液压控制系统 常同立编著 清华大学出版社

Hydraulic Control Systems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 ：http:/ 者 ： 常 同 立 2 知 识 脉 络 图 3 Outline 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 1 章 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 材 料 试 验 机 四 自 由 度 飞 行 模 拟 器 超 大 型 地 震 实 验 台 飞 行 控 制 系 统 机 器 动 物 两 足 机 器 人 6 应 用 案 例 1 材 料 力 学 实 验机 大 功 率 、 材 料 试 验 加 载 大 多采 用 了 液 压 控 制 。 7 应 用 案 例 1 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 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 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 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 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 4 飞 机 控 制 系 统 13 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 5 机 器 动 物高 功 率 体 积 比 和 结 构 紧 凑 15 应 用 案 例 5 机 器 动 物 16 应 用 案 例 5 机 器 动 物 17 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 6 两 足 机 器 人 19 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 1 章 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-MS 21 第 2 章 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 模对 系 统 进 行 受 力 分 析 ， 建 立 力 平 衡 方 程)()( xtxKtF k mgxK dttdxBtFc )()( 22 )()( dt txdmtFm mgtFtFtFtF ckm )()()()(微 分 方 程 )()()()(22 tFtKxdttdxBdt txdm 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 普 拉 斯 变 换 式 )()()()(2 sFsKXsBsXsXms 25 Simulink 分 析 系 统 Bode图 26 液 流 体 动 力 学 系 统 元 件 27 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 215 条 件 满 足 则 可 降 阶 121 53 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 稳 定 的 系 统 临 界 稳 定 的 系 统 不 稳 定 的 系 统 180)( dB0)( L dB0)( 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 2 章 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 3 章 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 。 33 3 .1 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 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 反 馈 36 力 控 制 系 统力 反 馈 37 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 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 变 排 量 泵 控 系 统 变 转 速 泵 控 系 统 40 第 3 章 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. http:/www.tu-harburg.de/fst.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 4 章 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 。 42 1 ） 依 据 进 出 油 口 数目 分 类 四 通 阀三 通 阀 三 通 阀三 通 阀四 通 阀四 通 阀 43 2 ） 依 据 轴 肩 数 目分 类 双 肩 滑 阀双 肩 滑 阀 三 肩 滑 阀 四 肩 滑 阀三 肩 滑 阀 双 肩 滑 阀 44 3 ） 依 据 控 制 边数 目 四 边 滑 阀 四 边 滑 阀四 边 滑 阀 双 边 滑 阀 双 边 滑 阀双 边 滑 阀四 边 滑 阀性 能 好 ， 加 工 稍 难 双 边 滑 阀 性 能 好 ， 加 工 难 度 一 般 单 边 滑 阀性 能 差 ， 加 工 容 易 45 4 ） 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 vLx2 vdxvx 46 5 ） 滑 阀 的 预 开 口 型式 分 类 流 量 曲 线 零 开 口 (零 重 叠 )正 开 口 （ 负 重 叠 ） 负 开 口 （ 正 重 叠 ） 47 4 .2 .1 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 sqqq 21 Lqqq 14 Lqqq 32 sqqq 43 49 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 011 101 vLv vLvL xpx xpxqPressureflow curve 50 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 characteristicsvL xq 011 00 101 L vv vxx xp 51 流 量 特 性 、 压 力 特 性 ， 实 际 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 性流 量 特 性 压 力 特 性 54 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 LLAL ppqxxqqq ALLvAvLvq xqK L LLpqKc vLP xpK cqp KKK ),(A LL AAvA qpx 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 恒 压 定 量 液 压 源 恒 压 变 量 液 压 源 57 工 作 原 理 58 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 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 压 力 流 量 曲 线 压 力 特 性 曲 线 61 数 学 模 型三 通 阀 与 节 流 孔 的 组 合 的 线 性 化 数 学 模 型 62 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 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 定 量 泵 1控 制 输 入 轴 2变 量 泵 3负 载 4泄 油 腔 epipppepL CpppCDCpq 1212 2121 ppCppCDq epipppL 21L ppp epiptp CCC LpCDq tpppL 流 量 连 续 性 方 程 65 控 制 变 量 泵1驱 动 电 机 2变 量 泵 3负 载 4泄 油 腔 5变 量 机 构 epipppepL CpppCDCpq 1212 2121 ppCppCDq epipppL 21L ppp epiptp CCC LpCDq tpppL 流 量 连 续 性 方 程 66 第 4 章 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 5 章 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 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 。 69 5 .2 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 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 72 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 74 液 压 缸 活 塞 位 移 的 数 学 模 型 1222 sss AKXX hhh cqvc 1241222 sss sKVAKFX hhh ceetcceLc 12 4122 2 sss FsKVAKXAKX hhh Lceetccevcqc 75 液 压 缸 活 塞 速 度 的 数 学 模 型 12 41222 ss sKVAKFsX hhh ceetcceLc 1222 ss AKXsX hhh cqvc 在 速 度 控 制 反 馈 系 统 中 76 伯 德 图 11ss AKXX cqvc sAKXX cqvc 1222 sss AKXX hhh cqvc 77 伯 德 图 121 00202 sss KK AKXX r ce cqvc 1 rce qcvc s KK KAXX 12222 ssAKKs AKXX hhhcce cqvc 78 结 构 图 79 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 流 量 产 生 活 塞 杆 位 移 观 念 80 5 .4 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 82 5 .5 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 阀 口 1和 阀 口 2工 作 阀 口 1阀 口 2 2022 2p UWCK dc 2022 2pWCK dq )(2 10 11 pp UWCK sdc )(2 1011 ppWCK sdq 84 反 向 方 块 图 模 型 阀 口 3和 阀 口 4工 作 )(2 2033 ppWCK sdq )(2 2033 pp UWCK sdc 1044 2pWCK dq 1044 2p UWCK dc 阀 口 3阀 口 4 85 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 87 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 89 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 5 章 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: 32-411 91 第 6 章 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 civ xxx 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 civ xbaaxbabx 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 反 馈 比较 机 构 液 压 动力 元 件 95 分 析 模 型 20150601001 96 系 统 分 析 方 法 及 结 论 gKdB6 9060 97 6 .2 .1 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 输 出 机 构液 压 动 力 元 件反 馈 比 较 机 构 99 系 统 分 析 与 建 模 LpKxKq cffsqffs sdfmfsqf pWCxqK 0 tsts sefh mV A 24 1222 sss AKXX fhfhfh sqffsss 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 101 系 统 模 型 fhfhsqfAK 2稳 定 条 件 ssfmfs xxx 阀 控 缸 液 压 动 力 元 件直 接 反 馈 102 第 6 章 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 ， 1976 103 第 7 章 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 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 107 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 109 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 110 7 .1 .2 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 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 113 7 .1 .3 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 115 7 .1 .4 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 117 阀 体线 性 力 马 达 位 移 传 感 器 内 嵌 控 制电 路 板