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1、液压伺服系统液压伺服系统 第第1章章 绪论绪论1.1 液压伺服控制系统的工作原理及组成液压伺服控制系统的工作原理及组成1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理 在这种系统中，输出量在这种系统中，输出量(位移、速度、力等位移、速度、力等)能够自动地、能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时。还对输入快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时。还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。 液压泵是系统的能源，它以恒定的压力向系统供油供液压泵是系统的能源，它以恒定的压力向系统供油供油压力由溢流阀调定。液压动力元
2、件由四边滑阀和液压缸组油压力由溢流阀调定。液压动力元件由四边滑阀和液压缸组成。滑阀是转换放大元件，它将输入的机械信号成。滑阀是转换放大元件，它将输入的机械信号(阀芯位移阀芯位移)转转换成液压信号换成液压信号(流量、压力流量、压力)输出，并加以功率放大。液压缸是输出，并加以功率放大。液压缸是执行元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度执行元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度(或伙移或伙移)。滑阀阀体与液压缸体刚性连结在一起，构成反馈回路。因此，滑阀阀体与液压缸体刚性连结在一起，构成反馈回路。因此，这是个闭环控制系统。这是个闭环控制系统。1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的
3、工作原理1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理电液伺服系统：有电液伺服阀存在控制系统。电液伺服系统：有电液伺服阀存在控制系统。阀控系统：系统主控流量和压力元件是阀。阀控系统：系统主控流量和压力元件是阀。泵控系统：系统主控流量和压力元件是泵。泵控系统：系统主控流量和压力元件是泵。恒压源：系统能源装置输出压力为恒值。恒压源：系统能源装置输出压力为恒值。恒流源：系统能源装置输出流量为恒值。恒流源：系统能源装置输出流量为恒值。s12L1212s34s41L23Lp =ppp =ppQQ =QQQ =QQQ =QQQ =Q；1d11o2d2203d3s24d4s12Q= Cpp
4、2Q= Cpp2Q= Cpp2Q= CppAAAA（）（）（）（）1312s34s42d11od3s21os212s0d4s1d220s12012s01342s12sLL1212Q QQQ =QQQ =QQ Q22CppCpppppppppp22CppCppppppppppQ =QQ =Qp =ppppp =ppp =p2AAAA设，由于；所以（）（） 得（） （）,（） （）（）（） 得（） （）,（） （）矛盾，所以，；考虑有；sLpp=2L23d220d3s2d2sLd3sLdsLdsLsdsLdsL22Q =Q -Q =CppCpp11=CppCpp11=CppC()pp11Q =Cp
5、pC()ppVVVVAAAAA xAxA xAx（）（）（）（）（ ） （）（）（ ） （）（）000000000000LL0LL000,L0LL000,LL0,Q =Q +ppQ +ppQpVLVLVLVLVLVLLLVVLVXpXpLLVVLVXpXpLLVLVXpXpQQXXpXQQXXpXQQXpX（）+（）+.（）+（）+qcqpcK =K =KKKLVLLLVQXQppX一、理想零开口因边滑阀的静态特性 理想滑阀是指径向间隙为零、工作边锐利的滑阀。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 。1、理想零开口四边滑阀的压力一流量方程 理想零开口四边滑阀当阀芯离开中间位置时
6、，只有两个节流口通流，其余两个节流口完全关闭。设定阀芯左移为正，Q1= Q3 =0； Q1= Q3 ：L2dsLdsL11Q =Q =Cpp=CppVVA xx（ ） （）（）LdsLdsLLdsLLdL11Q =Cpp=-Cpp1Q =Cpp1Q =CpVVVVVVVVVAxxxxxxxxx（- ） （）（）（）（1） .无因次形式当阀芯右移时：LLsLLsVVVmaxQQ =QPP =P=xxxqdsL1K =Cpp（）dVsLdVcsLsL11CxppCxK =2 pp12pp（）（）（）csLpqVK2 ppK =Kx（）流量增益为流量-压力系数增益为压力增益为零位阀系数（PL=0，x
7、V=0）qdscp1K =CpK =0K =， 理想零开口四边滑阀的零位流量增益决定于供油压力P.和面积梯度，在Ps为常数时，唯一的由面积梯度所决定，因此是阀的最重要的参数。Ps和面积梯度是很容易测量和控制的量，从而零位流量增益也就比较容易准确计算和控制。试验也证明由式计算的 值与实际零开口阀的试验值是相符的，故可以放心地使用。但Kp和 Kc值和实际零开口阀的试验故相差很大，故需寻求其他计算方法 实际的与理想的零开口滑阀之间的差别就在于零位泄漏特性。理想的阀具有精确的几何形状，因而零位泄漏量为零，造成阀系数计算不准确的结果。实际阀具有径向间隙，往往还有小于0.025 mm的正的或负的微小重叠量
8、，这种阀的零位存在着泄漏量。这种泄漏特性决定了阀在零区的压力一流量特性。在零区以外，由于径向间隙等影响可以忽略，实际阀的特性和理想阀的特性是一致的。 实际阀的零区特性可以通过试验确定。将其负载通道关闭(QL=0)，在负载通道和供油口分别俊上压力表，在回油口接流量计或量杯。在供油压力Ps一定时，改变阀的开度XV，测出相应的负载压力PL.如果使阀处于几何零位不动，改变供油压力Ps，可以测量相应的零位泄漏流量 。scsqpcK =-=KKKLLQQpp，22sss0sp2QQ =p ,32p32132KcdsbbKCpb 实际零开口四边滑阀阀系数的近似计算J方法。对于间隙为b，周长为的环形锐边节流孔
9、来说，在层流状态其流量可用下式计算：（在零位时各个节流口流量为总流量一半，压降也为总压力一半 。） 式说明，实际阀的KC0值与阀的面积沸度和径向间隙有关，并且随着其增加而增加。通常可取b=0.005mm作为典型值来估算 。零位压力增益主要取决于阀的径向间隙道，而与阀的面积梯度无关。 为了对零位压力增益有一个数量概念，我们作一个典型计算。取=1.4*10-6Pa .S,=870Kg/m3， Cd=0.62, b=0.005mm则：8pK1.2*10sp当Ps=70MPa时，Kpo =3.375*1011Pa/ m，实践证明，此数值很容易达到，但值得注意的是无论如何此阀系数不易取得准确数据，且其变
10、化较大是个“软量”。2-4、正开口四边滑阀的静态特性如图当阀在几何零位 时，四个节流窗口有相等的正开口U，并规定阀是在正开口范围内工作的， 假定阀口是匹配且对称的，则有：LdsLdsL11Q =CppC()ppVVxA Ux（U+ ） （）（）正开口四边滑阀的零位系数为q0dsdsc0ssp01K=2Cp1CUpK=p2pK=U2-4、正开口四边滑阀的静态特性关于零位阀系数的说明：1、正开口四边阀的流量增益是理想零开口四边滑阀的两倍，这是因为负载流量同时 受两个节流窗口的控制。 2、 正开口阀可以提高零位流量增益并改善压力一流量曲线的线性度。3、流量-压力系数取决于面积梯度。4、压力增益 与面
11、积无关。5、这种阀由于零位泄漏流量比较大，所以不适合大功串控制的场合。3,4说明前面的分析的正确性。在零位附近，实际零开口阀很类似于正开口阀。2-7喷嘴挡板阀的分析与设计 喷嘴挡板阀有以下优点，(1)结构简单，公差要求比较宽，故制造容易、价格低。(2)其压力一流量特性曲线的线性度比较好，特性容易预测，对油液污染不太敏感， 工作十分可靠。(3)运动部分(挡板):5惯如位移量小，故动态响应速度高，灵敏度高。(4)但存在泄漏损失，流量增益小。大多数两级电液伺服阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。2-7喷嘴挡板阀的分析 与滑阀相比，喷嘴挡板阀有以下优点：(1)结构简单，公差要求比较宽，故制造容易、价格低。(2
12、)其压力一流量特性曲线的线性度比较好，特性容易预测，对油液污染不太敏感，工作十分可靠。(3)运动部分(挡板惯性小，位移量小，故动态响应速度高，灵敏度高。但存在泄漏损失，流量增益小，因此这种阀在低功率系统中很受欢迎，大多数两级电液伺服阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。 双喷嘴挡板阀的原理图所示。它由固定节流孔、喷嘴及挡板组成。喷嘴与挡板间的环形面积构成了可变节流口，用来控制固定节流孔与可变节流孔之间的压力P1和P2 ，该压力差P1-P2与负载腔相连，用来控制如液压缸。当上边挡板与喷嘴端面之间的间隙减小时，由于可变液阻增大，使流量减小，在固定节流孔处的压力P1增大；下边挡板与喷嘴端面之间的间隙增大时，由
13、于可变液阻减小，使流量增大，在固定节流孔处的压力P2减小。因此控制压力差增大，推动负载运动。 1、什么是理想滑阀?什么是实际滑阀。2、阀的静态特性是什么？说明阀的三个系数的定义和它们对系统性能的影响。3、比较零开口阀、正开口阀 的三个阀系数有什么异同?为什么?4、已知一正开量U=0.05mm的四通阀，在供油压力Ps=7MPa下测得泄漏量为5L/min求阀的三个零位阀系数。 液压动力元件或称液压动力机构是由液压放大元件和液压执行元件(包括负载)组成的。液压放大元件可以是何服阀或伺服变量泵;液压执行机构是掖压马达或液压油缸。可组成：阀控液压马达、阀控液压缸、泵控液压马达和泵控液压缸。前两种动力元件
14、可以构成阀控系统，后两种动力元件可构成泵控制系统。 在液压伺服系统中，液压动力元件是一个关键性的部件，它直接影响到系统的动、静态品质。本章将建立儿种基本的液压动力元件的传递函数，分析它们的动态特性和主要的性能参数，讨论动力元件与负载的匹配，这些是分析和设计液压伺服系统的基础。 假设：阀与马达的连接管道对称且短而粗，可以忽略管道内的摩擦报失和管路动态；在管道和马达腔内不会出现饱和或空穴现象，在每个管道和马达腔内各点压力相等，温度和密度均为常数;液压马达内、外泄漏均为层流流动。根据流量的连续性，可写出每个马达腔的连续性方程为：LqVcLQ =K xK p一、基本方程与方块图1111im12em12
15、22im12em12imemQ -C (pp )C pC (pp )C p -QCCeeedVV dpdtdtdVV dpdtdt内泄漏系数外泄漏系数油体积弹性模数 假定阀为零开口四边滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，由于阀腔的容积很小，所以不考虑液体在阀腔里的压缩性；阀具有理想的响应能力，即阀芯位移和负载压力变化立即引起流量的相应变化，这个假定在几百Hz的范围内是适用的。则：零开口四边滑阀的线性化流量方程为：10201m2m=-=-mmmmmmmmVVVVVVd VDdddVd VDdtdtdtddVd VDdtdtdtD 马达排量马达转角em12121122Lim121201212tm12
16、12s12LtLLtmLemtmimt120CQQQ =C (pp )(pp )()/222()()C (pp )22=Q =C2CC =C2=2eemmeemmedVdVV dpV dpdtdtdtdtdVd ppd ppVDdtdtdtppppppdVdppDdtdtVVVV由于，以及 上式是所有液压执行元件流量连续方程的基本形式。右边第一顶是推动液压马达运动所需的流量，第二项是泄漏流量，第三项是压缩流量。由于液压马达所包含的总压缩性容积比较大，同时负载压力PL的变化率也比较大，所以通常都要考虑压缩性流量的影响，动态连续性方程与静态连续性方程的差别也就在于此。2LLL2=JBGTmmmmmddD pdtdt液压马达与负载的转矩平衡方程可写为：做拉氏变换后：LqVcLtLtmLtmL2LLLQ =K xK pQ =Css+C4=J sB sGTmmemmmVpDpD p（）（）系统方块图：二、传递函数与传递函数的简化qcetVL2mce3LtLcetcetce222222mmmmmmcetmcKKxsT4K=JJ KBB KGGKsss444K =CKmemmmeeeVDDVVVDD
