液压控制系统 常同立编著 清华大学出版社课件

Hydraulic Control SystemsSystems液压控制系统液压控制系统书籍配套资料（不以光盘形式发行，采用网络方式流通）书籍交流网站：作者：常同立2知识脉络图知识脉络图3Outline第1章 绪论第2章 动力学系统及反馈控制第3章 液压控制系统原理与结构第4章 液压控制元件第5章 液压动力元件第6章 机液伺服控制系统第7章 电液伺服控制阀第8章 电液控制系统动态设计第9章 液压控制系统设计4第第1章章 绪论绪论液压控制系统是以（静）液压控制与换能元件为主要控制元件构建的控制系统。液压控制与换能元件通常指液压控制阀、控制用液压泵等。液压控制技术是自动控制技术的一个重要分支。液压控制系统特点鲜明，优势明显，发挥不可替代的作用。液压控制技术是典型的机电液一体化技术，是多学科交叉融合发展的范例。例如，电气液压控制系统以动力学系统为对象，以负反馈系统设计为手段，集成机械系统、电气系统和液压系统构建机电液一体化的动态系统。目前，液压控制技术在装备制造业、汽车工业、航天航空、兵器工业、冶金工业、船舶工业、医疗工程等多领域获得应用。5应用案例应用案例材料试验机材料试验机四自由度飞行模拟器四自由度飞行模拟器超大型地震实验台超大型地震实验台飞行控制系统飞行控制系统机器动物机器动物两足机器人两足机器人6应用案例应用案例 1材料力学实验材料力学实验机机大功率、材料试验加载大多采用了液压控制。7应用案例应用案例 1 材料力学实验机材料力学实验机闭环控制，位置反馈，力反馈，计算机控制8应用案例应用案例 2四自由度飞行模拟器重负荷、高动态四个自由度四个作动器9应用案例应用案例 2 四自由度飞行模拟器四个自由度分别由四个电液伺服作动器驱动。每个作动器都构成一个电液伺服系统。10应用案例应用案例 3超大型地震台一人移动质量达到350ton。采用四级电液伺服阀控制，在7Mpa压降下，伺服阀流量15000l/min。11应用案例应用案例 3 超大型地震台具有8个液压伺服作动器。实现6个自由度控制频率响应非常高12应用案例应用案例 4飞机控制系统13应用案例应用案例 4飞机控制系统现代飞机上的各种飞行操纵动作多通过液压伺服作动器实现。14应用案例应用案例 5机器动物高功率体积比和结构紧凑 15应用案例应用案例 5机器动物16应用案例应用案例 5机器动物17应用案例应用案例 6两足机器人高功率体积比和结构紧凑 18应用案例应用案例 6 两足机器人19小结小结液压控制技术是一门机电液一体化新技术，它是自动控制技术的一个重要分支。液压控制技术包括开环控制和闭环控制两类，其中液压闭环控制较为复杂。液压控制在重载、高性能、高功率密度等场合具有明显优势。这种优势使其与机电控制技术、气动控制技术在应用范围上形成互补格局。液压控制技术应用广泛，在很多领域已有应用或未来会有应用。继续在常规领域发展的同时，液压控制技术具有两个发展趋势，即朝向超大型和超大功率系统领域发展，以及朝向高功率体积比型系统领域发展。20第第1章章 参考文献参考文献1 R.H.Maskery,W.J.Thayer.A brief history of electrohydraulic servomechanisms.ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control,June 1978（Moog technical bulletin 141）2 Blackburn,J.F.,Reethof,G.,and Shearer,J.L.Fluid Power Control.The MIT Press and Wiley,1960.3 H.E.梅里特.液压控制系统.北京：科学出版社，19764 Backe,W.(1993).The present and future of fluid power.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part I:Journal of Systems and Control Engineering,vol.207,p.193-212.5 Viernsma,Taco J.Analysis,synthesis&design of hydraulic servosystems&pipelines.Amsterdam:Elsevier,19806 Saeid Habibi,Andrew Goldenberg.Design of a new high performance electrohydraulic actuator.Proceedings of the 1999 IEEE/ASME International conference on advanced intelligent mechatronics Sept.19-23,1999.Atlanta,USA7 Eddie Zavala.Fiber optic experience with the smart actuation system on the F-18 systems research aircraft.NASA/TM-97-2062238 Martin S.Jones.Moogs motorsport family of miniature hydraulic valves.Moog industrial news letter.Issue 10,2006,1.9 J.C.Jones.Developments in design of electrohydraulic control valves from their initial design concept to present to present day design and applications.Workshop on Proportional and Servovalves,Monash University,Melbourne,Australia.November 1997.10 王春行.液压控制系统.北京：机械工业出版社,1995.1.11 李洪人.液压控制系统.北京：国防工业出版社,1990.8.12 刘长年.液压伺服系统的分析与设计.北京：科学出版社，1985.4.13 Direct drive valve-ball drive mechanism.US patent No.467299214 Direct drive servo valve.US Patent No.479337715 Drect-drive valve.US Patent No.498792716 夏立群,张新国.直接驱动阀式伺服作动器研究.西北工业大学学报.2006，24(3)17 Moog.Moving your world:ideas in motion control from moog industrial.2001,10(1)18 L.H.Warton,A four degrees of freedom,cockpit motion machine for flight simulation.Reports and memoranda No.3727.April,1972.19 Omar E.Rood,Han-sheng Chen,Rodney L.Larson And Richard F Nowak.Development of high flow,high performance hydraulic servo valves and control methodologies in support of future super large scale shaking table facilities.Proceedings of the 12 WCEE 2000.20 Juan G.C.Alva,Marco A.Meggiolaro,Jaime T.P.Castro.Bang-bang control of servo-hydraulic testing machines using learning techniques.XVIII Congresso Brasileiro de Automtica/12 a 16-setembro-2010,Bonito-MS21第第2章章 动力学系统及反馈控制动力学系统及反馈控制液压反馈控制系统是一个动力学系统，具备动力学系统的基本性质，被控对象等控制系统组成环节也往往是动力学系统。动力学系统的思想、观念、研究方法与手段也适用于液压控制系统研究。反馈控制原理是液压控制的理论基础之一，也是液压反馈控制的研究工具与手段。控制理论内容很多，控制系统分析与综合方法也很多。针对液压反馈控制系统分析与设计问题，这里扼要回顾动力学系统的建模、分析方法；回顾经典控制理论的系统分析与综合方法。22模型与被模拟系统模型与被模拟系统麦弗逊式悬架系统 1汽车车身 2车轮轴 3车轮 4车架 5主销 6减震器 7弹簧 23系统分析与建模系统分析与建模对系统进行受力分析，建立力平衡方程)()(xtxKtFkmgxKdttdxBtFc)()(22)()(dttxdmtFmmgtFtFtFtFckm)()()()(微分方程)()()()(22tFtKxdttdxBdttxdm依据虎克定律 理想粘性阻尼器 依据牛顿定律 质量块处于力平衡状态 数学模型 24拉氏变换式拉氏变换式拉普拉斯变换式拉普拉斯变换式)()()()(2sFsKXsBsXsXms25Simulink 分析系统分析系统Bode图图26液流体动力学系统元件液流体动力学系统元件27系统工作原理及组成系统工作原理及组成 依据各组成部分在系统中的功能，机电反馈控制系统可以划分为如下基本元件或环节。1）指令元件 2）反馈测量元件 3）比较元件 4）放大转换元件5）执行元件 6）被控对象 7）其它元件与装置28模型进行降阶处理模型进行降阶处理 215条件满足则可降阶12153相对于系统动态要求相对于系统动态要求29奈奎斯特判据奈奎斯特判据稳定的系统 临界稳定的系统 不稳定的系统 180)(dB0)(LdB0)(180)(L只有这两个条件同时满足，系统才是稳定的。30频域快速性分析频域快速性分析在频域上，反馈控制系统的快速性通常可以用3dB频带宽度、相位滞后-90频带宽度或（幅值）穿越频率描述。31第第2章章 参考文献参考文献1 Katsuhiko Ogata.System dynamics.北京：机械工业出版社.2004.32 吴重光.仿真技术.北京：化学工业出版社.2000.5.3 Katsuhiko Ogata.Modern control engineering.Prentice Hall,20104 John J.DAzzo and Constantine H.Houpis,Stuart N.Sheldon.Linear Control System Analysis and Design with Matlab.New York:Marceld Dekker,Inc.20035 王广雄，何朕.控制系统设计.北京：清华大学出版社,2008.3.6 高钟毓等.机电控制工程.北京：清华大学出版社,2011.8.7 www.M8 Roland S.Burns.Advanced Control Enginineering.Oxord:Butterworth-Heinemann.2001.9 J.R.Leigh.Control theory.London:The institution of engineering and technology.2004.10 Isaac Horowitz.Some ideas for QFT research.International Journal of Robust and Nonlinear Control,2003,13:599-605.11 刘兵，冯纯伯.基于双重准则的二自由度预测控制连续情况.自动化学报.1998，24(6):721-726.12 冯勇等.现代计算机控制系统.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1998.7.13 D.M.Auslander,J.R.Ridgely,J.D.Ringgenberg.Control software for mechanical systems:object-oriented design in a real-time world.Pearson Education,Inc.2002.32第第3章章 液压控制系统原理与结构液压控制系统原理与结构在阐述控制系统的控制阀和液压动力元件等细节和局部问题之前，从系统整体视角认识液压反馈控制系统的工作原理与系统结构是需要的，但是也是有难度的，因为液压反馈控制系统具有多样性，它们总是为了满足不同需要而设计的。应用液压反馈系统的主机总是有多种多样的用途，控制对象也是为了完成各种特定功能需求而设计的机械机构，为了驱动和控制这些各异的机构而设计的液压控制系统也是形态各异、功能不同的。事实上，液压反馈控制系统可以归类于几种基本类型，分析和设计同类型液压控制系统会有更多共性问题，其原因是在工作原理和系统结构等方面，同类型液压控制系统是相同或相近的。333.1 机械液压伺服系统机械液压伺服系统汽车动力转向系统1方向盘 2丝杆螺母机构 3左前轮 4左前轮轴 5拉臂 6连杆 7拉臂 8右前轮 9右前轮轴 10车身 11液压缸12调压阀 13油泵 14油箱 15控制阀 16定位弹簧 17摇杆连杆机构 没有电气元件参与控制34位置系统例子位置系统例子水槽造波机控制系统水槽造波机控制系统1水槽 2水 3推波板 4水波 5机架 6液压缸 7电液伺服阀 8位移传感器 9计算机系统 10滑轨 11浪高传感器 35速度控制系统速度控制系统速度反馈36力控制系统力控制系统力反馈37飞机功率电传系统飞机功率电传系统1垂直尾翼 2方向舵 3水平尾翼 4襟翼 5机翼 6双余度电静液作动器 7电源与控制电缆 8电源 9控制电缆 10单余度电静液作动器 38一种先进的电静液作动器方案一种先进的电静液作动器方案1位移传感器 2位移传感器放大器 3斜盘传动机构 4斜盘控制伺服电机 5驱动伺服电机 6转速传感器 7变量泵 8蓄能器 9单向阀 10安全阀 11液压缸 12位移传感器 39分解为两个系统分解为两个系统变排量泵控系统变转速泵控系统40第第3章章 参考文献参考文献1 Victor Benche,Virgil Barbu Ungureanu,Ovidiu Mihai Craciun.Contributions to the dynamic analysis of the hydro-mechanical servo-steering.Proceedings of the 6th International Conference on Hydraulic Machinery and Hydrodynamics.Timisoara,Romania,October 21-22,2004:319-324.2 朱晓民，张农.电液伺服式水槽不规则波造波机.液压与气动.1992,3:2223.3 Stefan Frischemeier.Electrohydrostatic actuators for aircraft primary flight control-types,modeling and evaluation.4 S.R.Habibi,A.Goldenberg.Design of a new high-performance electrohydrostatic actuator.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2000,5(2):158-164.5 王占林.近代电气液压伺服控制.北京：北京航空航天大学出版社.2005.2.41第第4章章 液压控制元件液压控制元件液压控制元件是液压控制系统中最小控制结构单元，液压控制元件接受机械量（位移、转角、转速等）控制信号，将其转换为受控的液压量（流量和压力），从而驱动液压执行元件实现对机械对象的控制。一些液压控制元件不仅实现信号类型转换，还同时放大了控制信号功率。液压控制元件是液压控制系统中的重要环节，它的特性对液压控制系统的性能有很大的影响。421）依据进出油口数）依据进出油口数目分类目分类四通阀四通阀三通阀三通阀三通阀三通阀三通阀三通阀四通阀四通阀四通阀四通阀432）依据轴肩数目）依据轴肩数目分类分类双肩滑阀双肩滑阀双肩滑阀双肩滑阀三肩滑阀三肩滑阀四肩滑阀四肩滑阀三肩滑阀三肩滑阀双肩滑阀双肩滑阀443）依据控制边）依据控制边数目数目四边滑阀四边滑阀四边滑阀四边滑阀四边滑阀四边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀四边滑阀四边滑阀性能好，加工稍难性能好，加工稍难 双边滑阀双边滑阀 性能好，加工难度一般性能好，加工难度一般 单边滑阀单边滑阀性能差，加工容易性能差，加工容易 454）圆周开口与非圆周开口）圆周开口与非圆周开口 圆周开口阀口 非圆周开口阀口 阀芯位移 时，圆周开口阀的开口面积为非圆周开口阀的开口面积为vLx2vdxvx465）滑阀的预开口型滑阀的预开口型式分类式分类 流量曲线 零开口零开口(零重叠零重叠)正开口（负重叠正开口（负重叠）负开口负开口（正重叠（正重叠）474.2.1 四通滑阀静态特性分析四通滑阀静态特性分析理想滑阀是指径向间隙为零、工作边锐利的滑阀。讨论理想滑阀的静态特性可以不考虑径向间隙和工作边圆角的影响，因此阀的开口面积和阀芯位移的关系比较容易确定。48桥路流量平衡桥路流量平衡sqqq21Lqqq14Lqqq32sqqq4349零开口四通滑阀的压力流量曲线零开口四通滑阀的压力流量曲线 零开口四通滑阀的压力流量曲线局部 011101vLvvLvLxpxxpxqPressureflow curve 50流量特性、压力特性，理想零开口四通滑阀流量特性、压力特性，理想零开口四通滑阀流量特性 Flow characteristics压力特性 Pressure characteristicsvLxq 01100101Lvvvxxxp51流量特性、压力特性，流量特性、压力特性，实际实际零开口四通滑阀零开口四通滑阀实际零开口四通滑阀流量特性基本理想零开口阀一样压力特性泄漏特性52压力流量曲线全程正开口四通滑阀的压力流量曲线 小正开口四通滑阀的压力流量曲线 小正开口四通滑阀的压力流量曲线局部 53正开口四通滑阀特性正开口四通滑阀特性流量特性压力特性54线性化流量方程线性化流量方程由四通滑阀负载流量公式可知：在恒压源供油时，控制滑阀的负载流量可以描述为负载压力和阀芯位移的函数 LLALppqxxqqqALLvAvLvqxqKLLLpqKcvLPxpKcqpKKK),(ALLAAvAqpx流量增益 压力流量系数压力增益 泰勒级数展开55阀控系统功率及效率阀控系统功率及效率液压系统的能量损失发生在液压系统的各处，它们以沿程压力损失和局部压力损失的存在。这里主要探讨在控制阀作用下功率分配与流向，因而可以忽略管路、滤清器等沿程压力瞬时和局部损失，以及执行元件效率带来的能量损失。56系统功率分布系统功率分布恒压定量液压源恒压变量液压源57工作原理工作原理58特性曲线特性曲线全程正开口三通滑阀的压力流量曲线 小正开口三通滑阀的压力流量曲线 零开口三通滑阀的压力流量曲线 59工作原理工作原理全桥结构：两个可调阀口；两个固定节流口组合：对称双控制边滑阀结构：两个匹配的固定节流口60特性曲线特性曲线压力流量曲线 压力特性曲线 61数学模型数学模型三通阀与节流孔的组合三通阀与节流孔的组合的线性化数学模型的线性化数学模型62工作原理工作原理全桥结构：两个可调阀口；两个固定节流口组合：对称双喷嘴挡板阀结构：两个匹配的固定节流口63射流管阀射流管阀流量特性压力特性1接收口1 2接收口2 3射流管 4负载液压缸 64控制控制定量定量泵泵1控制输入轴 2变量泵 3负载 4泄油腔 epipppepLCpppCDCpq12122121ppCppCDqepipppL21LpppepiptpCCCLpCDqtpppL流量连续性方程 65控制控制变量变量泵泵1驱动电机 2变量泵 3负载 4泄油腔 5变量机构 epipppepLCpppCDCpq12122121ppCppCDqepipppL21LpppepiptpCCCLpCDqtpppL流量连续性方程 66第第4章章 参考文献参考文献1 Vernon D.Gebben.Pressure model of a four-way spool valve for simulation electrohydraulic control systems.NASA TN D-8306.2 Ernest E.Lewis,Hansjioerg Stern.Design of hydraulic control systems.New York,McGraw-Hill book company,Inc.1962.3 Peter Chapple.Principles of hydraulic system design.Oxford：Coxmoor publishing company，2001.4 田源道.电液伺服阀技术.北京：航空工业出版社.2008.15 成大先.机械设计手册：液压控制.北京：化学工业出版社.2004.1.6 谢志刚.射流管伺服阀的流场仿真研究.第三届中国CAE 工程分析技术年会论文集.395-400.7 张仲升，朱德孚.液压伺服机构.北京：国防工业出版社.1975.9.8 李玉琳.液压元件与系统设计.北京：北京航空航天大学出版社.1991.12.67第第5章章 液压动力元件液压动力元件液压动力元件位于闭环控制系统前向通道的末端，参见图5.1。它是由大功率控制元件（通常是控制滑阀或控制用液压泵）控制进出液压执行元件工作液的压力与流量，进而实现对被控对象的控制，上述各部分构成的一个组合，称之为液压动力元件，也称为液压动力机构。68（续（续1）液压动力元件的特性通常决定了反馈系统的性能，因此液压动力元件的分析与设计是液压控制系统分析与设计的关键。依据液压控制元件的不同类别和液压执行元件的不同类别，液压动力元件通常可分为四种基本型式：阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控液压马达，参见图5.2。同一类液压元件还可依据结构类型等作更细致分类，因此每一基本类型的液压动力元件都具有非常丰富的内涵。695.2 四通阀控对称缸四通阀控对称缸四通阀控对称缸是常见的一类液压动力元件。四通阀是指内部可以用液压全桥描述，其流量方程可以线性化的。对称缸是指双向有效作用面积相同的液压缸。70依据因负载压力产生活塞杆位移观念依据因负载压力产生活塞杆位移观念 力是使物体运动发生改变的原因。液压缸活塞位移被看作由负载压力产生的，也即四通阀输出量是液压力，液压力驱动液压缸活塞和被控对象组成的质量阻尼弹簧系统产生对称缸活塞位移。71利用方块图化简方法，整理利用方块图化简方法，整理72依据因负载流量产生活塞杆位移观念依据因负载流量产生活塞杆位移观念 液压系统驱动方式是容积驱动。液压控制阀输出工作液流量，液压缸活塞位移可看作流量作用效应的结果。也就是说四通阀输出受控流量液体，对称缸将液体流量变成活塞杆位移。73利用方块图化简方法，整理利用方块图化简方法，整理74液压缸活塞液压缸活塞位移位移的数学模型的数学模型1222sssAKXXhhhcqvc1241222ssssKVAKFXhhhceetcceLc1241222sssFsKVAKXAKXhhhLceetccevcqc75液压缸活塞液压缸活塞速度速度的数学模型的数学模型 1241222sssKVAKFsXhhhceetcceLc1222ssAKXsXhhhcqvc在速度控制反馈系统中76伯德图伯德图11ssAKXXcqvcsAKXXcqvc1222sssAKXXhhhcqvc77伯德图伯德图12100202sssKKAKXXrcecqvc1rceqcvcsKKKAXX12222ssAKKsAKXXhhhccecqvc78结构图结构图79方块图模型方块图模型依据因负载压力产生活塞杆位移观念依据因负载压力产生活塞杆位移观念依据因负载流量产生活塞杆位移观念依据因负载流量产生活塞杆位移观念805.4 三通阀控非对称缸三通阀控非对称缸在机液伺服机构中，如液压助力系统，三通阀控非对称缸是较为常见的液压动力元件。81方块图方块图若液压缸活塞位移被作为液压动力元件的输出变量。液压缸活塞位移被看作由负载压力产生的，也即三通阀输出液压力驱动液压缸活塞和被控对象组成的惯量阻尼弹簧系统产生液压缸活塞位移。依据上述观点建立 825.5 四通阀控非对称缸四通阀控非对称缸常见的非对称液压缸是单杆活塞缸，它的优点是结构简单，空间占用小，布置方便。因此，当主机空间结构受限情况，单出杆活塞缸用于反馈控制是不可避免的选择。83正向方块图模型正向方块图模型阀口1和阀口2工作阀口1阀口220222pUWCKdc20222pWCKdq)(21011ppUWCKsdc)(21011ppWCKsdq84反向方块图模型反向方块图模型阀口3和阀口4工作)(22033ppWCKsdq)(22033ppUWCKsdc10442pWCKdq10442pUWCKdc阀口3阀口485系统结构图系统结构图忽略主回路管路压力损失，定量泵控制液压马达系统工作时，低压管路压力等于补油系统压力，负载阻力或负载阻力矩通过对称液压缸建立起来高压管路与低压管路的压力差。变转速泵控对称缸液压动力元件的液压系统回路见下图。图中1为控制转速输入轴，定量泵2与对称缸7对应油口直接相连构成变转速泵控对称缸液压动力元件。蓄能器3和单向阀4构成补油系统。溢流阀5和6构成安全保护装置。86方块图方块图87结构图结构图变转速泵控对称缸液压动力元件的液压系统回路见下图。动力电机1驱动变量泵2，变量泵2与定量马达7对应油口直接相连构成变排量泵控马达液压动力元件。斜盘摆角是控制指令输入。蓄能器3和单向阀4构成补油系统，补油系统也可以采用其它型式，如液压泵与溢流阀构成的补油系统。溢流阀5和6构成安全保护装置。88方块图方块图89驱动能力的影响因素驱动能力的影响因素 通过改变控制阀规格、供油压力、液压执行元件的规格，可以获得具有不同特性的液压动力元件，满足驱动不同负载的需求，并达到预期控制效果。90第第5章章 参考文献参考文献1 H.E.Merritt.Hydraulic control systems.New York：John Wiley，1967.2 成大先.机械设计手册：液压控制.北京：化学工业出版社.2004.1.3 王春行.液压控制系统.北京：机械工业出版社,1995.1.4 李洪人.液压控制系统.北京：国防工业出版社,1990.8.5 Dinca Liviu,Corcau Jenica,Lungu Mihai,Tudosie Alexandru.Mathematical models and numerical simulations for electro-hydrostatic servo-actuators.International Journal of Circuits,System and Signal Processing.2008,2(4):229-238.6 李光友等.控制电机.北京：机械工业出版社,2010.17 李洪人.非对称缸电液伺服系统分析与设计.机床与液压6第三届技术研讨会专题报告1.2008.4:32-41191第第6章章 机液伺服控制系统机液伺服控制系统机液伺服控制系统是仅由机械机构和液压元件构成的伺服控制系统。其含义是机液伺服控制系统的反馈环路中，没有电子器件参与控制信号传递，也即没有电子器件参与控制过程。机液伺服控制系统的机械机构与液压元件经常被集成设计成一个整体，以一个复杂机械机构的形式出现，因此机液伺服控制系统经常被称为机液伺服机构。机液伺服控制系统经常被用作车辆动力转向装置、仿形机床刀架驱动控制装置、飞机舵机操纵装置的驱动与控制机构、二级电液伺服阀内部的机械负反馈控制系统、坦克装甲车辆的操纵助力装置等等。92直接反馈直接反馈civxxx将输出功率零件与控制滑阀阀套直接连接液压动力元件输入信号为：93机构反馈机构反馈civxbaaxbabx将输出功率零件与控制滑阀阀套只见通过机械机构进行连接液压动力元件输入信号为：94机液位置伺服控制系统模型机液位置伺服控制系统模型反馈比较机构液压动力元件95分析模型分析模型2015060100196系统分析方法及结论系统分析方法及结论gKdB69060976.2.1 动力转向机液伺服机构动力转向机液伺服机构1油泵 2转向阀体 3转向阀芯 4推力轴承 5螺母 6杠杆 7左旋螺杆 8液压缸 9连接梯形架拉杆 10挡板 11弹簧 12定位弹子 13方向盘 14油箱 一种常见的半整体式液压动力转向装置如图所示98系统模型系统模型输出机构输出机构液压动力元件液压动力元件反馈比较机构反馈比较机构99系统分析与建模系统分析与建模LpKxKqcffsqffssdfmfsqfpWCxqK0tstssefhmVA241222sssAKXXfhfhfhsqffsss三通阀与节流孔组合建模阀控缸液压动力元件建模1阀体 2固定节流孔 3第二级滑阀阀芯 4固定节流孔 5第一级滑阀阀芯 100系统原理方块图系统原理方块图101系统模型系统模型fhfhsqfAK2稳定条件ssfmfsxxx阀控缸液压动力元件直接反馈102第第6章章 参考文献参考文献1 Viersma T.J.Investigations into the accuracy of hydraulic servomotors.Philips Research Reports 16,Dec.1961.507596.2 陈家瑞.汽车构造.人民交通出版社.2006.3 H.E.梅里特.液压控制系统.北京：科学出版社，1976103第第7章章 电液伺服控制阀电液伺服控制阀电液伺服阀和直驱阀是两类高性能电控液压控制阀，它们都可以用在电液伺服系统中，充当控制元件和放大元件。它们在电液伺服系统中的位置如图7.1所示。目前现实情况，电液伺服阀和直驱阀都由专业化制造商研制和生产，人们总是较少有机会自行设计和研制自己将要使用的电液伺服阀和直驱阀。人们总是有更多的机会成为电液伺服阀和直驱阀的用户，而不是它们的设计者。依据应用性质不同，可以将电液伺服阀和直驱阀应用分类为研究型应用和工程型应用。相比较，工程型应用数量更大。104研究型应用需要深入研究电液伺服阀和直驱阀的工作机理，探讨其关键技术，以便使其适应前沿技术研究的性能需求。工程型应用则在了解电液伺服阀和直驱阀的工作机理的基础上，强调依托于生产制造商提供的说明书及技术参数资料，分析和设计电液反馈控制系统。电液伺服阀和直驱阀分为流量控制阀和压力控制阀两大类。因目前普通工业较少采用压力控制阀，所以本章只介绍流量电液伺服阀或直驱阀。不加特别说明，在本书中电液伺服阀和直驱阀均指流量电液伺服阀和流量直驱阀。工程实际中，也有一种带反馈的双电磁铁比例电磁换向阀被用于电液伺服控制的案例，这种带反馈的双电磁铁比例换向阀的结构相对简单，其性能虽然优于无反馈比例电磁换向阀，但其性能远不及直驱阀。本书不对其展开介绍，其选用方法可参考直驱阀。本章前面介绍电液伺服阀和直驱阀的结构、原理、特点，后面介绍电液伺服阀和直驱阀产品的性能描述及应用方法。105双喷嘴挡板力反馈电液伺服阀双喷嘴挡板力反馈电液伺服阀1阀体 2固定节流孔 3第二级滑阀阀芯 4阀套 5喷嘴与挡板 6永磁体 7衔铁 8电磁线圈 9力矩马达外壳 10弹簧管 11反馈弹簧 12固定节流孔 13滤清器 106零部件结构零部件结构107结构展开图结构展开图 1喷嘴 2喷嘴 3固定节流孔 4固定节流孔 5第二级滑阀阀芯 6永磁体 7衔铁 8电磁线圈 9弹簧管 10反馈弹簧 108伺服阀系统方块图伺服阀系统方块图109系统开环伯德图系统开环伯德图 在双喷嘴力反馈电液伺服阀中，决定其动态特性的力反馈系统 1107.1.2 滑阀式直接反馈两级伺服阀滑阀式直接反馈两级伺服阀1阀体 2固定节流孔 3第二级滑阀阀芯 4固定节流孔 5第一级滑阀阀芯 6动圈力马达 7衔铁 8调节螺钉 9，10定位弹簧 11永磁体 111结构展开图结构展开图1阀体 2固定节流孔 3第二级滑阀阀芯 4固定节流孔 5第一级滑阀阀芯 6，7定位弹簧 112方块图方块图1137.1.3 射流管力反馈流量电液伺服阀射流管力反馈流量电液伺服阀1供油管 2永磁体 3衔铁 4射流管 5电磁线圈 6弹簧管 7接收器 8反馈弹簧 9滑阀 射流管力反馈电液伺服阀是一种高抗工作液污染，安全性好，低压性能优良的电液伺服阀。114原理方块图原理方块图1157.1.4 三级流量电液伺服阀三级流量电液伺服阀三级电液流量伺服阀是为了满足大功率和特大功率负载驱动与控制需要。采用二级电液流量伺服阀作为前置级控制元件，控制大功率圆柱滑阀（大直径阀芯滑阀）阀芯位移。从而能够控制大流量（如500-1000L/min），甚至控制特大流量。1位移传感器 2控制电路板 3电缆 4二级电液伺服阀 5第三级滑阀 116模型模型117阀体线性力马达位移传感器内嵌控制电路板 7.2 直驱阀直驱阀直驱阀（direct drive valve,DDV）也称直驱伺服比例伺服阀(direct drive servo-proportional valve)，它是一类新型的控制阀，主要用于建构电液反馈控制系统。性能明显优于比例电磁换向阀（既明显优于内部无反馈比例电磁换向阀，也明显优于内部有反馈的比例电磁换向阀）。118线性力马达结构图线性力马达结构图 1调零机构 2定位弹簧 3永磁体 4线圈 5直线轴承 6衔铁 119直驱阀原理直驱阀原理在直驱阀中，LVDT获取的阀芯位置信息的电信号，并将其作为反馈信号，传输给内嵌电子电路板。它将其与控制指令信号相比较，产生偏差信号，偏差信号经过放大后送给PWM电路，产生驱动线性力马达的电流信号，驱动滑阀阀芯一起运动，构成闭环负反馈阀芯位置控制系统。阀芯移动位置与指令电信号保持线性关系。1207.3产品特性描述、选型方法产品特性描述、选型方法121流量压力特性,压力特性122空载流量特性曲线,内泄漏特性曲线123第第7章章 参考文献参考文献1 M.S.Sadooghi1,R.Seifi and M.Saadat Foumani.Simulation and experimental validation of flow-current characteristic of a sample hydraulic servo valve.Transaction B:Mechanical Engineering Vol.17,No.5,pp.327-3362 W.J.Thayer.Transfer introduction functions for Moog servovalves.Moog Inc.Controls division,East Aurora,NY 14052.Technical bulletin 103,19583 W.J.Thayer.Specification standards for electrohydraulic flow control valves.Moog servovalves.Moog Inc.Controls division,East Aurora,NY 14052.Technical bulletin 117,19624 Bernard.Hydraulic servo control valves part3:state of the art summary of electrohydraulic servovalves and applications.WAPC technical report 55-29 part 3.ASTIA No.AD1182855 United States Patent.Patent No.:US005973470A6 田源道.电液伺服阀技术.北京：航空工业出版社.2008.17 黄增,候保国,方群,王学星.射流管式与喷嘴挡板式电液伺服阀之比较J.流体传动与控制.2007,23(4):43-45.8 9 10 11 航空六零九所12 航天十八所13 中船四四一厂14 Compensation for generic servoamplifier usage with high performance direct drive valves.US patent No.597347015 北京机床所精密机电有限公司124第第8章章 电液控制系统动态设计电液控制系统动态设计电液控制系统，也称电气液压控制系统，它指控制信号传输介质包括电气元器件的液压控制系统。电液控制系统应用日趋广泛。目前，比较典型的电液控制系统有各种飞机机翼控制装置、液压振动台的控制系统、液压六自由度运动平台控制、钢板轧机的液压控制装置、液压负载模拟器等。125模拟电液控制系统模拟电液控制系统1指令电位器 2比较器和放大器 3电液伺服阀 4液压缸 5反馈电位器 6工作台 126模拟电液控制系统模拟电液控制系统1电液伺服阀 2功率放大器 3相敏放大器 4接收自整角机 5发送自整角机 6液压伺服马达 127模拟电液控制系统模拟电液控制系统128数字电液控制系统数字电液控制系统129Stewart 平台应用平台应用130平台控制系统结构平台控制系统结构131数字电液伺服作动器数字电液伺服作动器1电液伺服阀 2油路块3单出杆对称缸单出杆对称缸 4位移传感器 132空间对接动力学模拟器空间对接动力学模拟器133工作原理工作原理134六自由度模拟器控制系统六自由度模拟器控制系统1358.2 位置伺服系统动态设计位置伺服系统动态设计1反馈放大器 2机架 3液压缸 4电子伺服放大器 5电液伺服阀 6粘性阻力负载 7惯性负载 136方块图方块图137系统方块图系统方块图138开环伯德图开环伯德图hhvK2系统的稳定条件 139-400-300-200-1000100Magnitude(dB)100105-720-540-360-1800Phase(deg)-400-300-200-1000100Magnitude(dB)100105-540-360-1800Phase(deg)Open Loop Bode diagramFrequency (rad/sec)Closed Loop Bode diagramFrequency (rad/sec)仿真结果仿真结果计算机仿真计算机仿真分析方法分析方法1408.2.2 变转速泵控位置系统变转速泵控位置系统泵控对称液压缸控制系统是较常见的变转速泵控电液位置伺服系统。应用于飞机作动器、轮船舵机控制等。变转速泵控位置伺服系统原理图见下图。1伺服电机 2定量液压泵 3蓄能器 4单向阀 5安全阀 6对称液压缸 141原理方块图原理方块图系统结构用下图表示。液压动力元件是定量泵控对称液压缸。142电机泵模型电机泵模型143系统方块图系统方块图144泵控开环速度控制系统泵控开环速度控制系统1动力电机 2变量液压泵 3补油泵 4溢流阀 5单向阀 6安全阀7液压伺服马达 8惯性负载 9粘性阻尼负载 10斜盘控制油缸 11伺服阀 12油箱 13控制器+放大器 14位置反馈信号放大器 1452.有位置环泵控速度控制系统有位置环泵控速度控制系统1动力电机 2变量液压泵 3补油泵 4溢流阀 5单向阀 6安全阀7液压伺服马达 8惯性负载 9粘性阻尼负载 10斜盘控制油缸 11伺服阀 12油箱 13速度反馈信号放大器 14控制器+放大器 15位置反馈信号放大器 16控制器+放大器 1463.无位置环泵控速度控制系统无位置环泵控速度控制系统1动力电机 2变量液压泵 3补油泵 4溢流阀 5单向阀 6安全阀7液压伺服马达 8惯性负载 9粘性阻尼负载 10斜盘控制油缸 11伺服阀 12油箱 13速度反馈信号放大器 14控制器+放大器 147系统结构系统结构1机架 2对称液压缸 3电液伺服阀 4弹性负载 148液压动力元件模型液压动力元件模型12110020222ssssKXFrmvc149校正前系统伯德图校正前系统伯德图150校正后系统伯德图校正后系统伯德图151第第8章章 参考文献参考文献1 Robert N.Bateson,Introduction to control system technology.Pearson Education,Inc.2002.2 IIker Tunay,Ervin Y.Rodin,Arnold A.Beck.Modeling and robust control design for aircraft brake hydraulics.IEEE Transaction on Control Systems Technology.2001,9(2):319-329.3 John W.Edwards.Analysis of an electro-hydraulic aircraft control-surface servo and comparison with results.NASA Washington D.C.Augist 1972.NASA TN D-6928.4 Doru Calarasu,Elena Serban,Dan Scurtu.Dynamic model of the rotative hydraulic motor under constant pressure.Proceedings of the 6th International Conference on Hydraulic Machinery and Hydrodynamics.Timisoara,Romania,October 21-22,2004:319-324.5 Gert van Schothorst.Modelling of long stroke hydraulic servo systems for flight simulator motion control and system design.Doctor Thesis of Technology University of Delft.1997.96 王洪瑞.液压六自由度并联机器人运动控制研究.燕山大学博士论文.2002.107 王静.大流量液压源恒温恒压控制及油液弹性模量研究.浙江大学博士学位论文.2009.48 常同立.空间对接动力学半物理仿真系统设计及实验研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2007.129 李光友等.控制电机.北京：机械工业出版社,2010.110 Kenichi Takaku,Hirokazu Hiraide,Koichi Oba.Application of the“ASR series”AC servo motor driven hydraulic pump to injection molding machines.Proceedings of the 7th JFPS international symposium on fluid power,Toyama,September 15-18,200811 Zeljko Situm.Force and position control of a hydraulic press.Krmiljenje Hidravlicne Stiskalnice.Ventil 17/2011,17(4):314-320.12 152第第9章章 液压控制系统设计液压控制系统设计设计工作是创新性的活动，而且是主动创新的活动。创新的性质决定了设计是综合的、集成的过程，而非简单相加或组合的过程，因而探讨设计问题是有难度的。液压控制设计是生动的和丰富的，不是僵化的和教条的。这里探讨液压控制系统设计流程和设计要点只是想给读者一个整体和概略的描述，而绝非液压控制系统设计的固定模式。153负载特性描述方法sFLsxc曲线图 tFLtxc曲线图 154负载特性描述方法液压控制系统外特性 155决策网络图决策网络图液压控制系统设计方案主要是根据被控物理量类型、控制功率的大小、执行元件运动方式、静态性能指标数值、动态性能指标数值、工作环境条件、可靠性要求、生产成本与元件价格等因素做出决策。156伺服电机伺服电机+定量泵定量泵157DDVC系统系统通常，通过液压泵设计，这种电机与定量泵的组合已经完成了电机与定量泵的匹配，以及补油系统设计等。在控制系统设计过程中，尚需进行液压动力元件建构与负载匹配。158液压源与系统匹配液压源与系统匹配功率svsEEELLmaxqqssvspppL流量压力液压源与液压控制系统匹配的目的是协调液压源能量供给与液压控制系统能量需求的关系，既满足应用需求，又尽量减少能源损失与浪费。159系统清洗回路（体内循环）系统清洗回路（体内循环）1油箱 2液压泵 3溢流阀 4高压滤清器 5低压滤清器 6压力管 7回油管 8伺服阀 9执行缸 10清洗油路块 160第第9章章 参考文献参考文献1 Karl T.Ulrich,Steven D.Eppinger.Product design and devepopment.The McGraw-Hill companies,Inc.2004.2 胡祐德等.伺服系统原理与设计.北京：北京理工大学出版社,19933 Peter Chapple.Principles of hydraulic system design.Oxford：Coxmoor Publishing Company,2003.4 中国航天总公司.地面设备伺服液压马达通用技术条件.QJ2007-945 Rexroth.Installation,commissioning and maintenance of electro-hydraulic servo and high-response control valves.Re 07700/12.026 R.W.Park.Contamination control-A hydraulic OEM perspective.Workshop on total contamination control centre for machine condition monitoring monash university,August 1997.161书籍说明：书籍说明：本书是一本面向大学高年级学生的高校专业课程教材；同时它也是一本专业工程技术书，服务于广大工程技术人员。目前，液压控制技术在装备制造业、汽车工业、航天航空、兵器工业、冶金工业、船舶工业等多领域获得应用。在这些领域内的液压控制设备的液压控制系统也有不同的特点。反映出这样的事实：面向不同的工程需求，很多液压设备只侧重使用了液压控制系统书籍内容的某一个方面。因此读者阅读时，可依据自己的需求，参考书籍知识脉络图跳跃式阅读。液压控制系统液压控制系统 清华大学出版社清华大学出版社 ISBN：978-7-302-37899-0人才培养目的，用于课堂教学，可向作者索取分章课件The end