上泽成大坐 上浙克1大当 第五章液压伺服系统 5.1、典型系统的组成 ◆液压位置伺服系统 ◆液压速度伺服系统 ◆机液位置伺服系统 ◆液压力伺服系统 电液伺服疲劳试验机 上承文点大皆 上茶克1大坐 实例示意图(1) 实例示意图(2) 「泵控系统 工作台 电位 上泽元1大孝 上活丝大举 液压伺服系统的组成 实例(1)的方块图 ◆指令装置 ◆检测反馈元件 ◆比较元件 ◆伺服放大器 ◆液压控制元件 画成方块图 】 形式…… ◆执行机构 楚压红匀鱼 ◆校正环节 香要两
1 第五章 液压伺服系统 液压位置伺服系统 液压速度伺服系统 机液位置伺服系统 液压力伺服系统 电液伺服疲劳试验机 5.1、典型系统的组成 实例示意图（1） 实例示意图（2） 泵控系统 液压伺服系统的组成 指令装置 检测反馈元件 比较元件 伺服放大器 液压控制元件 执行机构 校正环节 画成方块图 形式··· ··· 实例（1）的方块图
上泽成大坐 上浙克1大当 简化的方块图 5.2、特性分析 + s(- ◆稳定性 ◆频率响应 ◆阶跃响应 由图k ◆系统刚度 低器+州 ◆稳态误差 上承发道大些 5.2.1、稳定性分析 波德图 二20分见/什倍颜化 闭环系统得特征方程： 1+G(s)=0 ◆当阻尼比 小， 凸峰想得 254s2+3+K,=0 高，稳定裕度 0 减小 ◆为提高幅值 由劳思判据： 4a叫_2_K>0 裕度，开环增 益应适当下 降，但这影响 快速性和稳态 精度 -10 系统稳定的条件： K,<250a 上泽元1大孝 M分奥 5.2.2、闭环频响 ◆频宽是系统响 应速度的一种表 乔开幅瑞精生 征，反映系统复 10 现输入信号的能 (台+（凳X品）++1 力：频宽大，系 o夜) 统响应速度宽。 ◆固有频率、开 环增益增大，则 (+i。++ 频宽增大 式中 ①。—闭环一阶因子的转折规率，属使/秒； 思考： 阻尼比的改变 0。一一闭环二阶因子的固有频率，度/粒 对频宽怎样影 开开相板饰拉 飞。一二阶因子的阻尼比，无因次。 响？ -270 2
2 简化的方块图 2 2 ( ) 2 ( 1) v h h h K G s s s s ζ ω ω = + + 2 2 ( ) 2 ( 1) v h h h K s s s s ζ ω ω Φ = + + 5.2、特性分析 稳定性 频率响应 阶跃响应 系统刚度 稳态误差 5.2.1、稳定性分析 闭环系统得特征方程： 1 () 0 + = G s 3 2 2 2 0 h v h h s s sK ζ ω ω + ++ = 由劳思判据： 0 2 2 0 2 1 3 = − > ω ω ζ v h h K a a a a 2 Kv hh 系统稳定的条件： < ζ ω 波德图 当阻尼比 小，凸峰翘得 高，稳定裕度 减小 为提高幅值 裕度，开环增 益应适当下 降，但这影响 快速性和稳态 精度 5.2.2、闭环频响 频宽是系统响 应速度的一种表 征，反映系统复 现输入信号的能 力：频宽大，系 统响应速度宽。 固有频率、开 环增益增大，则 频宽增大 思考： 阻尼比的改变 对频宽怎样影 响？
上泽成大坐 阶跃响应的时域解 上播克1大当 5.2.3、阶跃响应 当系统输入为单位阶跃信号时： 1)=1 ((B-2)- 1 BE(E:(B-2)+1) n v1-: Y(s)= VI- +1)- B(B、2)+1 (t≥0) 理想阶跃」 指数衰减 正弦衰减 5.2.4、 系统的闭环刚度 )承文点人岁 对应频率响应的曲线 上泽文大举 刚度的直观概念：外负载作用下的位置输 出。显然，刚度越大，该误差越小。 对比开环刚度 闭环刚度 K.A X品++1 对数库标 上式称为闭环柔度，其倒数为闭环刚度： 对直底 0+ 开环刚度 1+ 瓷 上潘成1大孝 5.2.5、系统误差分析 上活丝大拳 讨论： 1 E(s)=R(s)-Y(s)= R(s)+ w.(s)W(s)_F(s) 1+W(s) ◆闭环刚度与开环增益有关，其值越大， (1+W(s)K, W(s) 刚度越好；K大，刚度差。 ◆稳态时，在F作用下，Y有一确定的作用 1 位移值（开环时，刚度为零） 1+W(s） ◆在谐振ω处刚度最差 因⑧国白可 多 ◆当结构刚度比电液位置系统的刚度低 @ 时，提高后者刚度对总刚度的提高益处 K 不大。 W(s)W(s)_ +k》 1+W(s) 325s+)+K, o. s(- 3
3 5.2.3、阶跃响应 当系统输入为单位阶跃信号时： s s s s Y s nc nc b nc 1 1) 2 ( 1)( 1 ( ) 2 2 • + + + = ω ζ ω ω 阶跃响应的时域解 理想阶跃 指数衰减 正弦衰减 5.2.4、系统的闭环刚度 刚度的直观概念：外负载作用下的位置输 出。显然，刚度越大，该误差越小。 上式称为闭环柔度， 2 2 2 1 2 ( 1) (1 ) h ce h h A s s s F K Y s ζ ω ω ω + + = − + 对比开环刚度 其倒数为闭环刚度： 对应频率响应的曲线 闭环刚度 开环刚度 讨论： 闭环刚度与开环增益有关，其值越大， 刚度越好；Kce大，刚度差。 稳态时，在F作用下，Y有一确定的作用 位移值（开环时，刚度为零） 在谐振ωnc处刚度最差 当结构刚度比电液位置系统的刚度低 时，提高后者刚度对总刚度的提高益处 不大。 5.2.5、系统误差分析 1 1 1 1 () () () () () () () 1 ( ) (1 ( )) v W sW s Es R s Ys R s Fs Ws Ws K = −= + + + v h h h h h h s K s s s s s W s + + + + + = + 1) 2 ( 1) 2 ( 1 ( ) 1 2 2 2 2 ω ζ ω ω ζ ω 2 1 2 2 (1 ) () () 4 1 () 2 ( 1) ce t v e ce h v h h K V s W sW s KA K W s s s s K β ζ ω ω + = + + ++ W1(s)
利用终值定理，设输入均为阶跃输入，则丝人华 上浙克1大当 8。=limsE()=0+人。 5.3、系统校正 +0 K.A 校正方式： 表明：此时对信号输入是型，对干扰输入 是0型。 ◆串连校正 ◆并联校正 若输入为斜坡信号，R(s)=Fs)=1s2 则： K. ⊙ 色 实际的可能性？ 5.3.1PID校正 上承发道大些 5.3.1、滞后校正 实现电路： 上所克1大坐 PID控制应用广泛，其主要功效： 1 kp+k二+kas P:提高开环比例增益， 加快系统响应 形，(s)=(Cs+1) aTs+1 误差累积控制（稳 式中 态)，提高稳态精度 D:超前或预估控制（动 典型应用 K,=尽 R IR. 态)，抑制超调 20 70 4020 T=女=RC +9 D正装置 1/m 1T4 90 D正复置 ae1+是 本校正 滞后校正的作用？ u (na) 滞后校正分析与应用 上潘成1大孝 上活丝大举 5.3.2、加速度负反馈校正 W(8)=- K+ 回1<0，使后者在 一20db/+倍频有较宽 ⑧⑧ KK分 区域（稳定性上考 s- 滞后超前比不宜过 大，一般取a=10 K。2 讨论：滞后校正与 s 积分校正的异同？ 4
4 利用终值定理，设输入均为阶跃输入，则 表明：此时对信号输入是I型，对干扰输入 是0型。 2 0 lim ( ) 0 K A K e sE s v ce s ss = = + → 实际的可能性？ 若输入为斜坡信号， 则： 2 1 R () () 1 s Fs s = = = + ∞ v ss K e 1 5.3、系统校正 校正方式： 串连校正 并联校正 5.3.1 PID校正 k s s k k p + i + d 1 PID控制应用广泛，其主要功效： P： 提高开环比例增益， 加快系统响应 I： 误差累积控制（稳 态），提高稳态精度 D： 超前或预估控制（动 典型应用 态），抑制超调 5.3.1、滞后校正 实现电路： 滞后校正的作用？ 滞后校正分析与应用 ω1 <ωc α =10 ，使后者在 －20db/+倍频有较宽 区域（稳定性上考 虑）。 滞后超前比不宜过 大，一般取 讨论：滞后校正与 积分校正的异同？ 5.3.2、加速度负反馈校正 1) 2 ( ) 1 ( 2 2 + s + s s A K K h h h a v ω ζ ω Kf Kfas2 Ee Y U
上泽成大坐 5.3.3、压差反馈 上播克1大当 传递函数 ☑ K。 E。 ◆加速度校正仅改 “9囚®因'回9帝口-®园 变阻尼比，其余 参数均未变。 回 ◆通过调节Ka,可 网 K。=KK 1 增大阻尼比 等效方块图： ⑧5☒'☒⑧ 至回-6- 5h=56+ KK后h 2 回 传递函数 上承文点人岁 上活文1大修 K/(1+B.KK/A) + + 5.3.4、速度负反馈 k.x() ◆改善了阻尼，与 作用：提高固有频率，但降低增益和阻尼 比。 听@1+Kk2 了功率损耗 ◆压差反馈使增大 常与加速度反馈一起采用 K'增大，系统 刚度减小，稳态 A ◆B不能忽略时， 、+K.K,K@2 K反馈使固有频 2 率略提高，开环 增益略下降。 考0的 上潘元1大孝 上活丝大举 方块图 传递函数 K/(1+KK) U KK(分 :(++1 ①6=DAy1+K,Km KostKg 6,-/W千KKn 5
5 传递函数 1) 2 ' ( 2 2 0 + + = s s s K E Y h h h e ω ζ ω 2 ' 0 fa h h h K K ω ζ = ζ + A K KaKv 1 0 = 加速度校正仅改 变阻尼比，其余 参数均未变。 通过调节Kfa，可 增大阻尼比 5.3.3、压差反馈 等效方块图： 传递函数 改善了阻尼，与 旁路层流泄漏法 相比，Kfp法避免 了功率损耗 压差反馈使增大 Kce’增大，系统 刚度减小，稳态 误差增加 Bc不能忽略时， Kfp反馈使固有频 率略提高，开环 增益略下降。一 般只考虑Bc=0的 情形。 5.3.4、速度负反馈 作用：提高固有频率，但降低增益和阻尼 比。 常与加速度反馈一起采用 方块图 1) 2 ( ) 1 ( 2 2 + s + s s A K K h h h a v ω ζ ω Kf Kfvs+Kfas2 Ee Y U K1 传递函数
电液伺服系统模拟控制电路图 上泽大 上浙克1大当 5.4、电液速度伺服系统 主反馈回路是速度传感控制回路。 ,与位置系统速度内反馈的区别？ 应用场合： 马达执行机构（摆动缸、油缸 4 场合不常用，为什么？) 与电机调速系统相比，电液速 度控制系统应用相对较少。 )承文点人岁 速度系统数学模型 上泽文大举 5.4.1、速度伺服系统的分析 母达和负戡的动苍持性 方块图 传递函数 波德图 转速计 K w(s)=s Ko 8++1 K。=KK,K(l/D)一系统开环增益，无因次。 上泽元1大孝 上活丝大举 波德图 5.4.2、速度伺服系统的校正 L(o) (dB) 通常，稳定 校正的目的： 201g K 裕度较 0dB/dec 提高稳定裕度 小，如果 考虑伺服 (rd/s) 阀环节的 (rad/s) 影响，则 -90 系统可能 -180 不稳定 6
6 电液伺服系统模拟控制电路图 5.4、电液速度伺服系统 与位置系统速度内反馈的区别？ 应用场合： 马达执行机构（摆动缸、油缸 场合不常用，为什么？） 与电机调速系统相比，电液速 度控制系统应用相对较少。 主反馈回路是速度传感控制回路。 5.4.1、速度伺服系统的分析 方块图 传递函数 波德图 速度系统数学模型 波德图 通常，稳定 裕度较 小，如果 考虑伺服 阀环节的 影响，则 系统可能 不稳定 5.4.2、速度伺服系统的校正 校正的目的： 提高稳定裕度
校正方法一：惯性校正 上泽成大坐 校正方法二：积分校正 上浙克1大当 G(s)=- 个 25s+10 @会0 数学描述： E。- 1 好员/什仔雨双 E,1+Ts / G(s)= 0爱质/什售颜程 ++ (仍+10(3 变/ )承文点人岁 速度伺服系统的特点 5.5、机液伺服系统 上活文1大举 定义： ◆通常应串联校正后才能正常工作 将阀控液压动力机构的输出量，通过机械装 ◆用降低精度或快速性换得稳定性，穿越 置反愤到输入端所组成的闭环回路。 频率降低，稳定裕度提高。 特点： ◆无任何电子元件，结构简单，工作可靠。 ◆主要进行位置控制 ◆节流式阀控性质 ◆校正采用机械方式 典型系统分析 上蒂克1大卷 上活丝大举 机液伺服系统的另一案例 形式：内反馈式 三通阀控制差动缸： 移动阀芯，使缸体受液压力作用而 随之移动。缸体输出的运动直接 同时使阀开口量减小而形成内反 馈。反馈系数=？ 用途：力放大 输入力小，输出力大（位移不一定 大)，增大可达数千倍。 7
7 校正方法一：惯性校正 E Ts E i o + = 1 1 数学描述： 0 2 2 ( ) 2 ( 1)( 1) h h h K G s s Ts s ζ ω ω = + ++ 校正方法二：积分校正 2 2 ( ) 2 ( 1) h h h K G s s s s ζ ω ω = + + 速度伺服系统的特点 通常应串联校正后才能正常工作 用降低精度或快速性换得稳定性，穿越 频率降低，稳定裕度提高。 5.5、机液伺服系统 特点： 无任何电子元件，结构简单，工作可靠。 主要进行位置控制 节流式阀控性质 校正采用机械方式 定义： 将阀控液压动力机构的输出量，通过机械装 置反馈到输入端所组成的闭环回路。 典型系统分析 形式：内反馈式 三通阀控制差动缸： 移动阀芯，使缸体受液压力作用而 随之移动。缸体输出的运动直接 同时使阀开口量减小而形成内反 馈。反馈系数＝？ 用途：力放大 输入力小，输出力大（位移不一定 大），增大可达数千倍。 机液伺服系统的另一案例
上泽克道大华 机械位置伺服系统方块图 上浙克1大当 外反馈的机液伺服系统实例 ·回 浅盘的 得可 形() 由于方块图和传递函数与位置伺服系统类似，故 稳定性分析、时域瞬态响应分析误差分析等均 可得到类似结论。 上道大步 电液力伺服系统的分类 泽克且人步 5.6、电液力伺服系统 驱动力系皖 山 0网 用油缸（或马达）和伺服阀等构成的液压 力伺服系统结构简便、尺寸小、出力 大、响应快、精度高。 负载力系统 加载系统 大 驱动力伺服系统的分析 上泽元1大孝 上活丝大举 放大器和力传感器环节 力传感器在负载和油缸之间，检测的力信号中包 含负载质量力。 I=K (U,-Ug) U,=K,F, K,一力电转换系数，伏/牛： U。一力传感器输出的反馈电压，伏， K。—放大器增益，安/代： 【一放大器输出电流，安。 8
8 外反馈的机液伺服系统实例 机械位置伺服系统方块图 由于方块图和传递函数与位置伺服系统类似，故 稳定性分析、时域瞬态响应分析误差分析等均 可得到类似结论。 5.6、电液力伺服系统 用油缸（或马达）和伺服阀等构成的液压 力伺服系统结构简便、尺寸小、出力 大、响应快、精度高。 电液力伺服系统的分类 驱动力系统 负载力系统 加载系统 驱动力伺服系统的分析 力传感器在负载和油缸之间，检测的力信号中包 含负载质量力。 放大器和力传感器环节 ( ) ar F r rr I KU U U KF = − =
上泽克大竖 上播克1大当 伺服阀环节 K 方块图 阀控缸环节 (三+2s+ + Kao X. (++ +++ 5s+10 开环传递函数 上承发道大些 上活文1大举 K2三+25.+l KKK,⊙+g 5.7、气动伺服系统 △U 2250s+10 亿+后 ◆为0型系统 玩地 ◆波德图与位 置系统的区 别？ ◆可能的校正？ 40 上泽元1大孝 上活丝大修 特点： 气压伺服与液压伺服的比较 1、工作介质为气体，可用蓄气瓶储存气体能源，适 于空间要求严格和重量限制苛刻的场合。 2、系统无回收管路，可做到体积小、成本低、操作 气压 液压 方便。 固有频率 低（易低频振荡、稳定性差） 高 3、适于温度高、或温度变化大的环境，或对防火、 刚度、响应速度 低（不适于外负载变化大、位 置精度要求高的场合) 防爆等要求严格的场合。由于气体导热性差，温 度变化对气体粘度影响较小，故阻尼系数较稳 特殊元件 消声器（放气时降低噪音） 气体过滤器、油雾器等 定。 润滑性 较差（运动副之间易产生爬行）较好 4、由于工作气体本身具有“柔软性”，对有些工作场 合可能较适合。 9
9 1 1 v v v X K I T s = + 伺服阀环节 阀控缸环节 2 2 2 0 2 0 0 2 ( 1) 2 ( 1)( 1) q m L ce m m v r K s s P K X s s s ζ ω ω ζ ω ωω + + = + ++ 方块图 开环传递函数 1 2 2 2 0 2 0 0 2 ( 1) 2 ( 1)( 1)( 1) q m av F F ce m m v r K s AK K K s U K U s s T s ζ ω ω ζ ω ωω + + = Δ ++ ++ 为0型系统 波德图与位 置系统的区 别? 可能的校正? 5.7、气动伺服系统 特点： 1、工作介质为气体，可用蓄气瓶储存气体能源，适 于空间要求严格和重量限制苛刻的场合。 2、系统无回收管路，可做到体积小、成本低、操作 方便。 3、适于温度高、或温度变化大的环境，或对防火、 防爆等要求严格的场合。由于气体导热性差，温 度变化对气体粘度影响较小，故阻尼系数较稳 定。 4、由于工作气体本身具有“柔软性”，对有些工作场 合可能较适合。 气压伺服与液压伺服的比较
上泽成大坐 电液伺服系统的设计实例 上浙克1大当 气动伺服阀及其系统 设计步骤： ◆拟定设计方案： 力反馈伺服阀与液压的类似，前置级为喷 ◆ 进行负载匹配，确定伺服阀： 嘴挡板阀、功率级为滑阀级，频宽可达 ◆ 选定伺服阀的放大器： 200Hz。 ◆ 选择或设计液压执行元件： 设计液压泵站： 系统分析与仿真： 由气动伺服阀和其它元件构成的气动伺服 进行必要的补偿： ◆ 进行系统调试： 系统在特性分析和系统设计等方面与液 改进与总结。 压伺服系统有相似性，可适当类推。 以上岁聚根器实际情况会有交又反复， 分析计算步骤 )承文点人岁 案例 上活文1大举 )明确设计要求 设有一数控机床工作台的位置需要连接控制，其技术要求为： (4)负载分析（负载类型、绘制负线特性） (B)控制性能要求（控制类型、动静态要求） 〔C)工作环境要求及其它（环境、。能源及其它） 指令速度信号输入时引起的速度误差为： e,=5mm 2}方案选择 干扰输入引起的位置误差为： epy=t0.2mm (A)拟定控制方案（泵控？阀控？缸？马达？） 给定设计参数为： )画出系统原理图 工作台质量 m=1000kg 3)静态计算 最大加速度 (A)负载计算（负载轨迹、最佳匹配、执行元件、阀及泵的主要参数） mnax=1m/s (B)根据最大流量和最大压力设计或选择所需各波压元件。 最大行程 S=50cm (C)选释系统中其它电敏大元件、反馈元件、传感器。（误差分配） 最大速度 v=8cm/s )动态计算 工作台最大摩擦力 F=2000N ◆分析各元件的动态特性，画出系统方块图，求出系统传递函数，画出系 最大切削力 F.=500N 统开环频率特性，分析稳定性及稳定裕量，计算闭环類宽。 供油压力 ◆计算系统开环增益，静态误差。 ◆如不满足设计要求，进行校正，直到满足为止， 反馈传感器增益 -i7em 5)选择液压能源 P、Q、油液的清洁度等 上潘成1大孝 (2)确定工作台速度和负载力的关系 上活丝大举 (1)确定系统方案 负载力由切削力F,摩擦力F和惯性力F,等组成。 采用伺服阀控制液压缸的系统结构。 惯性力F按最大加速度考虑F,=ma =1000N 系统在最恶劣的负载条件下工作时的冠负载力F=35OON。 工作台速度和负载力的关系曲线如下图所示。 大 /(em/) (em/s 指 反铁传感司 工作台 10
10 气动伺服阀及其系统 力反馈伺服阀与液压的类似，前置级为喷 嘴挡板阀、功率级为滑阀级，频宽可达 200Hz。 由气动伺服阀和其它元件构成的气动伺服 系统在特性分析和系统设计等方面与液 压伺服系统有相似性，可适当类推。 拟定设计方案； 进行负载匹配，确定伺服阀； 选定伺服阀的放大器； 选择或设计液压执行元件； 设计液压泵站； 系统分析与仿真； 进行必要的补偿； 进行系统调试； 改进与总结。 以上步骤根据实际情况会有交叉反复。 电液伺服系统的设计实例 设计步骤： 分析计算步骤 1) 明确设计要求 (A) 负载分析（负载类型、绘制负载特性） (B) 控制性能要求（控制类型、动静态要求） (C) 工作环境要求及其它（环境、能源及其它） 2) 方案选择 (A) 拟定控制方案（泵控？阀控？缸？马达？） (B) 画出系统原理图 3) 静态计算 (A)负载计算（负载轨迹、最佳匹配、执行元件、阀及泵的主要参数） (B)根据最大流量和最大压力设计或选择所需各液压元件。 (C)选择系统中其它电放大元件、反馈元件、传感器。（误差分配） 4) 动态计算 分析各元件的动态特性，画出系统方块图，求出系统传递函数，画出系 统开环频率特性，分析稳定性及稳定裕量，计算闭环频宽。 计算系统开环增益，静态误差。 如不满足设计要求，进行校正，直到满足为止。 5) 选择液压能源 P、Q、油液的清洁度等 设有一数控机床工作台的位置需要连接控制，其技术要求为： 指令速度信号输入时引起的速度误差为： ev＝5mm 干扰输入引起的位置误差为： epf = ±0.2mm 给定设计参数为： 工作台质量 m＝1000 kg 最大加速度 amax＝1m/s2 最大行程 S＝50 cm 最大速度 v=8cm/s 工作台最大摩擦力 Ff ＝2000N 最大切削力 Fc＝500 N 供油压力 ps＝6.3MPa 反馈传感器增益 Kf ＝1V／cm 案例 (1)确定系统方案 采用伺服阀控制液压缸的系统结构。 (2)确定工作台速度和负载力的关系 负载力由切削力Fc，摩擦力Ff 和惯性力Fa等组成。 惯性力Fa按最大加速度考虑 Fa＝mamax＝1000N 系统在最恶劣的负载条件下工作时的总负载力F＝3500N。 工作台速度和负载力的关系曲线如下图所示