液压控制系统分析与设计PowerPoint_4.ppt

第四章机液伺服系统 §4-1 机液伺服系统概述 一、机液伺服系统的特点 机液伺服系统是由机械反馈机构将液压动力机构闭合所构成的反馈控制系统。 1、机液伺服系统的优点 结构简单、工作可靠、抗污染能力强、使用维护比较容易，因而广泛应用于航空、航天、舰船、矿山机械、机床控制、汽车及农业机械等领域。 2、机液伺服系统的缺点 因为这类系统通常不加校正装置，而且液压阻尼又较小，所以动态响应和静态精度都较低；由于机械连接件较多，所以带来了间隙、摩擦和刚度低等不良影响；有些机液伺服系统为了提高阻尼效应采用了动压反馈装置，这使得系统结构，没有通用性。 二、机液伺服系统的类型 机液伺服系统可以按输出量的物理量纲或动力机构的类型来划分。 按照输出量的物理量纲可分为位置控制系统、速度控制系统和力控制系统等。 按照动力机构的类型可分为阀控液压缸式、阀控液压马达式、泵控液压缸式和泵控液压马达式。 目前大多数机液伺服系统大多采用阀控液压缸式，因为这种系统结构简单、工作可靠。此外，机液伺服系统主要用来进行位置控制。 §4-2 机液位置伺服系统 一、系统的组成及方块图 机液伺服系统是由机械反馈机构将液压动力机构闭合所构成的反馈控制系统。液压动力机构通常是阀控液压缸或阀控液压马达。操纵阀把压力油送入液压缸或液压马达，液压缸或液压马达的输出运动又通过反馈机构回输到伺服阀，构成闭合回路。 反馈机构通常可由凸轮、连杆、齿轮、轴和差动齿轮等构成。如果执行元件是旋转式的，还可以采用丝杠-螺母或齿轮-齿条等转换机构，把旋转运动转换成直线运动。 输入位移xi、输出位移xp和滑阀阀芯的位移xv的关系都可以用下式表示： 假定动力机构的负载特性为惯性负载和粘性负载，则液压缸的输出位移可表示为 二、系统稳定性分析 液压伺服系统的动态分析和设计一般都是以稳定性要求为中心进行的。 （一）开环传递函数与开环频率特性 系统的开环传递函数为 图4-5为系统开环波德图。 在ωωh时，低频渐进线是一条斜率为 -20dB/dec的直线； 在ωωh时，高频渐进线是一条斜率为 -60dB/dec的直线。 低频渐进线与高频渐进线交点处的频率为液压固有频率ωh ，在此处渐进频率特性的幅值为Kv/ωh ；相角为-180°。 由于阻尼比ζh很小，在谐振频率ωr =ωh(1-2ζh2)1/2处出现一个谐振峰。 （二）系统的稳定条件 系统的稳定条件：相位裕量γ和增益裕量Kg(dB)均为正值。 相位裕量γ：增益穿越频率ωc处的相角φc与180°之和，即γ = 180°+ φc 。 增益裕量Kg：相位穿越频率 ωg 处的增益倒数，即 Kg = 1/|G(jωg) |，以分贝（dB）表示时， Kg(dB) = 20lgKg = -20lg |G(jωg) |。 对所讨论的系统而言，幅频特性在增益穿越频率ωc处的斜率为-20dB/dec，所以γ 0；由于ωg = ωh ，所以有 通常ζh的实验值为ζh = 0.1～0.2，因此速度放大系数被限制在液压固有频率的20%～40%，即 系统的相对稳定性：通常相位裕量γ应在30°～ 60°增益裕量Kg应大于6dB（或Kg2）。 在阻尼比ζh较小时（未校正的位置控制系统通常都是这种情况），由于相位裕量比较大（一般为70°～ 80°），而增益裕量比较难保证，所以可以根据增益裕量确定Kv /ωh值。若取Kg≥2，则 三、系统响应特性分析 系统的闭环响应包括对输入信号和对外负载力干扰的响应两个方面。 （一）系统的闭环传递函数 单位反馈回路的闭环传递函数为 将上式的特征方程用一阶和二阶两个因子表示，即 （二）系统对输入信号的时间响应特性 单位阶跃响应表达式如下 对于未校正的液压位置控制系统，由于液压阻尼比ζh很小，β值一般不超过4。实数极点对瞬态响应的影响不能忽略，它使瞬态响应类似于阻尼系统，而共轭复数极点的影响是增加响应曲线的波动，如图4-10中ζh =0.1～0.2的曲线所示。因此，未校正系统一般不能用二阶系统来近似，而是用三阶系统来表示。 为了获得满意的瞬态响应特性，ζh应在0.3～0.7的范围内。 当ζh 0.3时，阶跃响应缓慢而且波动，频率响应幅值在中部下降低于0.7（即-3dB）。 当ζh 0.7时，阶跃响应变慢，频宽迅速变窄。 Kv/ωh瞬态响应的影响如图4-11所示。 当Kv/ωh大时，系统的快速性好，但振荡剧烈； 当Kv/ωh小时，系统平稳性好，响应曲线波动小，但过渡过程时间长。 机液控制系统由于ζh小而且变化不大；机械构件多，存在摩擦、间隙和刚度不够对稳定性和动静态品质的影响；以及温度变化、油液中混入空气的影响等，使其动静态品质很不稳定，因此Kv/ωh应取小一些，通常取Kv/ωh 0.6ζh。 （三）系统对输入信号的闭环频率响应特性