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1、第4章 機液伺服系統(tǒng),本章摘要 概念： 由機械反饋裝置和液壓動力元件所組成的反饋控制系統(tǒng)稱為機械液壓伺服系統(tǒng)。 主要用來：進行位置控制，也可以用來控制其它物理量，如原動機的轉(zhuǎn)速控制等。,第4章 機液伺服系統(tǒng),本章摘要 機液位置伺服系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響 動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)的液壓動力元件，實際上就是一個開環(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相比較后的誤差信號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，在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，通過負反饋裝置即比較元件+測量反饋元件就可以構(gòu)成閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)。,第4章 機液伺服系統(tǒng),
2、將輸入量與反饋量比較后的誤差信號對輸出量不斷調(diào)整以求減少誤差的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。 如果比較反饋元件由機械元件充當(dāng)，則稱為“機液伺服系統(tǒng)”，以區(qū)別于電反饋系統(tǒng)。 “機液伺服系統(tǒng)”廣泛的應(yīng)用于飛機舵面控制、火炮瞄準(zhǔn)機構(gòu)操縱、車輛轉(zhuǎn)向控制、仿形機床以及伺服變量泵等處。,第4章 機液伺服系統(tǒng),第4章 機液伺服系統(tǒng),4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,、工作原理及傳遞函數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,XP,,,,,,,,,Xi,,,,,,升力,阻力,飛機舵機液控制系統(tǒng)上應(yīng)用,pS,,,,,,,飛機舵機,指令位移,
3、,,,,,,,,舵機位移,,XP,XV,,比較反饋原理,4.1 外反饋機液伺服系統(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）與被控對象相連（舵機） 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),方框圖簡化,,一、工作原理及傳遞函數(shù),開環(huán) 傳遞函數(shù),傳遞函數(shù),4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,,,,方框圖的畫法,穿越頻率,相位裕量30 60 ,幅值裕量,,,,4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,
4、,4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,,4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng)（杠桿比較反饋）,影響機液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素： 1 系統(tǒng)開環(huán)增益 2 積分環(huán)節(jié) 3 系統(tǒng)固有頻率和阻尼比 4 延時環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié),4.1 外反饋機液伺服系統(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，即討論輸入線性定常系統(tǒng)為零而初始偏差不為零時，自由振蕩是收斂的還是發(fā)散的。,線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：,是特征方程的根具有負實部；或者說系統(tǒng)的閉環(huán)極點均位于復(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）對數(shù)頻率特性的穩(wěn)定判據(jù) 即利用開環(huán)系統(tǒng)的波德圖來判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,,系統(tǒng)的頻域指標(biāo) :,1、開環(huán)頻域指標(biāo) ： 穿越頻率：wc (又稱增益交界頻率）。 指開環(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處開環(huán)剪切（穿越）頻率的開環(huán)相頻特性與180線的相位差，即 180+ (wc)。一般要求： 30 60 幅值裕量Kg： 又稱增益裕量。指在相位等于 180時的頻率處 wg處（稱相位交界頻率）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時所對應(yīng)的頻率。 相應(yīng)0 wb稱為系統(tǒng)頻寬。一般要求wb 0 400 rad/s。系統(tǒng)頻寬有時稱幅頻寬，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 處所對應(yīng)頻率的頻率范圍，一般要求w-90 0350 rad/s。帶寬w-90 有時稱相頻寬,,,,,穿越頻率,相位裕量30 60 ,幅值裕量,,4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng),,二、穩(wěn)定性分
7、析,,幅值穩(wěn)定性裕量,,,,,1,,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,影響機液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素： 1 系統(tǒng)開環(huán)增益 2 積分環(huán)節(jié) 3 系統(tǒng)固有頻率和阻尼比 4 延時環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié),4.2 結(jié)構(gòu)柔度對系統(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)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,4.2 結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,一、采用直接位置比較的液壓工作臺位置控
8、制系統(tǒng),,,Xi=X芯,Xp=X套,,,4.2 內(nèi)反饋機液伺服系統(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）與被控對象相連（工作臺） 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,X芯,,,X套,閥伺服,,,,三、工作原理及傳遞函數(shù),方框圖,,開環(huán)傳遞函數(shù),4.1 外反饋機液伺服系統(tǒng),,四、
9、穩(wěn)定性分析,幅值穩(wěn)定性裕量,四、穩(wěn)態(tài)負載誤差,,,,,,,,,,,,四、穩(wěn)態(tài)負載誤差,,,,,,,四、穩(wěn)態(tài)負載誤差,,五、速度誤差,4.3 動壓反饋裝置,,,,,阻尼器的導(dǎo)游液導(dǎo),阻尼阻尼,三大基本方程：,,,,,4.3 動壓反饋裝置,三大基本方程：,,,,,4.3 動壓反饋裝置,,三大基本方程：,,,,,4.3 動壓反饋裝置,三大基本方程：,,,,,4.3 動壓反饋裝置,4.3 動壓反饋裝置,,,,,采用動壓反饋可以有效地提高阻尼比。 兩種常用的動壓反饋裝置： 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 動壓反饋裝置,三、傳遞函數(shù)簡化,,,,,,液壓固有頻率： 液壓阻尼比：,,,,,,,,,,,,采用動壓反饋裝置以后，所推導(dǎo)的傳遞函數(shù)形式雖然沒有變化，但其中的阻尼比增加一項。在穩(wěn)態(tài)情況下，它趨近于零，因此對穩(wěn)態(tài)性能不會產(chǎn)生影響。在動態(tài)過程中，隨著負載壓力的變化而產(chǎn)生附加的阻尼作用，而且負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)定性可由動壓反饋裝置來保證，這就可以同時滿足靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩方面 的要求,附加阻尼比：,,,
11、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,小 結(jié),第三章中所討論的閥控缸，閥控馬達及系在馬達等都是開環(huán)控制。這一章講的是在開環(huán)動力元件的基礎(chǔ)上，加上反饋裝置后就組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用機械反饋元件的系統(tǒng)稱為機液控制。,分析機液系統(tǒng)時，首先要分析其工作原理。先必須從實際系統(tǒng)中找出比較元件，弄清比較方式，明確指令信號和被控對象；然后研究閥、缸（動力元件）的類型，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)動態(tài)品質(zhì)。,小 結(jié),機液伺服系統(tǒng)工作可靠。但是，如果設(shè)計時各參數(shù)選擇不好，裝配時就不易調(diào)整。另外，機械元
12、件有慣性，時間常數(shù)較大；機械運動件間總有間隙、摩擦，工作久了總有磨損，這些都會降低系統(tǒng)的精度。,由于液壓動力元件的傳遞函數(shù)式是積分環(huán)節(jié)加振蕩環(huán)節(jié)。因此，可以說機液系統(tǒng)的開環(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)時的輸入量 xv 成正比。 1）負載誤差與負載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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