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液压元件与系统设计, 液压系统设计 （第三讲）,电液控制系统设计 1 电液控制系统分类 按控制物理量分类 位置控制系统、速度控制系统、力控制系统 按液压控制元件控制方式的不同分类 阀控系统、泵控系统 根据输入信号形式和信号处理手段分类 数字控制系统、模拟控制系统、直流控制系统、交流控制系统、数模混合控制系统。,2 电液位置控制系统 特点：系统输出的位置同系统的输入量之间始终保持一定的比例关系。,1)电液位置控制系统组成和方块图,角度同步变压器机可以看作为比例环节：,交流放大和解调器同样视为比例环节：,伺服放大器的输入电压与输出电流近似成比例：,伺服阀的传递函数：,式中 i马达轴与负载间齿轮传动比； TL系统输出轴阻力矩；,只考虑惯性负载，则阀控马达的滑阀位移对马达输出转角的传递函数为,则系统的方块图为：,2)性能分析 A稳定性分析,系统的开环传递函数为,式中 Kv系统开环增益。,系统的开环传递函数为,式中 Kv系统开环增益。,单位反馈时，系统的闭环传递函数为,利用劳斯判据可知，欲使系统稳定，需满足： Kv2 h h h值的计算不易准确又不易测定。一般取 h=0.10.2。所以系统稳定条件为 Kv(0.20.4) h 为了防止系统中由于元件参数变化造成的影响，也为了得到满意的性能指标，一般相位裕量在3060 之间，幅值裕量为612分贝。,故特征方程为：,B位置控制系统的闭环频率特性 系统的闭环传递函数为,分母的三次多项式可以分解为一个一阶因式和一个二阶因式的乘积：,闭环惯性环节转折频率的无因次曲线, b Kv,当h和Kv/h较小时，,当h和Kv/h较小时，, nc h,当h和Kv/h较小时，,2 nc 2 hKv/ h,C系统的精度分析 A) 静态误差 对于只有惯性负载的位置控制系统，对输入信号来说，系统的结构是I型。I型系统没有位置误差而只有速度误差。速度误差等于输入速度Vi被开环放大系数除，即,系统对于干扰信号的闭环传递函数为,此式称为系统闭环柔度特性，其倒数即为闭环刚度特性。,系统闭环静态刚度为,对于干扰信号TL来说，系统的结构是零型，干扰力矩引起位置误差为,B) 伺服阀死区和零飘引起的位置误差 如果伺服阀的死区、液压马达和负载摩擦的死区折合为电流误差il，电液伺服阀的零飘为i2，伺服放大器零飘折合到电液伺服阀为i3；，这些因素引起的位置误差为,Ke、Kd、Kf反馈取出点经反馈通路到伺服阀输入的增益。 C) 测量元件的误差 测量元件与负载连接，测量元件的固有误差、安装调试和校准误差会反映到输出轴上，其值假设为a。 总位置误差为,D位置控制系统的校正 A)串联滞后校正 作用：提高开环增益以提高精度，其传递函数为：,式中,超前环节的转折频率； 滞后超前比 1。,典型滞后校正网络,校正后系统的开环传递函数为,加入滞后校正的位置系统开环波德图,一般要求： 选择不超过1020； Kg1020dB、4060； c 位于rc和h之间的-20dB/dec区间。 参数选取方法： 当c确定后，取rc(1/41/5) c，调整rc 满足稳定裕量要求。,B) 速度及加速度反馈校正,反馈校正回路的闭环传递函数为,式中 K1单有速度反馈校正时校正回路的开环增益，且,K2单有加速度反馈校正时校正回路的开环增益，且,只有速度反馈校正，即K20时，系统的开环增益由Kv下降到Kv / (1+K1)，固有频率由h增加 到,， 阻尼比由 h降低到,， 提高反馈回路外的增益Ke，可以补偿Kv的下降。,只有加速度反馈时，Kv、h不变而阻尼比 h提高，提高了稳定性。,整个位置系统开环传递函数,有速度反馈后的系统开环波德图,加速度反馈的实质是把输出速度变化率超前反馈，以阻止输出量的变化而形成阻尼。提高了系统等速输入时的平稳性。二阶以上系统用加速度反馈有利于平稳调速，故常用这种校正。 加入速度，加速度反馈校正后：,加速度、速度反馈参数选择原则： 1）根据希望的h、h求得K1、K2， 2）进一步求出Kfa、Kfv，求出Kv可判定Ka的值 3）通常h、h有一定限度。要求增大后的c以-20dB/dec穿过零分贝线。,加入速度及加速度反馈的系统开环波德图,3 电液速度控制系统 1) 电液速度控制系统的组成及控制方式 小功率：阀马达组合； 大功率：变量泵液压马达组合。 A伺服阀控制液压马达,B变量泵定量马达闭环控制,2) 速度控制系统的分析与校正 A速度控制系统的分析 以阀控马达为例，系统的负载是惯性负载，伺服阀认为是一个比例环节.,系统的开环传递函数为,K0为速度控制系统开环增益,是零型系统，对速度阶跃输入时，速度偏差随速度增大而增大，这是一个有差系统，因此实际上是一个速度调节器。,曲线以-40dB/dec穿过零分贝线，所以穿越频率处相位裕量很小，如果系统不作简化，考虑到h和c之间有其它滞后环节，穿越频率c之处的斜率将是-60dBdec或 -80dBdec，系统的相位滞后又将增加90或180 ，系统肯定是不稳定，即使勉强稳定，由于K0的下降，系统的精度下降。因此速度控制必须校正，才能可靠稳定地工作。,B速度控制系统的校正 最简单的校正方法是加滞后校正，相当于低频段增加了惯性环节。这时穿越频率附近的斜率为 -20dBdec。校正后系统的开环传递函数为,由于h一般为0.10.2，从稳定条件出发Kv c < (0.20.4) h。设计校正网络就是要确定K0及T 1g c 一1g(1T)1g K0 即 K0Tc 滞后网络的时间常数为,确定c后选K0及T再确定R及C。,经过校正的系统穿越频率比未校正的系统的穿越频率低，使闭环响应速度变慢。,4 力(压力)控制系统 力伺服系统广泛应用于工业的材料试验机、线材或带材张力控制、轧钢机的压下和车辆刹车装置。本系统具有精度高、响应速度快、功率大、结构紧凑和使用方便等优点。 在力控制系统中被控制量是力，虽然在位置或速度控制系统中，要带动负载运动也有力的输出，但这种力不是被控制量而是取决于被控制量(位置、速度)和外负载力。同样在力控制系统中，位移和速度取决于输出力和受力对象本身的状态。 1)力控制系统的组成,2) 控制系统的性能分析及校正 若负载质量是M、负载粘性阻尼是B和负载弹簧刚度是k时，则基本方程为：,力传感器的变换方程为：,式中 Kf力传感器增益。,从阀芯位移xv至力F的小闭环传递函数为,令,取：,系统的传递函数为：,式中：,因为：,所以：,开环系统中出现压力增益，说明系统输出是力。,由于力控制系统的开环传递函数中有一个二阶微分环节，对于不同负载工况的开环波德图有很大差别。下面就两种负载工况来讨论近似的方法。,开环传递函数中的二阶微分环节与二阶振荡环节抵消，仅剩惯性环节，由于3很小，2与3很接近，3处的谐振峰也不利于稳定。,未经校正的电液力控制系统是一个零型系统，开环增益kv中有压力增益kp，因为流量伺服阀中kp很高，所以kv很大(为了保证稳定性要降低ka及kf，以降低kv)。阻尼系数3很低，谐振峰值会超过零分贝线。为了系统稳定，需要校正。 通常在2前加一个二阶惯性环节以保证稳定。,3与2距离加大，当k很小而1相对于其它频率很小时，可以把惯性环节看成是积分环节。,