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1、第六章 電液伺服系統6.1. 電液伺服系統的類型6.2. 電液位置伺服系統分析6.3. 電液伺服系統校正6.4. 電液速度伺服系統分析6.5. 電液力伺服系統分析 第六章 電液伺服系統n電液伺服系統綜合了電氣和液壓兩方面的特長，具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大、信號處理和各種參量反饋靈活等優(yōu)點n電液伺服系統適合于負載質量大、響應速度快的場合，應用于國民經濟和軍事工業(yè)各個領域 6.1. 電液伺服系統的類型按控制元件分：閥控、泵控按輸入與輸出關系分：開環(huán)控制、閉環(huán)環(huán)控制按輸入指令分：模擬伺服系統、數字伺服系統6.1.1模擬伺服系統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. 電液伺服系統的類型6.1.2 數字伺服系統n數字伺服系統中部分或全部信號是離散參量n全數字系統中動力元件通過數字閥或電液步進馬達能夠接受數字量n數?；旌舷到y利用D/A轉換器將數字指令轉換成模擬量輸給控制元件，A/D轉換器將輸出的模擬量轉換成數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. 電液位置伺服系統的分析n電液位置伺服系統是最基本和最常用的伺服系統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及振動試驗臺等6.2.1 系統組成及其傳遞函數自整角機作為角差檢測裝置的位置伺服系統。系統傳遞函數是各環(huán)節(jié)傳遞函數的組合 ccr c KU )sin( crec KU n自整角機傳遞函數：cr crcr )sin(角誤差 很小時 自整角機增益為： 6.2. 電液位置伺服系統的分析 n相敏放大器傳遞函數：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：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：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. 電液位置伺服系統的分析n設不考慮彈性負載和結構柔度影響，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于是可得系統方框圖n伺服閥響應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)。系統開環(huán)傳遞函數簡化為：可得系統開環(huán)傳遞函數：)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. 電液位置伺服系統的分析6.2.2 系統穩(wěn)定性分析n簡化后系統方框圖n對應的開環(huán)傳遞函數與機液伺服系統的相同，系統穩(wěn)定條件仍是： hhvK 2n通常要求系統有適當的穩(wěn)定余量，相位余量應在30o60o之間，增益余量20lgKg6db（或Kg2）Kg是諧振頻率處的幅值比n通過適當的參數匹配保證系統的相位余量和增益余量 6.3. 電液伺服系統的校正n電液位置伺服系統性能主要由動力元件參數h 和h決定n單純調節(jié)增益往往滿足不了系統的全部性能要求，因此就要
6、對系統進行校正n系統校正注意其特點：液壓位置伺服系統的開環(huán)傳遞函數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變化大，阻尼比隨工作點變動在很大范圍內變化可用滯后校正、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，減小系統穩(wěn)態(tài)誤差n在保證系統穩(wěn)態(tài)精度的條件下，降低高頻段增益保證系統穩(wěn)定性n滯后校正由電阻電容組成的無源網絡實現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傳遞函數為：式中 rc=1/RC:超前環(huán)節(jié)轉折頻率R、C:電阻和電容，
7、1:滯后超前比11)( )()( rcrcioc sssu susG 6.3. 電液伺服系統的校正n由于1:滯后時間常數大于超前時間常數，網絡具有純相位滯后特征n滯后網絡是一個低通濾波器，利用它的高頻衰減性，在保證系統穩(wěn)定的條件下提高系統的低頻增益，改善系統穩(wěn)態(tài)性能n或在保證系統穩(wěn)態(tài)精度的條件下降低高頻增益保證系統穩(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加入滯后校正后傳遞函數成為式中K VC=Kv是校正后的速度增益)12)(1( )1()()( 22 hhhrc rcvc sss sKsHsG
8、6.3. 電液伺服系統的校正n設計滯后網絡確定參數步驟：1）根據穩(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是為了補償滯后網絡在 c引起的相位滯后4）選擇轉折頻率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，減小了元件參數變化和非線性因數影響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)增益減小時系統可能變得不穩(wěn)定n為補償滯后校正網絡的衰減，需將放大器增益增加倍，或增設增益放大裝置 6.3. 電液伺服系統的校正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，提高系統靜態(tài)精度n加速度反饋主要是提高系統阻尼比n根據需要速度反饋和加速度反饋可單獨使用，也可同時使用n前述位置伺服系統利用測速發(fā)電機將馬達轉速轉換成電壓信號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成了速度和加速度反饋 6.3. 電液伺服系統的校正6.3
10、.2 速度與加速度反饋校正svsvsv KGK n設伺服閥響應速度很快，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閉環(huán)傳遞函數)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)增益系統開環(huán)傳遞函數為：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系統未校正時的開環(huán)增益 6.3. 電液伺服系統的校正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，系統固有頻率提高有利于提高系統頻寬，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頻寬n加速度反饋可以增加系統阻尼 )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阻尼n可采用壓力反饋伺服閥或動壓反饋伺服閥實現壓力反饋和動壓反饋，也可采用液壓機械網絡或電反饋實現（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成壓力反饋n系統放塊圖 6.3. 電液伺服系統的校正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)傳遞函數式中t tem fpsvacem htfpsvahh VJD KKKKD JKKK 2 2校正后系統阻尼比)12()()( 22 sss KsHsG
13、hv hh 壓力反饋的開環(huán)傳遞函數系統開環(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的總流量壓力系數來提高阻尼比的，這樣就降低了系統的靜剛度 6.3. 電液伺服系統的校正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的阻尼，而又不降低系統的靜剛度n將壓力傳感器的放大器換成微分放大器就可構成動壓反饋n動壓反饋校正在前面已經討論過了，這里不再重復 6.4. 電液速度控制系統n實際工程中常需速度控制。例如：發(fā)動機調速，機床進給裝置速度控制，雷達天線、炮塔、 轉臺等裝備中的速度控制n
14、電液位置伺服系統中常有速度反饋回路提高系統剛度和精度閥控馬達速度控制系統原理方塊圖、系統方塊圖和開環(huán)傳遞函數12)()( 22 0 hhhs KsHsG 式中K0=KaKsvKfv/Dm系統開環(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，對速度階躍輸入是有差的 6.4. 電液速度控制系統n系統開環(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，系統也不易穩(wěn)定。因此系統必須校正才能穩(wěn)定n在伺服閥前的電子放大器電路中串聯RC網絡校正n校正網絡的傳遞函數式中Tc=RC時間常數sTuu cio 1 1 6.4. 電液速度控
15、制系統n用RC滯后網絡校正后的系統方框圖和伯德圖n為保證系統穩(wěn)定，諧振峰值不應超過零分貝線，因此須滿足：hhhc )042.0(2 n由伯德圖的幾何關系可求出滯后網絡的時間常數：n可以看出：校正后的的穿越頻率比校正前低得多。為了保證系統穩(wěn)定，不得不犧牲響應速度和精度n為提高精度可采用積分放大器校正，使零型系統變成I型系統（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)(sGKIX svxvv n力控制系統用于材料試驗機、結構疲勞試驗機、軋機張力控制、車輪剎車控制等6.5.1 系統組成及原理系統組成如圖6.5.2 基本方程與開環(huán)傳遞函數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，Fg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eaUKI gfFf FKU frc UUU 6.5. 電液力控制系統PPPPtLPg KXsXBXsmPAF 2LcvqL PKXKQ LetLtpPPL sPVPCsXAQ 4n假定負載為質量、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方塊圖，其中Kce=Kc+Ctp 6.5. 電液力控制系統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n傳遞函數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 液壓彈簧與負載彈簧串聯耦合的剛度與阻尼系數之比)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耦合的剛度與負載質量形成的固有頻率n于是電液力控制伺服控制系統方塊圖簡化為右圖阻尼比，Kq/Kce是總壓力增益。式中 系統開環(huán)增益 fFPceqxva KAKKKKK 0 )12)(1( )1)()()( 00202 220 sss ssGKsHsG r msv n開環(huán)傳遞函數 6.5. 電液力控制系統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
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