《電液控制系統(tǒng)》PPT課件

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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)n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n電液伺服系統(tǒng)適合于負載質(zhì)量大、響應(yīng)速度快的場合，應(yīng)用于國民經(jīng)濟和軍事工業(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)n全部信號都是模擬量n信號可以是直流或交流n特點：重復(fù)精度高，

2、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n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)n數(shù)字伺服系統(tǒng)中部分或全部信號是離散參量n全數(shù)字系統(tǒng)中動力元件通過數(shù)字閥或電液步進馬達能夠接受數(shù)字量n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行比較n特點是分辨率高，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n電液位置伺服系統(tǒng)是最基本和最常用的伺服系統(tǒng)n廣泛用于機床工作臺位置、軋機板厚、帶材跑偏、飛機和

3、輪船的舵機控制，雷達和火炮控制系統(tǒng)及振動試驗臺等6.2.1 系統(tǒng)組成及其傳遞函數(shù)自整角機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 ccr c KU )sin( crec KU n自整角機傳遞函數(shù)：cr crcr )sin(角誤差 很小時 自整角機增益為： 6.2. 電液位置伺服系統(tǒng)的分析 n相敏放大器傳遞函數(shù)：相敏放大器頻響很高，其動態(tài)相對液壓動力元件可忽略，可看成比例環(huán)節(jié)。增益：dcg KUU ag KUI n伺服放大器傳遞函數(shù)：伺服放大器頻響很高，是比例環(huán)節(jié)。增益：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)1)( 0 sTKIQSGK sv svsv

4、sv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)svsvsv KIQsGK 0)(n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)12)()( 20 ss KIQsGK svsvsv svsvsv 6.2. 電液位置伺服系統(tǒng)的分析n設(shè)不考慮彈性負載和結(jié)構(gòu)柔度影響，閥控馬達動態(tài)方程為：)12( )41(1 22 20 sss TsKViDKQD hhh Lcee tmcemm 式中cmi 是齒輪傳動比n于是可得系統(tǒng)方框圖n伺服閥響應(yīng)較液壓動力元件快得多，可忽略閥的動態(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)：)12( )()()( 2

5、2 hhh svvss sGKsHsG )12()()( 22 hhh vss KsHsG 式中m svadcv iD KKKKK 開環(huán)增益 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n簡化后系統(tǒng)方框圖n對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)與機液伺服系統(tǒng)的相同，系統(tǒng)穩(wěn)定條件仍是： hhvK 2n通常要求系統(tǒng)有適當?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n通過適當?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n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n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

6、對系統(tǒng)進行校正n系統(tǒng)校正注意其特點：液壓位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(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行校正 6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.1 滯后校正n滯后校正通過提高低頻段增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差n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n滯后校正由電阻電容組成的無源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)n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n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，

7、1:滯后超前比11)( )()( rcrcioc sssu susG 6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正n由于1:滯后時間常數(shù)大于超前時間常數(shù)，網(wǎng)絡(luò)具有純相位滯后特征n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n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n滯后校正利用了高頻衰減特性而非相位滯后n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n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K VC=Kv是校正后的速度增益)12)(1( )1()()( 22 hhhrc rcvc sss sKsHsG

8、6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正n設(shè)計滯后網(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Kvc2）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) c5）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n校正使速度增益提高了倍，速度誤差減小了倍n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n滯后校正降低了穿越頻率，是穿越頻率附近相位滯后增

9、大。特別是低頻側(cè)相位滯后較大n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n為補償滯后校正網(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. 電液伺服系統(tǒng)的校正6.3.2 速度與加速度反饋校正n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n加速度反饋主要是提高系統(tǒng)阻尼比n根據(jù)需要速度反饋和加速度反饋可單獨使用，也可同時使用n前述位置伺服系統(tǒng)利用測速發(fā)電機將馬達轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號n在速度反饋電壓信號后接微分電路或微分放大器 n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

10、.2 速度與加速度反饋校正svsvsv KGK n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))1)1(2)1( )1(/ 1212 2 1 sKKKss KDKKU h hhmvcagm h K1=KaKsvKfv/Dm只有速度反饋校正時校正回路的開環(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)1)1(2)1( )1/()()( 1212 2 1 sKKKss KKsHsG h hhv h 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

11、n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 n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n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。n可見，速度反饋是以犧牲阻尼和增益來換取系統(tǒng)頻寬n加速度反饋可以增加系統(tǒng)阻尼 )1)1(2)1( )1/()()( 1212 2 1 sKKKss KKsHsG h hhvh 11 Kh 11/ Kh 6.3. 電液伺服系統(tǒng)的校正6

12、.3.3 壓力反饋和動壓反饋校正n采用壓力反饋和動壓反饋的目的是為了提高系統(tǒng)阻尼n可采用壓力反饋伺服閥或動壓反饋伺服閥實現(xiàn)壓力反饋和動壓反饋，也可采用液壓機械網(wǎng)絡(luò)或電反饋實現(xiàn)（1）壓力反饋校正n用壓差或壓力傳感器檢測液壓執(zhí)行器負載壓力反饋到功率放大器輸入端構(gòu)成壓力反饋n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)12( / 22 sss DKKU h msvagm h h （1）壓力反饋校正n壓力反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)式中t tem fpsvacem htfpsvahh VJD KKKKD JKKK 2 2校正后系統(tǒng)阻尼比)12()()( 22 sss KsHsG

13、hv hh 壓力反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)開環(huán)增益iDKKKKK msvadev /n可見，壓力反饋不改變系開閉環(huán)增益Kv和液壓頻率h，而使阻尼比增加n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n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n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n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)n實際工程中常需速度控制。例如：發(fā)動機調(diào)速，機床進給裝置速度控制，雷達天線、炮塔、 轉(zhuǎn)臺等裝備中的速度控制n

14、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速度控制系統(tǒng)原理方塊圖、系統(tǒng)方塊圖和開環(huán)傳遞函數(shù)12)()( 22 0 hhhs KsHsG 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)n系統(tǒng)開環(huán)伯德圖在穿越頻率c處相位余量很小n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n在伺服閥前的電子放大器電路中串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)校正n校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)式中Tc=RC時間常數(shù)sTuu cio 1 1 6.4. 電液速度控

15、制系統(tǒng)n用RC滯后網(wǎng)絡(luò)校正后的系統(tǒng)方框圖和伯德圖n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：hhhc )042.0(2 n由伯德圖的幾何關(guān)系可求出滯后網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)：n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n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） cKT /0 6.5. 電液力控制系統(tǒng))(sGKIX svxvv n力控制系統(tǒng)用于材料試驗機、結(jié)構(gòu)疲勞試驗機、軋機張力控制、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

16、器動態(tài)可忽略伺服閥傳遞函數(shù)式中：U r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，Gsv(s)是Ksv=1時伺服閥傳遞函數(shù)eaUKI gfFf FKU frc UUU 6.5. 電液力控制系統(tǒng)PPPPtLPg KXsXBXsmPAF 2LcvqL PKXKQ LetLtpPPL sPVPCsXAQ 4n假定負載為質(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)1)( )1( 22232 2 sKKA

17、KK AsKmsKKK mA sKmAKKXF cehcethce t tPceqvg PpP 閥芯Xv至液壓缸輸出力Fg的傳遞函數(shù)n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)。n通常負載的阻尼系數(shù)Bp很小，可以忽略。上式可簡化為 tph VAK 24液壓彈簧剛度22222232 2 )41()4(4 )1( pcepe tp ceppe tpp cetpe tt etpqvg AKKsAKVAKBsAVBAKmsAVm sKBsKmKAKXF 如果滿足1)/1( 22 hP tce KKA KmK上式可近似為)12)(1( )11( 00202 22

18、sss sAKKXF mPceqvg 式中 負載固有頻率Lm mK 6.5. 電液力控制系統(tǒng) 液壓彈簧與負載彈簧串聯(lián)耦合的剛度與阻尼系數(shù)之比)11/(2 kKAK hPcer )/(1 421 00 ht cee KKV K KKKK hmhh 110 液壓彈簧與負載彈簧并聯(lián)耦合的剛度與負載質(zhì)量形成的固有頻率n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 fFPceqxva KAKKKKK 0 )12)(1( )1)()()( 00202 220 sss ssGKsHsG r msv n開環(huán)傳遞函數(shù) 6.5. 電液力控制系統(tǒng)n如果伺服閥的固有頻率遠大于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:n討論兩種特殊情況：1）KKh，即負載剛度遠大于液壓彈簧剛度。這時 tmP hcer mKAKK 02 ,。二階振蕩環(huán)節(jié)與與二階微分分環(huán)節(jié)近似抵消，系統(tǒng)動特性主要由液體壓縮形成的慣性環(huán)節(jié)決定tmthhPcer mKmKAKK 02 ,2）K1時在K/Kh1時P fFqxvahc A KKKKK P fFqxvac A KKKKK