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1、南京工程学院南京工程学院20142014年年2 2月月夏庆章夏庆章液压控制系统第第1 1章章 绪论绪论本章摘要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介绍液压伺服控制系统的优缺点液压伺服控制系统的发展与应用课程特点本课程首次在哈工大开设，创始人;李洪人1. 一门综合性很强的课程(液压元件与系统、流体力学、自动控制理论、计算机控制系统)等） 2.流体传动及控制技术的理论基础3.应用范围不断扩大，诸如:冶金行业、机械化工工业行业、飞机、船交通、航天航空技术、海洋工程技术、近代科学实验装置以及武器控制等等，尤其在精密控制系统中。4.在国内具有相当高的科研地位哈工大、浙大、北航、北理工:机电
2、一体化燕大：重型机械(轧机、油压机、锻造操作机)，工程机械，新型元件， 故障诊断5.从事研究及工作需要一、液压伺服控制系统的概念液压伺服控制系统，也叫反馈控制系统，它是由液压控制元件和液压执行元件作动力元件（动力机 构）组成的反馈控制系统。液压伺服控制系统的概念 伺服系统又称为随动系统或跟踪系伺服系统又称为随动系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。在这种系统统，是一种自动控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。液压伺服照输入信号的变化规律动作。液压伺服系统是由液压元件组成的伺服系统。系统是由液压元件组成的伺服系统。1.1
3、伺服系统工作原理和特点伺服系统工作原理和特点 这是一种液压进口节流阀这是一种液压进口节流阀式节流调速回路式节流调速回路. .在这种回路中，在这种回路中，调定节流阀的开口量后，液压调定节流阀的开口量后，液压缸就以某一调定速度运动。通缸就以某一调定速度运动。通过前述章节分析可知，当负载、过前述章节分析可知，当负载、油温等参数发生变化时（不能油温等参数发生变化时（不能补偿液压缸、单向阀等元件泄补偿液压缸、单向阀等元件泄漏），这种回路将无法保证原漏），这种回路将无法保证原有的运动速度，因而其速度精有的运动速度，因而其速度精度较低且不能满足精确地连续度较低且不能满足精确地连续无级调速要求无级调速要求 .
4、因此该系统不能因此该系统不能对被控制量进行检测，没有反对被控制量进行检测，没有反馈作用，当控制结果与希望值馈作用，当控制结果与希望值不一致时无修正能力，故称之不一致时无修正能力，故称之为开环控制系统为开环控制系统液压进口节流液压进口节流液压缸速度调节过程图液压缸速度调节过程图 由上图中可以看出，输出量（液压缸速度）通过操作者的眼、脑由上图中可以看出，输出量（液压缸速度）通过操作者的眼、脑和手来影响输入量（节流阀的开口量）。这种作用被称为反馈。在实和手来影响输入量（节流阀的开口量）。这种作用被称为反馈。在实际系统中，为了实现自动控制，必须以电器、机械等装置来代替人来际系统中，为了实现自动控制，必
5、须以电器、机械等装置来代替人来判断比较，这就是反馈装置。由于反馈的存在判断比较，这就是反馈装置。由于反馈的存在, ,控制作用形成了一个控制作用形成了一个闭合回路，这种带有反馈装置的控制系统，被称为闭环控制系统。闭合回路，这种带有反馈装置的控制系统，被称为闭环控制系统。 此图为采用此图为采用电液伺服阀控制电液伺服阀控制的液压缸速度闭的液压缸速度闭环控制系统。这环控制系统。这一系统不仅使液一系统不仅使液压缸速度能任意压缸速度能任意调节，而且在外调节，而且在外界干扰很大（如界干扰很大（如负载突变）的工负载突变）的工况下，仍能使系况下，仍能使系统的实际输出速统的实际输出速度与设定速度十度与设定速度十分
6、接近，即具有分接近，即具有很高的控制精度很高的控制精度和很快的响应性和很快的响应性能。能。 阀控油缸闭环控制系统原理图阀控油缸闭环控制系统原理图通过分析上述伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下：通过分析上述伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下：（1）是反馈系统：把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输）是反馈系统：把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反入信号比较，这就是反馈作用。在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。自动控制系统中大多数
7、反馈是负反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。自动控制系统中大多数反馈是负反馈。馈。（2）靠偏差工作：要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开）靠偏差工作：要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。执行元件运动的结果又试图消除这口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。执行元件运动的结果又试图消除这个误差。但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是个误差。但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。依靠这一偏差信号进行工作的。 （3）是放大系统：执行元件输出的力和功
8、率远远大于输入信号的力和功率。其）是放大系统：执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。其输出的能量是液压能源供给的。输出的能量是液压能源供给的。 （4）是跟踪系统：液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。）是跟踪系统：液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。 1.2 伺服系统职能方块图和系统的组成环节伺服系统职能方块图和系统的组成环节 下图是上述速度伺服控制系统的职能方框图。图中一个方框表示一个元件，下图是上述速度伺服控制系统的职能方框图。图中一个方框表示一个元件，方框中的文字表明该元件的职能。带有箭头的线段表示元件之间的相互作用，即方框中的文字表明该元件的职能。带有箭头的线段表示元件之
9、间的相互作用，即系统中信号的传递方向。职能方框图明确地表示了系统的组成元件、各元件的职系统中信号的传递方向。职能方框图明确地表示了系统的组成元件、各元件的职能以及系统中各元件的相互关系。因此，职能方框图是用来表示自动控制系统工能以及系统中各元件的相互关系。因此，职能方框图是用来表示自动控制系统工作过程的。作过程的。 速度伺服控制系统职能方框图速度伺服控制系统职能方框图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电压电压电压电压比较比较比较比较KaKaKaKaKaKaKaKaUi-UPDUKaKaKaKa控制框图
10、控制框图控制框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
11、控对象传感器2比较元件执行元件放大元件指令元件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）换
12、成电动力元件（可控硅与电力元件（可控硅与电动机）动机）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*K2比较元件比较元件比较元件比较元件1 1 1 1K1+K2K1+K2K1+K2K1+K2力比较力比较力比较力比较XiK1K1K1K1指令传感器指令传感器K2K2K2K2反馈传反馈传感器感器x xv vDFF1F1-F2F2伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀XP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
13、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 v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
14、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套套阀芯与阀套阀芯与阀套阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较阀芯阀套直接位置比较Xv-位置比较位置比较位置比较位置比较XiX芯芯X套套1 1 1 1指令与阀连指令与阀连1 1 1 1对象与阀套连对象与阀套连伺服阀伺服阀伺服阀伺服阀XP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
15、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二、液压伺服控制系统的组成1、输入元件：也称指令元件，它给出输入信号(指令信号)加于系统的输入端，是机械的、电气的、气动的等。如靠模、指令电位器或计算机等。2、反馈测量元件：测量系统的输出并转换为反馈信号。这类元件也是多种形式的。各种传感器常作为反馈测量元件。3、比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。4、放大转换元件：将偏差信号故大、转换成液压信号(流量或压力)。如伺服放大器、机液伺服阀、电液伺服阀、电液比例阀等。5、执行元件：产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸
16、与液压马达等。6、控制对象：被控制的机器设备或物体，即负载。7、其它：各种校正装置，以及不包含在控制回路内的液压能源装置。三 液压伺服控制系统的分类1、按系统输入信号的变化规律分类定值控制系统：当系统输入信号为定值时称为定值控制系统。程序控制系统：系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统伺服系统：也称随动系统，其输入信号是时间的未知函数，而输出量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。2、按被控物理量的名称分类 位置伺服控制系统、速度伺服控制系统、其它物理量的控制系统。3、按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类 节流式控制(阀控式)系统：阀控液压缸系统与阀控液压马达系统
17、容积式控制系统：伺服变量泵系统与伺服变量马达系统。4、按信号传递介质的形式分类 机械液压伺服系统、电气液压伺服系统与气动液压伺服系统等。三、液压伺服控制系统的分类恒压源:压力恒定、可调，流量由元件规格确定； 恒流源:流量恒定、可调，压力由元件规格确定。四、液压伺服控制系统的优缺点 （一）、液压伺服控制的优点 (1)液压元件的功率重量比（力矩-惯量比）大，可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。 (2)液压动力元件快速性好，系统响应快、频带宽。 (3)液压伺服系统抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，定位准确，控制精度高。page6 （二）、液压伺服控制的缺点 (1)液压元
18、件，特别是精密的液压控制元件(如电液伺服阀)抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。 (2)油温变化时对系统的性能有很大的影响。 (3)当液压元件的密封设计、制造相使用维护不当时容易引起外漏，造成环境污染。 (4)液压元件制造精度要求高，成本高。 (5)液压能源的获得与远距离传输都不如电气系统方便。五、 液压伺服与比例控制系统的发展与应用 液压伺服控制是一 门新兴的科学技术。它不但是液压技术的一个重要分支而且也是控制领域中的一个重要组成部分。 在第一次与第二次世界大战期间及以后，由于军事工业的刺激，液压伺服控制因响应快、精度高、功率重量比大等特点而受到特别的重视，特别是近几十年，随着整个工业技
19、术的发展，促使液压伺服与比例控制得到迅速发展，使这门技术元论在元件与系统分面，还是在评论与应用方面都日趋完善与成熟，形成一门新兴的科学技术。 目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化与工业自动化的一个重要方面。在国防工业与一般工业领域都得到了广泛应用。液压控制系统应用于：大多数飞机的控制与操纵系统；中程、远程的导弹控制；远程的导航；雷达天线的搜索跟踪系统；自动化机床、加工中心；机械手、机器人； 冶金工业的轧机； 科学实验装置； 材料性能测试设备等等。液压伺服系统具体应用液压伺服系统具体应用1 、 车床液压仿形刀架车床液压仿形刀架 液压仿形刀架倾斜安装在车床液压仿形刀架倾斜安装在车床
20、溜板溜板5的上面，工作时随溜板纵向移的上面，工作时随溜板纵向移动。样板动。样板12安装在床身后侧支架上安装在床身后侧支架上固定不动。液压泵站置于车床附近。固定不动。液压泵站置于车床附近。仿形刀架液压缸的活塞杆固定在刀仿形刀架液压缸的活塞杆固定在刀架的底座上，缸体架的底座上，缸体6、阀体、阀体7和刀架和刀架连成一体，可在刀架底座的导轨上连成一体，可在刀架底座的导轨上沿液压缸轴向移动。滑阀阀心沿液压缸轴向移动。滑阀阀心10在在弹簧的作用下通过杆弹簧的作用下通过杆9使杠杆使杠杆8的触的触销销11紧压在样板上。在车削圆柱面紧压在样板上。在车削圆柱面时，溜板时，溜板5沿床身导轨沿床身导轨4纵向移动。纵向
21、移动。杠杆触销在样板的圆柱段内水平滑杠杆触销在样板的圆柱段内水平滑动，滑阀阀口不打开，刀架只能随动，滑阀阀口不打开，刀架只能随溜板一起纵向移动，刀架在工件溜板一起纵向移动，刀架在工件1上上车出车出AB段圆柱面。段圆柱面。 车车削削圆圆锥锥面面时时，触触销销沿沿样样件件的的圆圆锥锥段段滑滑动动，使使杠杠杆杆向向上上偏偏摆摆，从从而而带带动动阀阀心心上上移移，打打开开阀阀口口，压压力力油油进进入入液液压压缸缸上上腔腔，推推动动缸缸体体连连同同阀阀体体和和刀刀架架轴轴向向后后退退。阀阀体体后后退退又又逐逐渐渐使使阀阀口口关关小小，直直至至关关闭闭为为止止。在在溜溜板板不不断断地地做做纵纵向向运运动动
22、的的同同时时，触触销销在在样样板板的的圆圆锥锥段段上上不不断断抬抬起起，刀刀架架也也就就不不断断地地作作轴轴向向后后退退运运动动，此此两两运运动动的的合合成成就就使使刀刀具具在在工工件件上上车出车出BC段圆锥面。段圆锥面。 其它曲面形状或凸肩也都是这样合成切削来形成的从仿形刀架的其它曲面形状或凸肩也都是这样合成切削来形成的从仿形刀架的工作过程可以看出，刀架液压缸（执行元件）是以一定的仿形精度按工作过程可以看出，刀架液压缸（执行元件）是以一定的仿形精度按着触销输入位移信号的变化规律而动作的，所以仿形刀架液压系统是着触销输入位移信号的变化规律而动作的，所以仿形刀架液压系统是液压伺服系统。液压伺服系
23、统。 2 机械手伸缩运动伺服系统机械手伸缩运动伺服系统机械手伸缩系统的工作原理如下：机械手伸缩系统的工作原理如下： 由数字控制装置发出的一定数量的脉冲，使步进电由数字控制装置发出的一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器机带动电位器5的动触头转过一定的角度（假定为顺时的动触头转过一定的角度（假定为顺时针转动），动触头偏离电位器中位，产生微弱电压，经针转动），动触头偏离电位器中位，产生微弱电压，经放大器放大器7放大成后，输入给电液伺服阀放大成后，输入给电液伺服阀1的控制线圈，使的控制线圈，使伺服阀产生一定的开口量。这时压力油经阀的开口进入伺服阀产生一定的开口量。这时压力油经阀的开口进入液压缸的左腔，
24、推动活塞连同机械手手臂一起向右移动，液压缸的左腔，推动活塞连同机械手手臂一起向右移动，行程为；液压缸右腔的回油经伺服阀流回油箱。由于电行程为；液压缸右腔的回油经伺服阀流回油箱。由于电位器的齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，手臂向右移动位器的齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，手臂向右移动时，电位器跟着作顺时针方向转动。当电位器的中位和时，电位器跟着作顺时针方向转动。当电位器的中位和触头重合时，偏差为零，则动触头输出电压为零，电液触头重合时，偏差为零，则动触头输出电压为零，电液伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。手臂移动伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。手臂移动的行程决定于脉冲数量，速度决定于脉
25、冲频率。当数字的行程决定于脉冲数量，速度决定于脉冲频率。当数字控制装置发出反向脉冲时，步进电机逆时针方向转动，控制装置发出反向脉冲时，步进电机逆时针方向转动，手臂缩回。手臂缩回。 3 钢带张力控制系统 在钢带张力控制液压伺服系统中，热处理炉内的钢带张力由带钢牵引辊组2和带钢加载辊组8来确定。用直流电机D作牵引，直流电机D作为负载，以造成所需张力。如果用调节系统中某一部件的位置来控制张力，由于在系统中各部件惯量大，时间滞后大，控制精度低不能满足要求，故在两辊组之间设置一液压伺服张力控制系统来控制精度。其工作原理是：在转向辊左右两侧下方各设置力传感器，把它作为检测装置，两传感器检测所得到的信号的平
26、均值与给定信号值相比较，当出现偏差信号时，信号经电放大器放大后输入给电液伺服阀。如果实际张力与给定值相等，则偏差信号为零，电液伺服阀没有输出，液压缸保持不动，浮动辊不动。当张力增大时，偏差信号使电液伺服阀有一定的开口量，供给一定的流量，使液压缸向上移动，浮动辊上移，使张力减少到一定值。反之，当张力减少时，产生的偏差信号使电液伺服阀控制液压缸向下移动，浮动辊下移，使张力增大到一定值。因此该系统是一个恒值力控制系统。它保证了带钢的张力符合要求，提高了钢材的质量。 液压伺服与比例控制技术发展趋势1.高压大功率。减轻装备重量，解决大惯量、重负载拖动问题，尤其在航空航天领域及高精度重型机械设备方面应用广
27、泛。2.高的可靠性。克服伺服系统对油液污染及温度变化敏感的缺陷，尤其在现代飞行器研究方面，除对机器本身的研究 与改良以及增加检测与诊断技术外，还在采用余度技术与 重构技术，采用了三或四通道的余度构成系统。3.理论解析与特性补偿。利用计算机对复杂系统(多变数液压系统)、复杂因素(非线性及时变等)进行仿真分析。补偿主 要针对大惯量、变参数、非线性及外干扰系统，采用控制 策略进行补偿。4.计算机控制系统结合。5.工业化普遍应用。液压伺服与比例控制技术发展趋势：6.更加注重其环保性能。解决泄漏问题，加大非石油基液压油的使用力度，先进的污染控制和过滤技术，水压技术的 推广。7.集成化、模块化、智能化、网络化。内置式标准化传感器和计算机的智能化液压元件，现场总线技术，加工、装配 和调试等过程的全球化虚拟制造。8.新材料的发展及使用。耐磨、抗气蚀及化学稳定性好的陶瓷材料，纳米材料、纳米工艺提高液压元件的加工精度及 表面质量六、 液压伺服系统的品质要求1、稳定性：对不同系统有不同要求。对于恒值系统，要求当系统受到扰动时，经过一定时间的调整能够回到原来期望值；对于随动系统，要求被控制量始终跟踪参量的变化。2、快速性：是指对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能或瞬态性能。3、准确性：通常用稳态误差来表示，所谓稳态误差是指系统达到稳态时，输出量的实际值与期望值之间的误差。
