载负载测量杆测量杆测量杆测量杆计算机计算机计算
9、机计算机液压控制部分液压控制部分液压控制部分液压控制部分电子部分电子部分电子部分电子部分5) 计算机控制电液位置控制系统计算机控制电液位置控制系统18计算机控制电液位置控制系统计算机控制电液位置控制系统原理框图原理框图液压液压液压液压执行件执行件执行件执行件电电电电放大放大放大放大被控制被控制被控制被控制对象对象对象对象检测及检测及检测及检测及物理量转换物理量转换物理量转换物理量转换X Xi iE EB BF F-X Xo o扰扰 动动比较比较比较比较信号信号发生发生 计算机计算机计算机计算机控制部分控制部分控制部分控制部分D/AD/AA/DA/D电液电液电液电液伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能
10、源液压能源液压能源液压能源19XPXi升升升升力力力力阻力阻力阻力阻力6) 飞机舵机机液控制系统飞机舵机机液控制系统pS飞机舵机飞机舵机飞机舵机飞机舵机指令位移指令位移指令位移指令位移比较杠杆比较杠杆舵机位移舵机位移舵机位移舵机位移XPXV20-杠杆比较杠杆比较杠杆比较杠杆比较X XP P手手XiXVXPXi舵机位移舵机位移舵机位移舵机位移XV手动手动手动手动XV =X1 -X2L2L1+ L2X1指令指令指令指令L1L2Xi舵机位移舵机位移-X2L1L2X XP PL1L1+ L2X1X221液压动力元件液压动力元件扰扰 动动液液液液压缸压缸压缸压缸-杠杆比较杠杆比较杠杆比较杠杆比较飞机飞机
11、飞机飞机舵机舵机舵机舵机X XP P指令指令XiXV伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源1212XPXipS飞机舵机飞机舵机飞机舵机飞机舵机比较杠杆比较杠杆舵机位移舵机位移舵机位移舵机位移XV手动手动手动手动22放大元件放大元件放大元件放大元件输出输出输出输出 y2开环控制部分开环控制部分开环控制部分开环控制部分负反馈部分负反馈部分负反馈部分负反馈部分7) 电液仿形控制系统电液仿形控制系统测量传感器2测量传感器1输入输入输入输入 y1 ps p0p1p2Aqqx力矩力矩力矩力矩马达马达马达马达恒压力油源恒压力油源恒压力油源恒压力油源比较元件与调节器U1U1U2U2I I指令
12、元件指令元件指令元件指令元件被控对象被控对象被控对象被控对象23 开环控制（放大）开环控制（放大）部分部分部分部分液压缸液压缸液压缸液压缸及负载及负载及负载及负载 闭环控制系统由闭环控制系统由开环控制（动力）和和负反馈装置两部分组成；两部分组成； 负反馈装置由由比较元件、测量反馈元件、调节器比较元件、测量反馈元件、调节器构成；构成； 开环控制部分由由放大元件（放大元件（电液伺服阀电液伺服阀）、能量转换元件（）、能量转换元件（缸缸）、负）、负载载构成；构成； 指令元件指令元件通过闭环系统控制通过闭环系统控制被控对象被控对象，使被控位移，使被控位移y2y2跟踪指跟踪指令位移令位移y1y1 。放大器
13、放大器放大器放大器被控制被控制被控制被控制对象对象对象对象传感传感传感传感2 2 2 2（物理量转换）（物理量转换）（物理量转换）（物理量转换）y1y1E EU2U2-y2y2电液仿形控制系统原理框图电液仿形控制系统原理框图扰扰 动动比较比较比较比较指令指令元件元件 其余部分为负反馈装置电液电液电液电液伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀液压能源液压能源液压能源液压能源（伺放）（伺放）（伺放）（伺放）传传传传感感感感1 1 1 1U1U1I I24二、液压伺服控制系统的组成二、液压伺服控制系统的组成输入元件输入元件反馈测量元件反馈测量元件比较元件比较元件放大转换元件放大转换元件执行元件执行元件控制对象控制
14、对象校正装置校正装置液压能源装置液压能源装置251.2 1.2 液压伺服控制的分类液压伺服控制的分类一、按输入信号分类：一、按输入信号分类： 1 定值控制系统：其本任务是抗干扰性 2 程序控制系统：按给定规律变化 3 伺服控制系统：随动（稳定、准确、快速）二、按二、按被控物理量分类：被控物理量分类： 1 位置控制系统； 2 速度控制系统； 3 力控制系统：驱动力控制系统、负载力控制系统 4 加速度控制系统 5 压力控制系统26 三、按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类：三、按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类： 1)节流式（阀控式）控制系统 阀控液压缸系统、阀控液压马达
15、系统 恒压伺服系统、恒流伺服系统（结构简单、价廉、效率 高但阀的线性度差，用于系统性能要求不高的场合） 优点：响应速度快、控制精度高、结构简单 缺点：效率低 2)容积式（变量泵控制或变量马达控制）控制系统 伺服变量泵系统、伺服变量马达系统 优点：效率高 缺点：响应速度较慢、结构复杂，操纵变量机构需要单 独的能源27四、按控策略分类：四、按控策略分类： 一般控制系统、串级控制系统、自适应控制系统等。五、按信号传递介质的形式分类：五、按信号传递介质的形式分类： 1)机械-液压 控制系统 优点：结构简单、工作可靠、维护简便 缺点：校正、增益调整不方便，摩擦间隙 应用：响应和精度要求不是很高的位置控制
16、系统 2)电气-液压控制系统 优点：综合电气与液压的优点：对信号的测量、校正、放大比较方便，且响应速度快，抗负载刚度大 3)气动-液压控制系统。 偏差信号的检测和初始放大均采用气动元件完成 优点：气动测量灵敏度高、工作可靠、可在恶劣的环境中工作、结构简单 缺点：需要气源等附属设备此外还有此外还有模拟控制系统、数字控制系统模拟控制系统、数字控制系统之分之分 。28一、液压伺服控制的优点一、液压伺服控制的优点转动：转动： 电机：同功率时电机：同功率时惯性大惯性大-响应慢响应慢； 液压马达：同功率时液压马达：同功率时惯性小惯性小-响应快响应快。直线运动：直线运动： 电传动：电传动：齿轮齿轮+齿条齿条
17、+电机电机-慢、难慢、难； 液压缸驱动：液压缸驱动：-快、易快、易。29 设有一充满流体的密闭容腔, 其内流体容积 V =1L, 其内压力p =10MPa, 设将其内的能量在时间间隔 t = 0.1Sec内释放出来我们可计算出此间的平均功率N为:1)1)适应于功率大的场合适应于功率大的场合302)2)适应于要求刚度大、响应快的场合适应于要求刚度大、响应快的场合 设有一液柱如图 所示，其液柱刚度 K 和液柱的固有频率可由下两式计算： 通常, 液体的体积模量E=2.1109Pa, 当A= 3.8510-3m2，V=3.8510-4m3，M=20kg时, 液柱刚度 K 和液柱固有频率分别为柱塞柱塞柱
18、塞柱塞面积面积面积面积A AL体积体积体积体积V VM L=0.1m D=70mm试将此频率与交流电的频率比一比试将此频率与交流电的频率比一比试将此频率与交流电的频率比一比试将此频率与交流电的频率比一比 ! !313)3)液压伺服系统抗负载的刚度大液压伺服系统抗负载的刚度大 1）液压刚度高，允许较大的开环放大系数，故高精度，高响应。 2）油液的可压缩性很小，泄露也很小，故速度刚度大，组成闭环时位置刚度也大。可采用开环控制 电动机的位置刚度接近于零，只能采用闭环控制。 气动系统由于气体可压缩性的影响，其刚度只有液压系统1/400。324)4)适应于要求自动化程度高适应于要求自动化程度高, , 要
19、求控制精度高的场合要求控制精度高的场合 流体传动及控制由于其控制部分直接采用电控件，易于电控及计算机控制、可柔性大；由于系统刚度高，又可引入闭环控制元件，易于达到高精度的控制。 在大型设备、自动化程度高的设备，一方面要求功率大，另一方面要求精度高，由于现代化要求生产速度快、生产程序灵活，因此，机-电-液一体化系统变成为了首选。 在军工设备方面上也是如此。可实现无人化工作，可实现无人化工作，控制精度可达控制精度可达0.1m以上以上335)5)其它优点其它优点 润滑性好，寿命长 调速范围宽，低速稳定性好 能量存储较方便（蓄能器） 过载保护容易 易冷却34二、液压伺服控制的缺点二、液压伺服控制的缺点
20、 1) 元件元件制造精度高制造精度高, 通常机械精度为微米级通常机械精度为微米级, 故故对颗粒杂质的过滤要求高对颗粒杂质的过滤要求高, 这一点今天在这一点今天在技术上技术上已不已不存在任何困难，但系统存在任何困难，但系统造价高造价高； 2) 综合学科多综合学科多, 因而因而技术含量高技术含量高, 维护困难；维护困难； 3) 易污染环境；易污染环境； 4) 易因堵塞造成故障；易因堵塞造成故障； 5) 系统性能受油温变化的影响（油液的体积弹性系统性能受油温变化的影响（油液的体积弹性模量）；模量）； 6) 液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。方便。351.4 1.4 液压伺服控制的发展和应用液压伺服控制的发展和应用 流体传动及控制现以广泛应用于各个行业，如：军工、航空航天、机械加工、冶金、矿山、建筑、交通、医疗甚至服装加工等等。军工：军工：自动火炮系统（高低位机）自动火炮系统（高低位机）交通：交通：汽车伺服转向、飞机舵机汽车伺服转向、飞机舵机冶金：冶金：轧机液压厚度自动控制系统轧机液压厚度自动控制系统 带钢跑偏控制系统带钢跑偏控制系统 连续铸钢控制系统连续铸钢控制系统航空航天：航空航天：飞行模拟器、环境模拟设备飞行模拟器、环境模拟设备36
