电液伺服控制作业

通常，负载的阻尼系数 Bp 很小，可以忽略不计。则（6）式可以简化成
（6）
6
电液伺服控制课程大作业胡少鹏
21125090 机械电子工程
K q mt 2 ( s 1) K ce K PL A2 XV Vt mt m Vt s3 t s 2 ( p )s 1 4 e K ce K K K ce K 4e K ce
d 2 θm dt 2 1
+ Bm
d θm dt
+ Gθm + TL
(4)
式中 Jt ——液压马达和折算到马达轴上的总惯量 Bm ——液压马达和负载粘性阻尼系数 G——负载的扭转弹簧刚度 TL ——作用在液压马达上的任意外负载力矩 2． 拉氏变换 对(1)、(2)、(3)、(4)式进行拉氏变换如下： Xv =
d θm dt
(2)
+ Ctm pL +
V t dp L 4 βe dt
(3)
式中 Dm ——液压马达排量 Ctm ——液压马达的总泄露系数，Ctm = Ccm + 2 Cem ,Ccm 、 Cem 分别为内外泄露系数 Vt ——液压马达两腔及连接管道总容积 βe ——有效体积弹性模量 d． 液压马达和负载的力平衡方程 pL Dm = Jt
K 0GSV ( s)(
s2
1)
（9）
式中
K0 ——负载的固有频率，
7
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K0 Ka K XV
Kq Kce
K fF ；
（10）
如果伺服阀的固有频率远大于 m 和 0 ，可以将其看成比例环节。此时，系统的开环 伯德图如下图所示。
在 GSV (s) 1时，从传递函数式（9）和上图所示德伯德图可以看出，系统德最大相位滞后 为 90 ，因此只考虑液压缸和负载的动态特性时，系统不会不稳定。但是，考虑到反馈传感 器、伺服放大器及伺服阀的相位滞后时，系统有可能变为不稳定。为了保证系统稳定，应使
s2
（8）
r
0
0
式中
m ——负载的固有频率， m
K ； mt
r r ——液压弹簧于负载弹簧串联偶合的刚度与阻尼系数之比，
K h ——液压弹簧刚度， K h
2 4e Ap
Kce 1 1 /( ) ； 2 Ap Kh K
Vt
；
0 ——液压弹簧与负载弹簧并联偶合的刚度与负载质量形成的固有频率，
t 2π
(������������ − ������������ )
(5) (6)
Vt 4βe
Q L = K q X v − K c PL Q L = Dm s������������ + Ctm PL + sPL
(7)
PL Dm = Jt ������������ ������������ + Bm s������������ + G������������ + TL (8) 3．方块图与传递函数 由(6)、(7)、(8)式消去中间变量可得阀芯位移到输出转角的关系式为
0 h 1
0 ——阻尼比， 0
K K m 1 h ； Kh K
4e Kce 1 ； 20 Vt 1 ( K / Kh )
Kq / Kce ——总压力增益。
根据式（8） ，上图的方块图简化后可以得到系统的开环传递函数为
2 m G( s) H ( s) s s 2 2 0 ( 1)( 2 s 1) r 0 0
������+
G K ce D2 m
(9)
式中 K ce ——总流量—压力系数，K ce = K c + Ctm 。 对传递函数进行简化，本题中，G=0，且 θm =
Kq Vt K X − ce (1+ s)T L Dm v D2 4 βe K ce m s 2 2ε s( 2 + h s+1) ωh ωh
答： 1． 系统模型 a. 液压扭矩放大器输入转角θv 、输出转角θm 和滑阀阀芯位移xv 之间的关系为 xv = 式中 t—螺杆导程。 b．滑阀的流量方程
2
t 2π
(θv − θm )(1)
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q L = K q x v − K c pL 式中 q L ——负载流量 K q ——滑阀流量系数 K c ——滑阀流量—压力系数 pL ——负载压力 c． 液压马达流量连续性方程 q L = Dm
如果再满足条件
������������������ ������������ ������ ������ 2 ������ 1+������ ������ℎ 2
（7）
≪1
则式（7）可以近似写成
PL XV
( 2 1) K ce m s s 2 2 ( 1)( 2 0 s 1)
Kq
1
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滤无需把伺服阀解体，只需把伺服阀油路切断，利用简单的工具，在现场即可更换。而其他 的伺服阀油滤更换需把伺服阀解体， 用专用的工具更换， 伺服阀经试验台调整后， 方可使用； ②该伺服阀主阀芯有安全复位弹簧， 保证伺服阀断电或失去控制油压时使阀芯处于一端， 关 闭汽门，保证机组安全。而其他伺服阀要靠人为调节大的零偏实现此功能，并且一旦油压消 失，该功能将不起作用；③该伺服阀靠弹簧反馈而非小球连杆反馈，弹簧刚度较低，力矩马 达的磁刚度较低，外界磁场对其影响较小，所以抗磁干扰能力较强。其他伺服阀一般都靠小 球连杆反馈，为达到较好的反馈效果，需要较大的磁刚度，受外界干扰较大，并且在磁刚度 降低同等程度时， 靠小球连杆反馈的伺服阀易产生振动； ④该伺服阀反馈连接采用无间隙连 接，使其调节定位迅速、准确，零偏稳定。靠小球反馈的伺服阀灵敏度较高，但随着小球的 磨损，零偏将不稳定，伺服阀双向调节时的零偏差值将增大；⑤该伺服阀射流管较粗，抗污 染能力特别强， 而且主阀芯行程及直径较大， 提高了主阀的驱动力， 增大了主阀抗污染能力， 喷嘴挡板式伺服阀的喷嘴挡板处的间隙很小，极易堵塞，对油质的要求相对高，其喷嘴挡板 间隙小，使其产生的压差不可能很大，这样同等规格的伺服阀相比，喷嘴挡板式伺服阀的主 阀芯不能太大，其抗污染能力较差；⑥该阀先导级为射流管式，磨损较小，且对称，不会引 起零漂， 而喷嘴挡板式伺服阀的阻尼孔为对称配对。 由于伺服阀双向工作时间不可能完全相 同，其喷嘴处的磨损将不对称，再加上阻尼孔的不同程度的局部堵塞，伺服阀易产生零漂。 3．写出 P78 页图 4-12 的机液伺服转矩放大器的传递函数（输入转角与输出转角）

0 处的谐振峰值不超过零分贝线，并使增益裕量大于 6dB。
如图所示为某种射流管式伺服阀的结构原理图，主要由阀体、力矩马达、衔铁组件、射 流管、主阀芯、油滤、反馈杆组成，是专为汽轮机调节设计制造。其工作原理为：当伺 服阀线圈无电流时，射流管处于中间位臵，射流管喷入到主阀芯两端油量相同， 阀芯 两端的油压相等，油液作用到主阀芯的作用力相等。但该伺服阀的主阀芯的一端有安全 复位弹簧，在弹簧力作用下，主阀芯处于非中间位臵，使某一控制油口与回油腔相通， 从而使执行机构处于过关状态；当线圈中有电流时，与其他种类动铁式伺服阀相似，衔 铁产生偏转，主阀芯在两端压差的作用下向一方运动，同时在反馈杆的作用下，主阀芯 处于新的平衡位臵，从而达到对执行机构的控制。 该型伺服阀结构上有几个特点：①该种伺服阀结构简单，维修方便，特别是更换油
B m K ce D2 m
<<1，(9)可简化为
(10)
式中 ωh =
4βe D 2 m V t Jt
3
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εh =
K ce Dm
βe Jt Vt
液压马达轴的转角对阀芯位移的传递函数为
θm Xv
=
Kq Dm
s(
s 2 2εh s+1) 2+ ωh ωh
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1. 增加系统阻尼比的方法有哪些？ 答：增加系统阻尼比的方法主要有以下几种： 1）设臵旁路泄漏通道。在液压缸两个工作腔之间设臵旁路通道增加泄漏系数Ctp 。缺点 是增大了功率损失， 降低了系统的总压力增益和系统的刚度， 增加外负载力引起的误差。 另外，系统性能受温度变化的影响较大。 2）在活塞上打一小孔，适当增加两腔之间的泄漏。 3）采用正开口阀，正开口阀的K co 值大，可以增加阻尼，但也要是系统刚度降低，而且 零位泄漏量引起的功率损失比第一种办法还要大。另外正开口阀还要带来非线性流量增 益、稳态液动力变化等问题。 4）增加负载的粘性阻尼。需要另外设臵阻尼器，增加了结构的复杂性。 5）机-液瞬态压力反馈网络。 6）附加压力反馈伺服阀。 7）附加动压反馈伺服阀。 8）适当选择油液，增大油液粘性阻尼。 9）适当增加阀的正阻尼长度，增大油液的瞬态液动力系数 Bf。 10）在系统中附加电的压力反馈或压力微分反馈网络。 2．设计一只电液伺服阀，并说明它的工作原理
K q K mt 2 Bp ( s s 1) Ap 2 K K PL VB K B Vt mt 3 K ce mt VK K K XV s ( t p 2 ) s 2 (1 ce 2 p t 2 ) s ce 2 2 2 4 e Ap Ap 4 e Ap Ap 4 e Ap Ap
(11)
由式(1)和(11)式可画出转矩放大器的方块图，如下图所示。
v
+ -
t 2
Xv
K q / Dm s( s
2 2 n


2 h
m
s 1)
h
根据方块图课写出液压转矩放大器的开环传递函数为 G s H s =