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1、液壓伺服系統(tǒng)工作原理 1.1 液壓伺服系統(tǒng)工作原理 液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快、負載剛度大、控制功率大等獨特的優(yōu)點在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 電液伺服系統(tǒng)通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力，從而實現(xiàn)了一些重型機械設(shè)備的伺服控制。 液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量，如位移、速度或力等，能自動地、快速而準確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)的工作原理可由圖1來說明。 圖1所示為一個對管道流量進行連續(xù)控制的電液伺服系統(tǒng)。在大口徑流體管道1中，閥板2的轉(zhuǎn)角θ變化會產(chǎn)生節(jié)流作用而起到調(diào)節(jié)流量qT的作用。閥板轉(zhuǎn)動由液壓缸帶動齒輪、齒條

2、來實現(xiàn)。這個系統(tǒng)的輸入量是電位器5的給定值xi。對應(yīng)給定值xi，有一定的電壓輸給放大器7，放大器將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號加到伺服閥的電磁線圈上，使閥芯相應(yīng)地產(chǎn)生一定的開口量xv。閥開口xv使液壓油進入液壓缸上腔，推動液壓缸向下移動。液壓缸下腔的油液則經(jīng)伺服閥流回油箱。液壓缸的向下移動，使齒輪、齒條帶動閥板產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。同時，液壓缸活塞桿也帶動電位器6的觸點下移xp。當(dāng)xp所對應(yīng)的電壓與xi所對應(yīng)的電壓相等時，兩電壓之差為零。這時，放大器的輸出電流亦為零，伺服閥關(guān)閉，液壓缸帶動的閥板停在相應(yīng)的qT位置。 圖1 管道流量（或靜壓力）的電液伺服系統(tǒng) 1—流體管道；2—閥板；3—齒輪、齒條；4—液

3、壓缸；5—給定電位器；6—流量傳感電位器；7—放大器；8—電液伺服閥 在控制系統(tǒng)中，將被控制對象的輸出信號回輸?shù)较到y(tǒng)的輸入端，并與給定值進行比較而形成偏差信號以產(chǎn)生對被控對象的控制作用，這種控制形式稱之為反饋控制。反饋信號與給定信號符號相反，即總是形成差值，這種反饋稱之為負反饋。用負反饋產(chǎn)生的偏差信號進行調(diào)節(jié)，是反饋控制的基本特征。而對圖1所示的實例中，電位器6就是反饋裝置，偏差信號就是給定信號電壓與反饋信號電壓在放大器輸入端產(chǎn)生的△u。 圖2 給出對應(yīng)圖1實例的方框圖。控制系統(tǒng)常用方框圖表示系統(tǒng)各元件之間的聯(lián)系。上圖方框中用文字表示了各元件，后面將介紹方框圖采用數(shù)學(xué)公式的表達形式。

4、 圖2 伺服系統(tǒng)實例的方框圖 液壓伺服系統(tǒng)的組成 液壓伺服系統(tǒng)的組成 由上面舉例可見，液壓伺服系統(tǒng)是由以下一些基本元件組成； 輸入元件——將給定值加于系統(tǒng)的輸入端的元件。該元件可以是機械的、電氣的、液壓的或者是其它的組合形式。 反饋測量元件——測量系統(tǒng)的輸出量并轉(zhuǎn)換成反饋信號的元件。各種類形的傳感器常用作反饋測量元件。 比較元件——將輸入信號與反饋信號相比較，得出誤差信號的元件。 放大、能量轉(zhuǎn)換元件——將誤差信號放大，并將各種形式的信號轉(zhuǎn)換成大功率的液壓能量的元件。電氣伺服放大器、電液伺服閥均屬于此類元件； 執(zhí)行元件——將產(chǎn)生調(diào)節(jié)動作的液壓能量加于控制對象上的元件，如液壓缸或液

5、壓馬達。 控制對象——各類生產(chǎn)設(shè)備，如機器工作臺、刀架等。 液壓伺服數(shù)學(xué)模型 2.1 數(shù)學(xué)模型 為了對伺服系統(tǒng)進行定量研究，應(yīng)找出系統(tǒng)中各變量（物理量）之間的關(guān)系。不但要搞清楚其靜態(tài)關(guān)系，還要知道其動態(tài)特性，即各物理量隨時間而變化的過程。描述這些變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式稱之為數(shù)學(xué)模型。 2.1.1 微分方程 伺服系統(tǒng)的動態(tài)行為可用各變量及其各階導(dǎo)數(shù)所組成的微分方程來描述。當(dāng)微分方程各階導(dǎo)數(shù)為零時，則變成表示各變量間靜態(tài)關(guān)系的代數(shù)方程。有了系統(tǒng)運動的微分方程就可知道系統(tǒng)各變量的靜態(tài)和動態(tài)行為。該微分方程就是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 2.1.2 拉氏變換與傳遞函數(shù) 拉氏變換全稱為拉普拉斯變

6、換。它是將時間域的原函數(shù)f（t）變換成復(fù)變量s域的象函數(shù)F（s），將時間域的微分方程變換成s域的代數(shù)方程。再通過代數(shù)運算求出變量為s的代數(shù)方程解。最后通過拉氏反變換得到變量為t的原函數(shù)的解。 數(shù)學(xué)上將時域原函數(shù)f（t）的拉氏變換定義為如下積分： 而拉氏逆變換則記為 實際應(yīng)用中并不需要對原函數(shù)逐一作積分運算，與查對數(shù)表相似，查拉氏變換表（表1）即可求得。 拉氏變換在解微分方程過程中有如下幾個性質(zhì)或定理： （1）線性性質(zhì) 設(shè) 則有 式中 B——任意常數(shù)。 （2）迭加原理 這一性質(zhì)極為重要，它使我們可以不作拉氏逆變換就能預(yù)料系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)行為。 （6）初值定

7、理 微分方程表征了系統(tǒng)的動態(tài)特性，它在經(jīng)過拉氏變換后生成了代數(shù)方程，仍然表征了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 如果所有起始條件為零，設(shè)系統(tǒng)（或元件）輸出y(t)的拉氏變換為Y（s）和輸入x（t）的拉氏變換為X（s），則經(jīng)過代數(shù)運算得 （1） G（s）為一個以s為變量的函數(shù)，我們稱這個函數(shù)為系統(tǒng)（或元件）的傳遞函數(shù)。故系統(tǒng)（或元件）的動態(tài)特性也可用其傳遞函數(shù)來表示。傳遞函數(shù)是經(jīng)典控制理論中一個重要的概念。 用常系數(shù)線性微分方程表示的系統(tǒng)（或元件），在初始條件為零的條件下，經(jīng)拉氏變換后，微分方程中n階的導(dǎo)數(shù)項相應(yīng)地變換為sn項，而系數(shù)不變。即拉氏變換后所得代數(shù)方程為一系數(shù)與原微分方程相同，以s

8、n代替n階導(dǎo)數(shù)的多項式，移項后就是其傳遞函數(shù)。故一個系統(tǒng)（或元件）的傳遞函數(shù)極易求得。 表1 拉氏變換表（部分） 原函數(shù)?（t） 拉氏變換函數(shù)F（s） 原函數(shù)圖形（t≥0） 1 單位脈沖函數(shù)δ（t）= 1 2 單位階躍函數(shù)=1(t＞0) =0(t≤0) 3 t 4 tn 5 6 （1-） 7 sinωt 8 cosωt 9 sin（ωt+θ） 10 cos（ωt+θ） 11 cosbt 12 13 14

9、15 sinhωt 16 coshωt 例 如圖3所示為一個質(zhì)量-彈性-油阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)的力平衡微分方程為 （2） 式中 M——質(zhì)量； x——質(zhì)量的位移； BC——阻尼系數(shù)； k——彈簧剛度。 圖3 質(zhì)量-彈性-油阻尼系統(tǒng) 經(jīng)拉氏變換得 （3） 寫成傳遞函數(shù)為 （4） 方框圖及其等效變換 圖4 所示是一種文字形式的方框圖，它表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各元件的功用及它們之間的相互連結(jié)和信號傳遞線路。這種方框圖又稱作結(jié)構(gòu)方框圖。另一種方框圖即“函數(shù)方塊圖”，就是將元件或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)寫在相應(yīng)的方框中，用箭頭線將這些方框連接起來，如

10、圖4所示。指向方框圖的箭頭表示對其輸入信號；從方框圖出來的箭頭表示輸出。圖中圓圈表示比較點，亦稱加減點，它對二個以上信號根據(jù)其正、負進行代數(shù)運算。同一信號線上的各引出信號，數(shù)值與性質(zhì)完全相同。方框圖輸出信號的因次，等于輸入信號的因次與方程中傳遞函數(shù)因次的乘積。 圖4 系統(tǒng)方框圖 1—輸入信號；2—比較點；3—引出信號；4—輸出信號 方框圖等效變換、簡化法則見表2。 表2 方塊圖變換法則 序號 原方塊圖 等效方塊圖 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

11、 13 14 電液伺服閥 電液伺服閥 電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件，它能夠把微小的電氣信號轉(zhuǎn)換成大功率的液壓能（流量和壓力）輸出。它的性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的影響很大。因此，它是電液控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。為了能夠正確設(shè)計和使用電液控制系統(tǒng)，必須掌握不同類型和性能的電液伺服閥。 伺服閥輸入信號是由電氣元件來完成的。電氣元件在傳輸、運算和參量的轉(zhuǎn)換等方面既快速又簡便，而且可以把各種物理量轉(zhuǎn)換成為電量。所以在自動控制系統(tǒng)中廣泛使用電氣裝置作為電信號的比較、放大、反饋檢測等元件；而液壓元件具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、功率放大倍率高，線性度好，死區(qū)小，靈敏度高

12、，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，可作為電液轉(zhuǎn)換功率放大的元件。因此，在一控制系統(tǒng)中常以電氣為“神經(jīng)”，以機械為“骨架”，以液壓控制為“肌肉”最大限度地發(fā)揮機電、液的長處。 由于電液伺服閥的種類很多，但各種伺服閥的工作原理又基本相似，其分析研究的方法也大體相同，故今以常用的力反饋兩級電液伺服閥和位置反饋的雙級滑閥式伺服閥為重點，討論它的基本方程、傳遞函數(shù)、方塊圖及其特性分析。其它伺服閥只介紹其工作原理，同時也介紹伺服閥的性能參數(shù)及其測試方法。 電液伺服閥的組成 電液伺服閥在電液控制系統(tǒng)中的地位如圖27所示。電液伺服閥包括電力轉(zhuǎn)換器、力位移轉(zhuǎn)換器、前置級放大器和功率放大器等四部分。 3.1

13、.1 電力轉(zhuǎn)換器 包括力矩馬達（轉(zhuǎn)動）或力馬達（直線運動），可把電氣信號轉(zhuǎn)換為力信號。 3.1.2 力位移轉(zhuǎn)換器 包括鈕簧、彈簧管或彈簧，可把力信號變?yōu)槲灰菩盘柖敵觥? 3.1.3 前置級放大器 包括滑閥放大器、噴嘴擋板放大器、射流管放大器。 3.1.4 功率放大器——滑閥放大器 由功率放大器輸出的液體流量則具有一定的壓力，驅(qū)動執(zhí)行元件進行工作。 圖27 電液控制系統(tǒng)方塊圖 電液伺服閥的分類 電液伺服閥的分類 電液伺服閥的種類很多，根據(jù)它的結(jié)構(gòu)和機能可作如下分類： 1）按液壓放大級數(shù)，可分為單級伺服閥、兩級伺服閥和三級伺服閥，其中兩級伺服閥應(yīng)用較廣。 2）按液壓前

14、置級的結(jié)構(gòu)形式，可分為單噴嘴擋板式、雙噴嘴擋板式、滑閥式、射流管式和偏轉(zhuǎn)板射流式。 3）按反饋形式可分為位置反饋、流量反饋和壓力反饋。 4）按電-機械轉(zhuǎn)換裝置可分為動鐵式和動圈式。 5）按輸出量形式可分為流量伺服閥和壓力控制伺服閥。 6）按輸入信號形式可分為連續(xù)控制式和脈寬調(diào)制式。 伺服閥的工作原理 伺服閥的工作原理 下面介紹兩種主要的伺服閥工作原理。 3.3.1力反饋式電液伺服閥 力反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)和原理如圖28所示，無信號電流輸入時，銜鐵和擋板處于中間位置。這時噴嘴4二腔的壓力pa=pb，滑閥7二端壓力相等，滑閥處于零位。輸入電流后，電磁力矩使銜鐵2連同擋板偏轉(zhuǎn)θ角

15、。設(shè)θ為順時針偏轉(zhuǎn)，則由于擋板的偏移使pa＞pb，滑閥向右移動?；y的移動，通過反饋彈簧片又帶動擋板和銜鐵反方向旋轉(zhuǎn)（逆時針），二噴嘴壓力差又減小。在銜鐵的原始平衡位置（無信號時的位置）附近，力矩馬達的電磁力矩、滑閥二端壓差通過彈簧片作用于銜鐵的力矩以及噴嘴壓力作用于擋板的力矩三者取得平衡，銜鐵就不再運動。同時作用于滑閥上的油壓力與反饋彈簧變形力相互平衡，滑閥在離開零位一段距離的位置上定位。這種依靠力矩平衡來決定滑閥位置的方式稱為力反饋式。如果忽略噴嘴作用于擋板上的力，則馬達電磁力矩與滑閥二端不平衡壓力所產(chǎn)生的力矩平衡，彈簧片也只是受到電磁力矩的作用。因此其變形，也就是滑閥離開零位的距離和電磁

16、力矩成正比。同時由于力矩馬達的電磁力矩和輸入電流成正比，所以滑閥的位移與輸入的電流成正比，也就是通過滑閥的流量與輸入電流成正比，并且電流的極性決定液流的方向，這樣便滿足了對電液伺服閥的功能要求。 圖28 力反饋式伺服閥的工作原理 1—永久磁鐵；2—銜鐵；3—扭軸；4—噴嘴；5—彈簧片；6—過濾器；7—滑閥；8—線圈；9—軛鐵 由于采用了力反饋，力矩馬達基本上在零位附近工作，只要求其輸出電磁力矩與輸入電流成正比（不象位置反饋中要求力矩馬達銜鐵位移和輸入電流成正比），因此線性度易于達到。另外滑閥的位移量在電磁力矩一定的情況下，決定于反饋彈簧的剛度，滑閥位移量便于調(diào)節(jié)，這給設(shè)計帶來了方便。

17、 采用了銜鐵式力矩馬達和噴嘴擋板使伺服閥結(jié)構(gòu)極為緊湊，并且動特性好。但這種伺服閥工藝要求高，造價高，對于油的過濾精度的要求也較高。所以這種伺服閥適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊，動特性好的場合。 力反饋式電液伺服閥的方框圖如圖29。 圖29 力反饋式伺服閥方框圖 3.3.2 位置反饋式伺服閥 圖30為二級滑閥式位置反饋伺服閥結(jié)構(gòu)。該類型電液伺服閥由電磁部分，控制滑閥和主滑閥組成。 電磁部分是一只力馬達，原理如前所述。動圈靠彈簧定位。前置放大器采用滑閥式（一級滑閥）。 如圖所示，在平衡位置（零位）時，壓力油從P腔進入，分別通過P腔槽，閥套窗口，固定節(jié)流孔3、5到達上、下控制窗口，然后再通過主

18、閥（二級閥芯）的回油口回油箱。 輸入正向信號電流時，動圈向下移動，一級閥芯隨之下移。這時，上控制窗口的過流面積減小，下控制窗口的過流面積增大。所以上控制腔壓力升高而下控制腔的壓力降低，使作用在主閥芯（二級閥芯）兩端的液壓力失去平衡。主閥芯在這一液壓力作用下向下移動。主閥芯下移，使上控制窗口的過流面積逐漸增大，下控制窗口的過流面積逐漸縮小。當(dāng)主閥芯移動到上、下控制窗口過流面積重新相等的位置時，作用于主閥芯兩端的液壓力重新平衡。主閥芯就停留在新的平衡位置上，形成一定的開口。這時，壓力油由P腔通過主閥芯的工作邊到A腔而供給負載?；赜蛣t通過B腔，主閥芯的工作邊到T腔回油箱。 輸入信號電流反向時，閥

19、的動作過程與此相反。油流反向為P→B，A→T。 上述工作過程中，動圈的位移量，一級閥芯（先導(dǎo)閥芯）的位移量與主閥芯的位移量均相等。因動圈的位移量與輸入信號電流成正比，所以輸出的流量和輸入信號電流成正比。 圖30 位置反饋伺服閥結(jié)構(gòu) 1—閥體；2—閥套；3—固定節(jié)流口；4—二級閥芯；5—固定節(jié)流口；6—一級閥芯；7—線圈；8—下彈簧；9—上彈簧；10—磁鋼 二級滑閥型位置反饋式伺服閥的方框圖如圖31所示。 該型電液伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，容易維護，可在現(xiàn)場進行調(diào)整，對油液清潔度要求不太高。 圖31 位置反饋式電液伺服閥方框圖 電液伺服閥的基本特性 3.4.1輸入電流

20、-輸出流量特性 空載時輸出流量和輸入信號電流之間的關(guān)系，常用空載流量特性曲線來表示（圖32）。由這一曲線可得到該閥的額定值、線性度、滯環(huán)、流量增益等特性。 額定電流IR——在這一電流范圍內(nèi)，閥的輸出流量與輸入信號電流成正比。 額定空載流量——在額定壓力與額定電流下閥的空載流量。 線性度——q-I曲線直線性的度量。 圖32 空載流量特性曲線 IR——額定電流；q0——最大空載流量；tanθ——流量增益 滯環(huán)——主要用來表明信號電流改變方向時，由摩擦力、磁滯等原因使I-q曲線不重合的程度。常以曲線上同一流量下電流最大差值△Imax與閥的額定電流IR之比來表示。 流量增益——qL

21、與I之比值，即q-I曲線的平均斜率。 3.4.2 壓力增益特性 在一定供油壓力下，在輸入電流I和負載壓力pL=p1－p2曲線上，比值△pL/△I稱為壓力增益。當(dāng)負載流量保持為零時，在零位（中間平衡位置）附近的壓力增益稱為零位壓力增益。零位壓力增益與主滑閥的開口形式有關(guān)，以零開口形式最高。提高供油壓力ps也可提高零位壓力增益。但這一特性主要與閥的制造質(zhì)量有關(guān)。提高零位壓力增益，對于減小不靈敏區(qū)、提高精度有作用，但對穩(wěn)定性起相反的作用。圖33是零開口伺服閥的零位壓力增益特性曲線。 圖33 零位壓力增益特性曲線 3.4.3 負載壓力、流量特性 這一特性往往是選用伺服閥的主要依據(jù)。圖34

22、即為負載壓力-流量特性曲線。 3.4.4 對數(shù)頻率特性 它表示電液伺服閥的動態(tài)特性。幅頻曲線中一3dB時頻率為該閥的頻寬。其值越大則該閥的工作頻率范圍越大。對數(shù)頻率特性也是分析伺服系統(tǒng)動特性以及設(shè)計、綜合電液伺服系統(tǒng)的依據(jù)。圖35即為閥的對數(shù)頻率特性曲線。 3.4.5 零飄與零偏 伺服閥由于供油壓力的變化和工作油溫度的變化而引起的零位（QL=pL=0的幾何位置）變化稱為零飄。零飄一般用使其恢復(fù)位所需加的電流值與額定電流值之比來衡量。這一比值越小越好。另外，由于制造、調(diào)整、裝配的差別，控制線圈中不加電流時，滑閥不一定位于中位。有時必須加一定的電流才能使其恢復(fù)中位（零位）。這一現(xiàn)象稱為零偏

23、。零偏以使閥恢復(fù)零位所需加之電流值與額定電流值之比來衡量。 圖34 負載壓力-流量特性曲線 圖35 對數(shù)頻率特性曲線 3.4.6 不靈敏度 由于不靈敏區(qū)的存在，伺服閥只有在輸入信號電流達一定值時才會改變狀態(tài)。使伺服閥發(fā)生狀態(tài)變化的最小電流與額定電流之比稱為不靈敏度。其值愈小愈好。 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計 在液壓伺服系統(tǒng)中采用液壓伺服閥作為輸入信號的轉(zhuǎn)換與放大元件。液壓伺服系統(tǒng)能以小功率的電信號輸入，控制大功率的液壓能（流量與壓力）輸出，并能獲得很高的控制精度和很快的響應(yīng)速度。位置控制、速度控制、力控制三類液壓伺服系統(tǒng)一般的設(shè)計步驟如下： 1）明確設(shè)計要求：充

24、分了解設(shè)計任務(wù)提出的工藝、結(jié)構(gòu)及時系統(tǒng)各項性能的要求，并應(yīng)詳細分析負載條件。 2）擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖。 3）靜態(tài)計算：確定動力元件參數(shù)，選擇反饋元件及其它電氣元件。 4）動態(tài)計算：確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，繪制開環(huán)波德圖，分析穩(wěn)定性，計算動態(tài)性能指標。 5）校核精度和性能指標，選擇校正方式和設(shè)計校正元件。 6）選擇液壓能源及相應(yīng)的附屬元件。 7）完成執(zhí)行元件及液壓能源施工設(shè)計。 本章的內(nèi)容主要是依照上述設(shè)計步驟，進一步說明液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計原則和介紹具體設(shè)計計算方法。由于位置控制系統(tǒng)是最基本和應(yīng)用最廣的系統(tǒng)，所以介紹將以閥控液壓缸位置系統(tǒng)為主。 4.1 全面理解設(shè)計要求

25、4.1.1 全面了解被控對象 液壓伺服控制系統(tǒng)是被控對象—主機的一個組成部分，它必須滿足主機在工藝上和結(jié)構(gòu)上對其提出的要求。例如軋鋼機液壓壓下位置控制系統(tǒng)，除了應(yīng)能夠承受最大軋制負載，滿足軋鋼機軋輥輥縫調(diào)節(jié)最大行程，調(diào)節(jié)速度和控制精度等要求外，執(zhí)行機構(gòu)—壓下液壓缸在外形尺寸上還受軋鋼機牌坊窗口尺寸的約束，結(jié)構(gòu)上還必須保證滿足更換軋輥方便等要求。要設(shè)計一個好的控制系統(tǒng)，必須充分重視這些問題的解決。所以設(shè)計師應(yīng)全面了解被控對象的工況，并綜合運用電氣、機械、液壓、工藝等方面的理論知識，使設(shè)計的控制系統(tǒng)滿足被控對象的各項要求。 4.1.2 明角設(shè)計系統(tǒng)的性能要求 1）被控對象的物理量：位置、速度

26、或是力。 2）靜態(tài)極限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由給定信號、負載力、干擾信號、伺服閥及電控系統(tǒng)零飄、非線性環(huán)節(jié)（如摩擦力、死區(qū)等）以及傳感器引起的系統(tǒng)誤差，定位精度，分辨率以及允許的飄移量等。 4）動態(tài)特性：相對穩(wěn)定性可用相位裕量和增益裕量、諧振峰值和超調(diào)量等來規(guī)定，響應(yīng)的快速性可用載止頻率或階躍響應(yīng)的上升時間和調(diào)整時間來規(guī)定； 5）工作環(huán)境：主機的工作溫度、工作介質(zhì)的冷卻、振動與沖擊、電氣的噪聲干擾以及相應(yīng)的耐高溫、防水防腐蝕、防振等要求； 6）特殊要求；設(shè)備重量、安全保護、工作的可靠性以及其它工藝要求。 4.1.3 負載特性分析 正確

27、確定系統(tǒng)的外負載是設(shè)計控制系統(tǒng)的一個基本問題。它直接影響系統(tǒng)的組成和動力元件參數(shù)的選擇，所以分析負載特性應(yīng)盡量反映客觀實際。液壓伺服系統(tǒng)的負載類型有慣性負載、彈性負載、粘性負載、各種摩擦負載（如靜摩擦、動摩擦等）以及重力和其它不隨時間、位置等參數(shù)變化的恒值負載等。 4.2 擬定控制方案、繪制系統(tǒng)原理圖 在全面了解設(shè)計要求之后，可根據(jù)不同的控制對象，按表6所列的基本類型選定控制方案并擬定控制系統(tǒng)的方塊圖。如對直線位置控制系統(tǒng)一般采用閥控液壓缸的方案，方塊圖如圖36所示。 圖36 閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)方塊圖 表6 液壓伺服系統(tǒng)控制方式的基本類型 伺服系統(tǒng) 控制信號 控制參數(shù)

28、 運動類型 元件組成 機液 電液 氣液 電氣液 模擬量 數(shù)字量 位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、壓力 直線運動 擺動運動 旋轉(zhuǎn)運動 1.閥控制：閥-液壓缸，閥-液壓馬達 2.容積控制：變量泵-液壓缸；變量泵-液壓馬達；閥-液壓缸-變量泵-液壓馬達 3.其它：步近式力矩馬達 4.3 動力元件參數(shù)選擇 動力元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。它的一個主要作用是在整個工作循環(huán)中使負載按要求的速度運動。其次，它的主要性能參數(shù)能滿足整個系統(tǒng)所要求的動態(tài)特性。此外，動力元件參數(shù)的選擇還必須考慮與負載參數(shù)的最佳匹配，以保證系統(tǒng)的功耗最小，效率高。 動力元件的主要參數(shù)包括系統(tǒng)

29、的供油壓力、液壓缸的有效面積（或液壓馬達排量）、伺服閥的流量。當(dāng)選定液壓馬達作執(zhí)行元件時，還應(yīng)包括齒輪的傳動比。 4.3.1 供油壓力的選擇 選用較高的供油壓力，在相同輸出功率條件下，可減小執(zhí)行元件——液壓缸的活塞面積（或液壓馬達的排量），因而泵和動力元件尺寸小重量輕，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，同時油腔的容積減小，容積彈性模數(shù)增大，有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是隨供油壓力增加，由于受材料強度的限制，液壓元件的尺寸和重量也有增加的趨勢，元件的加工精度也要求提高，系統(tǒng)的造價也隨之提高。同時，高壓時，泄漏大，發(fā)熱高，系統(tǒng)功率損失增加，噪聲加大，元件壽命降低，維護也較困難。所以條件允許時，通常還是選用較低的供

30、油壓力。 常用的供油壓力等級為7MPa到28MPa，可根據(jù)系統(tǒng)的要求和結(jié)構(gòu)限制條件選擇適當(dāng)?shù)墓┯蛪毫Α? 4.3.2 伺服閥流量與執(zhí)行元件尺寸的確定 如上所述，動力元件參數(shù)選擇除應(yīng)滿足拖動負載和系統(tǒng)性能兩方面的要求外，還應(yīng)考慮與負載的最佳匹配。下面著重介紹與負載最佳匹配問題。 （1）動力元件的輸出特性 將伺服閥的流量——壓力曲線經(jīng)坐標變換 繪于υ－FL平面上，所得的拋物線即為動力元件穩(wěn)態(tài)時的輸出特性，見圖37。 圖37 參數(shù)變化對動力機構(gòu)輸出特性的影響 a）供油壓力變化；b）伺服閥容量變化；c）液壓缸面積變化 圖中 FL——負載力，F(xiàn)L=pLA； pL——伺服閥工作

31、壓力； A——液壓缸有效面積； υ——液壓缸活塞速度， ； qL——伺服閥的流量； q0——伺服閥的空載流量； ps——供油壓力。 由圖37可見，當(dāng)伺服閥規(guī)格和液壓缸面積不變，提高供油壓力，曲線向外擴展，最大功率提高，最大功率點右移，如圖37a。 當(dāng)供油壓力和液壓缸面積不變，加大伺服閥規(guī)格，曲線變高，曲線的頂點A ps不變，最大功率提高，最大功率點不變，如圖37b。 當(dāng)供油壓力和伺服閥規(guī)格不變，加大液壓缸面積A，曲線變低，頂點右移，最大功率不變，最大功率點右移，如圖37c。 （2）負載最佳匹配圖解法 在負載軌跡曲線υ－FL平面上，畫出動力元件輸出特性曲線，調(diào)整

32、參數(shù)，使動力元件輸出特性曲線從外側(cè)完全包圍負載軌跡曲線，即可保證動力元件能夠拖動負載。在圖38中，曲線1、2、3代表三條動力元件的輸出特性曲線。曲線2與負載軌跡最大功率點c相切，符合負載最佳匹配條件，而曲線1、3上的工作點α和b，雖能拖動負載，但效率都較低。 （3）負載最佳匹配的解析法 參見液壓動力元件的負載匹配。 （4）近似計算法 在工程設(shè)計中，設(shè)計動力元件時常采用近似計算法，即按最大負載力FLmax選擇動力元件。在動力元件輸出特性曲線上，限定 FLmax≤pLA= ，并認為負載力、最大速度和最大加速度是同時出現(xiàn)的，這樣液壓缸的有效面積可按下式計算： （37）

33、 圖38 動力元件與負載匹配圖形 按式37求得A值后，可計算負載流量qL，即可根據(jù)閥的壓降從伺服閥樣本上選擇合適的伺服閥。近似計算法應(yīng)用簡便，然而是偏于保守的計算方法。采用這種方法可以保證系統(tǒng)的性能，但傳遞效率稍低。 （5）按液壓固有頻率選擇動力元件 對功率和負載很小的液壓伺服系統(tǒng)來說，功率損耗不是主要問題，可以根據(jù)系統(tǒng)要求的液壓固有頻率來確定動力元件。 四邊滑閥控制的液壓缸，其活塞的有效面積為 （38） 二邊滑閥控制的液壓缸，其活塞的有效面積為 （39） 液壓固有頻率ωh可以按系統(tǒng)要求頻寬的（5～10）倍來確定。對一些干擾力大，負載軌跡形狀比較復(fù)雜的系統(tǒng)，不能按上述

34、的幾種方法計算動力元件，只能通過作圖法來確定動力元件。 計算閥控液壓馬達組合的動力元件時，只要將上述計算方法中液壓缸的有效面積A換成液壓馬達的排量D，負載力FL換成負載力矩TL，負載速度換成液壓馬達的角速度，就可以得到相應(yīng)的計算公式。當(dāng)系統(tǒng)采用了減速機構(gòu)時，應(yīng)注意把負載慣量、負載力、負載的位移、速度、加速度等參數(shù)都轉(zhuǎn)換到液壓馬達的軸上才能作為計算的參數(shù)。減速機構(gòu)傳動比選擇的原則是：在滿足液壓固有頻率的要求下，傳動比最小，這就是最佳傳動比。 4.3.3 伺服閥的選擇 根據(jù)所確定的供油壓力ps和由負載流量qL（即要求伺服閥輸出的流量）計算得到的伺服閥空載流量q0，即可由伺服閥樣本確定伺服閥的

35、規(guī)格。因為伺服閥輸出流量是限制系統(tǒng)頻寬的一個重要因素，所以伺服閥流量應(yīng)留有余量。通?？扇?5%左右的負載流量作為伺服閥的流量儲備。 除了流量參數(shù)外，在選擇伺服閥時，還應(yīng)考慮以下因素： 1）伺服閥的流量增益線性好。在位置控制系統(tǒng)中，一般選用零開口的流量閥，因為這類閥具有較高的壓力增益，可使動力元件有較大的剛度，并可提高系統(tǒng)的快速性與控制精度。 2）伺服閥的頻寬應(yīng)滿足系統(tǒng)頻寬的要求。一般伺服閥的頻寬應(yīng)大于系統(tǒng)頻寬的5倍，以減小伺服閥對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響。 3）伺服閥的零點漂移、溫度漂移和不靈敏區(qū)應(yīng)盡量小，保證由此引起的系統(tǒng)誤差不超出設(shè)計要求。 4）其它要求，如對零位泄漏、抗污染能力、電功

36、率、壽命和價格等，都有一定要求。 4.3.4 執(zhí)行元件的選擇 液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響系統(tǒng)性能的好壞。執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計，除了按本節(jié)所述的方法確定液壓缸有效面積A（或液壓馬達排量D）的最佳值外，還涉及密封、強度、摩擦阻力、安裝結(jié)構(gòu)等問題。 4.4 反饋傳感器的選擇 根據(jù)所檢測的物理量，反饋傳感器可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和力（或壓力）傳感器。它們分別用于不同類型的液壓伺服系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的反饋元件。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度主要決定于系統(tǒng)的給定元件和反饋元件的精度，因此合理選擇反饋傳感器十分重要。 傳感器的頻寬一般應(yīng)選擇為控制系統(tǒng)頻寬的5～

37、10倍，這是為了給系統(tǒng)提供被測量的瞬時真值，減少相位滯后。傳感器的頻寬對一般系統(tǒng)都能滿足要求，因此傳感器的傳遞函數(shù)可近似按比例環(huán)節(jié)來考慮。 4.5 確定系統(tǒng)方塊圖 根據(jù)系統(tǒng)原理圖及系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可構(gòu)成系統(tǒng)的方塊圖。根據(jù)系統(tǒng)的方塊圖可直接寫出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。閥控液壓缸和閥控液壓馬達控制系統(tǒng)二者的傳遞函數(shù)具有相同的結(jié)構(gòu)形式，只要把相應(yīng)的符號變換一下即可。 4.6 繪制系統(tǒng)開環(huán)波德圖并確定開環(huán)增益 系統(tǒng)的動態(tài)計算與分析在這里是采用頻率法。首先根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，求出波德圖。在繪制波德圖時，需要確定系統(tǒng)的開環(huán)增益K。 改變系統(tǒng)的開環(huán)增益K時，開環(huán)波德圖上幅頻曲線只升高或降低一個常

38、數(shù)，曲線的形狀不變，其相頻曲線也不變。波德圖上幅頻曲線的低頻段、穿越頻率以及幅值增益裕量分別反映了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、截止頻率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以可根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)所要求的穩(wěn)態(tài)精度、頻寬以及相對穩(wěn)定性，在開環(huán)波德圖上調(diào)整幅頻曲線位置的高低，來獲得與閉環(huán)系統(tǒng)要求相適應(yīng)的K值。 4.6.1 由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度要求確定K 由控制原理可知，不同類型控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度決定于系統(tǒng)的開環(huán)增益。因此，可以由系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)精度的要求和系統(tǒng)的類型計算得到系統(tǒng)應(yīng)具有的開環(huán)增益K。 4.6.2由系統(tǒng)的頻寬要求確定K 分析二階或三階系統(tǒng)特性與波德圖的關(guān)系知道，當(dāng)ζh和K/ωh都很小時，可近似認為系統(tǒng)的頻寬等于開環(huán)對數(shù)幅值

39、曲線的穿越頻率，即ω-3dB≈ωc，所以可繪制對數(shù)幅頻曲線，使ωc在數(shù)值上等于系統(tǒng)要求的ω-3dB值，如圖39所示。由此圖可得K值。 圖39 由ω-3dB繪制開環(huán)對數(shù)幅頻特性 a）0型系統(tǒng)；b）I型系統(tǒng) 4.6.3 由系統(tǒng)相對穩(wěn)定性確定K 系統(tǒng)相對穩(wěn)定性可用幅值裕量和相位裕量來表示。根據(jù)系統(tǒng)要求的幅值裕量和相位裕量來繪制開環(huán)波德圖，同樣也可以得到K。見圖40。 實際上通過作圖來確定系統(tǒng)的開環(huán)增益K，往往要綜合考慮，盡可能同時滿足系統(tǒng)的幾項主要性能指標。 4.7 系統(tǒng)靜動態(tài)品質(zhì)分析及確定校正特性 在確定了系統(tǒng)傳遞函數(shù)的各項參數(shù)后，可通過閉環(huán)波德圖或時域響應(yīng)過渡過程曲線或參數(shù)計算對系統(tǒng)的各項靜動態(tài)指標和誤差進行校核。如設(shè)計的系統(tǒng)性能不滿足要求，則應(yīng)調(diào)整參數(shù)，重復(fù)上述計算或采用校正環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進行補償，改變系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，直到滿足系統(tǒng)的要求。 4.8 仿真分析 在系統(tǒng)的傳遞函數(shù)初步確定后，可以通過計算機對該系統(tǒng)進行數(shù)字仿真，以求得最佳設(shè)計。目前有關(guān)于數(shù)字仿真的商用軟件，如Matlab軟件，很適合仿真分析。