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1、液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計(jì), 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) （第三講）,,,,,,,電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 電液控制系統(tǒng)分類 按控制物理量分類 位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng) 按液壓控制元件控制方式的不同分類 閥控系統(tǒng)、泵控系統(tǒng) 根據(jù)輸入信號(hào)形式和信號(hào)處理手段分類 數(shù)字控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、交流控制系統(tǒng)、數(shù)模混合控制系統(tǒng)。,,,,,,,2 電液位置控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)輸出的位置同系統(tǒng)的輸入量之間始終保持一定的比例關(guān)系。,,1)電液位置控制系統(tǒng)組成和方塊圖,,,,,,,,角度同步變壓器機(jī)可以看作為比例環(huán)節(jié)：,交流放大和解調(diào)器同樣視為比例環(huán)節(jié)：,伺服放大器的輸入電壓與輸出電流近似成比例：,伺服閥

2、的傳遞函數(shù)：,,,,,,,,,式中 i馬達(dá)軸與負(fù)載間齒輪傳動(dòng)比； TL系統(tǒng)輸出軸阻力矩；,只考慮慣性負(fù)載，則閥控馬達(dá)的滑閥位移對(duì)馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)為,則系統(tǒng)的方塊圖為：,,,,,,,,,2)性能分析 A穩(wěn)定性分析,,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,式中 Kv系統(tǒng)開環(huán)增益。,,,,,,,,,,,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,式中 Kv系統(tǒng)開環(huán)增益。,,,,,,,,,,,單位反饋時(shí)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,利用勞斯判據(jù)可知，欲使系統(tǒng)穩(wěn)定，需滿足： Kv2 h h h值的計(jì)算不易準(zhǔn)確又不易測(cè)定。一般取 h=0.10.2。所以系統(tǒng)穩(wěn)定條件為 Kv(0.20.4) h 為了防止系統(tǒng)中由于元件參數(shù)變化造成的影響

3、，也為了得到滿意的性能指標(biāo)，一般相位裕量在3060 之間，幅值裕量為612分貝。,故特征方程為：,,,,,,,,,,,B位置控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,分母的三次多項(xiàng)式可以分解為一個(gè)一階因式和一個(gè)二階因式的乘積：,,,,,,,,,,,,閉環(huán)慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率的無(wú)因次曲線,, b Kv,當(dāng)h和Kv/h較小時(shí)，,,,,,,,,,,,,,當(dāng)h和Kv/h較小時(shí)，, nc h,,,,,,,,,,,,,當(dāng)h和Kv/h較小時(shí)，,2 nc 2 hKv/ h,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C系統(tǒng)的精度分析 A) 靜態(tài)誤差 對(duì)于只有慣性負(fù)載的位置控制系統(tǒng)，對(duì)輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)

4、，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是I型。I型系統(tǒng)沒有位置誤差而只有速度誤差。速度誤差等于輸入速度Vi被開環(huán)放大系數(shù)除，即,系統(tǒng)對(duì)于干擾信號(hào)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,此式稱為系統(tǒng)閉環(huán)柔度特性，其倒數(shù)即為閉環(huán)剛度特性。,系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)剛度為,對(duì)于干擾信號(hào)TL來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是零型，干擾力矩引起位置誤差為,,,,,,,,,,,,,B) 伺服閥死區(qū)和零飄引起的位置誤差 如果伺服閥的死區(qū)、液壓馬達(dá)和負(fù)載摩擦的死區(qū)折合為電流誤差il，電液伺服閥的零飄為i2，伺服放大器零飄折合到電液伺服閥為i3；，這些因素引起的位置誤差為,Ke、Kd、Kf反饋取出點(diǎn)經(jīng)反饋通路到伺服閥輸入的增益。 C) 測(cè)量元件的誤差 測(cè)量元件與負(fù)載連接，測(cè)量元件的固

5、有誤差、安裝調(diào)試和校準(zhǔn)誤差會(huì)反映到輸出軸上，其值假設(shè)為a。 總位置誤差為,,,,,,,,,,,,,D位置控制系統(tǒng)的校正 A)串聯(lián)滯后校正 作用：提高開環(huán)增益以提高精度，其傳遞函數(shù)為：,式中,超前環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率； 滯后超前比 1。,典型滯后校正網(wǎng)絡(luò),,,,,,,,,,,,,校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,加入滯后校正的位置系統(tǒng)開環(huán)波德圖,一般要求： 選擇不超過(guò)1020； Kg1020dB、4060； c 位于rc和h之間的-20dB/dec區(qū)間。 參數(shù)選取方法： 當(dāng)c確定后，取rc(1/41/5) c，調(diào)整rc 滿足穩(wěn)定裕量要求。,,,,,,,,,,,,,B) 速度及加速度反饋校正,反饋校正回路

6、的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,式中 K1單有速度反饋校正時(shí)校正回路的開環(huán)增益，且,K2單有加速度反饋校正時(shí)校正回路的開環(huán)增益，且,只有速度反饋校正，即K20時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)增益由Kv下降到Kv / (1+K1)，固有頻率由h增加 到,， 阻尼比由 h降低到,， 提高反饋回路外的增益Ke，可以補(bǔ)償Kv的下降。,只有加速度反饋時(shí)，Kv、h不變而阻尼比 h提高，提高了穩(wěn)定性。,,,,,,,,,,,,整個(gè)位置系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù),有速度反饋后的系統(tǒng)開環(huán)波德圖,,,,,,,,,,,,加速度反饋的實(shí)質(zhì)是把輸出速度變化率超前反饋，以阻止輸出量的變化而形成阻尼。提高了系統(tǒng)等速輸入時(shí)的平穩(wěn)性。二階以上系統(tǒng)用加速度反饋有利于平穩(wěn)調(diào)

7、速，故常用這種校正。 加入速度，加速度反饋校正后：,,,加速度、速度反饋參數(shù)選擇原則： 1）根據(jù)希望的h、h求得K1、K2， 2）進(jìn)一步求出Kfa、Kfv，求出Kv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穿過(guò)零分貝線。,加入速度及加速度反饋的系統(tǒng)開環(huán)波德圖,,,,,,,,,,3 電液速度控制系統(tǒng) 1) 電液速度控制系統(tǒng)的組成及控制方式 小功率：閥馬達(dá)組合； 大功率：變量泵液壓馬達(dá)組合。 A伺服閥控制液壓馬達(dá),,,,,,,,,,,B變量泵定量馬達(dá)閉環(huán)控制,,,,,,,,,,,2) 速度控制系統(tǒng)的分析與校正 A速度控制系統(tǒng)的分析 以閥控馬達(dá)為例，系統(tǒng)的

8、負(fù)載是慣性負(fù)載，伺服閥認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié).,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,K0為速度控制系統(tǒng)開環(huán)增益,是零型系統(tǒng)，對(duì)速度階躍輸入時(shí)，速度偏差隨速度增大而增大，這是一個(gè)有差系統(tǒng)，因此實(shí)際上是一個(gè)速度調(diào)節(jié)器。,,,,,,,,,,,曲線以-40dB/dec穿過(guò)零分貝線，所以穿越頻率處相位裕量很小，如果系統(tǒng)不作簡(jiǎn)化，考慮到h和c之間有其它滯后環(huán)節(jié)，穿越頻率c之處的斜率將是-60dBdec或 -80dBdec，系統(tǒng)的相位滯后又將增加90或180 ，系統(tǒng)肯定是不穩(wěn)定，即使勉強(qiáng)穩(wěn)定，由于K0的下降，系統(tǒng)的精度下降。因此速度控制必須校正，才能可靠穩(wěn)定地工作。,,,,,,,,,,,B速度控制系統(tǒng)的校正 最簡(jiǎn)單的校正方

9、法是加滯后校正，相當(dāng)于低頻段增加了慣性環(huán)節(jié)。這時(shí)穿越頻率附近的斜率為 -20dBdec。校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,由于h一般為0.10.2，從穩(wěn)定條件出發(fā)Kv c < (0.20.4) h。設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)就是要確定K0及T 1g c 一1g(1T)1g K0 即 K0Tc 滯后網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)為,確定c后選K0及T再確定R及C。,經(jīng)過(guò)校正的系統(tǒng)穿越頻率比未校正的系統(tǒng)的穿越頻率低，使閉環(huán)響應(yīng)速度變慢。,,,,,,,,,,,4 力(壓力)控制系統(tǒng) 力伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)的材料試驗(yàn)機(jī)、線材或帶材張力控制、軋鋼機(jī)的壓下和車輛剎車裝置。本系統(tǒng)具有精度高、響應(yīng)速度快、功率大、結(jié)構(gòu)緊湊和使用方便等優(yōu)點(diǎn)

10、。 在力控制系統(tǒng)中被控制量是力，雖然在位置或速度控制系統(tǒng)中，要帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)也有力的輸出，但這種力不是被控制量而是取決于被控制量(位置、速度)和外負(fù)載力。同樣在力控制系統(tǒng)中，位移和速度取決于輸出力和受力對(duì)象本身的狀態(tài)。 1)力控制系統(tǒng)的組成,,,,,,,,,,,,,2) 控制系統(tǒng)的性能分析及校正 若負(fù)載質(zhì)量是M、負(fù)載粘性阻尼是B和負(fù)載彈簧剛度是k時(shí)，則基本方程為：,力傳感器的變換方程為：,式中 Kf力傳感器增益。,,,,,,,,,,,,從閥芯位移xv至力F的小閉環(huán)傳遞函數(shù)為,令,取：,,,,,,,,,,,,,系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：,式中：,因?yàn)椋?所以：,開環(huán)系統(tǒng)中出現(xiàn)壓力增益，說(shuō)明系統(tǒng)輸

11、出是力。,,,,,,,,,,,,由于力控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中有一個(gè)二階微分環(huán)節(jié)，對(duì)于不同負(fù)載工況的開環(huán)波德圖有很大差別。下面就兩種負(fù)載工況來(lái)討論近似的方法。,開環(huán)傳遞函數(shù)中的二階微分環(huán)節(jié)與二階振蕩環(huán)節(jié)抵消，僅剩慣性環(huán)節(jié)，由于3很小，2與3很接近，3處的諧振峰也不利于穩(wěn)定。,,,,,,,,,,,,未經(jīng)校正的電液力控制系統(tǒng)是一個(gè)零型系統(tǒng)，開環(huán)增益kv中有壓力增益kp，因?yàn)榱髁克欧y中kp很高，所以kv很大(為了保證穩(wěn)定性要降低ka及kf，以降低kv)。阻尼系數(shù)3很低，諧振峰值會(huì)超過(guò)零分貝線。為了系統(tǒng)穩(wěn)定，需要校正。 通常在2前加一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)以保證穩(wěn)定。,3與2距離加大，當(dāng)k很小而1相對(duì)于其它頻率很小時(shí)，可以把慣性環(huán)節(jié)看成是積分環(huán)節(jié)。,