液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)(第七章)

第七章液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié)液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟在液壓伺服系統(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、力工程與設(shè)控備制研三究類所液壓伺服系統(tǒng)一般的設(shè)計(jì)步驟如下：明確設(shè)計(jì)要求 充分了解設(shè)計(jì)任務(wù)提出的工藝、結(jié)構(gòu)及時(shí)系統(tǒng)各項(xiàng)性能的要求，并應(yīng)詳細(xì)分析負(fù)載條件。擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖。靜態(tài)計(jì)算：確定動(dòng)力元件參數(shù)，選擇反饋元件及其它電氣元件。動(dòng)態(tài)計(jì)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(jì)算動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。校核精度和性能指標(biāo)，選擇校正方式和設(shè)計(jì)校正元件。選擇液壓能源及相應(yīng)的附屬元件。完成執(zhí)行元件及液壓能源施工設(shè)計(jì)。全面理解設(shè)計(jì)要求全面了解被控對象液壓伺服控制系統(tǒng)是被控對象—主機(jī)的一個(gè)組成部分，它必須滿足主機(jī)在 藝上和結(jié)構(gòu)上對其提出的要求。例如：軋鋼機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)—壓下液壓缸在外形尺寸上還受軋鋼機(jī)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(jì)一個(gè)好的控制系統(tǒng)，必須充分重視這些問題的解決。7.1.2明確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能要求被控對象的物理量：位置、速度或是力。靜態(tài)極限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。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。動(dòng)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)的快速性可用截止頻率或階躍響應(yīng)的上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間來規(guī)定；工作環(huán)境：主機(jī)的工作溫度、工作介質(zhì)的冷卻、振動(dòng)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；特殊要求：設(shè)備重量、安全保護(hù)、工作的可靠性以及其它工藝要求。7.1.3

負(fù)載特性分析正確確定系統(tǒng)的外負(fù)載是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的一個(gè)基本問題。它直接影響系統(tǒng)的組成和動(dòng)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(shí)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(dòng)摩擦等）以及重力和其它不隨時(shí)間、位置等參數(shù)變化的恒值負(fù)載等。7.2

擬定控制方案、繪制系統(tǒng)原理圖在全面了解設(shè)計(jì)要求之后，可根據(jù)不同的控制對象，按表1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，方塊圖如圖1所示。圖1 閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)方塊圖表1 液壓伺服系統(tǒng)控制方式的基本類型伺服系 控制信統(tǒng)

號控制參數(shù)運(yùn)動(dòng)類型元件組成機(jī)液電液氣液電氣液模擬量位置、速度、數(shù)字量加速度、力、位移量力矩、壓力直線運(yùn) 1.閥控制：閥-液壓缸，閥動(dòng) -液壓馬達(dá)擺動(dòng)運(yùn) 2.容積控制：變量泵-液壓動(dòng) 缸；變量泵-液壓馬達(dá)；閥旋轉(zhuǎn)運(yùn) -液壓缸-變量泵-液壓馬達(dá)動(dòng) 3.其它：步進(jìn)式力矩馬達(dá)7.3

動(dòng)力元件參數(shù)選擇動(dòng)力元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。它的一個(gè)主要作用是在整個(gè)工作循環(huán)中使負(fù)載按要求的速度運(yùn)動(dòng)。其次，它的主要性能參數(shù)能滿足整個(gè)系統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)特性。此外，動(dòng)力元件參數(shù)的選擇還必須考慮與負(fù)載參數(shù)的最佳匹配，以保證系統(tǒng)的功耗最小，效率高。動(dòng)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(dá)排量）、伺服閥的流量。當(dāng)選定液壓馬達(dá)作執(zhí)行元件時(shí)，還應(yīng)包括齒輪的傳動(dòng)比。7.3.1

供油壓力的選擇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（或液壓馬達(dá)的排量），因而泵和動(dòng)力元件尺寸小、重量輕，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)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(qiáng)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(jià)也隨之提高。同時(shí)，高壓時(shí)，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(hù)也較困難。所以條件允許時(shí)，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Α?.3.2

伺服閥流量與執(zhí)行元件尺寸的確定由圖2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(kuò)展，最大功率提高，最大功率點(diǎn)右移，如圖2a。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(diǎn)A

ps不變，最大功率提高，最大功率點(diǎn)不變，如圖2b。當(dāng)供油壓力和伺服閥規(guī)格不變，加大液壓缸面積

A，曲線變低，頂點(diǎn)右移，最大功率不變，最大功率點(diǎn)右移，如圖2c。（2）負(fù)載最佳匹配圖解法在負(fù)載軌跡曲線υ－FL平面上，畫出動(dòng)力元件輸出特性曲線，調(diào)整參數(shù)，使動(dòng)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(dòng)力元件能夠拖動(dòng)負(fù)載。在圖3中，曲線1、2、3代表三條動(dòng)力元件的輸出特性曲線。曲線2與負(fù)載軌跡最大功率點(diǎn)c相切，符合負(fù)載最佳匹配條件，而曲線1、3上的工作點(diǎn)α和b，雖能拖動(dòng)負(fù)載，但效率都較低。負(fù)載最佳匹配的解析法參見液壓動(dòng)力元件的負(fù)載匹配。近似計(jì)算法（5）按液壓固有頻率選擇動(dòng)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(dòng)力元件。7.3.3伺服閥的選擇除了流量參數(shù)外，在選擇伺服閥時(shí)，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，般選用零開口的流量閥，因?yàn)檫@類閥具有較高的壓力增益，可使動(dòng)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。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。伺服閥的零點(diǎn)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(jì)要求。其它要求， 對零位泄漏、抗污染能力、電功率、壽命和價(jià)格等，都有一定要求。7.3.4執(zhí)行元件的選擇液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是整個(gè)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(jì)，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(dá)排量

D）的最佳值外，還涉及密封、強(qiáng)度、摩擦阻力、安裝結(jié)構(gòu)等問題。7.4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5～10倍，這是為了給系統(tǒng)提供被測量的瞬時(shí)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。7.5

確定系統(tǒng)方塊圖根據(jù)系統(tǒng)原理圖及系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可構(gòu)成系統(tǒng)的方塊圖。根據(jù)系統(tǒng)的方塊圖可直接寫出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。閥控液壓缸和閥控液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)二者的傳遞函數(shù)具有相同的結(jié)構(gòu)形式，只要把相應(yīng)的符號變換一下即可。7.6

繪制系統(tǒng)開環(huán)波德圖并確定開環(huán)增益系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)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(shí)，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(shí)，開環(huán)波德圖上幅頻曲線只升高或降低一個(gè)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，來獲得與閉環(huán)系統(tǒng)要求相適應(yīng)的K值。7.6.1

由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度要求確定K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(jì)算得到系統(tǒng)應(yīng)具有的開環(huán)增益K。7.6.2

由系統(tǒng)的頻寬要求確定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)ζh和K/ωh都很小時(shí)，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ω-3dB≈ωc，所以可繪制對數(shù)幅頻曲線，使ωc在數(shù)值上等于系統(tǒng)要求的ω-3dB值，如圖4所示。由此圖可得K值。a）0型系統(tǒng)；b）I型系統(tǒng)圖4

由ω-3dB繪制開環(huán)對數(shù)幅頻特性7.6.3

由系統(tǒng)相對穩(wěn)定性確定K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。實(shí)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(shí)滿足系統(tǒng)的幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)。7.7

系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)品質(zhì)分析及確定校正特性在確定了系統(tǒng)傳遞函數(shù)的各項(xiàng)參數(shù)后，可通過閉環(huán)波德圖或時(shí)域響應(yīng)過渡過程曲線或參數(shù)計(jì)算對系統(tǒng)