机液伺服系统(含动压反馈)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,4,章 机液伺服系统,本章摘要,概念：,由机械反馈装置和液压动力元件所组成的反馈控制系统称为机械液压伺服系统。,主要用来：,进行位置控制，也可以用来控制其它物理量，如原动机的转速控制等。,第,4,章 机液伺服系统,本章摘要,机液位置伺服系统,结构柔度对系统稳定性的影响,动压反馈装置和液压转矩放大器,由液压放大元件和液压执行元件所组成的液压动力元件，实际上就是一个,开环控制系统,。,如果将液压执行元件的输出位移量与指令信号相比较后的误差信号再控制液庄放大元件，就是,闭环位置控制系统,。,也就是说，在开环控制的基础上，通过负反馈装置,即比较元件,+,测量反馈元件就可以构成闭环液压控制系统。,第,4,章 机液伺服系统,将输入量与反馈量比较后的误差信号对输出量不断调整以求减少误差的系统,称随动系统或伺服系统。,如果,比较反馈元件由机械元件,充当，则称为,“,机液伺服系统,”,，以区别于电反馈系统。,“,机液伺服系统,”广泛的应用于,飞机舵面控制、火炮瞄准机构操纵、车辆转向控制、仿形机床以及伺服变量泵,等处。,第,4,章 机液伺服系统,第,4,章 机液伺服系统,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,、工作原理及传递函数,X,P,X,i,升力,阻力,飞机舵机液控制系统上应用,p,S,飞机舵机,指令位移,比较杠杆,舵机位移,X,P,X,V,-,杠杆比较,X,P,手,X,i,X,1,X,2,比较反馈原理,X,1,指令,b,a,X,i,舵机位移,-X,2,X,P,a,b,X,P,X,i,舵机位移,X,V,手动,X,V,=X,1,-X,2,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,指令,液压动力元件,扰 动,液,压缸,飞机,舵机,X,P,X,V,伺服阀,液压能源,p,S,飞机舵机,X,V,文字方框图,X,P,X,i,比较杠杆,舵机位移,手动,a,b,-,杠杆比较,X,i,比较元件要求：,1,）与指令元件相连（手）,2,）与被控对象相连（舵机）,3,）与放大元件相连（阀芯）,、工作原理及传递函数,指令,液压动力元件,扰 动,液,压缸,飞机,舵机,X,P,X,V,伺服阀,液压能源,-,杠杆比较,X,i,由第三章分析，假设没有弹性负载，液压缸活塞的输出位移是：,、工作原理及传递函数,动力元件,-,杠杆比较,X,i,阀控缸传递函数,指令,液压动力元件,扰 动,液,压缸,飞机,舵机,X,P,X,V,伺服阀,液压能源,-,杠杆比较,X,i,、工作原理及传递函数,方框图简化,动力元件,-,杠杆比较,X,i,开环传递函数,一,、工作原理及传递函数,开环传递函数,开环,传递函数,传递函数,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,方框图的画法,穿越频率,相位裕量,30 ,60 ,幅值裕量,开环传递函数,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,4.1,外反馈机液伺服系统,（杠杆比较反馈）,影响机液伺服系统稳定性的主要因素：,1,系统开环增益,2,积分环节,3,系统固有频率和阻尼比,4,延时环节和非最小相位环节,4.1,外反馈机液伺服系统,幅值稳定性裕量,系统稳定的充要条件,控制理论中所讨论的稳定性是指自由振荡下的稳定性，即讨论输入线性定常系统为零而初始偏差不为零时，自由振荡是收敛的还是发散的。,线性定常系统稳定的充要条件：,是特征方程的根具有负实部；或者说系统的闭环极点均位于复平面的左半部。,稳定判据：,（,1,）劳斯判据：,是一种代数判据,（,2,）乃氏判据：,是一种几何判据,（,3,）对数频率特性的稳定判据,即,利用开环系统的波德图来判别系统的稳定性,。,二、稳定性分析,Routh,稳定判据,系统稳定的必要条件,设系统特征方程为,各项除以,a,n,并分解因式,.,二、稳定性分析,系统稳定的充要条件,系统特征方程式的系数按下列形式排列成,Routh,表,.,.,二、稳定性分析,机液伺服系统的稳定性判据和稳定裕量,在不考虑外干扰力,F,L,的影响时，系统的开环传递函数为,由开环传递函数和闭环传递函数，就可以进行机液伺服系统的动态品质分析,该系统的闭环传递函数为,二、稳定性分析,机液伺服系统的稳定性判据和稳定裕量,其特征方程为,Routh,表如下,.,系统的频域指标,:,1,、开环频域指标,：,穿越频率,：,w,c,(,又称增益交界频率）。,指开环波德图上幅频特性的幅值（增益）,L=0,处的频率值。,相位裕量,：,指在,w,c,处,开环剪切（穿越）频率,的开环相频特性与,180,线的相位差，即,180+ (,w,c,),。一般要求：,30,60 ,幅值裕量,K,g,：,又称增益裕量。指在相位等于 ,180,时的频率处,w,g,处（称相位交界频率）幅频特性幅值的相反数，即,Kg,L,（,w,g,）（,dB),，,一般要求,K,g,6dB,。,系统的频域指标,2,、闭环频域指标 ：,谐振频率：,w,。指闭环波德图上的幅值（增益）为最大,L,max,处的频率值。一般要求,w,300rad/s,。,谐振峰值,M,：指对应于,Lmax,的闭环频率特性的幅值，一般要求,M,1.04,闭环截止频率,w,b,：指闭环波德图上,当幅值特性的增益值下降到零频率处增益值以下,3dB,时所对应的频率。 相应,0,w,b,称为系统频宽。一般要求,w,b,0,400 rad/s,。系统频宽有时称幅频宽，用,w,-3dB,表示。,-,90 ,带宽,w,-90 ,。指在闭环波德图上，零频率到相频特性,-90 ,处所对应频率的频率范围，一般要求,w,-90,0,350 rad/s,。带宽,w,-90,有时称相频宽,二、稳定性分析,一般取,这时位置伺服系统的稳定条件是,0.1-0.2,为了防止系统中元件参数变化的影响，应保证稳定性有一定的储备，称为,稳定裕度,。它又分幅值裕度和相位裕度,.,幅值裕度,:,相位裕度,:,一般，相位角,40,o,60,o,，幅值裕量要大于,6dB,即可保证系统稳定工作。,穿越频率,相位裕量,30 ,60 ,幅值裕量,4.1,外反馈机液伺服系统,二、稳定性分析,幅值稳定性裕量,1,二、稳定性计算举例,试绘制该系统的,bode,图，并求其稳定裕量,791s,-1,考虑导轨的机械摩擦和库伦摩擦取 ，在不计负载干扰力,FL,时的开环传递函数为,193.7s,-1,二、稳定性计算举例,由,Routh,判据知，稳定性条件为,193.727910.3=474.6,，,所以系统稳定。,二、稳定性计算举例,手工绘制,Bode,图时，一般取,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,一、基本方程与传递函数：,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,一、基本方程与传递函数：,K,S1,液压缸缸体的固定刚度,K,S2,液压缸缸体的固定刚度,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,一、基本方程与传递函数：,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,4.2 结构柔度对系统稳定性的影响,提高综合谐振频率和综合阻尼比的方法,由于结构柔度的影响，产生了结构谐振与液压谐振的耦合，使系统出现了一个频率低、阻尼小的综合谐振。,不同反馈联结的系统,Bode,图,提高综合谐振频率的途径,：,首先应提高结构谐振频率。,1,）提高结构刚度，减少负载质量（或惯量），可以提高结构谐振频率。,2,）增大执行元件到负载的传动比，传动比增大使折算到执行元件输出端的等效负载质量（或等效负载惯量）减少，提高了液压固有频率，从而提高了综合谐振频率。,3,）若负载结构参数不变，可以通过提高液压弹簧刚度来提高液压固有频率,提高综合阻尼比的途径,综合阻尼比主要是由阀提供，可以采用增大 和的办法来提高。对于这种共振性的负载，更常用的办法是,在液压缸两腔之间连接一个机液瞬态压力反馈网络，或采用压力反馈或动压反馈伺服阀,。在系统中附加电的压力反馈或压力微分反馈网络也可起到同样的作用。,非线性因素对稳定性的影响,液压系统含有许多,非线性因素,：,例如阀的,静特性、死区、饱和、非线性增益、齿隙和摩擦等。,非线性系统的响应取决于输入信号的幅值和形式。此外非线性因素还会引起系统的静差，以及可能产生的自持振荡（极限环振荡），当出现极限环振荡时，不仅影响系统的精度，而且消耗功率，元件磨损或变形而降低元件寿命，因此,元件设计制造上应尽量和避免非线性因素。,4.,3机液伺服系统的稳态误差,伺服系统的稳态误差,，是由输入信号、外扰负载力和内扰引起的。由输入信号引起的稳态误差称为,跟随误差,，是伺服控制系统输出信号对输入指令信号在位置上的误差。由外干扰负载力引起的稳态误差称为,负载误差,，在输入信号为零即时计算。,由于死区和伺服阀零飘引起误差小而忽略，故机液伺服系统总误差为,稳态误差,又叫静差，它是表征伺服控制系统控制精度的一种量。说明控制系统的控制精度就越高。,4.,3机液伺服系统的稳态误差,从而得：,1,）跟随误差计算,由稳态误差的定义，用拉氏变换的终值定理，可得系统的跟随误差为,开环放大系数,：,4.,3机液伺服系统的稳态误差,输入等速度信号时的跟随误差计算,当阶跃输入时,跟随误差即速度引起的速度误差为,结论 ：,（,1,）液压缸欲得到恒速运动时，系统常数的速度误差与,v,成正比，与速度常数 成反比，即速度常数 越大，速度误差就越小，系统的工作精度越高；（,2,）决定速度常数的关键参数是 ，所以欲提高液压伺服系统的工作精度，就要增大流量增益 。,4.,3机液伺服系统的稳态误差,输入等加速度信号时跟随误差的计算,4.,3机液伺服系统的稳态误差,负载误差就是外干扰力造成的系统稳态误差，它是干扰误差的一种，是在不考虑输入控制信号情况下进行计算的。不计输入信号，并认为 ，即输入信号为零，只有负载，其输出位移误差就是负载力引起的 。,2,）负载误差计算,4.,3机液伺服系统的稳态误差,设负载力阶跃干扰则 则,F,L,(s)=F,L0,/s,，,由负载引起的稳态误差即负载误差为,2,）负载误差计算,当输入指令控制信号与外干扰力同时作用于伺服控制系统时，,系统的总误差就等于跟随误差和负载误差两项的代数和,产生稳态误差的原因,：,当加上负载时，由于力的不平衡，执行元件,“,退让,”,，而产生阀心和阀套之间的相对位移，使阀的开口量改变，从而产生与负载力平衡的力，达到新的平衡。由,“,退让,”,而引起阀口开度大小的变化，就是负载误差。,4.,3机液伺服系统的稳态误差,伺服运动速度的影响,3,）影响系统工作精度的因素,滑阀副径向间隙,机构热变形的影响,从上面三阶系统看，欲使液压缸作恒速运动，就必然产生速度误差，且误差与速度大小成正比。为减少误差，设计时应加大速度常数，当然加大会给系统稳定性带来不好影响，因此必须在保证稳定性和响应速度的前提下，提高开环增益（即速度常数）。,从速度常数看，速度误差对工作精度的影响的关键因素是阀的流量增益、反馈系数和活塞有效面积。反馈系数大，面积梯度大，,大，则速度误差小，工作精度,高。,负载干扰力的影响,一、采用,直接位置比较,的液压工作台位置控制系统,指令元件与阀芯相连,受控对象与阀套相连,Xi=X,芯,Xp=X,套,4.4,内反馈机液伺服系统,（阀芯阀套直接比较）,内反馈就是直接比较的位置反馈。,Xi=X,芯,Xp=X,套,阀芯与阀套,阀芯阀套直接位置比较,Xv,-,位置比较,X,i,X,芯,X,套,1,指令与阀连,1,对象与阀套连,伺服阀,X,P,内反馈中的比较元件就是“阀芯”和“阀套”。,比较元件要求：,1,）与指令元件相连（手）,2,）与被控对象相连（工作台）,3,）与放大元件相连（阀本身）,阀芯与阀套,控制框图,采用阀芯阀套直较方式,扰 动,液压缸,Xv,-,位置比较,Ka,被控,工作台,X,P,工作台,指令,X,i,X,芯,X,套,1,指令传感器,1,反馈传,感器,阀,伺服,三、,工作原理及传递函数,方框图,动力元件,-,X,i,1,1,指令,液压动力元件,扰 动,液压,缸,刀架,X,P,X,V,阀,伺服,液压能源,-,X,i,1,1,动力元件,-,X,i,开环传递函数,4.1,外反馈机液伺服系统,四、稳定性分析,幅值稳定性裕量,四、稳态负载误差,四、稳态负载误差,动力元件,-,X,i,四、稳态负载误差,将,s=0,代入得,五、速度误差,4.5,动压反馈装置,液压伺服系统往往是欠阻尼得，液压阻尼比小直接影响到的稳定性、响应速度和精度。因此提高阻尼比，对改善系统性能是十分重要的。,可以,在液压缸两腔之间设置旁路泄漏通道，或采用正开口滑阀都可以增加系统的阻尼，但增加了功率损失，降低了系统的静刚度。,采用动压反馈可以有效地提高阻尼比,，而又避免了上述缺点。因此动压反馈是液压系统中最常用的增加阻尼的方法。,4.5,动压反馈装置,阻尼器的导游液导,阻尼阻尼,主要内容：,4.3,动压反馈装置,4.3,动压反馈装置,4.5,动压反馈装置,三大基本方程：,4.3,动压反馈装置,4.5,动压反馈装置,下面分析：,由液阻和弹簧活塞蓄能器组成的动压反馈装置对伺服系统性能的改善情况。,分析液压缸与负载的力平衡方程时，为了说明动压反馈的作用，故假定负载只有惯性力。,一、三大基本方程：,二、方框图与传递函数：,4.5,动压反馈装置,三、传递函数简化,液压固有频率：,液压阻尼比：,注意：阻尼比增加一项,：,在稳态情况下：,它趋近于零，因对稳态性能不会产生影响。,动态过程中：,随着负载压力的变化而产生附加的阻尼作用，而且负载压力变化得越厉害，其阻尼作用越大。,措施：,可以,使总流量压力系数尽量地小,，以便,提高系统的静刚度,，而系统的,稳定性可由动压反馈装置来保证,，这就可以同时满足静态特性和动态特性两方面 的要求,附加阻尼比：,5.5,液压转矩放大器,液压转矩放大器结构原理图,1,滑阀,2,螺杆,3,反馈螺母,4,液压马达,液压转矩放大器由步进电机通过加速齿轮驱动，就构成了,电液步进马达。,转角,与输入的脉冲数成比例；,转速,与输入的脉冲频率成比例。,电液步进马达在开环数字程序控制机床中得到广泛应用,5.5,液压转矩放大器,方框图及传递函数,开环传递函数为,-,输入转角,t,-,螺杆导程。,从而可进行稳定性及误差分析,闭环传递函数,小 结,第三章中所讨论的阀控缸，阀控马达及泵控马达等都是开环控制。这一章讲的是在开环动力元件的基础上，加上反馈装置后就组成闭环控制系统。采用机械反馈元件的系统称为机液控制。,分析机液系统时，首先要分析其工作原理。先必须从实际系统中找出比较元件，弄清比较方式，明确指令信号和被控对象；然后研究阀、缸（动力元件）的类型，在此基础上就可以建立全部基本方程，由基本方程即可求得系统的传递函数。有了传递函数，就可以按照制理论分析其静态动态品质。,小 结,机液伺服系统工作可靠。但是，如果设计时各参数选择不好，装配时就不易调整。另外，机械元件有惯性，时间常数较大；机械运动件间总有间隙、摩擦，工作久了总有磨损，这些都会降低系统的精度。,由于液压动力元件的传递函数式是积分环节加振荡环节。因此，可以说机液系统的开环传递函数基本上都是积分加振荡。,比较元件要求：,1,）与指令元件相连；,2,）与被控对象相连；,3,）与放大元件相连。,小 结,稳态误差 ：,稳态误差与放大元件的输出流量有关，与放大元件在稳态时的输入量,x,v,成正比。,1,）,负载误差,与,负载,F,L,成正比,与,压力增益,K,P,成反比,(,与,总压力流量系数,K,Ce,成正比,),；,2,）速度,误差,与,给定速度,V,成正比，与,速度增益,K,v,成反比。,因此 ：,1,） 要想办法提高,压力增益,K,P,，减小阀的零位泄漏；,2,）,要想办法在保证稳定的前提下，提高,速度增益,K,v,。,小 结,稳定性 ：,系统稳定性与开环,增益,K,v,有关，与固有频率,h,有关，与阻尼系数,h,有关。,1,）油缸的等效容积越小，液压弹簧刚度越大，,固有频率,h,越高，稳定性越好；,2,）,开环,增益,K,v,越小，,总压力流量系数,K,Ce,越小，稳定性越好；但 这与控制精度相矛盾。,因此 ：,1,） 采用零开口阀以减小,压力流量系数,K,Ce,，提高,压力增益,K,P,，从而保证控制精度；,2,）,要想办法减小,油缸的等效容积，提高,固有频率,h,，保证稳定性,。,幅值稳定性裕量,