1、机电液系统建模第第1 1节节 绪论绪论第第2 2节节 电液伺服阀建模电液伺服阀建模第第3 3节节 液压动力机构控制方式液压动力机构控制方式第第4 4节节 电液位置伺服系统建模与控制电液位置伺服系统建模与控制第1页，共71页。第第1节节 绪论绪论o一、液压控制系统工作原理应用及发展简介o二、液压控制系统组成o三、液压控制系统分类o四、液压控制系统特点第2页，共71页。1.1 液压控系统的基本工作原理液压控系统的基本工作原理o1.1.1 液压控制系统Dsp0p1CT2CT电磁换向阀调速阀工作台F第3页，共71页。Dsp0p工作台F伺服、放大、校正装置伺服阀测速电机ufuru指令电位器i指令元件校正
2、伺服放大伺服阀液压缸工作台测速电机rufuui0Qv第4页，共71页。第5页，共71页。小结o液压控制系统具有负反馈回路，它是一个负反馈控制系统。o液压控制系统的主要构成n包含有控制元件（例如伺服阀、滑阀等），执行元件（例如液压缸）o液压动力机构n液压动力机构油液压控制元件、执行元件、负载三者构成，称为液压动力机构。o液压控制概念n包含有液压动力机构的反馈控制系统，称为液压控制系统。第6页，共71页。1.2 液压控制系统的组成液压控制系统的组成o指令元件o反馈元件o比较元件o放大元件o执行元件o被控对象o校正装置第7页，共71页。1.3 液压控制系统分类液压控制系统分类o1、按偏差信号的产生与
3、传递介质可分为n机械液压控制系统（简称为机液控制系统）n电气液压控制系统（简称为电液控制系统）n气动液压控制系统（简称为气液控制系统）o2、按液压控制元件可分为n阀控系统n泵控系统第8页，共71页。1.3 液压控制系统分类液压控制系统分类o3、按被控物理量可分为n位置控制系统n速度控制系统n力控制系统n压力控制系统n其他物理量控制系统（温度、加速度等）第9页，共71页。1.3 液压控制系统分类液压控制系统分类o4、按输入信号不同可分为n伺服控制系统：输入信号不断变化，输出信号以一定准确度跟随输入信号变化的控制系统。n恒值控制系统：输入信号为常值或随时间缓慢变化，系统能克服外界干扰的影响，以一定
4、准确度将输出保持在希望的数值上的控制系统。第10页，共71页。1.4 液压控制系统的特点液压控制系统的特点o1.4.1 优点n功率重量比大，扭矩惯量比大（力质量）n液压执行机构响应速度快，系统频带宽。因液压固有频率高。n抗干扰能力强，液压系统刚度大，在外界干扰影响下，其变化小。n其他，润滑性好，散热性好。o1.4.2 缺点n液压元件要求加工精度高，造成制造成本高。n要求密封好，、否则引起系统泄漏。n液压易受污染，要求过滤精度高。n液压能源的获得与输送不向电能那样方便。第11页，共71页。第2节 电液伺服阀 一、概述：o1、作用：用于电液控制系统中n（1）信号转换：将电信号i变成液压信号QL、P
5、L。n（2）功率放大：将小功率电信号放大为大功率液压信号。n（3）控制元件：伺服阀液压量强度受输入电信号控制，从而控制进入液压执行机构中的流量、压力，推动负载运动。电子部分电液伺服阀液压执行元件反馈检测元件输入信号第12页，共71页。2、构成：o电液伺服阀由以下几部分组成：n（1）力矩马达：将电流i转换为力矩Td（或Fd）；n（2）力矩位移转换装置：将力矩Fd转换为挡板位移Xf；n（3）中间级液压放大器：推动滑阀阀芯（功率级）；n（4）功率级液压放大器：输出QL、PL。第13页，共71页。2、构成：o若阀中有一个中间液压放大器，为两级阀o若阀中有两个中间液压放大器，为三级阀第14页，共71页。
6、电液伺服阀工作原理o力反馈两级伺服阀 第15页，共71页。1）组成o力矩马达：导磁体、永久磁铁、控制线圈及衔铁等o力矩位移转换装置：弹簧管，挡板o中间液压放大器：固定节流孔、喷嘴、挡板组成的双喷嘴挡板阀，其负载是功率级滑阀。o功率液压放大器：阀芯及阀套组成的零开口四通滑阀。o衔铁，挡板，反馈杆组件：衔铁，挡板，弹簧管，反馈杆等组成。将力矩马达，中间级及功率放大级联系在一起，形成滑阀位置负反馈。o附件、油管等第16页，共71页。2)力反馈两级伺服阀工作过程第17页，共71页。2）两个控制线圈用法Ri2 Rcpi R电控功率cRcRicicRcRi第18页，共71页。2、两级滑阀式伺服阀 第19页
7、，共71页。电液伺服阀分类 o伺服阀分类方法很多，按伺服阀中含液压放大器个数分类如下：o1、单极伺服阀o2、两级伺服阀n 1）滑阀位置反馈o 力反馈式o 直接位置反馈式o 平衡弹簧式o 机械位置反馈式o 电气位置反馈式n 2）负载流量反馈n 3）负载压力反馈n 4）动压反馈o3、三级伺服阀第20页，共71页。力反馈两级伺服阀 第21页，共71页。动铁式单级伺服阀第22页，共71页。动圈式单级伺服阀第23页，共71页。力反馈两级伺服阀 12437NS9fx10111256vx13Bsp0pA第24页，共71页。直接反馈两级伺服阀第25页，共71页。弹簧对中式两级伺服阀 第26页，共71页。机械反
8、馈两级伺服阀 第27页，共71页。2 电液伺服阀传递函数 n由两种阀传递函数式可知，基本形式相同，仅参数具体表达式不同。n即不是一阶环节也不是二阶环节，是三阶动态函数。o 工程上根据系统工作频宽及伺服阀频宽可将其近似为如下三种：A)Ksv 比例环节 iQ B）惯性环节 1sKiQC）振荡环节 1222ssKiQ第28页，共71页。4）电液伺服阀静态方程lsPP sP PvRlsKiPPPvQl=Ki Qon=KiR 额定负载流量 式中：iR-额定电流 -阀压降 额定空载流量Qln=KiR第29页，共71页。3伺服阀选择方法及使用注意事项 一伺服阀选择方法根据执行元件所需最大负载流量Qlm与最大
9、负载压力Plm计算伺服阀的阀压降，再根据已知参数Qlm和PV，折算为伺服阀样本对应参数Qls及Pvs，按样本给出的阀压降Pvs和额定负载流量Qls确定伺服阀型号及规格。1、根据伺服阀尽可能工作在线形区，一般选择油压力为Ps=3Plm/2 Ps不能超过额定压力 2、计算阀压降PV=Ps-Plm 3、根据样本给出的阀压降PVs及参数Qlm、PV求伺服阀流量：Qls=Qlm vvspp4、选伺服阀电流icm 5、根据已知参数icm、PVs、Qls选择阀型号及参数 第30页，共71页。第第3 3节节 液压动力机构液压动力机构o液压动力机构由液压控制元件、液压执行元件和负载构成，液压控制元件可以是液压控
10、制阀、也可以是变量泵，执行机构有液压伺服缸，液压伺服马达。o动力机构控制方式有两种，即n1、泵控，又称为容积控制，它是通过改变泵的排量来控制输入执行机构的流量，控制执行机构运动速度。在泵控系统中，系统压力取决于负载。n2、阀控，又成为节流控制，它是用伺服阀控制输入执行机构的流量，控制执行机构的运动速度。在阀控系统中，液压源通常是恒压源。第31页，共71页。3.1 阀控液压缸o图3.1四通阀控液压缸第32页，共71页。3.1.1 阀控液压缸动力机构基本方程o1 1、滑阀流量方程、滑阀流量方程o2 2、液压缸连续性方程、液压缸连续性方程o3 3、动力机构力平衡方程、动力机构力平衡方程第33页，共7
11、1页。3.1.2 3.1.2 阀控液压缸动力机构方块图、传阀控液压缸动力机构方块图、传递函数及状态方程递函数及状态方程o1、动力机构方块图、动力机构方块图o2、阀控液压缸动力机构的传递函数、阀控液压缸动力机构的传递函数 o3、阀控液压缸动力机构的状态方程、阀控液压缸动力机构的状态方程 由动力机构传递函数列写状态方程(2)由动力机构方块图直接列写状态方程 第34页，共71页。阀控液压缸动力机构的传递函数阀控液压缸动力机构的传递函数22222232)(4)(1 4)(4ACKKsAKVACKBsAVBACKmsAmVAKXYtecetteccetctecetqvr3.7 222222322)(4)
12、(1 4)(4)4(1ACKKsAKVACKBsAVBACKmsAmVsVCKAFYtecetteccetctecetettecf3.8 222222322)(4)(1 4)(4)4(1ACKKsAKVACKBsAVBACKmsAmVFsVCKAXAKYtecetteccetctecetettecvq3.9 222222322)(4)(1 4)(4)(ACKKsAKVACKBsAVBACKmsAmVKsBmsAKXPtecetteccetctecetcqvL第35页，共71页。阀控液压缸动力机构方块图vxqKsVCKettec41AKsBmsc21AsLpFYQ第36页，共71页。动力机构方块
13、图直接列写状态方程动力机构方块图直接列写状态方程 vxqKsVCKettec41AKsBmsc21AsLpFYQgFrefe第37页，共71页。o2 2、动力机构传递函数简化形式、动力机构传递函数简化形式o1 1）振动台、火炮、雷达天线）振动台、火炮、雷达天线0K)12()4(1222sssFsVKAXAKYhhhetcevqmVABVmAKetcteceh4tecceCKK1/2AKBcec因为在低频区可把阀控液压缸看成是一个阻尼系数为 的粘性阻尼器，表征阀控液压缸作为阻尼缸工作时的特性，并等于稳态速度刚度 2A/ceK24hehtKAmV m第38页，共71页。2 2）电液疲劳试验机、轧机
14、液压压下系统）电液疲劳试验机、轧机液压压下系统0K1)/1(2hcecKKAKB因为)12(/)/1()4(10020222ssAKKsKKFsVKAXAKYcehetcevqhhhmKK/10mKm/)/1(42100mBKKVKchtcee也可以写成另一种形式)12)(1()(100202212sssFsKAXAKYrcevq214AKKVKcehtcee液压弹簧刚度与液压阻尼之比 22ceKKA负载刚度与阻尼系数之比)/1/1/()11/(1221hcerKKAK液压弹簧刚度和负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数之比 3.15 第39页，共71页。阀控液压缸动力机构的频率特性分析阀控液压缸
15、动力机构的频率特性分析o负载刚度为零（k=0）时的频率特性22()2(1)qhhhKAW ssss1101001000-100-80-60-40-200204060幅 值（dB)频率（弧度秒）1101001000-270-225-180-135-90相角（度）频率（弧度秒）第40页，共71页。负载刚度为不为零（）时的频率特性 0.010.11101001000-120-100-80-60-40-20020幅 值(dB)频率（弧度秒）0K 2022002(1)(1)qvrKXAYsss0.010.11101001000-270-225-180-135-90-45045相角（度）频率(弧度秒）第4
16、1页，共71页。阀控液压缸的动态特性 传递函数Y F表示外加扰动力的变化对输出位移的影响，称为阀控液压缸的动态柔度特性。式中负号表示外扰动增加将引起液压缸速度降低。F/Y的倒数，称为动态刚度，动态刚度表示一个系统的抗干扰能力，动态刚度越大，其抗干扰能力越强。动态刚度的传递函数为：2222hh22cehhcehht122AsAsss 1ss 1KKFYVs114ecesK1,A/KKV/K2cehtcee=4 当K=0，时，则 =，一般 。0Be1h2h 1h第42页，共71页。图3.7 传递函数F/Y双对数图-40-20020406080Magnitude(dB)10-110010110210
17、3180225270315360405Phase(deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)第43页，共71页。sp0piFcBy/D A计算机m比例放大器Rvfv加法器4.1 系统的组成与方块图系统的组成与方块图第第4节节 电液位置伺服系统电液位置伺服系统第44页，共71页。4.1 系统的组成与方块图系统的组成与方块图o4.1.14.1.1系统职能方块图系统职能方块图计算机/D A伺服放大器伺服阀油缸负载位移传感器Ei0Qy第45页，共71页。4.1.2 系统传递函数方块图系统传递函数方块图液压缸及负载 22/2(1)hhhYL ASQSs伺服阀 2221svvv
18、vKQSi伺服放大器 1aaKiSE电流负反馈 位移传感器 ffVKY加法器 RfEVV第46页，共71页。14cetecekVsAk2221svvvvKss1aaKs221/21hhhAsssfKRvfvI0Qy液压缸与负载伺服阀伺服放大器反馈位移传感器F4.1.2 系统传递函数方块图系统传递函数方块图第47页，共71页。系统简化方块图14cetecekVsAk221/21hhhAsssRvfvI0Qy液压缸与负载伺服阀伺服放大器反馈位移传感器FfKaKsvK1/fKpv假设：1响应伺服阀 hv2采用耐高压晶体管输出电流负反馈伺服放大器 va1）按第二章动力机构参数选择方法。A、Ksv、Kc
19、e、Vt、均为已知。hhe2）Kf、Ka根据系统性能要求定 第48页，共71页。4.2 系统动态分析系统动态分析4.2.1稳定性分析稳定性分析2221vshhKWsss1vfasvKK K KA22221lg201lg20lg20hhhvKh021lg20hhvK121hhvKhhvK2第49页，共71页。2.01.0hhvK)4.02.0(根据稳定性要求，Kf、Ka值可定 8070dbKg126第50页，共71页。系统开环伯德图1101001000-80-60-40-2002040幅 值（dB)频率（弧度秒）1101001000-270-225-180-135-90相角（度）频率（弧度秒）第
20、51页，共71页。4.2.2闭环频率响应闭环频率响应221211pncbncncYRsssnch用图解法求（或用计算机求解）得bvK第52页，共71页。第53页，共71页。系统闭环伯德图1101001000-80-60-40-20020幅 值(dB)频率（弧度秒）1101001000-270-225-180-135-90-45045相角（度）频率（弧度秒）B第54页，共71页。当 ，放大系数为100时，其闭环刚度特性曲线如图所示。100nc2.0nc20()()vcewK AF jwY jwK22212111vnccebncncK AsssKFYs2min2()()ncvceK AF jwY
21、jwK第55页，共71页。闭环刚度特性曲线 0.11101001000110100100010000双对数坐 标幅 值（F/Y)频率（弧度/秒）第56页，共71页。4.2.3 瞬态响应瞬态响应 由闭环传递函数，当系统输入为单位阶跃输入时，可求出 11sin1)(1cos11)(222btncncncncncnctettetyncnc)2(2ncncncb第57页，共71页。4.3系统误差分析系统误差分析 4.3.1系统稳态误差分析系统稳态误差分析 由自动控制原理可知，单位反馈系统稳态误差为)()()()(sFsRstyfpvncncnchhhKsssssssGsGsGs)12()12()(11
22、)(1)(1)(2222vncncncceetceKssssKVAKFYsf)12()14()(222利用终值定理)()(lim0sRsss第58页，共71页。可求得系统的稳态误差。也可以利用误差系数表示，将误差传递函数用台劳公式展开可得 kiipfiipliitFictRicty0)()(0)(!)(!)()0()(iic)0()(iffic00cvKc1122122vhhvKKc)411(62233hvhvvKKKch20AKKcvcef)14(221cetevvcefKVKAKKc4.3.1系统稳态误差分析系统稳态误差分析第59页，共71页。4.3.2系统静态误差分析系统静态误差分析 静
23、态误差分为动力机死区构静态误差、伺服阀死区静态误差、阀和放大器零漂静态误差、检测静态误差等 1、动力机构死区静态误差 设动力机构静摩擦力为 fF为了克服静摩擦力所需的压差增量为 AFpfL由于液压缸泄漏和 附加的流量为 cKceLLKpQceccecKK为了产生附加流量所需的伺服阀电流为 LsvQKi1svcefsvceLsvLAKKFKKpKQi1i由于静摩擦力引起的死区，这算为伺服阀输入电流。11fceafafsvF KiyK KAK K KfvceFAKK2AKKKKsvfav1开环增益 cevKAK2系统静态刚度 第60页，共71页。RVfK1fKaKKsv1i)12(/122sssA
24、hhh2、伺服阀死区静态误差 阀死区电流设为 2i静态误差为 22afiyK K3、阀和放大器零漂静态误差 零票电流设为 3i静态误差为 33afiyK K123123iafiiiyyyyK K afK K系统电气部分增益4.3.2系统静态误差分析系统静态误差分析 第61页，共71页。4、检测元件静态误差传感器误差直接反映在系统的输出上 yy则总的静态误差为：iyyyy 静一般误差分配时，要求 静y1/2系统允许的误差 4.3.2系统静态误差分析系统静态误差分析 第62页，共71页。4.4 具有弹性负载的电液位置伺服系统具有弹性负载的电液位置伺服系统具有弹性负载的电液位置伺服系统动力机构数学模
25、型第63页，共71页。RVV伺服放大器伺服阀液压缸y负载位移传感器系统职能方块图 职能方块图第64页，共71页。4.4.2系统传递函数系统传递函数 1、动力机构传递函数)12)(1(002020sssKKAQYrcehhKK10)/1(42100mBKKVKchtceemVKKABVmKKAKethctehce2/12/3)1(4)1(2(1)cerhKKKAK第65页，共71页。2、伺服放大器传递函数 1aasKVi3、伺服阀传递函数 12220ssKiQvvvsv4、位移传感器传递函数 ffKyV5、加法器 fRVVV4.4.2系统传递函数系统传递函数 第66页，共71页。图4.12具有弹
26、性负载的电液位置伺服系统方块图 RVVy1aasK1222ssKvvvsv)12)(1()/(00202sssKKArcefK第67页，共71页。系统简化方块图 RVVy)12)(1()/(00202sssKKArcefK1aKfKsvK0Qhvah第68页，共71页。4.4.4开环传递函数开环传递函数20200()2(1)(1)afvcerAK K KKKW ssss1、系统为零型系统，最低转角为 r2、与无弹性负载的动力机构系统相比较，无弹性负载系统中的积分环节变为低频惯性环节。3、工作中，由于偏离零位引起的阀系数 、变化，造成频率特性的变化 qKceK（2）的变化对系统特性有较大的影响，
27、上升，增益下降，=上升，不变，不变，上升。有利于系统的稳定。)1(KvKAKKce)1(vsvafcKKAKKK（1）变化、的变化使幅频特性上下移动。qKsvKceKceKr00第69页，共71页。图4.14具有弹性负载的电液位置伺服系统开环波德图(幅频特性曲线)1101001000-80-60-40-20020幅 值（dB)频率（弧度/秒）（3）弹性负载K的影响 K上升，系统开环增益下降，上升，下降，上升，上升，有利于系统的稳定，但频宽下降，系统快速性变差。rc00第70页，共71页。图4.14具有弹性负载的电液位置伺服系统开环波德图(相频特性曲线)1101001000-270-180-900相角（度）频率（弧度/秒）第71页，共71页。
