液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計

1、 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計在液壓伺服系統(tǒng)中采用液壓伺服閥作為輸入信號的轉(zhuǎn)換與放大元件.液壓伺服系統(tǒng)能以小功率的電信號輸入,控制大功率的液壓能(流量與壓力)輸出,并能獲得很高的控制精度和很快的響應(yīng)速度.位置控制,速度控制,力控制三類液壓伺服系統(tǒng)一般的設(shè)計步驟如下:1)明確設(shè)計要求:充分了解設(shè)計任務(wù)提出的工藝,結(jié)構(gòu)及時系統(tǒng)各項性能的要求,并應(yīng)詳細(xì)分析負(fù)載條件.2)擬定控制方案,畫出系統(tǒng)原理圖.3)靜態(tài)計算:確定動力元件參數(shù),選擇反饋元件及其它電氣元件.4)動態(tài)計算:確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù),繪制開環(huán)波德圖,分析穩(wěn)定性,計算動態(tài)性能指標(biāo).< R> 5)校核精度和性能指標(biāo),選擇校正方式和

2、設(shè)計校正元件.6)選擇液壓能源及相應(yīng)的附屬元件.7)完成執(zhí)行元件及液壓能源施工設(shè)計.本章的內(nèi)容主要是依照上述設(shè)計步驟,進一步說明液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計原則和介紹具體設(shè)計計算方法.由于位置控制系統(tǒng)是最基本和應(yīng)用最廣的系統(tǒng),所以介紹將以閥控液壓缸位置系統(tǒng)為主.4.1 全面理解設(shè)計要求液壓伺服控制系統(tǒng)是被控對象主機的一個組成部分,它必須滿足主機在工藝上和結(jié)構(gòu)上對其提出的要求.例如軋鋼機液壓壓下位置控制系統(tǒng),除了應(yīng)能夠承受最大軋制負(fù)載,滿足軋鋼機軋輥輥縫調(diào)節(jié)最大行程,調(diào)節(jié)速度和控制精度等要求外,執(zhí)行機構(gòu)壓下液壓缸在外形尺寸上還受軋鋼機牌坊窗口尺寸的約束,結(jié)構(gòu)上還必須保證滿足更換軋輥方便等要求.要設(shè)計一個好

3、的控制系統(tǒng),必須充分重視這些問題的解決.所以設(shè)計師應(yīng)全面了解被控對象的工況,并綜合運用電氣,機械,液壓,工藝等方面的理論知識,使設(shè)計的控制系統(tǒng)滿足被控對象的各項要求.1)被控對象的物理量:位置,速度或是力.2)靜態(tài)極限:最大行程,最大速度,最大力或力矩,最大功率.3)要求的控制精度:由給定信號,負(fù)載力,干擾信號,伺服閥及電控系統(tǒng)零飄,非線性環(huán)節(jié)(如摩擦力,死區(qū)等)以及傳感器引起的系統(tǒng)誤差,定位精度,分辨率以及允許的飄移量等.4)動態(tài)特性:相對穩(wěn)定性可用相位裕量和增益裕量,諧振峰值和超調(diào)量等來規(guī)定,響應(yīng)的快速性可用載止頻率或階躍響應(yīng)的上升時間和調(diào)整時間來規(guī)定;5)工作環(huán)境:主機的工作溫度,工作介

4、質(zhì)的冷卻,振動與沖擊,電氣的噪聲干擾以及相應(yīng)的耐高溫,防水防腐蝕,防振等要求;6)特殊要求;設(shè)備重量,安全保護,工作的可靠性以及其它工藝要求.正確確定系統(tǒng)的外負(fù)載是設(shè)計控制系統(tǒng)的一個基本問題.它直接影響系統(tǒng)的組成和動力元件參數(shù)的選擇,所以分析負(fù)載特性應(yīng)盡量反映客觀實際.液壓伺服系統(tǒng)的負(fù)載類型有慣性負(fù)載,彈性負(fù)載,粘性負(fù)載,各種摩擦負(fù)載(如靜摩擦,動摩擦等)以及重力和其它不隨時間,位置等參數(shù)變化的恒值負(fù)載等.4.2 擬定控制方案,繪制系統(tǒng)原理圖在全面了解設(shè)計要求之后,可根據(jù)不同的控制對象,按表6所列的基本類型選定控制方案并擬定控制系統(tǒng)的方塊圖.如對直線位置控制系統(tǒng)一般采用閥控液壓缸的方案,方塊圖

5、如圖36所示.圖36 閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)方塊圖表6 液壓伺服系統(tǒng)控制方式的基本類型伺服系統(tǒng)控制信號控制參數(shù)運動類型元件組成機液電液氣液電氣液模擬量數(shù)字量位移量位置,速度,加速度,力,力矩,壓力直線運動擺動運動旋轉(zhuǎn)運動1.閥控制:閥-液壓缸,閥-液壓馬達2.容積控制:變量泵-液壓缸;變量泵-液壓馬達;閥-液壓缸-變量泵-液壓馬達3.其它:步近式力矩馬達4.3 動力元件參數(shù)選擇動力元件的主要參數(shù)包括系統(tǒng)的供油壓力,液壓缸的有效面積(或液壓馬達排量),伺服閥的流量.當(dāng)選定液壓馬達作執(zhí)行元件時,還應(yīng)包括齒輪的傳動比.選用較高的供油壓力,在相同輸出功率條件下,可減小執(zhí)行元件液壓缸的活塞面積(或液壓馬

6、達的排量),因而泵和動力元件尺寸小重量輕,設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,同時油腔的容積減小,容積彈性模數(shù)增大,有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度.但是隨供油壓力增加,由于受材料強度的限制,液壓元件的尺寸和重量也有增加的趨勢,元件的加工精度也要求提高,系統(tǒng)的造價也隨之提高.同時,高壓時,泄漏大,發(fā)熱高,系統(tǒng)功率損失增加,噪聲加大,元件壽命降低,維護也較困難.所以條件允許時,通常還是選用較低的供油壓力.常用的供油壓力等級為7MPa到28MPa,可根據(jù)系統(tǒng)的要求和結(jié)構(gòu)限制條件選擇適當(dāng)?shù)墓┯蛪毫?如上所述,動力元件參數(shù)選擇除應(yīng)滿足拖動負(fù)載和系統(tǒng)性能兩方面的要求外,還應(yīng)考慮與負(fù)載的最佳匹配.下面著重介紹與負(fù)載最佳匹配問題.(1)

7、動力元件的輸出特性將伺服閥的流量壓力曲線經(jīng)坐標(biāo)變換繪于-FL平面上,所得的拋物線即為動力元件穩(wěn)態(tài)時的輸出特性,見圖37.圖37 參數(shù)變化對動力機構(gòu)輸出特性的影響a)供油壓力變化;b)伺服閥容量變化;c)液壓缸面積變化圖中 FL負(fù)載力,FL=pLA;pL伺服閥工作壓力;A液壓缸有效面積;液壓缸活塞速度,;qL伺服閥的流量;q0伺服閥的空載流量;ps供油壓力.由圖37可見,當(dāng)伺服閥規(guī)格和液壓缸面積不變,提高供油壓力,曲線向外擴展,最大功率提高,最大功率點右移,如圖37a.當(dāng)供油壓力和液壓缸面積不變,加大伺服閥規(guī)格,曲線變高,曲線的頂點A ps不變,最大功率提高,最大功率點不變,如圖37b.當(dāng)供油壓

8、力和伺服閥規(guī)格不變,加大液壓缸面積A,曲線變低,頂點右移,最大功率不變,最大功率點右移,如圖37c.(2)負(fù)載最佳匹配圖解法在負(fù)載軌跡曲線-FL平面上,畫出動力元件輸出特性曲線,調(diào)整參數(shù),使動力元件輸出特性曲線從外側(cè)完全包圍負(fù)載軌跡曲線,即可保證動力元件能夠拖動負(fù)載.在圖38中,曲線1,2,3代表三條動力元件的輸出特性曲線.曲線2與負(fù)載軌跡最大功率點c相切,符合負(fù)載最佳匹配條件,而曲線1,3上的工作點和b,雖能拖動負(fù)載,但效率都較低.(3)負(fù)載最佳匹配的解析法參見液壓動力元件的負(fù)載匹配.(4)近似計算法在工程設(shè)計中,設(shè)計動力元件時常采用近似計算法,即按最大負(fù)載力FLmax選擇動力元件.在動力元

9、件輸出特性曲線上,限定FLmaxpLA= ,并認(rèn)為負(fù)載力,最大速度和最大加速度是同時出現(xiàn)的,這樣液壓缸的有效面積可按下式計算:(37)圖38 動力元件與負(fù)載匹配圖形按式37求得A值后,可計算負(fù)載流量qL,即可根據(jù)閥的壓降從伺服閥樣本上選擇合適的伺服閥.近似計算法應(yīng)用簡便,然而是偏于保守的計算方法.采用這種方法可以保證系統(tǒng)的性能,但傳遞效率稍低.(5)按液壓固有頻率選擇動力元件對功率和負(fù)載很小的液壓伺服系統(tǒng)來說,功率損耗不是主要問題,可以根據(jù)系統(tǒng)要求的液壓固有頻率來確定動力元件.四邊滑閥控制的液壓缸,其活塞的有效面積為(38)二邊滑閥控制的液壓缸,其活塞的有效面積為(39)液壓固有頻率h可以按系

10、統(tǒng)要求頻寬的(510)倍來確定.對一些干擾力大,負(fù)載軌跡形狀比較復(fù)雜的系統(tǒng),不能按上述的幾種方法計算動力元件,只能通過作圖法來確定動力元件.計算閥控液壓馬達組合的動力元件時,只要將上述計算方法中液壓缸的有效面積A換成液壓馬達的排量D,負(fù)載力FL換成負(fù)載力矩TL,負(fù)載速度換成液壓馬達的角速度,就可以得到相應(yīng)的計算公式.當(dāng)系統(tǒng)采用了減速機構(gòu)時,應(yīng)注意把負(fù)載慣量,負(fù)載力,負(fù)載的位移,速度,加速度等參數(shù)都轉(zhuǎn)換到液壓馬達的軸上才能作為計算的參數(shù).減速機構(gòu)傳動比選擇的原則是:在滿足液壓固有頻率的要求下,傳動比最小,這就是最佳傳動比.根據(jù)所確定的供油壓力ps和由負(fù)載流量qL(即要求伺服閥輸出的流量)計算得到

11、的伺服閥空載流量q0,即可由伺服閥樣本確定伺服閥的規(guī)格.因為伺服閥輸出流量是限制系統(tǒng)頻寬的一個重要因素,所以伺服閥流量應(yīng)留有余量.通?？扇?5%左右的負(fù)載流量作為伺服閥的流量儲備.除了流量參數(shù)外,在選擇伺服閥時,還應(yīng)考慮以下因素:1)伺服閥的流量增益線性好.在位置控制系統(tǒng)中,一般選用零開口的流量閥,因為這類閥具有較高的壓力增益,可使動力元件有較大的剛度,并可提高系統(tǒng)的快速性與控制精度.2)伺服閥的頻寬應(yīng)滿足系統(tǒng)頻寬的要求.一般伺服閥的頻寬應(yīng)大于系統(tǒng)頻寬的5倍,以減小伺服閥對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響.3)伺服閥的零點漂移,溫度漂移和不靈敏區(qū)應(yīng)盡量小,保證由此引起的系統(tǒng)誤差不超出設(shè)計要求.4)其它要求,

12、如對零位泄漏,抗污染能力,電功率,壽命和價格等,都有一定要求.液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,直接影響系統(tǒng)性能的好壞.執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計,除了按本節(jié)所述的方法確定液壓缸有效面積A(或液壓馬達排量D)的最佳值外,還涉及密封,強度,摩擦阻力,安裝結(jié)構(gòu)等問題.4.4 反饋傳感器的選擇根據(jù)所檢測的物理量,反饋傳感器可分為位移傳感器,速度傳感器,加速度傳感器和力(或壓力)傳感器.它們分別用于不同類型的液壓伺服系統(tǒng),作為系統(tǒng)的反饋元件.閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度主要決定于系統(tǒng)的給定元件和反饋元件的精度,因此合理選擇反饋傳感器十分重要.傳感器的頻寬一般應(yīng)選擇為控制系統(tǒng)頻寬的510倍,這是為了給

13、系統(tǒng)提供被測量的瞬時真值,減少相位滯后.傳感器的頻寬對一般系統(tǒng)都能滿足要求,因此傳感器的傳遞函數(shù)可近似按比例環(huán)節(jié)來考慮.4.5 確定系統(tǒng)方塊圖4.6 繪制系統(tǒng)開環(huán)波德圖并確定開環(huán)增益系統(tǒng)的動態(tài)計算與分析在這里是采用頻率法.首先根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),求出波德圖.在繪制波德圖時,需要確定系統(tǒng)的開環(huán)增益K.改變系統(tǒng)的開環(huán)增益K時,開環(huán)波德圖上幅頻曲線只升高或降低一個常數(shù),曲線的形狀不變,其相頻曲線也不變.波德圖上幅頻曲線的低頻段,穿越頻率以及幅值增益裕量分別反映了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度,截止頻率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性.所以可根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)所要求的穩(wěn)態(tài)精度,頻寬以及相對穩(wěn)定性,在開環(huán)波德圖上調(diào)整幅頻曲線位置的高低,來

14、獲得與閉環(huán)系統(tǒng)要求相適應(yīng)的K值.由控制原理可知,不同類型控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度決定于系統(tǒng)的開環(huán)增益.因此,可以由系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)精度的要求和系統(tǒng)的類型計算得到系統(tǒng)應(yīng)具有的開環(huán)增益K.分析二階或三階系統(tǒng)特性與波德圖的關(guān)系知道,當(dāng)h和K/h都很小時,可近似認(rèn)為系統(tǒng)的頻寬等于開環(huán)對數(shù)幅值曲線的穿越頻率,即-3dBc,所以可繪制對數(shù)幅頻曲線,使c在數(shù)值上等于系統(tǒng)要求的-3dB值,如圖39所示.由此圖可得K值.圖39 由-3dB繪制開環(huán)對數(shù)幅頻特性a)0型系統(tǒng);b)I型系統(tǒng)系統(tǒng)相對穩(wěn)定性可用幅值裕量和相位裕量來表示.根據(jù)系統(tǒng)要求的幅值裕量和相位裕量來繪制開環(huán)波德圖,同樣也可以得到K.見圖40.實際上通過作圖來確定系統(tǒng)的開環(huán)增益K,往往要綜合考慮,盡可能同時滿足系統(tǒng)的幾項主要性能指標(biāo).4.