1、液压元件与系统设计 液压系统设计 （第四讲）1谢谢观赏2019-8-7 电液控制系统设计（回顾）1 电液控制系统分类按控制物理量分类（位置、速度、力）按液压控制元件控制方式的不同分类（阀控、泵控）根据输入信号形式和信号处理手段分类（模拟、数字、混合等）2 电液位置控制系统电液位置控制系统组成和方块图性能分析A稳定性分析Kv2hh (0.20.4) hB位置控制系统的闭环频率特性当h 和Kv/h较小时， c b Kv，nc h，2nc 2h Kv/h C系统的精度分析 系统闭环静态刚度为 干扰力矩引起位置误差为2谢谢观赏2019-8-7 3校正方法（滞后校正、速度加速度反馈） 4速度、力控制系统
2、的特点、组成、性能分析及精度分析 3谢谢观赏2019-8-75 电液伺服系统的设计步骤 弄清设计要求； 拟定设计方案； 进行负载匹配； 选定电液伺服阀的伺服放大器； 设计液压伺服缸； 设计液压泵站； 分析系统性能； 进行必要的补偿； 进行系统调试； 进行技术总结。 以上步骤不是单方向的，会有交叉反复。 4谢谢观赏2019-8-7分析计算步骤 1) 明确设计要求 (A) 负载分析（负载类型、绘制负载特性） (B) 控制性能要求（控制类型、动静态要求） (C) 工作环境要求及其它（环境、能源及其它）2) 方案选择 (A) 拟定控制方案（泵控？阀控？缸？马达？） (B) 画出系统原理图3) 静态计算
3、 (A)负载计算（负载轨迹、最佳匹配、执行元件、阀及泵的主要参数） (B)根据最大流量和最大压力设计或选择所需各液压元件。 (C)选择系统中其它电放大元件、反馈元件、传感器。（误差分配）4) 动态计算 分析各元件的动态特性，画出系统方块图，求出系统传递函数，画出系统开环频率特性，分析稳定性及稳定裕量，计算闭环频宽。 计算系统开环增益，静态误差。 如不满足设计要求，进行校正，直到满足为止。5) 选择液压能源及原动机 P、Q、油液的清洁度及空气含量应满足要求5谢谢观赏2019-8-7电液位置控制系统设计实例一设有一数控机床工作台的位置需要连接控制，其技术要求为： 指令速度信号输入时引起的速度误差为
4、： ev5mm 干扰输入引起的位置误差为： epf = 0.2mm 给定设计参数为： 工作台质量 m1000 kg 最大加速度 amax1m/s2 最大行程 S50 cm 最大速度 v=8cm/s 工作台最大摩擦力 Ff2000N 最大切削力 Fc500 N 供油压力 ps6.3MPa 反馈传感器增益 Kf1Vcm6谢谢观赏2019-8-7(1)确定系统方案采用伺服阀控制液压缸的系统结构。7谢谢观赏2019-8-7 (2)确定工作台速度和负载力的关系 负载力由切削力Fc，摩擦力Ff和惯性力Fa等组成。 惯性力Fa按最大加速度考虑 Famamax1000N 系统在最恶劣的负载条件下工作时的总负载
5、力F3500N。工作台速度和负载力的关系曲线如下图所示。8谢谢观赏2019-8-7 (3)确定液压缸有效工作面积A和结构尺寸D，d 令负载压力pL=2/3ps，因为F=ApL，所以 A=3F/(2ps)=8.3cm2 现确定液压缸活塞直径D及活塞杆直径d。 因为A/4(D2d2)，取dD0.5代入上式得 D3.75cm， 圆整取D=4cm，d=2.2cm 校核有效工作面积A得 A=8.04cm2，取A8cm2。(4)确定伺服阀规格 最大速度工况时负载压降为pLF/A=4.375MPa 伺服阀压降pvps-pL=1.925MPa， 负载流量qL=vmA3.84 Lmin 查伺服阀样本，阀压降7M
6、Pa，额定电流IR为30mA时，流量为8l/min的伺服阀就可满足多ps1.925MPa，输出流量qL3.84Lmin的要求。9谢谢观赏2019-8-7 (5)确定系统传递函数(A)电液伺服阀的传递函数额定流量81/min的伺服阀在供油压力ps6.3MPa时的空载流量为7.6l/min，阀的增益为伺服阀生产厂提供了sv=600rad/s，sv=0.5的数值。 电液伺服阀的传递函数10谢谢观赏2019-8-7 (B)液压缸的传递函数设取代入h式中得所以得到液压缸的传递函数为：11谢谢观赏2019-8-7 (C)反馈传感器的传递函数 (D)电放大器的传递函数待定 (E)系统的开环增益12谢谢观赏2
7、019-8-7 (6)系统开环频率特性从图中可见，系统频宽f-3dB时，稳定裕量为5dB和90。13谢谢观赏2019-8-7 (7)计算系统稳态误差 指令输入最大速度v=8cms时的误差为 干扰输入引起的误差：干扰有伺服放大器温度零飘、伺服阀的零飘和磁滞及执行元件的不良灵敏度等，将其总和折合成伺服阀输入电流的干扰为f0.02 IR，对这个干扰来说，系统属于0型，当其在一段时间内为常量时，系统的位置误差为 可见，系统达到了原定设计指标。14谢谢观赏2019-8-7 电液位置控制系统设计实例二 1设计要求 假定电液伺服系统需要驱动质量m160kg的负载作正弦规律运动，最大振幅为Y5mm，最高速度为
8、45cms，最大加速度为l0g100m/s2，工作频率范围为1100Hz。客户指定供油压力为21MPa。快速性要求是100Hz时相位移小于180。 2设计方案其中信号源由客户自备，其他元件在后面具体选定或设计。15谢谢观赏2019-8-7 3负载匹配 (1)供油压力pa 客户指定供油压力为21MPa。 (2)活塞有效面积A 负载质量为160kg，活塞质量估计为10kg，因此总移动质量为160十10170kg。最大加速度为10g 100m/s2，所需最大推力应为 Fm=mYm17010017000N取活塞直径D52mm，活塞杆直径d40mm。(3)伺服阀额定流量QR考虑留出10的余量，取QR18
9、 L/min。16谢谢观赏2019-8-7 (4)匹配情况假定负载阻尼系数b1000Ns/m，负载弹簧刚度k20kN/m，针对外特性曲线（最大功能曲线）上的B、M和N三个拐点的参数，算出对应于三个拐点的负载特性曲线。从这三个拐点的负载特性可以看出，以M点为设计工况点进行负载匹配是有道理的。从图中可见，驱动特性以一定的余量包围负载特性，匹配成功。17谢谢观赏2019-8-7 4伺服阀和放大器 选用北京机械工业自动化研究所的DYCF-B16-18型动圈滑阀式电液伺服阀，其额定流量为18Lmin，供油压力范围是2.531.5MPa，额定电流为150mA，单线圈电阻为560，固有频率为120Hz，阻尼
10、比为0.5。 选用与该伺服阀配套的YCF-1型伺服放大器。 5伺服缸 伺服缸行程取为S2Y十62(5)十616mm。反馈传感器选用阜新传感器厂FX-71型直流差动变压器，量程士10mm，精度0.2，供电电压915V(DC)，满量程输出电压土2V(DC)。壳体外径20mm，放在直径40mm的活塞杆的空心孔里是没有问题的。 伺服阀直接装在缸体上。活塞处采用间隙密封。活塞杆处采用锥形静压轴承。 6液压泵站 采用蓄能器，负载所需流量为2Qm2YmA/20.458.6710-42.8410-4m3s14.9Lmin，取泵站流量为20Lmin。 液压缸一次行程所需油液体积为VAS8.6710-40.018
11、.6710-6m38.6710-3L。选用NXQ-L0.6331.5-A型皮囊式蓄能器。18谢谢观赏2019-8-7 7性能分析 1）建立传递函数 已经确定，差动变压器在工作行程土5mm时的输出电压是土lv。对应最大振幅5mm的指令信号也是1V。输入放大器的误差信号最大为lV，如令此时放大器输出额定电流150mA，则放大器增益KA150mA1V。 伺服阀的无载流量QNL31.18Lmin，所以伺服阀增益KSV(31.18Lmin)150mA。 液压缸增益为活塞有效面积的倒数，即是KCYL1A18.67cm2。 反馈增益KF1V5mm。 于是，环路增益已知伺服阀固有频率0120Hz2120rad
12、s，阻尼比00.5，于是2）稳定性、快速型分析（课后自己进行）19谢谢观赏2019-8-7需要说明的是：当幅频和相频特性绘制在一张图上时的看图方法。从图中可以看出，系统开环对数幅频特性在19.32Hz处穿越0 dB轴，相位裕度为80.6；开环对数相频特性在120Hz处达到180，幅值裕度为16dB。系统有足够的稳定裕度，调试时可以适当提高环路增益。20谢谢观赏2019-8-7结束The End21谢谢观赏2019-8-7电液速度控制系统实例速度控制系统给定设计参数为： 负载转动惯量 J0.43kgm2 最大负载转矩 T49Nm 转速范围 n=34195 r/min 供油压力 ps7.84MPa
13、 速度传感器增益 Kfv0.19Vs/rad性能指标为： 跟踪精度 l r/min 完成准确跟踪的时间 0.9s22谢谢观赏2019-8-7 (1)决定系统控制方案采用伺服阀控制液压马达的阀控系统。23谢谢观赏2019-8-7(2)确定马达排量取则马达排量为或选取BMl10摆线液压马达，其排量为Dm=10210-6m3/r或Dm=16310-7m3/rad(3)选择伺服阀规格伺服阀流量为：此时阀的压降为：查伺服阀样本，选用QDYC63型，额定电流为30mA，供油压力为7.84MPa时的额定空载流量为1.0510-3m3s。24谢谢观赏2019-8-7 (4)确定传递函数(A)电液伺服阀的传递函
14、数伺服阀的增益由样本得：于是电液伺服阀的传递函数为25谢谢观赏2019-8-7 (B) 液压马达的传递函数马达油腔容腔与伺服阀到马达间容积之和为又取则：取：于是液压马达的传递函数为速度传感器的传递函数积分放大器的传递函数26谢谢观赏2019-8-7 (5)绘制系统开环频率特性由图可见，为了满足系统稳定性的条件，取开环频率特性的相位滞后180点上的幅值裕量为6分贝，此时的角稳定裕量为87 ，由于幅值稳定裕量不能减小，所以穿越频率不能再增加。27谢谢观赏2019-8-7 (6)确定系统开环增益及积分放大器增益开环增益：由系统波德图知，在区间c内，L()是一条斜率为-20dB/dec的直线，所以：求
15、得积分放大器的增益为(7)速度控制系统的开环传递函数系统的开环传递函数为28谢谢观赏2019-8-7 (8)计算系统的稳态误差 因为系统是I型系统，对速度指令信号误差为零，满足了跟踪精度为l r/min的要求。 (9)系统的仿真实验 由试验结果可见，现有系统是稳定的，没有超调，但上升过程有几次小的振荡。过渡过程在0.1秒以内结束，完全满足在0.9秒内完成准确跟踪的任务。29谢谢观赏2019-8-7力控制系统设计实例 现要求设计一个如图的力控制系统。其设计参数及性能指标为：30谢谢观赏2019-8-7 (1)液压缸的确定 根据力控制系统的控制特性，系统要在供油压力的95状态下工作取负载压力pL0
16、.95ps16.625MPa，则液压缸有效工作面积AFmpL54.2cm2，令dD0.5，则D9.59cm，取D10cm，d5.5cm，校核得A54.78cm2。对于弹簧刚度为9000Ncm的弹簧力，最大负载力9000N是由10cm的活塞行程产生。则最大行程速度vm是以时间常数为10秒计算的最大流量 (2)选择电液伺服阀 为满足输出负载力动态性能的要求，从低负载弹簧状态求出活塞运动最大速度。当无超调的时间常数控制在10秒以内时的特性曲线如图所示。31谢谢观赏2019-8-7 处于最大负载的63时，负载所需要的压力 此外，在活塞小位移时，用极小的压力差即可推动负载，为充分利用伺服阀的流量，现选定
17、压力降为7MPa，输出流量为3.8 1/min的伺服阀。设阀的流量增益Kq，压力一流量增益Kc分别为压力增益 阀的额定电流IR150mA，输出位移xv0.038cm，增益为32谢谢观赏2019-8-7 (3)力反馈传感器 输入力为Ff113000N，输出电压为Vf0.01V，其增益为 (4)静态特性 为得到 5静态控制精度，开环增益取 K025，电放大器增益33谢谢观赏2019-8-7 (5)动态特性为了确定l、2，要计算油的压缩性，设油路的阻尼系数其中V是液压缸的总油腔容积，为确保行程充裕，选择工作行程大于10cm行程的液压缸，取行程为x15cm的液压缸，计算液压缸容腔VAx =8.2210
18、-4m3，假设414108Pa，则此时油路阻尼系数C0.14610-12m3(Nm2)。根据油的压缩性，计算弹性系数把这个值与k比较，可知控制系统在的情况下工作，负载弹簧k180000Ncm时 负载弹簧k9000Ncm时34谢谢观赏2019-8-7 取开环增益为25，根据开环放大特性求出穿越频率： 负载弹簧k180000Ncm时 负载弹簧k9000Ncm时 输入为阶跃函数的系统响应时间(即达到输出最终值的63的时间)大约等于1c，即k180000Ncm时，Tc1c0.083s，而当k=9000Ncm时，Tc1c1.67s。 和前面规定的指标相比，此响应时间非常短，能够满足要求。 对应于3的阻尼
19、比3的共振峰值超过了零分贝轴，这是造成系统不稳定的原因。 频率2、3与负载质量有关，由负载弹簧刚度的最大值决定。k180000Ncm时，弹簧的计算频率为35谢谢观赏2019-8-7，使得系统的超调量减少。为此在2前的一个频率处加入一个校正环节36谢谢观赏2019-8-7结束The End37谢谢观赏2019-8-7返回38谢谢观赏2019-8-7返回39谢谢观赏2019-8-7返回40谢谢观赏2019-8-7选择电液伺服阀时考虑以下因素：(1)所选伺服阀的供油压力不得低于系统的供油压力。(2) 选择伺服阀时要使阀的额定流量有10%的余量。(3)固有频率90 伺服阀的90相移频宽90至少应为系统
20、频宽的3倍。返回41谢谢观赏2019-8-71)伺服阀与缸之间的连接管道宜短、宜粗。这是因为管中油液的质量与粘滞效应，将以很大的系数（活塞有效面积与管道过流面积之比的二次方）折算到活塞杆上，而对系统的动态特性产生很大的影响。2)对于非对称缸，为了解决往复速度不等的问题，可采用阀套上有异形窗口的伺服阀。返回42谢谢观赏2019-8-7恒压油源可以用定量泵溢流阀或者用恒压变量泵组成。伺服系统经常工作在零点附近，所以液压泵站应采用节能方案。安全阀的设定压力应该比供油压力高出11.5MPa。液压泵站的输出流量应该包括：1)负载运动所需流量；2)伺服阀零耗流量；3)静压轴承耗油量；4)溢流阀保压时的溢流
21、量；5)阀、缸等的内泄漏量；6)采用旁通阻尼校正时的旁通流量。返回43谢谢观赏2019-8-7需要分析的性能有稳定性、快速性及控制精度。 1稳定性 列写系统的传递函数，根据系统特征方程的系数运用罗斯判据判定系统的绝对稳定性。绘制系统开环对数频率持性，运用奈奎斯特判据判定系统的相对稳定性。要求系统有1020dB的幅值裕度和4065的相位裕度。 2快速性 绘制系统闭环对数频率特性，据此求出系统的频带宽度（-3dB频宽和90相移频宽)，即可查明系统的快速性是否满足设汁要求。 3 控制精度 伺服系统的精度大致分为： 与输入输出元件有关的精度，包括输入信号的精度，反馈传感器的精度和加法器的精度。 与其它
22、内部元件有关的精度，取决于伺服放大器的漂移、电液伺服阀的零漂、反馈机构的传动间隙、负载摩擦力造成的死区等缺陷。 干扰引起的误差，是指伺服系统经历负载力、供油压力等的变化时，控制精度所受的影响。 控制原理方面的误差，是指系统前向通路中积分环节的阶数所决定的系统无差度。 算出总误差值后，判别所得到的精度是否已满足设计要求。如果不满足，则要返回到前面的步骤，改善元件特性和变更各项参数，甚至要增加补偿元件，或者重新研制系统控制方案。返回44谢谢观赏2019-8-7 伺服系统出厂之前必须进行系统调试。 1）对系统进行彻底的循环冲洗，把制造与安装过程中潜伏的污染物冲到过滤器上滤除。冲洗时暂不装伺服阀，而代
23、之以冲洗板。冲洗期间监视过滤器的堵塞情况，及时更换滤芯。一直冲洗到油液清洁度符合要求为止。伺服系统一般要求油液清洁度为NASl638的48级。 2）在调试过程中，逐渐提高系统压力，直到额定工作压力。要保证系统没有外泄漏。 3）在低压下接通放大器的电源开关，这时活塞移到一端。逐渐提高反馈增益，活塞应移到中间位置。如果活塞在一端不动，则可能是接成正反馈了。这时需把反馈信号线的两个线头对调一下，再试。 4）调整颤振信号的频率和振幅，使系统动作灵活。如果平衡位置不在中间位置，可窜动传感器外壳来调整机械零点。如果平衡位置与中间位置偏离不大，也可以旋动放大器上的调零旋钮，通过加偏流来纠正。 5）加入输入信
24、号，调整放大器上的输入增益旋钮，直到活塞位移量满意为止。 6）逐渐提高系统压力，同时依次调整颤振、增益、零点，直到系统能满意工作为止。 记录各工作参数各旋钮的位置，填写系统调试报告。 测定系统的频率响应、阶跃响应和控制精度，编写试验报告。返回45谢谢观赏2019-8-7 电液伺服系统比较复杂，设计成功来之不易，值得好生总结一下，整理出有关的技术文件。这些技术文件不仅是项目归档和售后服务必不可少的工作记载，也是一种知识和技能的积累，是以后技术工作的重要参考，必须充分重视，认真总结。 需要收集和整理的技术文件有： 1) 技术合同； 2) 项目计划任务书； 3) 设计计算说明书； 4) 施工图样； 5) 调试报告书； 6) 试验报告书； 7) 使用说明书； 8) 研制总结报告； 9) 技术鉴定书。返回46谢谢观赏2019-8-7
