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1、 1 数控拉床液压系统的维修与维护数控拉床液压系统的维修与维护 全套学习资料全套学习资料 2 第一章第一章 绪绪 论论 （2 学时） 第一节第一节 液压系统类型及特点液压系统类型及特点 一、液压系统分类 1、液压传动系统：利用密封容腔内受压状态的液体介质传递动力和运动的传动 方式称为容积式液压传动简称液压传动。 特点：对传递动力和运动没有严格的精度要求。通过对组成系统元件的合理 组合和选择，可以实现多动、联动，达到预想动作要求，属于逻辑控制设计。输 入量为开关量。不能进行过程中连续量调节。 2、 液压控制系统 液压控制系统是以液压动力元件作为驱动装置， 实现执行元件的输出物理量 能以一定速度和

2、精度跟随输入信号的控制系统。 实现输出量随输入量连续变化。 各种机械量有：位移、速度和力； 系统类型包括：比例、伺服、数字控制系统； 根据对输出的响应速度和精度不同要求，系统可设计成开环或闭环控制方式。 二、开环控制系统 定义： 控制系统只是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在全部控制过程中 对控制量不产生任何作用。 特点： 对于被控制量相对其预期值可能出现的偏差， 系统不具备自动修正的能力。 在液压控制中，需要实现参量的连续可调，但对控制精度和响应速度要求不高， 通常可采用如下两种控制方式： 1、 液压比例控制系统 定义： 液压比例控制系统是指系统输出信号与系统输入信号成比例的连续液压参

3、量调节控制系统。通常由电液比例阀组成的液压控制系统称为液压比例控制系 统。 输入量为连续量。响应慢，价格便宜，成本低。控制简单。 电液比例阀：用比例电磁铁取代普通开关型液压阀的手动调节装置或普通电磁 铁； 图 1-1 液压比例控制系统 可对液压参量进行远距离连续控制。 电液比例阀将手动调节压力、流量等参数的压力阀、流量阀改为电动调节并使被 调整参数和给定的电量(通常是电流)成比例。 比例阀主要用于实现液压系统中压力、流量等参数的遥控和自动控制。 3 2、电液数字控制系统 采用步进电动机作为数/模(DA)转换装置将电脉冲信号转换成相应的角位移或 线位移,的液压动力元件驱动装置。 （1）电液数字阀

4、 由数字信号直接控制的液压阀，称为电液数字阀。 （2）电液步进电机数字控制液压缸 图 1-2 电液数字控制系统 将液压缸与控制阀、检测元件等集成为一体，组成复合式液压缸，数字信号控制 的电液步进液压缸。 特点： 自动化控制技术和机电液一体化技术； 结构简单、控制精度高、缩小体积、提高动态性能和减少污染。 三、闭环控制系统（反馈控制系统） 定义： 利用通过反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制方法称为反 馈控制原理。 特点： 控制量通过控制器去控制被控制量，而被控制量又被反馈到输入端通过负 反馈产生偏差，继而偏差再经过控制器的适当变换去控制被控制量。 对物体某些机械量形成了一个闭合的自动

5、控制系统，通常称为伺服控制系统： Servo n. 伺服的, 随动的, 补助的 伺服, 伺服系统 定义： 狭义上讲，伺服系统是指输出信号能以一定精度跟随输入信号的机械控 制系统(跟随系统)。 伺服系统根据驱动装置不同，分为电机伺服控制系统和液压伺服控制系统。 电机伺服控制系统 采用电机及机械装置作为为驱动装置的控制系统； 直流伺服电动机的控制系统如图 l3 所示，输出量：位移、速度等 用检测元件进行检测并反馈， 采用反馈控制，给系统带来了稳定性问题， 动态性能和控制精度都得到提高，可获得高性能的控制 1-3 电机伺服控制系统 4 1-4 电机伺服控制系统 第二节第二节 液压伺服控制系统的组成及

6、工作液压伺服控制系统的组成及工作原理原理 液压伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的机械量自动控制系统。 作用：1、输出量(位移、速度、力等)能够自动地、快速而准确地复现输入量的 变化规律； 2、输入信号进行功率放大。 一、一、 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理 例 1机液伺服控制系统 1-5 机液伺服控制系统 （一）液压伺服控制系统组成 液压泵、溢流阀、四边滑阀、液压缸构成液压驱动系统。 四边滑阀体、液压缸体一体构成机械反馈回路。 基本参数：xi，xv，xp，Ap，FL 图 1-5 机液伺服控制系统原理图。 （二）元件作用： 1、液压泵 4 是系统的能源，恒定的压

7、力向系统供油 2、溢流阀：供油压力调定。 3、四边滑阀：信号转换功率放大元件 4、液压缸：执行元件，缸体运动，活塞固定。 （三）系统工作原理： 1）初始状态： 滑阀阀芯中间位置阀的四个窗口均关闭阀没有流量输出液压缸不动， 5 输出为零。 1-6 机液伺服控制系统工作原理 2）阀芯右移 阀芯输入位移向右移动 xi窗开口量 xv 压力油窗口 a 进入液压缸右腔 推动缸体右移 xp，液压缸左腔油液经窗口 b 回油。 当输出是缸体运动位移 xp时，阀芯位移 xv为零，缸体不动。 此时有：xp= xv 1-7 机液伺服控制系统工作原理 3）阀芯左移 阀芯输入位移向左移动 xi窗开口量 xv压力油窗口 b

8、 进入液压缸右腔 推动缸体左移，液压缸左腔油液经窗口 a 回油。 当输出是缸体运动位移 xp时，阀芯位移 xv为零，缸体不动。 此时也有：xp= xv 4）结果：液压缸输出位移对阀芯输入位移作跟随运动 输出位移 xp自动地而准确地复现输入位移 xi的变化， 阀体与液压缸缸体刚性 连结，构成负反馈闭环控制系统。 液压缸的输出偏差来消除控制偏差，这就是反馈控制的原理。 如果将滑阀阀体与液压缸缸体分开，不构成反馈回路；输出位移 xp就不能复现 输入位移 xi的变化。 1-8 机液伺服控制系统没有机械反馈 （四）系统功能： 输入的机械信号(阀芯位移) xi 输出是缸体即负载的运动位移 xp。 滑阀阀体

9、与液压缸缸体刚性连结在一起，构成反馈回路，是个闭环控制系统。 系统功能：以一个极小的控制信号驱动极大的负载，按照要求的规律移动，完成 控制信号的功率放大。 （五）系统工作原理方块图，图 12 6 1-9 系统工作原理方块图 方块图表明：系统的结构和组成；信号传递路径；信号的转变状况。 （六）系统类型 1）输出量是位移，故称位置伺服控制系统。 2）输入、出信号和反馈信号均由机械构件连接实现，机械液压伺服系统。 3）液压控制元件为滑阀，节流原理工作，称节流式或阀控式液压伺服系统。 （七）阀缸的配置形式是控制系统性能的关键。 问题：系统驱动负载的能力和系统跟随的快速性受那些因素的影响？ 答案：阀缸配

10、比是关键； 缸面积和供油压力大，驱动负载能力强； 阀的输出流量和缸面积决定缸运动快慢即负载响应速度； 例 2变反馈增益的机液伺服控制系统 滑阀阀体与液压缸活塞由刚性杠杆连结在一起，构成反馈回路，是个闭环控制系 统。 双出杆缸使控制对称； 输出是活塞运动速度(或位移) xp相对输入的机械信号(阀芯位移) xi构成反馈回 路, 同样有复现信号和功率放大双重作用。 活塞运动位移 xp相对输入的机械信号 xi比例关系： 输入的机械信号(阀芯位移) xi ：阀芯位移 xv =（b/b+a）xi 输出的机械信号(阀芯位移) xp ：活塞位移 xp =（b+a / a）xv 输入的机械信号 xi相对输出是活

11、塞运动速度(或位移) xp信号比称为系统反馈放 大增益. Kf = xi /xp =a/b 反馈放大增益对闭环控制系统的影响 反馈放大增益大，输出信号 xp小；反馈放大增益小，输出信号 xp大。 系统速度：Kf反馈放大增益大，系统响应快。 1-10 变反馈增益的机液伺服控制系统 例 3液压仿形机床 分析内容： 液压伺服控制系统组成； 元件作用：液压泵、溢流阀、二边滑阀、液压缸构成液压驱动系统。 系统工作原理； 初始状态： 滑阀阀芯中间位置阀的二个窗口均关闭阀没有流量输出液压 7 缸不动，输出为零。 阀芯右移：阀芯输入位移向右移动 xi窗开口量 xv 压力油窗口 a 进入液压 缸右腔推动缸体右移

12、 xp，液压缸左腔油液经窗口 b 回油。 当输出是缸体运动位移 xp时，阀芯位移 xv为零，缸体不动。 此时有：xp= xv 仿形头：输入的机械信号(阀芯位移) xi 加工刀具：输出是缸体运动速度(或位移) xp 结果：输出位移 xp自动地、快速而准确地复现输入位移 xi的变化，阀体与液压 缸缸体由连杆刚性连结，构成负反馈闭环控制系统。 1-11 液压仿形机床 例 4汽轮发电机调速系统 1-12 汽轮发电机调速系统 离心调速器 1 检测发电机组转速，电负荷增大、发电机反力矩增大，致使机 组速度降低时， 调速器飞球下垂， 阀芯下移， 活塞杆带动汽阀片上移， 开大汽阀， 增大进气量，直至机组速度恢

13、复；使电频率稳定；反之亦然。设定弹簧用于调节 转速的设定值。 船舶柴油机调速系统原理相似 例 5汽车转向助力系统 8 1-13 汽车转向助力系统 例 6双电位器电液位置伺服系统 （一）液压伺服控制系统元件组成 图 13 工作原理图。系统控制工作台(负载)的位置。 1-14 双电位器电液位置伺服系统 1、指令电位器 输入位移指令； 2、反馈电位器 检测位移，发出位移信号； 3、电子放大器 放大偏差信号； 4、电液伺服阀 功率放大 5、液压缸：执行元件。 6、工作台：负载 （二）系统工作原理： 1）初始状态： 指令电位器xi为零桥式电路平衡偏差信号ue为零滑阀阀芯中间位置 阀的四个窗口均关闭阀没有

14、流量输出液压缸不动。 2) 指令电位器 xi右移 指令电位器 xi右移桥式电路不平衡产生偏差信号+ue放大偏差信号 阀芯右移动压力油进入液压缸右腔 xp推动缸体右移ue为零； 3) 指令电位器 xi左移 指令电位器 xi左移桥式电路不平衡产生偏差信号-ue放大偏差信号 阀芯左移动压力油进入液压缸左腔 xp推动缸体左移ue为零。 （三）系统工作原理方块图，图 14 信号变化和传递路程，从指令到负载的元 件连接和信号传递。 1-15 双电位器电液位置伺服系统工作原理方块图 9 （四）系统类型 1）输出量是位移，故称位置伺服控制系统。 2）输入信号和反馈信号均由电器连接实现，电器液压伺服系统。 3）

15、液压控制元件为滑阀，节流原理工作，节流式或阀控式液压伺服系统。 （五）阀缸的配置形式是控制响应速度的关键。 缸面积大，驱动负载能力强；阀的输出流量大，缸输出快； 例 7卷取机自动对边控制系统 钢板边缘偏移：输入的机械信号(阀芯位移) xi 卷取机自动对边：输出是运动速度(或位移) xp 1-16 卷取机自动对边控制系统 例 8容积式伺服系统 这是一个双闭环速度控制系统，速度闭环是主要控制环，位置闭环是提高控制性 能的辅助控制闭环。 1-17 容积式伺服系统 10 1-18 容积式伺服系统方块图 二、液压伺服控制系统的组成液压伺服控制系统的组成 1、输入元件 指令元件，给系统的输入端输入信号(指

16、令信号) 元件：机械、电气、气动等。如靠模、指令电位器或计算机模信号等。 2、反馈测量元件 测量系统的输出信号转换、反馈成为反馈信号，将信号转 换为相同介质和当量特性，与输入信号比较。 元件：各种传感器及其二次仪表。 3、比较元件 将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。 4、放大转换元件 偏差信号放大、转换成液压信号(流量或压力)元件： 电子放大器，也有用比较放大器代替比较元件。 伺服放大器：机液伺服阀、电液伺服阀等。 5、执行元件：如液压缸和液压马达等。 6、控制对象 被控制的机器设备或物体，即负载。 7、 各种校正装置，液压能源装置。 三、液压伺服系统类型及特点三、液压伺服系统类型及

17、特点 （一）按系统输入信号的变化规律分类 由机液伺服阀、电液伺服阀构成的液压控制系统均称为液压伺服控制系统。 1、定值控制系统 系统输入信号为定值；恒压力，恒转速； 2、程序控制系统 输入信号按预先给定的规律变化，液压结晶器振动； 3、随动控制系统 其输入信号是时间的未知函数，而输出量能够准确、快速地 复现输入量的变化规律。板带卷曲机； （二）按被控物理量的名称分类 1、位置伺服控制系统； 2、速度伺服控制系统； 3、力控制系统； 4、其它物理量的控制系统。 （三）按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类 1、节流式控制(阀控式)系统 1）阀控液压缸系统 2）阀控液压马达系统 优点：响

18、应速度快、控制精度高、结构简单； 缺点 效率低。 在快速、高精度的中、小功率伺服系统中应用很广。 2、容积式控制(变量泵控制或变量马达控制)系统。 优点：效率高； 11 缺点：响应速度较慢、结构复杂，转动部件质量大。 1）伺服变量泵系统 2）伺服变量马达系统 泵控系统适用于大功率而对响应速度要求不高的场合。 （四）按信号传递介质的形式分类 1、机械液压伺服系统 输入信号给定、反馈测量和比较均用机械构件实现。 优点：结构简单、工作可靠、维护简便； 缺点：系统的校正及系统增益的调整不如电的方便。 机液伺服系统一般用在控制性能要求不是很高的场合。 2、电器液压伺服系统 输入信号、 反馈信号、 偏差信

19、号、 校正和初始放大等均采用电气、 电子元件实现。 优点：控制精度高，具有很大的灵活性，对信号的测量、校正、放大都比较方便。 液压动力元件响应速度快、抗负载刚性大。 电液伺服系统具有很大的灵活性和广泛的适应性。 电液伺服系统与计算机相结合，可以充分地运用计算机的信息处理能力， 使系统具有更复杂的功能和更广泛的适应性。 3、气动液压伺服系统等。 （五）根据液压能源的型式分为：恒压伺服系统和恒流伺服系统 五、开环控制与闭环控制比较五、开环控制与闭环控制比较 1、被控制量与控制量关系 开环控制系统：不存在被控制量到控制量的负反馈，对干扰给被控制量造成的误 差，系统不具有自行修正的能力。 闭环控制系统

20、：采用负反馈因而被控制量对于外部和内部的干扰都不甚敏感， 2、元件 开环控制系统：采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证。 闭环控制系统：采用精度不高成本低廉的元件来构成控制质量较高的系统。 3、系统设计 开环控制系统：不必对被控制量进行测量和反馈因而结构简单，容易建造； 闭环控制系统：动态特性的设计和分析，考虑多种因素设计复杂。 4、控制精度 开环控制系统：采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证。 闭环控制系统：系统设计精度与传感器精度来保证。 5、稳定性 开环控制系统：容易解决；采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证。 闭环控制系统：稳定性则是要研究的主要问题之一。 三个电液控

21、制系统比较 12 1-19 三个电液控制系统比较 六、各种控制机构的适用范围六、各种控制机构的适用范围 选择控制机构着眼点：输出功率和响应速度； 使控制功率和驱动机器的输出特性和负载相适应。 图 18 是目前市场上通常使用的各种控制机构的功率一响应速度范围图 直流电动机的传递函数近似于一阶滞后环节，分析较简单。 结论：电液控制系统用于大功率、高响应的工程系统。 1-20 各种控制机构的功率一响应速度范围图 第三节第三节 液压控制系统的分析和设计液压控制系统的分析和设计 一、液压控制系统的特性及其评价一、液压控制系统的特性及其评价 自动控制：研究输出信号对输入信号的响应的速度和精度； 液压控制系

22、统是自动控制系统的一个主要分支， 其特性分析和设计采用自动控制 13 原理的基本方法，同时又要考虑到流体的传动的特殊性。 1、自动控制系统的基本特性分为： 1） 静特性： 表现为驱动负载的能力， 阀， 缸的大小符合驱动力和驱动速度匹配； 2）动特性：表现为对控制信号的响应状态； 2、自动控制系统的基本动特性表现为： 1）稳定性，系统具有收敛的能力； 2）快速性，系统对控制信号的响应速度； 3）准确性，系统对控制对象的控制精度。 二、液压控制系统动态特性分析二、液压控制系统动态特性分析 1、静态设计法 早期凭借设计者的知识和经验用真实的元部件构成一个动态系统； 在这个系统上进行实验，研究控制方式

23、和结构参数对系统动态特性的影响， 缺点：建造一个实际系统要花费大量的人力、物力和时间，一次成功的把握又很 小，变更系统参数也比较困难。 2、理论分析法 根据经典控制理论，建立描述其动态过程的数学模型，分析控制方式的可行性， 通过分析结构参数对系统动态特性的影响，选择较好的方案和结构参数 特点：大大降低工程造价，节省时间， 由于理论的局限性，往往理论分析结果与实际相差甚远， 需要用相似理论建造模型进行中间试验，从而给设计实际系统提供可靠的依据。 研究液压系统的动态特性，采用经典控制理论的方法。 “单输入一单输出”的系统： 单变量的线性定常系统的分析，可以简单扼要地、形象地说明系统的许多问题。 特

24、点： 实际系统：液压系统单输入一压力 P 和流量 q 的两个基本参数的信息传递； 很多液压元件、液压系统都是非线性的，时变的，只能将它们作一些简单的线性 化后，对某些典型的输入信号作动态分析，其设计方法只是一种试探法很难得 到系统的最佳没计，故经典控制理论有一定的局限性。 现代自动控制理论： 3、仿真分析法 仿真就是用模型代替实际系统进行试验。 仿真所遵循的基本原则是相似原则，即几何相似、环境相似和性能相似。 仿真可分为： 物理仿真和数学仿真。 1）物理仿真 应用几何相似原理， 制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小的物理模型进行试 验。 特点：直观性强。 制造一个物理模型要花费大量的人力、物力

25、和时间； 一次成功的把握又很小，变更系统参数也比较困难。 2）数学仿真 应用性能相似原理，构成数学模型，在计算机上进行试验。 数学仿真可以大大节省人力、物力，缩短研究周期，能够研究影响因素更多更复 杂的动态系统 14 采用现代控制理论与计算机结合，进行实验研究实际物理系统的各种工作状况， 建立与实际更加符合的数模和分析 确定最好的最佳参数匹配。 特点：利用计算机进行动态系统模拟试验可以大大节省人力， 计算机分析的结果可靠程度很高， 省略了实物试验的中试验过程， 可大大降低工程造价， 以及缩短研究周期。 实现对控制系统的最佳设计和最优控制， 4、系统分析手段、系统分析手段 1）传统分析 系统建模

26、 解微分方程（拉氏变换将微分方程求解变为线性方程） 手动分析计算、绘图； 适合系统简单；分析结果误差大，适用面窄。 2）计算机分析 (1) 计算机分析液压的功能 液压系统原理图的绘图软件、液压元件及系统参数设计和元件造型软件、动态仿 真软件、结构设计。 自动建立数学模型时域阶跃响应， 过渡过程的积分计算和绘制曲线的功能。 同时也可完成频率响应的计算、线性化、根轨迹分析和参数优化等工作。 (2) 计算机分析电液伺服系统的使用 将仿真液压系统的物理模型，按规定格式输入计算机即可自动完成建立数学模 型的工作。 输入仿真参数结构、 参数等参量后， 即可显示或打印输出结果或曲线。 (3) 液压分析软件介

27、绍 A) DSH 程序系统 DSH 程序系统是德国亚琛工业大学液压气动传动及控制研究所开发的液压 系统动态数字仿真专用程序系统。浙江大学流体传动及控制研究室于 1981 年引 进、消化、移檀和改进后已在国内推广。 B) 自动从图形编程的液压系统仿真软件包 HYCAD 该软件包是由上海交通大学机械系液压教研室于 1985 年研制并推广应用。 该软件能够从用户输入的一张液压系统原理图，自动生成描述系统的仿真程序， 简化了使用者掌握编程的困难。仿真程序经编译后，在连接时，可把元件和算法 调进，组装成所需的仿真程序。 C) HYPNEU 软件包 该软件包由美国 BARDYNE 公司研制，于 1993

28、年引进国内。该软件设计具 有 90 年代初的流行风俗采用 c 语言编制窗口界面、菜单选择，可视性强，该软 件具有元、部件设计、系统田设计、系统设计、系统静态分析、极限工况分析、 频率性能分析等功能，是一个集设计、仿真于一体的综合软件。 5、MATLAB 的应用 1）MATLAB 最先是用于求解方程的语言接口，取矩阵（matrix）和实验室 （laboratory）的前三个字母组合。 很好的数值计算和图形显示的功能，并且在专业水平上开拓了符号计算、文字处 理、可视化建模和实时控制能力，开发适合多学科、多部门要求的新一代科技应 用软件。 15 2）MATLAB 的语言特点是：语言简洁紧凑，具有源程

29、序的开放性、功能强劲的 工具箱。MATLAB 是以矩阵和向量为基本数据单位，包括控制流程语句、函数、 数据结构、输入输出及面向对象等特点的高级语言。它既适合编写小程序，也适 合开发复杂的大型程序，被称为是第四代计算机语言。 3）强大的图形绘制和图形显示的功能功能 4）MATLAB 的动态系统仿真工具箱 SIMULINK 是众多仿真软件中功能最强大， 最优秀的一种。它使得建模、仿真算法、仿真结果分析与可视化等实现起来更加 方便。 5）对象面广泛 6）MATLAB 的电液伺服系统分析应用 （1）电液伺服系统控制系统的描述 根据输入输出数据建立数学模型； （2）电液伺服系统时域响应分析 模型的连接；

30、根据模型获得响应曲线； 时域响应分析：阶跃响应的分析，脉冲响应的分析； 用 LTI Viewe，获得响应曲线和性能指标 稳定性分析：直接计算特征根的方法，劳斯稳定性判据； 误差分析，静态误差系数； （3）液伺服系统的频率响应分析 频率响应与传递函数的关系； 频率响应的图示法：伯德图； 频率响应分析：性能分析，稳定性分析； （4）电液控制系统设计和校正方法 开环对数幅频和相频特性与控制品质的关系 超前校正；滞后校正；超前滞后校正；其他校正方法；PID 控制器设计 比例、积分和微分控制作用对过程控制品质的影响 系统设计工具 sisotool 的使用方法 （5）Simulink 及应用 控制系统仿真

31、；控制系统仿真的动画效果；仪表显示和交互界面设计。 三、液压控制系统的设计三、液压控制系统的设计 1、液压控制系统的设计 1）静态设计：控制系统驱动负载的能力设计，包括油源压力、阀、缸驱动能力 设计； 2）动态设计：控制系统响应状态设计； （1）稳定性，系统具有收敛的能力设计； （2）快速性，系统对控制信号的响应速度设计； （3）准确性，系统对控制对象的控制精度设计。 第五节第五节 液压控制系统特点和发展液压控制系统特点和发展 一、比例控制系统的特点 比例阀主要用于实现液压系统中压力、流量等参数的遥控和自动控制。使用一个 比例阀即可得到多种压力或流量。 输入、输出量为连续量。响应慢，价格便宜，

32、成本低。控制简单。 传递功率为主的液压系统： 16 它一般要求满足力和速度，要求节能、高效率、并有良好的功率匹配，主要是静 态性能的设计，常用于开环控制。 二、液压伺服控制的优点 (1) 液压元件的功率重量比和力矩惯量比(或力质量比)大 结构 紧凑、体 积小、重量轻、加速性好的伺服系统。 液压马达的功率重量比一般为相当容量电动机的 10 倍，而力矩惯量 比为电动机的 1020 倍。 (2)液压动力元件快速性好， 系统响应快 同功率的液压马达的时间只需 电动机的 110 左右。 油液压缩性小，液压弹簧刚度很大，液压动力元件的惯量小，合成的液 压固有频率很高，系统的响应速度快。 (3)液压伺服系统

33、抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，定 位准确，控制精度高。 三、液压伺服控制的缺点 1) 液压伺服元件抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高 污染：a)阀磨损 b)堵塞 液压伺服系统必须采用精细过滤器。 2) 油液的体积弹性模量随空气含量而变化。减少系统气体含量，没有负 压； 3) 油液的粘度随油温变化，对系统的性能有很大的影响，油温恒定。 4）外漏，造成环境污染，费油成本增加； 5）可燃性石油基液压油，油液外漏可能引起火灾。 6) 液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。 7) 液压系统和元件制造精度要求高，成本高。 8）技术含量大，调试，维护难度大； 9）系统效率低； 四

34、、液压伺服控制的发展和应用 1、发展 液压伺服控制是一门新兴的科学技术。 是液压技术的一个重要分支，是控制领域中的一个重要组成部分。 第一次世界大战前，液压伺服控制已开始应用于海军舰艇，作为操舵装置。 第二次世界大战期间及以后，特别是武器和飞行器控制系统的研究得到进一 步的发展。 近几十年，由于整个工业技术的发展，尤其是军事和航空航天技术的发展， 促使液压伺服控制得到迅速发展。 使这门技术无论在元件和系统方面，还是在理论与应用方面都日趋完善和成 熟，形成一门新兴的科学技术。 2、应用 液压伺服系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化和工业自动化的一个重 要方 面。凡是需要大功率、快速、精确反应的

35、控制系统，都已经有了应用。 在国防工业中，飞机的操纵系统；导弹的自动控制系统；火炮操纵系统； 坦克火炮稳定装置；雷达跟踪系统。 工业中，机床、冶炼、氧枪控制、连铸结晶器振动、轧钢 液压 AGC APC 等、 17 机械手。 第六节第六节 本课程简介本课程简介 1、本课程目的和要求 掌握液压伺服控制系统的基本工作原理、特点、系统组成； 掌握分析液压伺服控制系统基本元件的工作原理、特点； 以控制理论为基础，应用现代计算技术，通过对电液控制系统动态性能的分析， 选择较好的控制系统设计方案和理想得系统结构参数。 进行基本液压伺服系统元件的设计和选择。 2、本课程内容 教学、作业、实验。 教材： 1.

36、王春行编， 液压控制系统 ，机械工业出版社，2004 年，第 1 版 2. 王春行编， 液压伺服控制系统 ，机械工业出版社，1996 年，第 2 版 3.控制系统分析、设计和应用化学工业出版社 何衍庆 等 4.自动控制原理 国防工业出版社 李友善 参考书 1、雷天觉新编液压工程设计手册 ，北京理工大学出版社，1998 年 12，第 1 版 2、关景泰编， 机电液控制技术 ，同济大学出版社，2003 年，第 1 版 3、卢长耿编， 液压控制系统的分析和设计 ，煤炭工业出版社，1991 年，第 1 版 4、刘长年编， 液压伺服系统优化设计理论 ，冶金工业出版社，1989 年，第 1 版 5、张利平

37、编， 液压控制系统设计化学工业出版社 2006 年 6 月，第 1 版 6、成大先主编， 机械设计手册 ，第四卷，化学工业出版社，2002 年 1 月，第 1 版 3、本课程的考核： 本课程的成绩评定方法采用开卷笔试与平时成绩相结合的方法进行， 开卷笔 试 75%平时成绩包括考勤、作业和实验成绩 25%。 第二章第二章 液压放大元件液压放大元件 液压放大元件也称液压放大器，是一种以机械运动来控制流体动力的控制元 件。 输入：机械信号(位移或转角) Xv 输出：液压信号(流量、压力)； Xv功率放大q(p) 作用： 信号转换：能量转换元件，机械能液压能； 功率放大：功率放大元件： 液压伺服系统核

38、心元件：液压放大元件，它的静、动态特性对液压伺服系统 的性能有很大的影响。 液压放大元件特点：结构简单、单位体积输出功率大、工作可靠和动态性能好、 标准化。 液压放大元件： 18 1、滑阀 2、喷嘴挡板阀 3、射流管阀。 第一节第一节 圆柱滑阀的结构型式及分类圆柱滑阀的结构型式及分类 滑阀：靠节流原理工作，借助于阀芯与阀套间的相对运动改变节流口面积的 大小，对流体流量或压力进行控制。图 20 滑阀结构型式多，控制性能好，在液压伺服系统中应用最为广泛。 滑阀的结构型式可分为： 一、一、 按进、出阀的通道数划分按进、出阀的通道数划分 见(图 21)。 四通阀： 有四通阀(图 21a、b、c、d)，

39、四个进出油口 四通阀有两个控制口工作，可用来控制双作用液压缸或液压马达。 三通阀： (图 2，1e) 三个进出油口 三通阀只有一个控制口工作，故只能用来控制差动液压缸。为实现液压缸反向运 动，须在液压缸有活塞杆侧设置固定偏压，可由供油压力、弹簧、重物等产生。 二通阀： 二通阀(单边阀) 二个进出油，一个可变节流口，固定节流孔配合使用，才能控 制一腔压力，用来控制差动液压缸。 二、二、 按滑阀的工作边数划分按滑阀的工作边数划分 滑阀控制液体流动的节流口称为控制边。 1、 四边滑阀(图 21a、b、c) 四边滑阀有四个可控的节流口，控制性能最好； 四边滑阀需保证三个轴向配合尺寸，四边滑阀结构工艺复

40、杂、成本高； 2、双边滑阀(图 2，1d、e) 双边滑阀有两个可控的节流口，控制性能居中； 双边滑阀需保证一个轴向配合尺寸单边滑阀(图 21f)。 3、单边滑阀只有一个可控的节流口，控制性能最差。 单边滑阀没有轴向配合尺寸。单边滑阀比较容易加工、成本低。 19 三、按滑阀的预开口型式划分三、按滑阀的预开口型式划分 阀的预开口型式对其性能，特别是零位附近(零区)特性有很大的影响。 1、正开口(负重叠)：正开口阀在开口区内的流量增益大，线性度好，压力 灵敏度低，零位泄漏量大。一般适用于要求有一个连续的液流以使油液维持合适 温度的场合。某些正开口阀也可用于恒流系统。 20 2、 零开口(零重叠)：

41、零开口阀具有线性流量增益， 性能比较好， 应用最广泛， 没有零位泄漏，效率高。但加工困难。 3、负开口(正重叠)：负开口阀由于流量增益具有死区，将引起稳态误差， 因此很少采用。 注意： 理想滑阀：径向间隙为零、节流工作边锐利。 根据阀芯凸肩与阀套槽宽的几何尺寸关系确定预开口型式，如图 22 所示。 实际滑阀：总存在径向间隙和工作边圆角的影响，根据阀试验曲线确定阀的预开 口型式，见图 23。 四、按阀套窗口的形状划分四、按阀套窗口的形状划分 分为：全周开口；非全周开口。 一般阀采用全周开口；非全周开口矩形、圆形等。 当对阀的控制速度限制时，采用非全周开口。 矩形开口的阀， 其开口面积与阀芯位移成

42、比例， 可以获得线性的流量增益(零 开口阀)，用得最多。插孔，图 24。 圆形窗口工艺性好，钻孔，但流量增益是非线性的，只用在要求不高的场合。 21 图 24 五、按阀芯的凸肩数目划分五、按阀芯的凸肩数目划分 图图 21 作用：节流、导向； 1、二凸肩的滑阀 二通阀一般采用两个凸肩， 二凸肩四通阀(图 21a) 结构简单、阀芯长度短，但阀芯轴向移动时导向性差；阀芯上的凸 肩容易被阀套槽卡住，更不能做成全周开口的阀；阀芯处于静不平 衡状态，阀采用液压或气动操纵有困难； 2、三凸肩的滑阀 导向性和密封性好，阀芯处于静不平衡状态；对称 性不好，结构紧凑、简单。 3、四凸肩的滑阀 (图 21b、c)导

43、向性和密封性好，阀芯平衡状态好； 对称性好，结构复杂。三凸肩和四凸肩的四通阀是常用的结构型式， 四凸肩的四通阀多用于大功率驱动。 第二节第二节 滑阀静态特性的一般分析滑阀静态特性的一般分析 1、滑阀的静态特性 即压力流量特性：稳态情况下，阀的负载流量 qL、负载压力 pL和滑阀位 移 xv，三者之间的关系； 即： 表示：滑阀的工作能力和性能，对液压伺服系统的静、动态特性计算具有 重要意义。 2、阀的静态特性表示： a) 方程 b) 曲线 c) 特性参数(阀的系数)表 vLL Xpfq, 22 3、静态特性获取 a) 解析法，通过推导压力流量方程得出阀的特性表达式； b) 实测。 一、一、 滑阀

44、压力滑阀压力流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式 图 2-2-1 四边滑阀及等效液压桥路 1、结构分析 供油压力 ps；回油压力 p0 工作流量 qL；工作压力 pL; 符号介绍：p1；p2；p3；p4；q1；q2；q3；q4； 滑阀位移 xv 2、阀的液阻简化 阀的四个可变节流口 四个可变的液阻，组成一个四臂可变的液阻全桥。 四边滑阀及其等效的液压桥路，图 24。 桥臂的流量为 qi (i1、2、3、4)， 桥臂的压降为 pi (i=1、2、 3、4)； q 表示负载流量；p 表示负载压降； 3、假设： 1)理想的恒压源。回油压力 p 为零。 2)忽略管道和阀腔内的压力损失。管道和阀腔内

45、的压力损失与阀口处的 节流损失相比很小。 23 3)假定液体是不可压缩的。 4)假定阀各节流口流量系数相等，即 Cd = Cd1Cd2 =Cd3Cd4。 薄壁孔（节流口）流量： 随节流口开口面积 A 变化， 即是阀芯位移的函数， 其变化规律取决于节流口 的几何形状。 对称全周开口： v xDA 对称矩形开口： v xLA 阀的流量液阻表达： gi 阀的液阻。 4、滑阀压力流量方程推导 根据桥路的压力平衡 s ppp 41 s ppp 32 L ppp 21 L ppp 43 根据桥路的流量平衡 s qqq 21 s qqq 43 L qqq 14 L qqq 32 大多数情况下，阀的液阻是同边

46、匹配和对边对称的。 24 因此匹配且对称的阀，通过桥路斜对角线上的两个桥臂的压降也是相等的。 31 pp 42 pp 代入式， (22)得: 25 二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线 阀的静态（稳态）特性是指阀输出流量和压力随阀芯位移的变化达到稳定流 动时状态，用静态特性曲线表示。 1流量特性曲线 阀的流量特性是指负载压降等于常数时，负载流量与阀芯位移之间的关系： 即 )( L vcpL xfq 其图形表示即为流量特性曲线。负载压降 pL=0 流量特性称为空载流量特性； 相当于四边滑阀及其等效的液压桥路负载为零， 图 24。 相应的曲线为空载 流量特性曲线图 25。 图 2-2-2

47、流量特性曲线 2压力特性曲线 阀的压力特性是指负载流量等于常数时，负载压降与阀芯位移之间的关 系，即 )( L vcqL xfp 为压力特性曲线。 26 图 2-2-3 压力特性曲线 通常所指的压力特性是指负载流量 qL0 时的压力特性。其曲线如图 26 所示。 相当于四边滑阀及其等效的液压桥路负载为无穷大，图 24。 3压力流量特性曲线 阀的压力流量特性曲线是指阀芯位移 iv cx 时，负载流量 qL与负载压降 pL关系的图形。 负载流量 qL不变，压力特性曲线的图形。 负载压降 pL不变，流量特性曲线的图形。 压力流量特性曲线族全面描述了阀的稳态特性。 阀在最大位移下的压力流量特性曲线表示：阀的工作能力和规格 负载压力和流量在阀最大位移时被压力流量曲线所包围， 阀就能满足负载的要 求。 压力流量特性曲线族可以获得阀的全部性能参数。 图 2-2-3 压力流量特性曲线 在一定的范围内，可以用增量表示参量的变化关系，流量特性曲线和压力特 性曲线的线性度较好，而压力流量特性变化较大线性度误差较大。 三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数 阀的压力流量特性是非线性的。 1）对系统进行动态分析，方程线性化。 27 2 -28 2）阀的三个系数 2-29 表示：它是流量特性曲