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1、第六章 電液伺服系統(tǒng),6.1. 電液伺服系統(tǒng)的類型 6.2. 電液位置伺服系統(tǒng)分析 6.3. 電液伺服系統(tǒng)校正 6.4. 電液速度伺服系統(tǒng)分析 6.5. 電液力伺服系統(tǒng)分析,第六章 電液伺服系統(tǒng),電液伺服系統(tǒng)綜合了電氣和液壓兩方面的特長，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、信號處理和各種參量反饋靈活等優(yōu)點(diǎn) 電液伺服系統(tǒng)適合于負(fù)載質(zhì)量大、響應(yīng)速度快的場合，應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和軍事工業(yè)各個領(lǐng)域,6.1. 電液伺服系統(tǒng)的類型,按控制元件分：閥控、泵控 按輸入與輸出關(guān)系分：開環(huán)控制、閉環(huán)環(huán)控制 按輸入指令分：模擬伺服系統(tǒng)、數(shù)字伺服系統(tǒng) 6.1.1模擬伺服系統(tǒng) 全部信號都是模擬量 信號可以是直流或交流

2、特點(diǎn)：重復(fù)精度高，分辨力較低（絕對精度低），精度很大程度取決于檢測裝置的精度，微小信號易受噪聲和零漂影響,電液伺服系統(tǒng)分類 按輸出參量分：位置控制、速度控制、力控制,6.1. 電液伺服系統(tǒng)的類型,6.1.2 數(shù)字伺服系統(tǒng),數(shù)字伺服系統(tǒng)中部分或全部信號是離散參量 全數(shù)字系統(tǒng)中動力元件通過數(shù)字閥或電液步進(jìn)馬達(dá)能夠接受數(shù)字量 數(shù)?；旌舷到y(tǒng)利用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字指令轉(zhuǎn)換成模擬量輸給控制元件，A/D轉(zhuǎn)換器將輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量反饋到輸入端進(jìn)行比較 特點(diǎn)是分辨率高，絕對精度高、受噪聲和零漂影響小,6.2. 電液位置伺服系統(tǒng)的分析,電液位置伺服系統(tǒng)是最基本和最常用的伺服系統(tǒng) 廣泛用于機(jī)床工作臺位置、軋機(jī)

3、板厚、帶材跑偏、飛機(jī)和輪船的舵機(jī)控制，雷達(dá)和火炮控制系統(tǒng)及振動試驗(yàn)臺等 6.2.1 系統(tǒng)組成及其傳遞函數(shù) 自整角機(jī)作為角差檢測裝置 的位置伺服系統(tǒng)。 系統(tǒng)傳遞函數(shù)是各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的組合,,,,自整角機(jī)傳遞函數(shù)：,角誤差 很小時 自整角機(jī)增益為：,6.2. 電液位置伺服系統(tǒng)的分析,,,,伺服閥頻寬3-5倍液壓頻率時， 伺服閥可近似為二階振蕩環(huán)節(jié),伺服閥頻寬5-10液壓頻率時， 伺服閥可近似為二階振蕩環(huán)節(jié),電液伺服閥傳遞函數(shù)： 伺服閥頻寬與液壓頻率相近時， 伺服閥可近似為二階振蕩環(huán)節(jié),6.2. 電液位置伺服系統(tǒng)的分析,,于是可得系統(tǒng)方框圖,伺服閥響應(yīng)較液壓動力元件快得多，可忽略閥

4、的動態(tài)性，看作比例環(huán)節(jié)。系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)簡化為：,,可得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：,,,6.2. 電液位置伺服系統(tǒng)的分析,,,,6.2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 簡化后系統(tǒng)方框圖 對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)與機(jī)液伺服系統(tǒng)的相同，系統(tǒng)穩(wěn)定條件仍是：,,通常要求系統(tǒng)有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定余量，相位余量應(yīng)在30o60o之間，增益余量20lgKg6db（或Kg2）Kg是諧振頻率處的幅值比,通過適當(dāng)?shù)膮?shù)匹配保證系統(tǒng)的相位余量和增益余量,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,電液位置伺服系統(tǒng)性能主要由動力元件參數(shù)h 和h決定 單純調(diào)節(jié)增益往往滿足不了系統(tǒng)的全部性能要求，因此就要對系統(tǒng)進(jìn)行校正 系統(tǒng)校正注意其特點(diǎn)： 液壓位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函

5、數(shù)通常簡化為一個由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)的組合 液壓阻尼比較小，致使增益余量不足而相位余量有余 參數(shù)變化大，阻尼比隨工作點(diǎn)變動在很大范圍內(nèi)變化 可用滯后校正、速度與加速度反饋校正、壓力反饋和動壓反饋校正進(jìn)行校正,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,6.3.1 滯后校正 滯后校正通過提高低頻段增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的條件下，降低高頻段增益保證系統(tǒng)穩(wěn)定性 滯后校正由電阻電容組成的無源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) 串接在前向通路的相敏放大器和功率放大器之間的直流部分中 傳遞函數(shù)為： 式中rc=1/RC:超前環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率 R、C:電阻和電容，1:滯后超前比,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,由于1:滯

6、后時間常數(shù)大于超前時間常數(shù)，網(wǎng)絡(luò)具有純相位滯后特征 滯后網(wǎng)絡(luò)是一個低通濾波器，利用它的高頻衰減性，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下提高系統(tǒng)的低頻增益，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能 或在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的條件下降低高頻增益保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,滯后校正利用了高頻衰減特性而非相位滯后 在阻尼比小的系統(tǒng)中，提高增益的限制因素是增益余量，而不是相位余量有余 前面的電液位置伺服系統(tǒng)加入 滯后校正后傳遞函數(shù)成為 式中KVC=Kv是校正后的速度增益,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,設(shè)計(jì)滯后網(wǎng)絡(luò)確定參數(shù)步驟： 1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定速度增益Kvc 2）利用確定的Kvc畫出伯德圖（曲線2）檢查相位和增益余量是否滿足要求 3）不滿足則確定新

7、的增益穿越頻率rc使 c(c)=-180o++(5o 12o) 是要求的相位余量，增加5o 12o是為了補(bǔ)償滯后網(wǎng)絡(luò)在c引起的相位滯后 4）選擇轉(zhuǎn)折頻率rc:rc=(1/41/5) c 5）由Kvc=Kv= c確定.通常=10 圖中曲線1為校正后幅頻特性,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,校正使速度增益提高了倍，速度誤差減小了倍 回路增益提高，減小了元件參數(shù)變化和非線性因數(shù)影響 滯后校正降低了穿越頻率，是穿越頻率附近相位滯后增大。特別是低頻側(cè)相位滯后較大 如果低頻相位小于-180o，開環(huán)增益減小時系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定 為補(bǔ)償滯后校正網(wǎng)絡(luò)的衰減，需將放大器增益增加倍，或增設(shè)增益放大裝置,6.3. 電

8、液伺服系統(tǒng)的校正,6.3.2 速度與加速度反饋校正 速度反饋校正主要是提高主回路靜態(tài)剛度，減小反饋回路的干擾和非線性影響，提高系統(tǒng)靜態(tài)精度 加速度反饋主要是提高系統(tǒng)阻尼比 根據(jù)需要速度反饋和加速度反饋可單獨(dú)使用，也可同時使用 前述位置伺服系統(tǒng)利用測速發(fā)電機(jī)將馬達(dá)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號 在速度反饋電壓信號后接微分電路或微分放大器 將速度和加速度電壓信號反饋到功率放大器輸入端構(gòu)成了速度和加速度反饋,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,6.3.2 速度與加速度反饋校正,設(shè)伺服閥響應(yīng)速度很快，則可看成比例環(huán)節(jié)，即,可求得速度與加速度反饋校正系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù),K1=KaKsvKfv/Dm只有速度反饋校正時校正回路

9、的開環(huán)增益,系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：,K2=KaKsvKfa/Dm只有加速度反饋校正時校正回路的開環(huán)增益,Kv=KeKdKsvKa/Dmi系統(tǒng)未校正時的開環(huán)增益,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,6.3.2 速度與加速度反饋校正,只有速度反饋校正時K2=0，開環(huán)增益降為Kv /(1+K1)，固有頻率增大為 阻尼比減小為 校正后阻尼比和固有頻率的乘積等于校正前的兩者乘積，系統(tǒng)固有頻率提高有利于提高系統(tǒng)頻寬，可通過其它途徑增大阻尼比 如果只有加速度反饋校正 K1=0，系統(tǒng)開環(huán)增益Kv和固有頻率h均不變，阻尼比因K2而增加。因此，增加K2可顯著降低諧振峰值而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增大開環(huán)增益和頻寬。

10、可見，速度反饋是以犧牲阻尼和增益來換取系統(tǒng)頻寬 加速度反饋可以增加系統(tǒng)阻尼,,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,6.3.3 壓力反饋和動壓反饋校正,采用壓力反饋和動壓反饋的目的是為了提高系統(tǒng)阻尼 可采用壓力反饋伺服閥或動壓反饋伺服閥實(shí)現(xiàn)壓力反饋和動壓反饋，也可采用液壓機(jī)械網(wǎng)絡(luò)或電反饋實(shí)現(xiàn) （1）壓力反饋校正 用壓差或壓力傳感器檢測液壓執(zhí)行器負(fù)載壓力反饋到功率放大器輸入端構(gòu)成壓力反饋 系統(tǒng)放塊圖,,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,6.3.3 壓力反饋和動壓反饋校正,（1）壓力反饋校正 壓力反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù),,式中,校正后系統(tǒng)阻尼比,壓力反饋的開環(huán)傳遞函數(shù),系統(tǒng)開環(huán)增益,可見，壓力反饋不改變系開閉環(huán)增

11、益Kv和液壓頻率h，而使阻尼比增加 壓力反饋是通過增加系統(tǒng)的總流量壓力系數(shù)來提高阻尼比的，這樣就降低了系統(tǒng)的靜剛度,6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正,6.3.3 壓力反饋和動壓反饋校正,（2）動壓壓力反饋校正 動壓力反饋可以提高系統(tǒng)的阻尼，而又不降低系統(tǒng)的靜剛度 將壓力傳感器的放大器換成微分放大器就可構(gòu)成動壓反饋 動壓反饋校正在前面已經(jīng)討論過了，這里不再重復(fù),6.4. 電液速度控制系統(tǒng),,,實(shí)際工程中常需速度控制。例如：發(fā)動機(jī)調(diào)速，機(jī)床進(jìn)給裝置速度控制，雷達(dá)天線、炮塔、 轉(zhuǎn)臺等裝備中的速度控制 電液位置伺服系統(tǒng)中常有速度反饋回路提高系統(tǒng)剛度和精度 閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)原理方塊圖、系統(tǒng)方塊圖和開環(huán)傳

12、遞函數(shù),式中K0=KaKsvKfv/Dm系統(tǒng)開環(huán)增益 Ka是放大器增益 Ksv是伺服閥流量增益 Kfv是測速發(fā)電機(jī)增益 這是個零型系統(tǒng)，對速度階躍輸入是有差的,,6.4. 電液速度控制系統(tǒng),,,系統(tǒng)開環(huán)伯德圖在穿越頻率c處相位余量很小 如果c和h之間有被忽略的環(huán)節(jié)，即使開環(huán)增益K0=1，系統(tǒng)也不易穩(wěn)定。因此系統(tǒng)必須校正才能穩(wěn)定 在伺服閥前的電子放大器電路中串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)校正 校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù),式中Tc=RC時間常數(shù),,6.4. 電液速度控制系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,用RC滯后網(wǎng)絡(luò)校正后的系統(tǒng)方框圖和伯德圖 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，諧振峰值不應(yīng)超過零分貝線，因此須滿足：,,由伯德圖的幾何關(guān)系

13、可求出滯后網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)： 可以看出：校正后的的穿越頻率比校正前低得多。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，不得不犧牲響應(yīng)速度和精度 為提高精度可采用積分放大器校正，使零型系統(tǒng)變成I型系統(tǒng)（用速度傳感器代替位移傳感器即可）,,6.5. 電液力控制系統(tǒng),,力控制系統(tǒng)用于材料試驗(yàn)機(jī)、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī)、軋機(jī)張力控制、車輪剎車控制等 6.5.1 系統(tǒng)組成及原理 系統(tǒng)組成如圖 6.5.2 基本方程與開環(huán)傳遞函數(shù) 電壓誤差信號 力傳感器方程 伺服放大器動態(tài)可忽略 伺服閥傳遞函數(shù) 式中： Ur是指令電壓信號，Uf是反饋電壓，KfF是力傳感器增益，F(xiàn)g是液壓缸輸出力，Ka是伺服放大器增益，Xv是伺服閥閥芯位移，Kxv是伺服閥增益

14、，Gsv(s)是Ksv=1時伺服閥傳遞函數(shù),,,6.5. 電液力控制系統(tǒng),,,,假定負(fù)載為質(zhì)量、彈性和阻尼，則閥控液壓缸的動態(tài)可用下面3個方程描述：,考慮電液伺服閥和傳感器可得力控制系統(tǒng)方塊圖，其中Kce=Kc+Ctp,6.5. 電液力控制系統(tǒng),閥芯Xv至液壓缸輸出力Fg的傳遞函數(shù),,傳遞函數(shù)分母與前面的液壓閥控制液壓缸的形式相同，不同的是分子上多了一個二階微分環(huán)節(jié)。 通常負(fù)載的阻尼系數(shù)Bp很小，可以忽略。上式可簡化為,,,,,液壓彈簧剛度,式中 負(fù)載固有頻率,,,,,,6.5. 電液力控制系統(tǒng),液壓彈簧與負(fù)載彈簧串聯(lián)耦合的剛度與阻尼系數(shù)之比,液壓彈簧與負(fù)載彈簧并聯(lián)耦合的剛度與負(fù)載質(zhì)量形成

15、的固有頻率,于是電液力控制伺服控制系統(tǒng)方塊圖簡化為右圖,阻尼比，Kq/Kce是總壓力增益。,式中 系統(tǒng)開環(huán)增益,開環(huán)傳遞函數(shù),6.5. 電液力控制系統(tǒng),,,,如果伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于m和0，可將伺服閥看成比例環(huán)節(jié)。這時系統(tǒng)開環(huán)伯德圖為: 討論兩種特殊情況：,6.5. 電液力控制系統(tǒng),6.5.3 系統(tǒng)特性分析,,,,,在Gsv(s)=1時，從開環(huán)傳遞函數(shù)及其伯德圖可看出，系統(tǒng)最大相位滯后為90o，因此，只考慮液壓缸和負(fù)載動特性時，系統(tǒng)不會不穩(wěn)定 考慮到反饋傳感器、伺服放大器及伺服閥的相位滯后時，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)使0處的諧振峰值不超過零分貝線，并使增益余量大于6db,力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性受負(fù)載剛度影響很大，負(fù)載剛度越小，系統(tǒng)越不易穩(wěn)定。負(fù)載剛度變小時，0或h處諧振峰值可能超過零分貝線而使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,6.5. 電液力控制系統(tǒng),6.5.3 系統(tǒng)特性分析,,,,,,在力控制系統(tǒng)可采用壓力控制伺服閥。這種閥本身帶有壓力反饋 壓力控制伺服閥制造調(diào)試較為復(fù)雜，一般應(yīng)用較少,為使系統(tǒng)在低負(fù)載剛度時仍能穩(wěn)定工作，而又不降低響應(yīng)速度，在c和m之間加校正環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為：,穿越頻率基本確定了系統(tǒng)頻寬，由校正前的伯德圖可求出穿越頻率：,在K/Kh1時,在K/Kh<<1時,