《電液伺服系統(tǒng)》ppt課件

1、第六章第六章 電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 電液伺服系統(tǒng)的類型電液伺服系統(tǒng)的類型n一、模擬伺服系統(tǒng) n 在模擬伺服系統(tǒng)中，全部信號都是延續(xù)的模擬量，在此系統(tǒng)中，輸入信號、反響信號、偏向信號及其放大、校正都是延續(xù)的模擬量 n 二、數(shù)字伺服系統(tǒng) n 在數(shù)字伺服系統(tǒng)中，全部信號或部分信號是離散參量。數(shù)字檢測安裝有很高的分辨才干，所以數(shù)字伺服系統(tǒng)可以得到很高的絕對精度。數(shù)字伺服系統(tǒng)的輸入信號是很強的脈沖電壓，受模擬量的噪聲和零漂的影響很小。所以當要求較高的絕對精度，而不是反復精度時，常采用數(shù)字伺服系統(tǒng)。 第二節(jié)第二節(jié) 電液位置伺服系統(tǒng)的分析電液位置伺服系統(tǒng)的分析 n一、系統(tǒng)的組成及其傳送函數(shù)一

2、、系統(tǒng)的組成及其傳送函數(shù) n自整角機丈量安裝輸出的誤差信號電壓自整角機丈量安裝輸出的誤差信號電壓 n當當 很小時，很小時， n自整角機的增益為自整角機的增益為 n相敏放大器，將其看成比例環(huán)節(jié)，其增益相敏放大器，將其看成比例環(huán)節(jié)，其增益 n伺服放大器傳送函數(shù)可用伺服放大器增益表示，伺服放大器傳送函數(shù)可用伺服放大器增益表示， )sin(KUcree crcrsin cr ecreKU degKUU agKUI n 電液伺服閥的傳送函數(shù)電液伺服閥的傳送函數(shù)n當伺服閥的頻寬與液壓固有頻率相近時當伺服閥的頻寬與液壓固有頻率相近時 n當伺服閥的頻寬大于液壓固有頻率當伺服閥的頻寬大于液壓固有頻率(35倍倍)

3、時時 n當伺服閥的頻寬大于液壓固有頻率當伺服閥的頻寬大于液壓固有頻率(510倍倍)時時 12220 ssKIQ)s(GKsvsvsvsvsvsv 10 sTKIQ)s(GKsvsvsvsv svsvsvKIQ)s(GK 0n在沒有彈性負載和不思索構造柔度的影響時在沒有彈性負載和不思索構造柔度的影響時,閥控閥控液壓馬達的動態(tài)方程為液壓馬達的動態(tài)方程為n齒輪減速器的傳動比為齒輪減速器的傳動比為 12412220sssTsKViDKDQhhhLceetmcemm cmi imc1 12)14(222sssTsKVDKXDKhhhLceetmcevmqm n系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為 1222sss)s(G

4、K)s(H)s(Ghhhsvv msvadeviDKKKKK n電液伺服閥的呼應速度較快，與液壓動力元件電液伺服閥的呼應速度較快，與液壓動力元件相比，其動態(tài)特性可以忽略不計，把它看成比相比，其動態(tài)特性可以忽略不計，把它看成比例環(huán)節(jié)。例環(huán)節(jié)。n 二、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析二、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析n系統(tǒng)的穩(wěn)定條件系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 n通常相位裕量應在通常相位裕量應在 之間，增益裕量之間，增益裕量20lg 應大于應大于6dB(或或 )。 1222sssK)s(H)s(Ghhhv hhvK 2 6030gK2Kg n取增益裕量取增益裕量 n在相位裕量在相位裕量 時，其對應的相位為時，其對應的相位為 2112 ghh

5、vKK 20lg 6db gK2 gK hhvK 45 431222 hchchcarctg)(由于由于 只能取正值故解得只能取正值故解得 c12 hhhc n假設取相位裕量假設取相位裕量 ，那么，那么 所對應的對數(shù)所對應的對數(shù)幅值幅值 45c02120222 hchhccvKlg 22122hhhvhK hvK hvK hvK n三、系統(tǒng)呼應特性分析三、系統(tǒng)呼應特性分析 n 系統(tǒng)閉環(huán)呼應特性包括對指令信號和對外負載力系統(tǒng)閉環(huán)呼應特性包括對指令信號和對外負載力矩干擾的閉環(huán)呼應兩個方面。矩干擾的閉環(huán)呼應兩個方面。n( (一一) )對指令輸入的閉環(huán)頻率呼應對指令輸入的閉環(huán)頻率呼應 n其特征方程可用

6、一個一階因式和一個二階因式表其特征方程可用一個一階因式和一個二階因式表示，即示，即 n 121223223 hvhhvhhhvhvhhhvrcsKsKsKKsssK 121122sssncncbrcnc hvK vbK h hvK h ncn當當 和和 值都較小時，閉環(huán)參數(shù)與開環(huán)參值都較小時，閉環(huán)參數(shù)與開環(huán)參數(shù)有如下的近似關系數(shù)有如下的近似關系 h hv/K vbK hnc hvhnc/K 21 hvK nc n (二二)系統(tǒng)的閉環(huán)剛度特性系統(tǒng)的閉環(huán)剛度特性n系統(tǒng)對外負載力矩的傳送函數(shù)為系統(tǒng)對外負載力矩的傳送函數(shù)為n思索到思索到 時，時， ，那么閉環(huán)剛度可寫，那么閉環(huán)剛度可寫成成 121412

7、222ncncncbceetmvceLcsssKVDiKKT 0Bm tceehhVK 42 121212222 hhncncncbcemvcLsssKDiKT n一階滯后環(huán)節(jié)和一階超前環(huán)節(jié)可近似抵消，那一階滯后環(huán)節(jié)和一階超前環(huán)節(jié)可近似抵消，那么剛度的表達式簡化為么剛度的表達式簡化為 122222ncncnccemvcLsKDiKT n在諧振頻率在諧振頻率 處閉環(huán)剛度最小，其值為處閉環(huán)剛度最小，其值為 n令令s0，可得系統(tǒng)的閉環(huán)靜態(tài)剛度為，可得系統(tǒng)的閉環(huán)靜態(tài)剛度為 nc cemvnccLKDiKT22min2 cemvcLKDiKT220 n四、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析四、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 n(一

8、一)指令輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差指令輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差n系統(tǒng)對指令輸入的誤差傳送函數(shù)為系統(tǒng)對指令輸入的誤差傳送函數(shù)為 n利用拉氏變換的終值定理，求得穩(wěn)態(tài)誤差為利用拉氏變換的終值定理，求得穩(wěn)態(tài)誤差為)s()s(H)s()s(Ecrr vhhhhrrerKssssss)s(G)s()s(E)s(hh 1212112222 )s()s(slim)s(sElimerersrsr 00 n1階躍輸入階躍輸入 n2. 等速輸入等速輸入n 3. 等加速輸入等加速輸入 )s(Ksssssslimervhhhhsrhh 1212222220s)s(rr 0 re2s)s(rr vrrKe 3s)s(rr ren (二

9、二)負載干擾力矩引起的穩(wěn)態(tài)誤差負載干擾力矩引起的穩(wěn)態(tài)誤差 n系統(tǒng)對外負載力矩的誤差傳送函數(shù)為系統(tǒng)對外負載力矩的誤差傳送函數(shù)為 n穩(wěn)態(tài)負載誤差為穩(wěn)態(tài)負載誤差為n對恒值外負載力矩對恒值外負載力矩 ，那么有，那么有vhhceetmceLcLLeLKssssKVDiK)s(T)s()s(T)s(E)s(h 12412222 )s(T)s(slimeLeLsL 0 sT)s(TLL0 022LmvceLTDiKK)(e n(三)零漂和死區(qū)等引起的靜態(tài)誤差 n將零漂、死區(qū)等在系統(tǒng)中呵斥的誤差稱為系統(tǒng)的靜差。n靜摩擦力矩引起的靜態(tài)位置誤差為 mvfcecDiKTK21 n靜摩擦力矩折算到伺服閥輸入端的死區(qū)電

10、流為靜摩擦力矩折算到伺服閥輸入端的死區(qū)電流為n電液伺服閥的零漂和死區(qū)所引起的位置誤差為電液伺服閥的零漂和死區(qū)所引起的位置誤差為n靜態(tài)位置誤差為靜態(tài)位置誤差為 iKTKIsvfceD 1adeDdcKKKII 2 adecKKKI n五、計算舉例n電液位置伺服系統(tǒng)。巳知:液壓缸有效面積 ，系統(tǒng)總流量壓力系數(shù) ，最大任務速度Vm2.210-2m/s，最大靜摩擦力Ff=1.75104 N，伺服閥零漂和死區(qū)電流總計為15mA。取增益裕量為6dB，試確定放大器增益、穿越頻率和相位裕量；求系統(tǒng)的跟隨誤差和靜態(tài)誤差。 2410168mAp Pas/m.Kce 3111021n系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為系統(tǒng)的開環(huán)傳

11、送函數(shù)為 n開環(huán)放大系數(shù)開環(huán)放大系數(shù) 1883 . 028811577 . 02157)()(2222sssssKsHsGv apsvavK.AKKK431016810961 n光電檢測器與光電檢測器與伺服放大器增伺服放大器增益益 m/A.KKva8211559109613 系統(tǒng)的跟隨誤差為系統(tǒng)的跟隨誤差為 m.m.KV)(evmr32108907241022 靜摩擦力引起的死區(qū)電流為靜摩擦力引起的死區(qū)電流為 AFAKKIfpsvceD43111101681096. 1102 . 1n零漂和死區(qū)引起的總靜態(tài)誤差為零漂和死區(qū)引起的總靜態(tài)誤差為n系統(tǒng)的總誤差為跟隨誤差和總靜態(tài)誤差之和，系統(tǒng)的總誤差

12、為跟隨誤差和總靜態(tài)誤差之和，即即(0.89+0.1)*10-3=0.99*10-3mmKIxap310*1 . 0 第三節(jié)第三節(jié) 電液伺服系統(tǒng)的校正電液伺服系統(tǒng)的校正 n 一、滯后校正一、滯后校正 n滯后校正的主要作用是經(jīng)滯后校正的主要作用是經(jīng)過提高低頻段增益，減小過提高低頻段增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，或者在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，或者在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的條件保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的條件下，經(jīng)過降低系統(tǒng)高頻段下，經(jīng)過降低系統(tǒng)高頻段的增益，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)的增益，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。定性。 n傳送函數(shù)為傳送函數(shù)為 1110 rcrccss)s(u)s(u)s(G 121122sssssK)s(H)s(Ghhrc

13、rccvh 參與滯后校正后，系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為參與滯后校正后，系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為 串聯(lián)校正控制器對象反饋校正- - -n設計步驟如下：n 1)根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定系統(tǒng)的速度放大系數(shù)Kvcn 2)利用已確定的速度放大系數(shù)，畫出末校正系統(tǒng)的伯德圖檢查未校正系統(tǒng)的相位裕量和增益裕量，看能否滿足要求。n3)假設不滿足要求，那么應根據(jù)相位裕量和增益裕量的要求確定新的增益穿越頻率。n4)選擇轉機頻率 。為了減小滯后網(wǎng)絡對 處相位滯后的影響，應使 低于新增益交界頻率的1到10倍頻程。n5)確定滯后超前比a，由 可確定出a值,普通在10-20之間，通常取a=10 )125(r)(00cc 0180 c

14、vvcKK rc c rc crc 5141 121122sssssK)s(H)s(Ghhrcrccvh n 滯后校正使速度放大系數(shù)提滯后校正使速度放大系數(shù)提a高倍，因此使速度高倍，因此使速度誤差減小誤差減小a倍。提高了閉環(huán)剛度，減小了負載誤差。倍。提高了閉環(huán)剛度，減小了負載誤差。由于回路增益提高，減小了元件參數(shù)變化和非線由于回路增益提高，減小了元件參數(shù)變化和非線性影響。但滯后校正降低了穿越頻率，使穿越頻性影響。但滯后校正降低了穿越頻率，使穿越頻率兩側的相位滯后增大，特別是低頻側相位滯后率兩側的相位滯后增大，特別是低頻側相位滯后較大。假設低頻相位小于較大。假設低頻相位小于-180。在開環(huán)增益減

15、小。在開環(huán)增益減小時，系統(tǒng)穩(wěn)定性就要變壞，甚至變得不穩(wěn)定。也時，系統(tǒng)穩(wěn)定性就要變壞，甚至變得不穩(wěn)定。也就是說，系統(tǒng)變成了有條件穩(wěn)定的系統(tǒng)，對系統(tǒng)就是說，系統(tǒng)變成了有條件穩(wěn)定的系統(tǒng)，對系統(tǒng)參數(shù)變化和非線性影響比較敏感。參數(shù)變化和非線性影響比較敏感。 n例1.知閥控缸電液位置控制系統(tǒng)如下圖，負載質量M作直線運動，知負載工況為行程xpmax=0.5m；M=1000kg;干摩擦力Ff=2000N；負載最大速度Vmax=0.1m/s。負載最大加速度a=2.2m/s2。能源壓力為Ps=63bar；最大輸入信號電壓ei=5V；油液容積彈性模數(shù)e=10*108。選用的電液伺服閥的數(shù)據(jù)為：頻率 ，阻尼系數(shù) ；閥

16、的流量增益 ；壓力流量系數(shù) 。再取反響增益為 Kf=10V/m，n(1) 試設計液壓缸的活塞面積，進而確定液壓缸的傳送函數(shù)，并設計伺服放大器的增益Ka，使系統(tǒng)的相角裕度大于45度；幅值裕度大于6dB。slmf/600 5 . 0 mf AsmKqs/ )/(10*44. 433 )/(10*4512sNmKc n2.假設希望由于干摩擦所引起的誤差下降到原來的1/4，采用滯后校正，試設計滯后校正安裝的參數(shù)，并調整直流放大器增益以堅持系統(tǒng)的幅值裕度不變。放大器放大器直流伺服直流伺服伺服閥伺服閥電液電液液壓缸液壓缸-iegefe電位計MfF當當Ka=0.2時時n輸入端誤差n輸出端誤差n假設要誤差減小

17、為原來的1/4，那么增益應增大為原來的4倍，即Ka=0.8A， mmmAAKKKFKAKFKeppfqsafcepvfcessf9 . 0109/422 mmmAAKKKKFKAKFKKeppfqsaffcepvffcessf9109/322 n假設不改動原系統(tǒng)的截至頻率那么，滯后校正元假設不改動原系統(tǒng)的截至頻率那么，滯后校正元件的分度系數(shù)應為件的分度系數(shù)應為4，取滯后校正元件的傳送函數(shù)，取滯后校正元件的傳送函數(shù)為：為：185. 114 . 7)( sssGcn二、速度與加速度反響校正二、速度與加速度反響校正n速度反響校正的主要作用是提高主回路的靜態(tài)剛速度反響校正的主要作用是提高主回路的靜態(tài)剛

18、度，減少速度反響回路內(nèi)的干擾和非線性的影響，度，減少速度反響回路內(nèi)的干擾和非線性的影響，提高系統(tǒng)的靜態(tài)精度。加速度反響主要是提高系提高系統(tǒng)的靜態(tài)精度。加速度反響主要是提高系統(tǒng)的阻尼。低阻尼是限制液壓伺服系統(tǒng)性能目的統(tǒng)的阻尼。低阻尼是限制液壓伺服系統(tǒng)性能目的的主要緣由、假設能將阻尼比提高到的主要緣由、假設能將阻尼比提高到0.4以上，系以上，系統(tǒng)的性能可以得到顯著的改善。統(tǒng)的性能可以得到顯著的改善。 n 速度與加速度反響校正回路的閉環(huán)傳送函數(shù)為 1121112121sKKKssKD/KKUhhhhmsvagm nk1只需速度反響校正時?；芈返拈_環(huán)增益nK2-只需加速度反響校正時校回路的開環(huán)增益n整

19、個位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為 n mfvsvaDKKKK 1mfasvaDKKKK 2 1121)1/()()(121221sKKKssKKsHsGhhhhv Kv系統(tǒng)未加校正時的開環(huán)增益，系統(tǒng)未加校正時的開環(huán)增益， msvadeviDKKKKK n只需速度反響校正時，只需速度反響校正時，K2=0，速度反響校正，速度反響校正使位置系統(tǒng)的開環(huán)增益降為使位置系統(tǒng)的開環(huán)增益降為 ，固有，固有頻率增大為頻率增大為 ，阻尼比下降為，阻尼比下降為 開環(huán)增益的下降，可以經(jīng)過調整前置放大器的開環(huán)增益的下降，可以經(jīng)過調整前置放大器的增益增益 加以補償。加以補償。 n設具有速度與加速度反響校正的固有頻率與阻設具

20、有速度與加速度反響校正的固有頻率與阻尼比分別為尼比分別為 和和 n )K/(Kv11 11Kh 11K/h dKhh 11Khh 12122KKhhh n三、壓力反響和動壓反響校正三、壓力反響和動壓反響校正 n采用壓力反響和動壓反響校正的目的是提高系統(tǒng)采用壓力反響和動壓反響校正的目的是提高系統(tǒng)的阻尼。負載壓力隨系統(tǒng)的動態(tài)而變化，當系統(tǒng)的阻尼。負載壓力隨系統(tǒng)的動態(tài)而變化，當系統(tǒng)振動加劇時，負載壓力也增大。假設將負載壓力振動加劇時，負載壓力也增大。假設將負載壓力加以反響，使輸入系統(tǒng)的流量減少，那么系統(tǒng)的加以反響，使輸入系統(tǒng)的流量減少，那么系統(tǒng)的振動將減弱，起到了添加系統(tǒng)阻尼的作用。振動將減弱，起到

21、了添加系統(tǒng)阻尼的作用。n 可以采用壓力反響伺服閥或動壓反響伺服閥實現(xiàn)可以采用壓力反響伺服閥或動壓反響伺服閥實現(xiàn)壓力反響和動壓反響。也可以來用液壓機械網(wǎng)絡壓力反響和動壓反響。也可以來用液壓機械網(wǎng)絡或電反響實現(xiàn)壓力反響或動壓反響?；螂姺错憣崿F(xiàn)壓力反響或動壓反響。 n (一)壓力反響校正 n壓差或壓力傳感器測取液壓馬達的負載壓力，反響到功率放大器的輸入端，構成壓力反響。 n壓力反響回路的閉環(huán)傳送函數(shù)為 12/22sssDKKUhhmsvagmh n校正后系統(tǒng)的阻尼比為n位置系統(tǒng)的開環(huán)傳送函數(shù)為ttemfpsvacemhtfpsvaVJDKKKKDJKKKhh 22 1222sssK)s(H)s(Gn

22、chvnc 壓力反響不改動開環(huán)增益和液壓固有頻率，但使阻尼壓力反響不改動開環(huán)增益和液壓固有頻率，但使阻尼比添加了比添加了 。，msvadeviDKKKKK n (二)動壓反響校正 第四節(jié)第四節(jié) 電液速度控制系統(tǒng)電液速度控制系統(tǒng) n電液速度控制系統(tǒng)統(tǒng)按控制方式可分為：閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)和泵控液壓馬達速度控制系統(tǒng)。閥控馬達系統(tǒng)普通用于小功率系統(tǒng)，而泵控馬達系統(tǒng)普通用于大功率系統(tǒng)。n一、閥控馬達速度控制系統(tǒng) 12)()(220 ssKsHsGnchnc n系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)mfvsvaDKKKK 0n滯后校正1110 sTuucRcTc n系統(tǒng)系統(tǒng)Bode圖圖n穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件n

23、滯后網(wǎng)絡時間常數(shù)滯后網(wǎng)絡時間常數(shù)hhhc )4 . 02 . 0(2 cKT 0 n二、二、 泵控馬達速度控制系統(tǒng)泵控馬達速度控制系統(tǒng)n(一一)泵控開環(huán)速度控制系統(tǒng)泵控開環(huán)速度控制系統(tǒng) n變量泵的斜盤角由比例放大器、伺服閥、液壓缸變量泵的斜盤角由比例放大器、伺服閥、液壓缸和位移傳感器組成的位置回路控制。和位移傳感器組成的位置回路控制。 n(二二)帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng)帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng) n (三三)不帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng)不帶位置環(huán)的泵控閉環(huán)速度控制系統(tǒng) n三、計算舉例 n設速度控制系統(tǒng)的原理圖和方塊圖如圖 n該系統(tǒng)的開環(huán)增益為該系統(tǒng)的開環(huán)增益為 K0=0.05*3

24、060*1.25*3*0.175=100 40dB20lgK0 系統(tǒng)校正：積分放大器系統(tǒng)校正：積分放大器TssGc1)(RCT 假設假設T20，那么，那么 s.)s(Gc050 當輸入當輸入1v時，系統(tǒng)所對應的希望輸出為時，系統(tǒng)所對應的希望輸出為 s/rad.s/rad.KUfvrm9131750111 第五節(jié)第五節(jié) 電液力控制系統(tǒng)電液力控制系統(tǒng) n一、系統(tǒng)組成及任務原理一、系統(tǒng)組成及任務原理n電液力控制系統(tǒng)主要由伺服放大器、電液伺服閥、電液力控制系統(tǒng)主要由伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸和力傳感器等組成液壓缸和力傳感器等組成 n 二、根本方程與開環(huán)傳送函數(shù)二、根本方程與開環(huán)傳送函數(shù)n偏向電壓信

25、號為偏向電壓信號為 n力傳感器方程為力傳感器方程為n伺服放大器動態(tài)可以忽略，其輸出電流為伺服放大器動態(tài)可以忽略，其輸出電流為n伺服閥傳送函數(shù)可表示為伺服閥傳送函數(shù)可表示為 freUUU gfFfFKU eaUKI )s(GKIXsvsvv n假定負載為質量、彈性和阻尼，那么閥控液壓缸的動態(tài)可用下面三個方程描畫 pppptLpLetLtpppLLcvqLKXsXBXsmpAFspVpCsXAQpKXKQ 02g4 n閥芯位移閥芯位移Xv至液壓缸輸出力至液壓缸輸出力Fg的傳送函數(shù)的傳送函數(shù) 22222232241441pceetppceeptptceettptpqvgAkKsAKVABKsABVAmKsAmVsKBsKmKAKXFppp 負載的阻尼系數(shù)負載的阻尼系數(shù)Bp很小可以忽