《电液控制系统》PPT课件

第六章 电液伺服系统6.1. 电液伺服系统的类型6.2. 电液位置伺服系统分析6.3. 电液伺服系统校正6.4. 电液速度伺服系统分析6.5. 电液力伺服系统分析 第六章 电液伺服系统n电液伺服系统综合了电气和液压两方面的特长，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理和各种参量反馈灵活等优点n电液伺服系统适合于负载质量大、响应速度快的场合，应用于国民经济和军事工业各个领域 6.1. 电液伺服系统的类型按控制元件分：阀控、泵控按输入与输出关系分：开环控制、闭环环控制按输入指令分：模拟伺服系统、数字伺服系统6.1.1模拟伺服系统n全部信号都是模拟量n信号可以是直流或交流n特点：重复精度高，分辨力较低（绝对精度低），精度很大程度取决于检测装置的精度，微小信号易受噪声和零漂影响n电液伺服系统分类按输出参量分：位置控制、速度控制、力控制 6.1. 电液伺服系统的类型6.1.2 数字伺服系统n数字伺服系统中部分或全部信号是离散参量n全数字系统中动力元件通过数字阀或电液步进马达能够接受数字量n数模混合系统利用D/A转换器将数字指令转换成模拟量输给控制元件，A/D转换器将输出的模拟量转换成数字量反馈到输入端进行比较n特点是分辨率高，绝对精度高、受噪声和零漂影响小 6.2. 电液位置伺服系统的分析n电液位置伺服系统是最基本和最常用的伺服系统n广泛用于机床工作台位置、轧机板厚、带材跑偏、飞机和轮船的舵机控制，雷达和火炮控制系统及振动试验台等6.2.1 系统组成及其传递函数自整角机作为角差检测装置的位置伺服系统。系统传递函数是各环节传递函数的组合 ccr c KU )sin( crec KU n自整角机传递函数：cr crcr )sin(角误差 很小时 自整角机增益为： 6.2. 电液位置伺服系统的分析 n相敏放大器传递函数：相敏放大器频响很高，其动态相对液压动力元件可忽略，可看成比例环节。增益：dcg KUU ag KUI n伺服放大器传递函数：伺服放大器频响很高，是比例环节。增益：伺服阀频宽3-5倍液压频率时，伺服阀可近似为二阶振荡环节1)( 0 sTKIQSGK sv svsvsv伺服阀频宽5-10液压频率时，伺服阀可近似为二阶振荡环节svsvsv KIQsGK 0)(n电液伺服阀传递函数：伺服阀频宽与液压频率相近时，伺服阀可近似为二阶振荡环节12)()( 20 ss KIQsGK svsvsv svsvsv 6.2. 电液位置伺服系统的分析n设不考虑弹性负载和结构柔度影响，阀控马达动态方程为：)12( )41(1 22 20 sss TsKViDKQD hhh Lcee tmcemm 式中cmi 是齿轮传动比n于是可得系统方框图n伺服阀响应较液压动力元件快得多，可忽略阀的动态性，看作比例环节。系统开环传递函数简化为：可得系统开环传递函数：)12( )()()( 22 hhh svvss sGKsHsG )12()()( 22 hhh vss KsHsG 式中m svadcv iD KKKKK 开环增益 6.2. 电液位置伺服系统的分析6.2.2 系统稳定性分析n简化后系统方框图n对应的开环传递函数与机液伺服系统的相同，系统稳定条件仍是： hhvK 2n通常要求系统有适当的稳定余量，相位余量应在30o60o之间，增益余量20lgKg6db（或Kg2）Kg是谐振频率处的幅值比n通过适当的参数匹配保证系统的相位余量和增益余量 6.3. 电液伺服系统的校正n电液位置伺服系统性能主要由动力元件参数h 和h决定n单纯调节增益往往满足不了系统的全部性能要求，因此就要对系统进行校正n系统校正注意其特点：液压位置伺服系统的开环传递函数通常简化为一个由比例环节、积分环节和二阶振荡环节的组合 液压阻尼比较小，致使增益余量不足而相位余量有余参数变化大，阻尼比随工作点变动在很大范围内变化可用滞后校正、速度与加速度反馈校正、压力反馈和动压反馈校正进行校正 6.3. 电液伺服系统的校正6.3.1 滞后校正n滞后校正通过提高低频段增益，减小系统稳态误差n在保证系统稳态精度的条件下，降低高频段增益保证系统稳定性n滞后校正由电阻电容组成的无源网络实现n串接在前向通路的相敏放大器和功率放大器之间的直流部分中n传递函数为：式中 rc=1/RC:超前环节转折频率R、C:电阻和电容，1:滞后超前比11)( )()( rcrcioc sssu susG 6.3. 电液伺服系统的校正n由于1:滞后时间常数大于超前时间常数，网络具有纯相位滞后特征n滞后网络是一个低通滤波器，利用它的高频衰减性，在保证系统稳定的条件下提高系统的低频增益，改善系统稳态性能n或在保证系统稳态精度的条件下降低高频增益保证系统稳定性n滞后校正利用了高频衰减特性而非相位滞后n在阻尼比小的系统中，提高增益的限制因素是增益余量，而不是相位余量有余n前面的电液位置伺服系统加入滞后校正后传递函数成为式中K VC=Kv是校正后的速度增益)12)(1( )1()()( 22 hhhrc rcvc sss sKsHsG 6.3. 电液伺服系统的校正n设计滞后网络确定参数步骤：1）根据稳态误差要求确定速度增益Kvc2）利用确定的Kvc画出伯德图（曲线2）检查相位和增益余量是否满足要求3）不满足则确定新的增益穿越频率rc使 c(c)=-180o+(5o 12o)是要求的相位余量，增加5o 12o是为了补偿滞后网络在 c引起的相位滞后4）选择转折频率rc:rc=(1/41/5) c5）由Kvc=Kv= c确定.通常=10图中曲线1为校正后幅频特性 6.3. 电液伺服系统的校正n校正使速度增益提高了倍，速度误差减小了倍n回路增益提高，减小了元件参数变化和非线性因数影响n滞后校正降低了穿越频率，是穿越频率附近相位滞后增大。特别是低频侧相位滞后较大n如果低频相位小于-180o，开环增益减小时系统可能变得不稳定n为补偿滞后校正网络的衰减，需将放大器增益增加倍，或增设增益放大装置 6.3. 电液伺服系统的校正6.3.2 速度与加速度反馈校正n速度反馈校正主要是提高主回路静态刚度，减小反馈回路的干扰和非线性影响，提高系统静态精度n加速度反馈主要是提高系统阻尼比n根据需要速度反馈和加速度反馈可单独使用，也可同时使用n前述位置伺服系统利用测速发电机将马达转速转换成电压信号n在速度反馈电压信号后接微分电路或微分放大器 n将速度和加速度电压信号反馈到功率放大器输入端构成了速度和加速度反馈 6.3. 电液伺服系统的校正6.3.2 速度与加速度反馈校正svsvsv KGK n设伺服阀响应速度很快，则可看成比例环节，即可求得速度与加速度反馈校正系统闭环传递函数)1)1(2)1( )1(/ 1212 2 1 sKKKss KDKKU h hhmvcagm h K1=KaKsvKfv/Dm只有速度反馈校正时校正回路的开环增益系统开环传递函数为：K2=KaKsvKfa/Dm只有加速度反馈校正时校正回路的开环增益)1)1(2)1( )1/()()( 1212 2 1 sKKKss KKsHsG h hhv h Kv=KeKdKsvKa/Dmi系统未校正时的开环增益 6.3. 电液伺服系统的校正6.3.2 速度与加速度反馈校正n只有速度反馈校正时K2=0，开环增益降为Kv /(1+K1)，固有频率增大为 阻尼比减小为 n校正后阻尼比和固有频率的乘积等于校正前的两者乘积，系统固有频率提高有利于提高系统频宽，可通过其它途径增大阻尼比n如果只有加速度反馈校正 K1=0，系统开环增益Kv和固有频率h均不变，阻尼比因K2而增加。因此，增加K2可显著降低谐振峰值而提高系统稳定性、增大开环增益和频宽。n可见，速度反馈是以牺牲阻尼和增益来换取系统频宽n加速度反馈可以增加系统阻尼 )1)1(2)1( )1/()()( 1212 2 1 sKKKss KKsHsG h hhvh 11 Kh 11/ Kh 6.3. 电液伺服系统的校正6.3.3 压力反馈和动压反馈校正n采用压力反馈和动压反馈的目的是为了提高系统阻尼n可采用压力反馈伺服阀或动压反馈伺服阀实现压力反馈和动压反馈，也可采用液压机械网络或电反馈实现（1）压力反馈校正n用压差或压力传感器检测液压执行器负载压力反馈到功率放大器输入端构成压力反馈n系统放块图 6.3. 电液伺服系统的校正6.3.3 压力反馈和动压反馈校正)12( / 22 sss DKKU h msvagm h h （1）压力反馈校正n压力反馈的闭环传递函数式中t tem fpsvacem htfpsvahh VJD KKKKD JKKK 2 2校正后系统阻尼比)12()()( 22 sss KsHsG hv hh 压力反馈的开环传递函数系统开环增益iDKKKKK msvadev /n可见，压力反馈不改变系开闭环增益Kv和液压频率h，而使阻尼比增加n压力反馈是通过增加系统的总流量压力系数来提高阻尼比的，这样就降低了系统的静刚度 6.3. 电液伺服系统的校正6.3.3 压力反馈和动压反馈校正（2）动压压力反馈校正n动压力反馈可以提高系统的阻尼，而又不降低系统的静刚度n将压力传感器的放大器换成微分放大器就可构成动压反馈n动压反馈校正在前面已经讨论过了，这里不再重复 6.4. 电液速度控制系统n实际工程中常需速度控制。例如：发动机调速，机床进给装置速度控制，雷达天线、炮塔、 转台等装备中的速度控制n电液位置伺服系统中常有速度反馈回路提高系统刚度和精度阀控马达速度控制系统原理方块图、系统方块图和开环传递函数12)()( 22 0 hhhs KsHsG 式中K0=KaKsvKfv/Dm系统开环增益 Ka是放大器增益 Ksv是伺服阀流量增益 Kfv是测速发电机增益这是个零型系统，对速度阶跃输入是有差的 6.4. 电液速度控制系统n系统开环伯德图在穿越频率c处相位余量很小n如果c和h之间有被忽略的环节，即使开环增益K0=1，系统也不易稳定。因此系统必须校正才能稳定n在伺服阀前的电子放大器电路中串联RC网络校正n校正网络的传递函数式中Tc=RC时间常数sTuu cio 1 1 6.4. 电液速度控制系统n用RC滞后网络校正后的系统方框图和伯德图n为保证系统稳定，谐振峰值不应超过零分贝线，因此须满足：hhhc )042.0(2 n由伯德图的几何关系可求出滞后网络的时间常数：n可以看出：校正后的的穿越频率比校正前低得多。为了保证系统稳定，不得不牺牲响应速度和精度n为提高精度可采用积分放大器校正，使零型系统变成I型系统（用速度传感器代替位移传感器即可） cKT /0 6.5. 电液力控制系统)(sGKIX svxvv n力控制系统用于材料试验机、结构疲劳试验机、轧机张力控制、车轮刹车控制等6.5.1 系统组成及原理系统组成如图6.5.2 基本方程与开环传递函数电压误差信号力传感器方程伺服放大器动态可忽略伺服阀传递函数式中：U r是指令电压信号，Uf是反馈电压，KfF是力传感器增益，Fg是液压缸输出力，Ka是伺服放大器增益，Xv是伺服阀阀芯位移，Kxv是伺服阀增益，Gsv(s)是Ksv=1时伺服阀传递函数eaUKI gfFf FKU frc UUU 6.5. 电液力控制系统PPPPtLPg KXsXBXsmPAF 2LcvqL PKXKQ LetLtpPPL sPVPCsXAQ 4n假定负载为质量、弹性和阻尼，则阀控液压缸的动态可用下面3个方程描述：考虑电液伺服阀和传感器可得力控制系统方块图，其中Kce=Kc+Ctp 6.5. 电液力控制系统1)( )1( 22232 2 sKKAKK AsKmsKKK mA sKmAKKXF cehcethce t tPceqvg PpP 阀芯Xv至液压缸输出力Fg的传递函数n传递函数分母与前面的液压阀控制液压缸的形式相同，不同的是分子上多了一个二阶微分环节。n通常负载的阻尼系数Bp很小，可以忽略。上式可简化为 tph VAK 24液压弹簧刚度22222232 2 )41()4(4 )1( pcepe tp ceppe tpp cetpe tt etpqvg AKKsAKVAKBsAVBAKmsAVm sKBsKmKAKXF 如果满足1)/1( 22 hP tce KKA KmK上式可近似为)12)(1( )11( 00202 22 sss sAKKXF mPceqvg 式中 负载固有频率Lm mK 6.5. 电液力控制系统 液压弹簧与负载弹簧串联耦合的刚度与阻尼系数之比)11/(2 kKAK hPcer )/(1 421 00 ht cee KKV K KKKK hmhh 110 液压弹簧与负载弹簧并联耦合的刚度与负载质量形成的固有频率n于是电液力控制伺服控制系统方块图简化为右图阻尼比，Kq/Kce是总压力增益。式中 系统开环增益 fFPceqxva KAKKKKK 0 )12)(1( )1)()()( 00202 220 sss ssGKsHsG r msv n开环传递函数 6.5. 电液力控制系统n如果伺服阀的固有频率远大于m和0，可将伺服阀看成比例环节。这时系统开环伯德图为:n讨论两种特殊情况：1）KKh，即负载刚度远大于液压弹簧刚度。这时 tmP hcer mKAKK 02 ,。二阶振荡环节与与二阶微分分环节近似抵消，系统动特性主要由液体压缩形成的惯性环节决定tmthhPcer mKmKAKK 02 ,2）K1时在K/Kh1时P fFqxvahc A KKKKK P fFqxvac A KKKKK