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1、第4章 機(jī)液伺服系統(tǒng),本章摘要 概念： 由機(jī)械反饋裝置和液壓動(dòng)力元件所組成的反饋控制系統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)。 主要用來(lái)：進(jìn)行位置控制，也可以用來(lái)控制其它物理量，如原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制等。,第4章 機(jī)液伺服系統(tǒng),本章摘要 機(jī)液位置伺服系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響 動(dòng)壓反饋裝置和液壓轉(zhuǎn)矩放大器,由液壓放大元件和液壓執(zhí)行元件所組發(fā)的液壓動(dòng)力元件，實(shí)際上就是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 如果將液壓執(zhí)行元件的輸出位移量與指令信號(hào)相比較后的誤差信號(hào)再控制液莊放大元件，就是閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。 也就是說(shuō)，在開(kāi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)負(fù)反饋裝置即比較元件+測(cè)量反饋元件就可以構(gòu)成閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)。,第4章 機(jī)液伺服系統(tǒng),
2、將輸入量與反饋量比較后的誤差信號(hào)對(duì)輸出量不斷調(diào)整以求減少誤差的系統(tǒng)稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。 如果比較反饋元件由機(jī)械元件充當(dāng)，則稱(chēng)為“機(jī)液伺服系統(tǒng)”，以區(qū)別于電反饋系統(tǒng)。 “機(jī)液伺服系統(tǒng)”廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)舵面控制、火炮瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)操縱、車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制、仿形機(jī)床以及伺服變量泵等處。,第4章 機(jī)液伺服系統(tǒng),第4章 機(jī)液伺服系統(tǒng),4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,、工作原理及傳遞函數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,XP,,,,,,,,,Xi,,,,,,升力,阻力,飛機(jī)舵機(jī)液控制系統(tǒng)上應(yīng)用,pS,,,,,,,飛機(jī)舵機(jī),指令位移,
3、,,,,,,,,舵機(jī)位移,,XP,XV,,比較反饋原理,4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,指令,文字方框圖,比較元件要求： 1）與指令元件相連（手） 2）與被控對(duì)象相連（舵機(jī)） 3）與放大元件相連（閥芯）,,、工作原理及傳遞函數(shù),不考慮反饋的閥控缸傳遞函數(shù),,、工作原理及傳遞函數(shù),閥控缸傳遞函數(shù),,、工作原理及傳遞函數(shù),方框圖簡(jiǎn)化,,一、工作原理及傳遞函數(shù),開(kāi)環(huán) 傳遞函數(shù),傳遞函數(shù),4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,,,,方框圖的畫(huà)法,穿越頻率,相位裕量30 60 ,幅值裕量,,,,4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,
4、,4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,影響機(jī)液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素： 1 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益 2 積分環(huán)節(jié) 3 系統(tǒng)固有頻率和阻尼比 4 延時(shí)環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié),4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng),,系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件,控制理論中所討論的穩(wěn)定性是指自由振蕩下的穩(wěn)定性，即討論輸入線(xiàn)性定常系統(tǒng)為零而初始偏差不為零時(shí)，自由振蕩是收斂的還是發(fā)散的。,線(xiàn)性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：,是特征方程的根具有負(fù)實(shí)部；或者說(shuō)系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)均位于復(fù)平面的左半部。,穩(wěn)定判據(jù)：,（1）勞斯判據(jù)：是一種代數(shù)判據(jù) （2）乃氏判據(jù)：是一
5、種幾何判據(jù) （3）對(duì)數(shù)頻率特性的穩(wěn)定判據(jù) 即利用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的波德圖來(lái)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,,系統(tǒng)的頻域指標(biāo) :,1、開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo) ： 穿越頻率：wc (又稱(chēng)增益交界頻率）。 指開(kāi)環(huán)波德圖上幅頻特性的幅值（增益）L=0處的頻率值。 相位裕量：指在wc處開(kāi)環(huán)剪切（穿越）頻率的開(kāi)環(huán)相頻特性與180線(xiàn)的相位差，即 180+ (wc)。一般要求： 30 60 幅值裕量Kg： 又稱(chēng)增益裕量。指在相位等于 180時(shí)的頻率處 wg處（稱(chēng)相位交界頻率）幅頻特性幅值的相反數(shù)，即 KgL （wg）（dB)，一般要求Kg 6dB。,,,,,系統(tǒng)的頻域指標(biāo),2、閉環(huán)頻域指標(biāo) ： 諧振頻率：w 。指閉環(huán)波德圖上的幅值
6、（增益）為最大Lmax處的頻率值。一般要求w 300rad/s。 諧振峰值M：指對(duì)應(yīng)于Lmax 的閉環(huán)頻率特性的幅值，一般要求M 1.04 閉環(huán)截止頻率wb：指閉環(huán)波德圖上,當(dāng)幅值特性的增益值下降到零頻率處增益值以下3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。 相應(yīng)0 wb稱(chēng)為系統(tǒng)頻寬。一般要求wb 0 400 rad/s。系統(tǒng)頻寬有時(shí)稱(chēng)幅頻寬，用w-3dB 表示。 -90 帶寬w-90 。指在閉環(huán)波德圖上，零頻率到相頻特性-90 處所對(duì)應(yīng)頻率的頻率范圍，一般要求w-90 0350 rad/s。帶寬w-90 有時(shí)稱(chēng)相頻寬,,,,,穿越頻率,相位裕量30 60 ,幅值裕量,,4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng),,二、穩(wěn)定性分
7、析,,幅值穩(wěn)定性裕量,,,,,1,,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,影響機(jī)液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素： 1 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益 2 積分環(huán)節(jié) 3 系統(tǒng)固有頻率和阻尼比 4 延時(shí)環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié),4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,一、基本方程與傳遞函數(shù)：,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,一、基本方程與傳遞函數(shù)：,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,一、基本方程與傳遞函數(shù)：,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,一、采用直接位置比較的液壓工作臺(tái)位置控
8、制系統(tǒng),,,Xi=X芯,Xp=X套,,,4.2 內(nèi)反饋機(jī)液伺服系統(tǒng) （閥芯閥套直接比較）,內(nèi)反饋就是直接比較的位置反饋。,,,Xi=X芯,Xp=X套,,,閥芯閥套直接位置比較,,,,Xv,-,,位置比較,,Xi,X芯,,,X套,1,1,伺服閥,,,XP,內(nèi)反饋中的比較元件就是“閥芯”和“閥套”。,比較元件要求： 1）與指令元件相連（手） 2）與被控對(duì)象相連（工作臺(tái)） 3）與放大元件相連（閥本身）,,,控制框圖,采用閥芯閥套直較方式,,,液壓缸,,,Xv,-,,位置比較,Ka,工作臺(tái),X芯,,,X套,閥伺服,,,,三、工作原理及傳遞函數(shù),方框圖,,開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),4.1 外反饋機(jī)液伺服系統(tǒng),,四、
9、穩(wěn)定性分析,幅值穩(wěn)定性裕量,四、穩(wěn)態(tài)負(fù)載誤差,,,,,,,,,,,,四、穩(wěn)態(tài)負(fù)載誤差,,,,,,,四、穩(wěn)態(tài)負(fù)載誤差,,五、速度誤差,4.3 動(dòng)壓反饋裝置,,,,,阻尼器的導(dǎo)游液導(dǎo),阻尼阻尼,三大基本方程：,,,,,4.3 動(dòng)壓反饋裝置,三大基本方程：,,,,,4.3 動(dòng)壓反饋裝置,,三大基本方程：,,,,,4.3 動(dòng)壓反饋裝置,三大基本方程：,,,,,4.3 動(dòng)壓反饋裝置,4.3 動(dòng)壓反饋裝置,,,,,采用動(dòng)壓反饋可以有效地提高阻尼比。 兩種常用的動(dòng)壓反饋裝置： 液阻加空氣蓄能器 油氣阻尼器。,阻尼器的導(dǎo)游液導(dǎo),液壓伺服系統(tǒng)往往是欠阻尼的，液壓阻尼比小直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和精度。因
10、此提高阻尼比，對(duì)改善系統(tǒng)性能是十分重要的。,一、三大基本方程：,,,二、方框圖與傳遞函數(shù)：,,,4.3 動(dòng)壓反饋裝置,三、傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化,,,,,,液壓固有頻率： 液壓阻尼比：,,,,,,,,,,,,采用動(dòng)壓反饋裝置以后，所推導(dǎo)的傳遞函數(shù)形式雖然沒(méi)有變化，但其中的阻尼比增加一項(xiàng)。在穩(wěn)態(tài)情況下，它趨近于零，因此對(duì)穩(wěn)態(tài)性能不會(huì)產(chǎn)生影響。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，隨著負(fù)載壓力的變化而產(chǎn)生附加的阻尼作用，而且負(fù)載壓力變化得越厲害，其阻尼作用越大。在這種系統(tǒng)中，可以使總流量壓力系數(shù)盡量地小，以便提高系統(tǒng)的靜剛度，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性可由動(dòng)壓反饋裝置來(lái)保證，這就可以同時(shí)滿(mǎn)足靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性?xún)煞矫?的要求,附加阻尼比：,,,
11、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,小 結(jié),第三章中所討論的閥控缸，閥控馬達(dá)及系在馬達(dá)等都是開(kāi)環(huán)控制。這一章講的是在開(kāi)環(huán)動(dòng)力元件的基礎(chǔ)上，加上反饋裝置后就組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用機(jī)械反饋元件的系統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)液控制。,分析機(jī)液系統(tǒng)時(shí)，首先要分析其工作原理。先必須從實(shí)際系統(tǒng)中找出比較元件，弄清比較方式，明確指令信號(hào)和被控對(duì)象；然后研究閥、缸（動(dòng)力元件）的類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上就可以建立全部基本方程，由基本方程即可求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。有了傳遞函數(shù)，就可以按照制理論分析其靜態(tài)動(dòng)態(tài)品質(zhì)。,小 結(jié),機(jī)液伺服系統(tǒng)工作可靠。但是，如果設(shè)計(jì)時(shí)各參數(shù)選擇不好，裝配時(shí)就不易調(diào)整。另外，機(jī)械元
12、件有慣性，時(shí)間常數(shù)較大；機(jī)械運(yùn)動(dòng)件間總有間隙、摩擦，工作久了總有磨損，這些都會(huì)降低系統(tǒng)的精度。,由于液壓動(dòng)力元件的傳遞函數(shù)式是積分環(huán)節(jié)加振蕩環(huán)節(jié)。因此，可以說(shuō)機(jī)液系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)基本上都是積分加振蕩。,比較元件要求： 1）與指令元件相連；2）與被控對(duì)象相連；3）與放大元件相連。,小 結(jié),穩(wěn)態(tài)誤差 ： 穩(wěn)態(tài)誤差與放大元件的輸出流量有關(guān)，與放大元件在穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸入量 xv 成正比。 1）負(fù)載誤差與負(fù)載FL成正比,與壓力增益KP成反比(與總壓力流量系數(shù)KCe成正比)； 2）速度誤差與給定速度V成正比，與速度增益Kv成反比。,因此 ： 1） 要想辦法提高壓力增益KP，減小閥的零位泄漏； 2） 要想辦法在保證穩(wěn)定的前提下，提高速度增益Kv。,小 結(jié),穩(wěn)定性 ： 系統(tǒng)穩(wěn)定性與開(kāi)環(huán)增益Kv有關(guān)，與固有頻率h有關(guān)，與阻尼系數(shù)h有關(guān)。 1）油缸的等效容積越小，液壓彈簧剛度越大，固有頻率h越高，穩(wěn)定性越好； 2）開(kāi)環(huán)增益Kv越小，總壓力流量系數(shù)KCe越小，穩(wěn)定性越好；但 這與控制精度相矛盾。,因此 ： 1） 采用零開(kāi)口閥以減小壓力流量系數(shù)KCe，提高壓力增益KP，從而保證控制精度； 2） 要想辦法減小油缸的等效容積，提高固有頻率h，保證穩(wěn)定性 。,幅值穩(wěn)定性裕量,
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