(完整版)电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计

电液比例阀控活塞式液压摆动马达
位置控制系统设计
姓名：吉灵龙
学号： 101201208
班级：学院：机械 1002班机械工程学院
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目录
第一章、设计任务和要求 (2)
1.1活塞式液压摆动马达的组成及工作原理 (2)
1.2设计并仿真分析电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置
控制系统 . (3)
第二章、元器件选用 (3)
2.1液压油源 (3)
2.2电液比例方向阀 (3)
2.3比例放大器 (4)
第三章、电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统数
学模型 . (5)
3.1系统数学模型的建立 (5)
3.2负载的等效处理 (9)
3.3系统传递函数参数确定 (10)
3.4系统特性分析 (14)
第四章、电液比例阀控马达速度控制系统PID控制 (17)
4.1PID控制器基本原理 (17)
4.2液压系统 PID校正步骤 (19)
4.2对校正后的系统仿真 (20)
第五章、调整后系统的稳态误差分析 (21)
5.1指令输入引起的稳态误差 (21)
5.2负载干扰力矩引起的稳态误差 (22)
第六章、结论与展望 (23)
6.1结论 (23)
6.2问题与展望 (24)
参考文献 . (25)
第一章、设计任务和要求
1.1活塞式液压摆动马达的组成及工作原理
活塞式液压摆动马达是将直线运动转换为旋转摆动的液压—机械复合传动机构，其结构原理如图所示。

它由滚珠螺旋副、滚珠花键副、滚珠卸荷副、螺旋旋转输出套、导向套、传动轴、以及液压油缸组件等组成。

摆动马达的工作原理为：液压油进入油缸驱动滚珠螺旋丝杆轴往复直线运动，滚珠螺旋丝杆轴驱动螺旋旋转输出套做往复摆动运动，滚珠花键导轨副防止螺旋丝杆轴转动。

液压摆动马达有以下结构特点：
1）采用滚珠螺旋副将活塞及传动轴的直线运动转换为螺旋套的旋转摆动；
2）采用滚珠花键副为传动轴导向，平衡负载力矩，以防传动轴转动；
3）采用滚珠卸荷副使直旋驱动关节轴向力封闭卸荷，保证滚珠旋摆新型液压摆动马达有良好的受力特性；
4）采用多头滚道、大螺旋升角的螺旋机构，增大新型液压摆动马达的承载能力；
5）回珠方式采用同圆柱面回珠结构，减小新型液压摆动马达的径向尺寸，以适应飞机的机翼内特殊空间要求。

图 1-1液压摆动马达结构原理图
1.2设计并仿真分析电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置
控制系统
50；最大转 30 / s ，最大角加速度；液压缸以外运动部件受到干摩擦力矩为 设计参数及性能要求：马达 的最大旋转摆角为 m
M m 速 200
max 1）计算液压缸 的传递函数，并绘出系统控制方框图；
2）建立电液控制系统 的数学模型；
3）用 PID 调节器对系统进行性能校正和仿真分析（校正前、后
的伯德图、单位阶跃响应及正弦响应）。

第二章、元器件选用
2.1液压油源
开式泵选用德国力士乐原装进口 的轴向柱塞恒压变量泵， 特别适 合开式回路，具有良好 的自吸特性，连续工作压力可达 35Mpa ，噪声 低、使用寿命长、功率重量比高，排量为 125mL/r 。

阀控马达实验中， 由该泵提供动力源。

2.2电液比例方向阀
泵经此电液比例方向阀控制活塞式液压摆动马达 的流量和方向。

这里采用 的是意大利 ATOS 公司生产 的 16通径 的 DPZO-L 型三位 四通先导式高性能电液比例方向阀，它主要由电 -机械转换元件、先 导式比例阀两部分组成，可根据输入电信号提供方向控制和无补偿 的 流量控制。

这种高性能电液比例方向阀，是普通型电液比例方向阀进 一步发展 的结果，它 的动态和稳态性能指标已达到了传统伺服阀 的指 标，其中一些指标甚至超过伺服阀。

DPZO-L 型高性能电液比例方向阀具有两个位置传感器。

一个在
先导阀上，用来检测先导阀 的阀芯位移，并反馈至比例放大器，从而 形成先导级位移电反馈 的作用，从而提高阀 的运行可靠性以及优化阀
的动态特性；而另一个在主阀阀芯上，用来检测主阀的阀芯位移，并反馈至比例放大器，从而形成从比例放大器给定信号至主阀芯位移的闭环位移控制，把比例放大器、电磁铁及先导阀都包含在闭环中了，
提高了主阀芯的抗干扰（摩擦力、液动力的变化）能力，快速、正确地跟踪输入电信号的变化。

所以 DPZO-L型电液比例阀输入信号以双闭环形式精确地确定了阀芯调节，并且由于具有双传感器，动态性能高，响应快。

2.3比例放大器
比例放大器根据输入信号调整供给比例电磁铁的电流，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀阀芯上的力，以克服弹簧的弹力。

电流增大，输出的力相应增大，结果压缩复位弹簧使阀芯移动。

选用与比例阀相配用的 E-ME-01型比例放大器，它的工作电源24V它与电液比例阀接线图如图 2-1所示。

图中， W表示比例阀比例电磁铁插头，可将比例电磁铁线圈与比例放大器连接起来；两个 S分别表示比例先导阀插头、主阀插头，通过它们，高性能电液比例方向阀的先导级、主级分别与比例放大器相连，进行位置电反馈，提高了阀的动态特性。

图 2-1比例放大器与电液比例阀接线图
5 第三章、电液比例阀控活塞式液压摆动马达
位置控制系统数学模型
3.1系统数学模型的建立
3.1.1比例放大器传递函数
高性能电液比例换向阀是电流控制型元件，其比例电磁铁及线圈
具有比较大的感抗，比例阀的驱动电路—比例放大器通常为高输出阻
抗的电压—电流转换器，其频带比液压固有频率宽得多，在研究频率
范围内，通常可视为放大环节，即
I(s)
K a (3-1)
U (s)
式中I (s)—比例放大器输出电流(A)；
U (s)—误差电压(V )；
K a —比例放大器增益( A/V)。

3.1.2高性能电液比例方向阀传递函数
这里采用的先导式比例方向阀的作用原理，即先导阀控制液动式主滑阀的作用情况，极类似于三位四通阀控制对称液压缸的作用原理。

只是它比一般的阀控液压缸更为复杂，是一个复杂的闭环系统，
它的实际动态响应既不是典型的惯性环节，也不是典型的震荡环节，其传递函数的简化要视具体情况而定。

若将它简化为二阶震荡环节，
则可知比例阀传递函数为：
K q
Q(s)
G (s)
v
2
I (s) s 2 s （3-2）
v 1
2
v v
3
m s
( / )
；
Q(s)
式中—电液比例阀在稳态工作点附近流量
K q 3
(m / s A)；
—电液比例阀在稳态工作点附近流量增益
—电液比例阀的等效无阻尼自振频率(rad / s)；
v
v —电液比例阀的等效阻尼系数，无量纲；
6
s —拉普拉斯算子。

3.1.3阀控活塞式液压摆动马达动力传递函数
由电液比例方向阀、活塞式液压摆动马达和负载组成 的液压动力 机构对系统 的品质好坏有很大影响，因此确定阀控活塞式液压摆动马 达动力机构 的数学模型是分析整个系统 的前提。

首先假设：
1）比例阀和活塞式液压摆动马达之间 的连接管道很短，可以忽 略管道中 的压力损失和管道动态 的影响；
2）活塞式液压摆动马达 的内外泄漏流动状态为层流，马达 的壳 体压力为大气压，忽略低压腔 的壳体 的外泄漏，液流 的密度和温度均 为常数；
3）比例阀为理想零开口 的四通滑阀，节流窗口匹配且对称，且 滑阀具有理想 的动态特性；
4）油源供油压力恒定，回油压力为零；
5）工作油液 的体积弹性模量为恒值。

在上述假设条件下可列出三个动态方程：
1.电液比例阀 的线性化流量方程
q K x K c p L （3-3）
L q v 3 (m / s)；
式中 q —电液比例阀 的负载流量 L x v (m)；
—比例阀阀芯位移 5
K —比例阀流量 -压力系数 (m / N s)；
c p —负载压力 (Pa)。

L
对式（ 3-3）进行拉式变换
Q (s) K X (s) K P (S) （3-4）
L q v c L 2.活塞式液压摆动马达 的流量连续性方程
d V dp L
m
t q D m L C p tm L （3-5）
dt 4 dt e
7
3
(m / rad )；
式中D—活塞式液压摆动马达的等效弧度排量
m
—螺旋旋转输出套的角位移(rad )；
m
5
(m / N s)，
C tm —活塞式液压摆动马达的总泄漏系数
1 C C im
tm C em
；
2
（其中C，C分别为马达的内外泄漏系数）
im em
V t —活塞式液压摆动马达、比例阀腔及连接管道总容积(m3)；
—工作油液的有效体积弹性模量(Pa)。

e
对式（ 3-5）作拉氏变换
V t
Q (s) C P (s) D s (s) sP (s)
L （3-6）
L tm L m m
e
3.活塞式液压摆动马达轴上的力矩平衡方程
忽略静摩擦力、库仑摩擦等非线性和油液的质量，根据牛顿第二定律可得马达和负载的力矩平衡方程为：
d 2 dt 2 B m d
G
m
M m
m m
D p J t （3-7）
m L dt
J t
式中—活塞式液压摆动马达和负载（折算到马达旋转输出套
(kg m2)；
上）的总转动惯量
B —粘性阻尼系数(N m s)；
m
G (N m/ rad)；
—负载扭矩弹簧刚度
M m (N m)。

—作用在马达旋转输出套上的外负载力矩
对式（ 3-7）作拉氏变换
2
D P (s) (J s B s G) (s) M (s) （3-8）
m L t m m m
4.阀控活塞式液压摆动马达动力机构传递函数
联立式（ 3-4）、（3-6）、（3-8）可以得到阀芯位移和外负载干扰作用同时作用于马达的总输出角位移。