1、第一节液压控制系统的原理与组成第一节液压控制系统的原理与组成 液压控制系统按不同的使用控制元件分类,可分为伺服控制系统、比例控制系统和数字控制系统三大类。一、液压控制系统的原理一、液压控制系统的原理 图1-1 所示是一个液压自动控制的举重系统原理图,系统由液压能源、四通滑阀(伺服阀)、液压缸等组成,杠杆上端A 为操作者操纵端,下端B 与重物支架相连。当操作者将杠杆压到某个位置时,四通滑阀的进油窗口被打开,液压能源的液压油液便经四通滑阀进入液压缸下腔,产生一个向上的力,从而推动重物G 上升,同时也带动杠杆B 端上升,因而四通滑阀阀芯逐渐关小进油窗口。当进油窗口完全关闭时,重物G 就停留在对应位置
2、(此时,进油窗口被封死)。如果由于油液泄漏等原因重物有些下降,则杠杆又自动将进油窗口打开,于是重物又开始上升,直到恢复原位。这种液压自动控制的举重系统,是一个力的放大器,可以举起人所图1-1液压自动控制的举重系统无法举起的重物,不仅操纵自如而且人可以离开,又因重物的举升高度与四通滑阀阀芯的位置一一对应,所以升降的高度相当准确。由于这种系统能够自动地完成人的某一工作,因此,该举重系统被称之为液压自动控制系统或者液压伺服系统。第一节液压控制系统的原理与组成第一节液压控制系统的原理与组成 图1-2 所示为一机床工作台液压伺服控制系统原理图,系统的能源为液压泵1,它以恒定的压力(由溢流阀2 设定)向系
3、统供油。液压动力装置由伺服阀(四通控制滑阀)和液压缸组成。伺服阀是一个转换放大元件,它将电气-机械转换器(力马达或力矩马达)给出的机械信号转换成液压信号(流量、压力)输出并加以功率放大。液压缸为执行器,其输入的是压力油的流量,输出的是拖动负载(工作台)的运动速度或位移。与液压缸左端相连的传感器用于检测液压缸的位置,从而构成反馈控制。第一节液压控制系统的原理与组成第一节液压控制系统的原理与组成二、液压控制系统的组成二、液压控制系统的组成一个实际的液压控制系统不论如何复杂,都是由一些基本元件构成的,并可用图1-3 所示的框图表示。这些基本元件包括输入元件、检测反馈元件、比较元件及转换放大装置(含能
4、源)、执行器和受控对象等部分,各组成部的作用见表1-1。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合液压控制系统的类型繁杂,可按不同方式进行分类,见表1-2。每一种分类方式均代表一定特点。各种类型液压控制系统的特点、实例及应用场合如下所述。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合一、位置控制、速度控制及加速度控制和力及压力控制系统一、位置控制、速度控制及加速度控制和力及压力控制系统液压控制系统的被控制量有位置(或转角)、速度(或转速)、加速度(或角加速度)、力(或力矩)、压力(或压差)及其他物理量。一个具体的液压控制系统,其被控物理量与控制对象及系统的用途和
5、工艺要求有关,有的系统可能存在可切换的两个被控制量。二、闭环控制系统和开环控制系统二、闭环控制系统和开环控制系统采用反馈的闭环控制系统(示例参见图1-2),由于加入了检测反馈,具有抗干扰能力,对系统参数变化不太敏感,控制精度高,响应速度快,但要考虑稳定性问题,且成本较高,多用于系统性能要求较高的场合。不采用反馈的开环控制系统(图1-4),不存在稳定性问题,但不具有抗干扰能力,控制精度和响应速度由各组成元件的特性和它们的相互作用来确定,控制精度低,但成本较低,用于控制精度要求不高的场合。对于闭环稳定性难以解决、响应速度要求较快、控制精度要求不太高、外干扰较小、功率较大、要求成本低的场合,可以采用
6、开环或局部闭环的控制系统。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合三、阀控系统和泵控系统三、阀控系统和泵控系统阀控系统又称节流控制系统,其主要控制元件是液压控制阀,具有响应快、控制精度高的优点,缺点是效率低,特别适合中小功率、快速、高精度控制系统使用。按照使用的控制阀不同,液压控制系统可分为伺服控制系统(控制元件为伺服阀)、比例控制系统(控制元件为比例阀)和数字控制系统(控制元件为数字阀)三大类。图1-2 所示为采用伺服阀的伺服控制系统;图1-5 所示为电液比例控制系统的一般技术构成框图,其中液压转换及放大装置可以是比例阀,也可以是比例变量泵;图1-6 所示为采用增量式数字
7、阀的数字控制系统。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合泵控系统又称容积控制系统,其实质是用控制阀去控制变量液压泵的变量机构,由于无节流和溢流损失,故效率较高,且刚性大,但响应速度慢、结构复杂,适用于小功率而响应速度要求不高的控制场合。泵控系统示例如图1-7 所示,它是一个位置控制系统。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合四、机械液压控制系统、电气液压控制系统和气动液压控制系统四、机械液压控制系统、电气液压控制系统和气动液压控制系统机械液压控制系统简称机液控制系统,其原理框图如图1-8 所示,它由液压和机械两部分组成,系统中的给定、反馈和比较元件都
8、是机械构件。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合 图1-9 所示为一个典型的机液控制系统原理图,系统用于控制车床仿形刀架。具有某种形状的模板(俗称靠模)作为系统的输入。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合 电气液压控制系统简称电液控制系统,如图1-10 所示,它由电气及液压两部分组成,系统中偏差信号的检测、校正和初始放大都是采用电气、电子元件来实现;系统的心脏是电液控制阀,按系统所用电液控制阀的不同,电液控制系统可分为电液伺服系统(参见图1-2)、电液比例系统(参见图1-5)和电液数字系统(参见图1-6)。它们的详细分类、构成及特点见表1-3。第
9、二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合 气动液压控制系统简称气液控制系统,它由气动和液压两部分组成,系统中信号的检测和初始放大均采用气动元件实现。气液控制系统具有结构简单,测量灵敏度高,工作可靠,可在高温、振动、易燃、易爆等恶劣环境下工作等优点,但需要压力气源等附属设备。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合五、连续量控制系统和离散量控制系统五、连续量控制系统和离散量控制系统 连续量控制系统中各变量均为时间的连续函数;离散量控制系统中某些变量是用脉冲调制形式表达的。当采用电液数字阀时,必然是离散控制系统。用计算机控制电液伺服阀或电液比例阀的控制系统,实
10、质上也是离散的控制系统,系采用脉幅调制形式进行控制。六、时变系统与时不变系统六、时变系统与时不变系统 时变与时不变(定常)系统由控制系统本身决定。时变系统如运行中的导弹由于燃料消耗使自身质量随时间而变化、机械手在运动过程中随着位置的不同转矩也随之变化等。七、直线运动控制系统和回转运动控制系统七、直线运动控制系统和回转运动控制系统 按照执行器的不同,液压控制系统可分为直线运动控制系统和回转运动控制系统。前者以液压缸作为执行器,后者以液压马达或摆动液压马达作为执行器。第二节控制系统的类型及适用场合第二节控制系统的类型及适用场合 液压缸是一种实现直线运动的常用执行器,由于配置方便,不但用于一维控制(
11、图1-9),还经常用于二维、三维控制。如图1-11 所示,采用二组伺服阀2、液压缸1 及传感器3,在仿形铣床上,x 及z 方向的液压缸运动就是工作台的纵向和横向进给,y 方向的液压缸运动即为升降台的升降运动,从而实现了立体形状的仿形加工。第三节液压控制系统的优缺点第三节液压控制系统的优缺点一、液压控制系统的优点一、液压控制系统的优点(1)易于实现直线运动的速度、位移及力控制。(2)驱动力、力矩和功率可很大。(3)尺寸小、质量轻、加速性能好。(4)响应速度高。(5)控制精度高。(6)液压能的储存方便,从而可减少电气设备的装机容量。第三节液压控制系统的优缺点第三节液压控制系统的优缺点二、液压控制系
12、统的缺点及克服办法二、液压控制系统的缺点及克服办法(1)油液易受污染。研制抗污染的伺服阀是解决这个问题的最好办法。(2)伺服元件的加工精度高、制造成本高。研制结构简单、性能优良的廉价工业用伺服阀,应是研究人员及制造厂的目标。(3)外漏将使油液散失,造成环境污染,并有引起火灾的危险。完善的设计、良好的维护是解决这些问题的根本。(4)液压控制系统的分析、设计、调整和维护都要求较高的技术水平。提高教育水平,是推广和用好液压控制系统的保证。第三节液压控制系统的优缺点第三节液压控制系统的优缺点三、电液控制系统是最理想的控制系统三、电液控制系统是最理想的控制系统 由液压控制的特点及优缺点分析可知,液压控制
13、的吸引力主要在于其动力元件性能上具有很大的优势,但在能源,信号的检测、变换与处理,增益的调整,系统的综合、校正,遥控诸方而则不如电气系统。电液控制系统最大限度地发挥了流体动力在大功率动力控制方面的特长和电气系统在信息处理方面的优势,从而构成了以电气为神经”,以液压为“筋肉”的最理想的控制系统。随着高起动转矩、高调速比的高性能直流电动机的问世,目前在小功率的控制场合,电气控制系统已处于有利形势。而在大功率、高精度、高响应的控制场合,电液控制系统仍居主导地位。第四节汽车中的液压伺服控制系统第四节汽车中的液压伺服控制系统一、汽车防抱死制动系统一、汽车防抱死制动系统(ABS)ABS 液压系统组成如图1
14、-12 所示,主要由ABS 控制器(包括电子控制单元、液压元件、液压泵等)、四个车轮的转速传感器、ABS 故障警示灯、制动警告灯等组成。ABS 制动压力调节装置工作原理:制动压力调节装置(简称液压调节器)主要由8 个2 位2 通调压电磁阀、1 个双联式电动液压柱塞泵、2 个储液室、2 个低压储能室、1 个电动液压泵和几个止回阀等组成,如图1-13 所示。电动液压泵转速传感器产生的转速信号输入ECU,供ECU 监测电动液压泵的运转情况,液压调节阀通过管路与制动主缸和各制动轮缸相连。第四节汽车中的液压伺服控制系统第四节汽车中的液压伺服控制系统 在制动过程中,如果电子控制单元(ECU)根据车轮轮速传
15、感器输入的车轮转速信号判定是否有车轮趋于制动抱死倾向,需要调节制动轮缸的压力时,ECU 就使该制动轮缸相对应的进液电磁阀或出液电磁阀换位,并自动按以下情况分别进行判断、处理:(1)保压过程当ECU 通过转速传感器得到信号识别出车轮有抱死倾向时,ECU 发出控制信号关闭相应车轮的进液电磁阀,并让出液电磁阀继续保持关闭状态,该制动轮缸中的制动液被封闭而使制动压力保持一定。(2)减压过程如果在保压阶段车轮仍有抱死倾向,则ABS 进入降压阶段。此时ECU发出控制指令使该制动轮缸相应的进液电磁阀和出液电磁阀都通电换位(进液电磁阀处于断流,出液电磁阀处于导通)该制动轮缸中的部分制动液就会通过出液电磁阀流入
16、低压储能室,使制动轮缸的制动压力随之减小。与此同时液压泵也开始工作,把低压储能室的制动液重新泵回制动主缸以补偿制动踏板行程损失,此时制动踏板出现抖动(有抬升或反弹感),车轮抱死程度降低,轮速上升。此过程结束液压泵随之断电停止工作。第四节汽车中的液压伺服控制系统第四节汽车中的液压伺服控制系统(3)增压过程为了达到最佳制动效果,当车轮轮速达到一定值后(与设定的门限值比较),ECU 再次发出控制指令使该制动轮缸相应的进液电磁阀和出液电磁阀都断电,使进液电磁阀处于通流状态,出液电磁阀处于断流状态,制动主缸输出的制动液就会通过进液电磁阀进入制动轮缸,该制动轮缸的制动压力随之增大,车轮再次被制动,轮速下降。第四节汽车中的液压伺服控制系统第四节汽车中的液压伺服控制系统二、液压式动力转向系统二、液压式动力转向系统液压转向原理如图1-14 所示。三、自卸汽车液压系统三、自卸汽车液压系统自卸汽车货箱举升液压系统如图1-15 所示。第四节汽车中的液压伺服控制系统第四节汽车中的液压伺服控制系统四、液压悬架控制系统四、液压悬架控制系统液压悬架控制系统如图1-16 所示。
