汽車液壓控制系統(tǒng) 課件 第四章 機(jī)液控制系統(tǒng)

一、閥控機(jī)液控制系統(tǒng)按反饋形式,閥控缸伺服機(jī)構(gòu)又分外反饋和內(nèi)反饋兩種。圖4-1所示為連桿式機(jī)械外反饋,圖4-2所示為機(jī)械內(nèi)反饋的幾種形式。閥控缸機(jī)液控制系統(tǒng)是一種液壓位置控制系統(tǒng)，它們廣泛應(yīng)用于仿形加工、助力操縱及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。圖4-3為液壓仿型車削加工示意圖圖4-4a)所示為用于輪式車輛的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的外觀圖,圖4-4b)為其原理圖。汽輪發(fā)電機(jī)的頻率取決于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,為使負(fù)荷變化時(shí)電頻率仍能恒定,需要對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,圖4-5所示為其原理圖。2.閥控馬達(dá)機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)由于用很小的轉(zhuǎn)矩來(lái)操縱閥,便可得到很大的輸出轉(zhuǎn)矩,因此,閥控馬達(dá)機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)通常稱為液壓扭矩放大器。圖4-6所示為滑閥式閥控馬達(dá)伺服機(jī)構(gòu)圖4-7所示為轉(zhuǎn)閥外反饋式閥控馬達(dá)機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)圖4-8所示為轉(zhuǎn)閥內(nèi)反饋式閥控馬達(dá)機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖4-9所示,圖4-9a)為示意圖,圖4-9b)為系統(tǒng)圖。二、泵控機(jī)液控制系統(tǒng)閥控機(jī)液控制系統(tǒng)的效率低,只能用于小功率的控制系統(tǒng)中,大功率時(shí)則宜采用泵控系統(tǒng)。工程機(jī)械和采煤機(jī)等機(jī)械的牽引部(行走部分)的恒功率控制,便是采用泵控機(jī)液控制系統(tǒng)的典型。圖4-10所示為某采煤機(jī)牽引部恒功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)機(jī)液位置伺服系統(tǒng)的原理圖如圖4-11所示。系統(tǒng)的動(dòng)力元件由四邊滑閥和液壓缸組成,反饋是利用杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這是液壓助力器的典型結(jié)構(gòu)。一、系統(tǒng)框圖輸入位移

和輸出位移

通過(guò)差動(dòng)桿AC

進(jìn)行比較,在B

點(diǎn)給出偏差信號(hào)(閥芯位移)。在差動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)較小時(shí),閥芯位移

可由下式給出:假定沒(méi)有彈性負(fù)載,由第三章式(3-15)可知,液壓缸活塞輸出位移為由式(4-1)和式(4-2)可畫出系統(tǒng)的框圖,如圖4-12所示二、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的必要條件,因此它是系統(tǒng)最重要的特性。液壓伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)一般都是以穩(wěn)定性要求為中心進(jìn)行的。令G(s)為前向通道的傳遞函數(shù),H(s)為反饋通道的傳遞函數(shù)。由圖4-2所示框圖可得系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為式(4-3)中含有一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此系統(tǒng)是Ⅰ型伺服系統(tǒng)由式(4-3)可畫出開(kāi)環(huán)系統(tǒng)伯德圖,如圖4-13所示以dB表示時(shí),有對(duì)所討論的系統(tǒng)而言,因?yàn)樵酱╊l率ωc

處的斜率為-20dB/dec,所以相位裕量為正值,因此只要使增益裕量為正值系統(tǒng)就可以穩(wěn)定了。由于

,所以有由此得系統(tǒng)穩(wěn)定條件為這個(gè)結(jié)果也可以由勞斯判據(jù)直接得出。閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為將式(4-3)代入,則得應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)得系統(tǒng)穩(wěn)定條件為式(4-5)表明,為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,速度放大系數(shù)KV

受液壓固有頻率ωh

和阻尼比ζh

的限制。阻尼比ζh

通常在0.1~0.2,因此速度放大系數(shù)KV

被限制在液壓固有頻率ωh

的20%~40%的范圍內(nèi),即在設(shè)計(jì)液壓位置伺服系統(tǒng)時(shí),可以把它作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則。由圖4-13所示的伯德圖可以看出,穿越頻率近似等于開(kāi)環(huán)放大系數(shù),即動(dòng)壓反饋是液壓伺服系統(tǒng)中最常用的阻尼增加方法。動(dòng)壓反饋裝置是由液阻和液容組成的壓力微分網(wǎng)絡(luò)。圖-14所示的動(dòng)壓反饋裝置是由層流液阻和空氣蓄能器組成的,分別連接在液壓缸的進(jìn)出口下面先推導(dǎo)它的傳遞函數(shù),層流液阻的流量方程為設(shè)空氣蓄能器按等溫過(guò)程變化,則有由上式可得由流量連續(xù)性方程得將式(4-8)和式(4-9)代入上式得將上式代入式(4-8)的拉氏變換式可得假設(shè)一個(gè)管路的壓力升高值等于另一個(gè)管路的壓力降低值,則有qd1=-qd2=qd,故上式可以寫成由上式可得傳遞函數(shù)為上式表明,動(dòng)壓反饋裝置是一個(gè)壓力微分環(huán)節(jié)。圖4-15所示的動(dòng)壓反饋裝置是由液阻和彈簧活塞蓄能器組成的,并聯(lián)在液壓缸的進(jìn)出口之間。層流液阻的流量方程為彈簧活塞蓄能器的流量為蓄能器活塞的力平衡方程為由以上三個(gè)方程聯(lián)立消去p、,可得傳遞函數(shù)為下面討論：動(dòng)壓裝置對(duì)伺服系統(tǒng)性能的改善閥的線性化流量方程為液壓缸的流量連續(xù)性方程為液壓缸與負(fù)載的力平衡方程,這里主要是為了說(shuō)明動(dòng)壓反饋的作用,故假定負(fù)載只有慣性力,即由以上三個(gè)方程可得由式(4-19)和式(4-15)可畫出系統(tǒng)的框圖,如圖4-16所示?？梢钥闯?采用動(dòng)壓反饋裝置以后,產(chǎn)生了壓力微分反饋的作用。由式(4-19)可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù),即采用動(dòng)壓反饋裝置以后,所得到的傳遞函數(shù)式(4-20)的形式雖然沒(méi)有什么變化,但其中的阻尼比卻增加了一項(xiàng),即在穩(wěn)態(tài)情況下,它趨于零,因此對(duì)穩(wěn)態(tài)性能不會(huì)產(chǎn)生影響。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中,隨著負(fù)載的變化而產(chǎn)生附加的阻尼作用,而且負(fù)載壓力變化越厲害,其阻尼作用也越大。在這種系統(tǒng)中,可以使Kce盡量小,以提高系統(tǒng)的靜剛度。而系統(tǒng)的穩(wěn)定性可由動(dòng)壓反饋來(lái)保證,這就可以同時(shí)滿足靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩方面的要求。下面研究動(dòng)壓反饋裝置的參數(shù)選擇問(wèn)題。對(duì)于圖4-15所示的動(dòng)壓反饋裝置,所產(chǎn)生的附加阻尼比為其幅頻特性和相頻特性分別為設(shè)計(jì)動(dòng)壓反饋裝置的關(guān)鍵在于正確選擇時(shí)間常數(shù)

,使其在諧振頻率ωh

處產(chǎn)生所需要的阻尼比,同時(shí)又使阻尼項(xiàng)的相位移接近于零。即有即動(dòng)壓反饋裝置的時(shí)間常數(shù)

應(yīng)為1/ωh

的10倍以上。當(dāng)

ωh≥10時(shí),附加阻尼比的大小可近似為在動(dòng)力元件參數(shù)已定的情況下,ζ′h(ωh)由液阻的液導(dǎo)Cc

所決定。根據(jù)需要的′h(ωh)的大小,就可以確定Cc

的值。將ωh

的表示式代入式(4-21)求得Cc

的表達(dá)式,再將其代入式(4-