第六章 电液控制系统

vc rc 2 h 2 rc h h
6.3. 电液伺服系统的校正
设计滞后网络确定参数步骤： 1）根据稳态误差要求确定速度增益Kvc 2）利用确定的Kvc画出伯德图（曲线2）检 查相位和增益余量是否满足要求 3）不满足则确定新的增益穿越频率ωrc使 φc(ωc)=-180o+[γ+(5o～ 12o)] γ是要求的相位余量，增加5o～ 12o是为了 补偿滞后网络在ωc引起的相位滞后 4）选择转折频率ωrc:ωrc=(1/4～1/5) ωc 5）由Kvc=αKv= αωc确定α.通常α=10 图中曲线1为校正后幅频特性
m a sv m 2 ' g
h
2
h
h
'
a
sv
fp
t
h
ce
a
sv
fp
e
t
h
h
2
m
m
t
v
K v K e K d K a K sv / D m i
系统开环增益
s(
s
2

2
h

2
'
h
h
s 1)
可见，压力反馈不改变系开闭环增益Kv和液压频率ωh，而使阻 尼比增加 压力反馈是通过增加系统的总流量压力系数来提高阻尼比的， 这样就降低了系统的静刚度
6.3. 电液伺服系统的校正
校正使速度增益提高了α倍，速度误差减 小了α倍 回路增益提高，减小了元件参数变化和 非线性因数影响 滞后校正降低了穿越频率，是穿越频率 附近相位滞后增大。特别是低频侧相位 滞后较大 如果低频相位小于-180o，开环增益减小 时系统可能变得不稳定 为补偿滞后校正网络的衰减，需将放大 器增益增加α倍，或增设增益放大装置

r c
Uc
r c
Kc
6.2. 电液位置伺服系统的分析
相敏放大器传递函数： 相敏放大器频响很高，其动态相对液压动 U K 力元件可忽略，可看成比例环节。增益： U 伺服放大器传递函数： I 伺服放大器频响很高，是比例环节。增益： U K 电液伺服阀传递函数： Q K 伺服阀频宽与液压频率相近时， K G ( s ) 2 s I ( ) 伺服阀可近似为二阶振荡环节 伺服阀频宽3-5倍液压频率时， Q K K G (S ) 伺服阀可近似为二阶振荡环节 I T s 1 伺服阀频宽5-10液压频率时， Q0 K sv G sv ( s ) K sv 伺服阀可近似为二阶振荡环节 I
6.1. 电液伺服系统的类型
电液伺服系统分类 按输出参量分：位置控制、 速度控制、力控制 按控制元件分：阀控、泵控 按输入与输出关系分：开环控制、闭环环控制 按输入指令分：模拟伺服系统、数字伺服系统 6.1.1模拟伺服系统 全部信号都是模拟量 信号可以是直流或交流 特点：重复精度高，分辨力较低（绝对精度低），精度很大 程度取决于检测装置的精度，微小信号易受噪声和零漂影响
2
s(
h
2

h
h
1)
6.2. 电液位置伺服系统的分析
6.2.2 系统稳定性分析 简化后系统方框图 对应的开环传递函数与机液伺服 系统的相同，系统稳定条件仍是：
K v 2 h h
通常要求系统有适当的稳定余 量，相位余量应在30o～60o之间， 增益余量20lgKg>6db（或Kg>2） Kg是谐振频率处的幅值比
6.3. 电液伺服系统的校正
6.3.3 压力反馈和动压反馈校正 （2）动压压力反馈校正 动压力反馈可以提高系统的阻尼，而又不降低系统的静刚度 将压力传感器的放大器换成微分放大器就可构成动压反馈 动压反馈校正在前面已经讨论过了，这里不再重复
6.4. 电液速度控制系统
实际工程中常需速度控制。例如：发动机调速，机床进给装置 速度控制，雷达天线、炮塔、 转台等装备中的速度控制 电液位置伺服系统中常有速度反馈回路提高系统刚度和精度 阀控马达速度控制系统原理方块图、系统方块图和开环传递函数
g d c
a
g
0
sv
sv
sv
2
sv sv
s 1
sv
0
sv
sv
sv
sv
6.2. 电液位置伺服系统的分析
设不考虑弹性负载和结构柔度 影响，阀控马达动态方程为： 式中
i
1
m

Dm
Q0 s(
K ce iD m s
2 2 2
(1 2 h
Vt 4 e K ce s 1)
s )T L
uo ui 1 1 Tc s
式中Tc=RC时间常数
6.4. 电液速度控制系统
用RC滞后网络校正后的系统方框 图和伯德图 为保证系统稳定，谐振峰值不应 超过零分贝线，因此须满足：
c 2 h h ( 0 . 2 04 ) h
由伯德图的几何关系可求出滞后网络的时 间常数：T K 0 / c 可以看出：校正后的的穿越频率比校正前 低得多。为了保证系统稳定，不得不牺牲 响应速度和精度 为提高精度可采用积分放大器校正，使零 型系统变成I型系统（用速度传感器代替位 移传感器即可）

6.3. 电液伺服系统的校正
6.3.1 滞后校正 滞后校正通过提高低频段增益，减小系统稳态误差 在保证系统稳态精度的条件下，降低高频段增益保证系统稳定 性 滞后校正由电阻电容组成的无源网络实现 串接在前向通路的相敏放大器和功率放大器之间的直流部分中 s 传递函数为： 1
Gc (s) uo (s) u i(s)
第六章 电液伺服系统
6.1. 电液伺服系统的类型 6.2. 电液位置伺服系统分析 6.3. 电液伺服系统校正 6.4. 电液速度伺服系统分析 6.5. 电液力伺服系统分析
第六章 电液伺服系统


电液伺服系统综合了电气和液压两方面的 特长，具有控制精度高、响应速度快、输 出功率大、信号处理和各种参量反馈灵活 等优点 电液伺服系统适合于负载质量大、响应速 度快的场合，应用于国民经济和军事工业 各个领域
m
c
是齿轮传动比
h

h
于是可得系统方框图 可得系统开环传递函数：
G (s)H (s) s( s K v G sv ( s )
2 2
h
m

2
h
h
sv
1)
式中 K
v

K cK d K aK iD
开环增益
v
伺服阀响应较液压动力元件快得多，可忽略阀的动态性，看作 K G 比例环节。系统开环传递函数简化为： ( s ) H ( s ) s 2
通过适当的参数匹配保证系统的相位余量和增益余量
6.3. 电液伺服系统的校正

电液位置伺服系统性能主要由动力元件参数ωh 和ζh决定 单纯调节增益往往满足不了系统的全部性能要求，因此就要对 系统进行校正 系统校正注意其特点：

液压位置伺服系统的开环传递函数通常简化为一个由比例环节、 积分环节和二阶振荡环节的组合 液压阻尼比较小，致使增益余量不足而相位余量有余 参数变化大，阻尼比随工作点变动在很大范围内变化 可用滞后校正、速度与加速度反馈校正、压力反馈和动压反馈 校正进行校正
h (1 K 1 )
s 1)
K1=KaKsvKfv/Dm只有速度反馈校正时校正回路的开环增益 K2=KaKsvKfa/Dm只有加速度反馈校正时校正回路的开环增益 系统开环传递函数为： G ( s ) H ( s )
s[ s
2
h
K v /( 1 K 1 )
2
(1 K 1 )
h 1
h
1
G (s)H (s) s[ s
2
h
K v /( 1 K 1 ) 2
h
2
K 2 h
(1 K 1 )
h (1 K 1 )
s 1)
6.3. 电液伺服系统的校正
6.3.3 压力反馈和动压反馈校正 采用压力反馈和动压反馈的目的是为了提高系统阻尼 可采用压力反馈伺服阀或动压反馈伺服阀实现压力反馈和动压 反馈，也可采用液压机械网络或电反馈实现 （1）压力反馈校正 用压差或压力传感器检测液压执行器负载压力反馈到功率放大 器输入端构成压力反馈 系统放块图
6.3. 电液伺服系统的校正
6.3.2 速度与加速度反馈校正 速度反馈校正主要是提高主回路静态刚度，减小反馈回路的干 扰和非线性影响，提高系统静态精度 加速度反馈主要是提高系统阻尼比 根据需要速度反馈和加速度反馈可单独使用，也可同时使用 前述位置伺服系统利用测速发电机将马达转速转换成电压信号 在速度反馈电压信号后接微分电路或微分放大器 将速度和加速度电压信号反馈到功率放大器输入端构成了速度 和加速度反馈
6.3. 电液伺服系统的校正
6.3.3 压力反馈和动压反馈校正 （1）压力反馈校正 K K /D 压力反馈的闭环传递函数 U 2 s s( s 1) 式中 K K K J K K K K J 校正后系统阻尼比 2D D V K 压力反馈的开环传递函数 G ( s ) H ( s )

2
h
K 2 h
h (1 K 1 )
s 1)
Kv=KeKdKsvKa/Dmi系统未校正时的开环增益
6.3. 电液伺服系统的校正
6.3.2 速度与加速度反馈校正 只有速度反馈校正时K2=0，开环增益降为Kv /(1+K1)，固有频率 增大为 1 K 阻尼比减小为 / 1 K 校正后阻尼比和固有频率的乘积等于校正前的两者乘积，系统 固有频率提高有利于提高系统频宽，可通过其它途径增大阻尼比 如果只有加速度反馈校正 K1=0，系统开环增益Kv和固有频率 ωh均不变，阻尼比因K2而增加。因此，增加K2可显著降低谐振 峰值而提高系统稳定性、增大开环增益和频宽。 可见，速度反馈是以牺牲阻尼和增益来换取系统频宽 加速度反馈可以增加系统阻尼
6.1. 电液伺服系统的类型
6.1.2 数字伺服系统
数字伺服系统中部分或全部信号是离散参量 全数字系统中动力元件通过数字阀或电液步进马达能够接受 数字量 数模混合系统利用D/A转换器将数字指令转换成模拟量输给控 制元件，A/D转换器将输出的模拟量转换成数字量反馈到输入 端进行比较 特点是分辨率高，绝对精度高、受噪声和零漂影响小
rc s rc
1
式中ωrc=1/RC:超前环节转折频率 R、C:电阻和电容，α>1:滞后超前比
6.3. 电液伺服系统的校正
由于α>1:滞后时间常数大于超前时间常 数，网络具有纯相位滞后特征 滞后网络是一个低通滤波器，利用它的 高频衰减性，在保证系统稳定的条件下提 高系统的低频增益，改善系统稳态性能 或在保证系统稳态精度的条件下降低高 频增益保证系统稳定性 滞后校正利用了高频衰减特性而非相位滞后 在阻尼比小的系统中，提高增益的限制因素是增益余量，而不 s 是相位余量有余 K ( 1) 前面的电液位置伺服系统加入 G ( s ) H ( s ) 2 s 滞后校正后传递函数成为 s( s 1)( 1) 式中KVC=αKv是校正后的速度增益
6.2. 电液位置伺服系统的分析
电液位置伺服系统是最基本和最常用的伺服系统 广泛用于机床工作台位置、轧机板厚、带材跑偏、飞机和轮 船的舵机控制，雷达和火炮控制系统及振动试验台等 6.2.1 系统组成及其传递函数 自整角机作为角差检测装置 的位置伺服系统。 系统传递函数是各环节传递函数的组合 自整角机传递函数：U c K e sin( r c ) 角误差 很小时 sin( r c ) r c 自整角机增益为：
6.3. 电液伺服系统的校正
6.3.2 速度与加速度反馈校正 设伺服阀响应速度很快，则可看成比例环节，即 K 可求得速度与加速度反馈校正系统闭环传递函数
m
U
g
sv
G sv K sv
s[
2
K a K vc / D m (1 K 1 ) s
h
2
(1 K 1 )

2
h
K 2 h
式中K0=KaKsvKfv/Dm系统开环增益 Ka是放大器增益 Ksv是伺服阀流量增益 Kfv是测速发电机增益 这是个零型系统，对速度阶跃输入是有差的
G (s)H (s) s
K0
2 2
h

2
h
h
1
6.4. wenku.baidu.com液速度控制系统
系统开环伯德图在穿越频率ωc处相位余量很小 如果ωc和ωh之间有被忽略的环节，即使开环增益K0=1，系统也 不易稳定。因此系统必须校正才能稳定 在伺服阀前的电子放大器电路中串联RC网络校正 校正网络的传递函数