液压伺服系统教程

图11.1 进口节流阀 式节流调速回路
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液压伺服系统的工作原理和特点(2/5)
为了提高系统的控制精度，可以设想节流阀由操 作者来调节。在调节过程中，操作者不断地观察液压 缸的测速装置所测出的实际速度，并判断实际速度与 所要求的速度之间的差别。然后，操作者按这一差别 来调节节流阀的开口量，以减少这一差值（偏差）。 例如，由于负载增大而使液压缸的速度低于希望值 时，操作者就相应地加大节流阀的开口量，从而使液 压缸的速度达到希望值。这一调节过程可用图 11.2 表 示。
图11.8 四边控制滑阀的工作原理
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滑阀(4/4)
由上述可知，单边、双边和四边控制滑阀的控制作 用是相同的，均起到换向和调节的作用。控制边数越多， 控制质量越好，但其结构工艺性差。在通常情况下，四边 控制滑阀多用于精度要求较高的系统；单边、双边控制滑 阀用于一般精度系统。 四边滑阀在初始平衡的状态下，其开口有三种形 式 ， 即 负 开 口 （ xs<0 ） 、 零 开 口 （ xs=0 ） 和 正 开 口 （ xs>0 ），如图10.9所示。具有零开口的控制滑阀，其工 作精度最高；负开口控制滑阀有较大的不灵敏区，较少采 用；具有正开口的控制滑阀，工作精度较负开口高，但功 率损耗大，稳定性也差。
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图 11.3 阀控油缸闭环控制系 统原理图 1 －齿条； 2 －齿轮； 3 －测速 发电机；4－给定电位计；5－ 放大器；6－电液伺服阀；7－ 液压缸
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液压伺服系统的工作原理和特点(4/5)
上述系统的工作原理如下：在某一稳定状态下，液 压缸速度由测速装置测得（齿条1、齿轮2和测速发电机 3）并转换为电压uf0。这一电压与给定电位计4输入的电 压信号 ug0 进行比较。其差 ue0=ug0-uf0 值经积分放大器放 大后，以电流i0输入给电液伺服阀6。电液伺服阀按输入 电流的大小和方向自动地调节其开口量的大小和移动方 向，控制输出油液的流量大小和方向。对应所输入的电 流i0，电液伺服阀的开口量稳定地维持在xv0，伺服阀的 输出流量为q0，液压缸速度保持为恒值0。如果由于干 扰的存在引起液压缸速度增大，则测速装置的输出电压 uf>uf0，而使ue=ug0-uf<ue0，放大器输出电流i<i0。电液伺 服阀开口量相应减小，使液压缸速度降低，直到 =0 时，调节过程结束。按照同样原理，当输入给定信号电 压连续变化时，液压缸速度也随之连续地按同样规律变 化，即输出自动跟踪输入。
图11.7 双边控制滑阀的工作原理
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滑阀(3/4)
图11.8所示为四边滑阀的工作原理。滑阀有四个控制 边，开口xs1、xs2分别控制进入液压缸两腔的压力油，开口 xs3、xs4分别控制液压缸两腔的回油。当滑阀向左移动时， 液压缸左腔的进油口xs1减小，回油口xs3增大，使p1迅速减 小；与此同时，液压缸右腔的进油口xs2增大，回油口xs4减 小，使p2迅速增大。这样就使活塞迅速左移。与双边控制 滑阀相比，四边控制滑阀同时控制液压缸两腔的压力和流 量，故调节灵敏度高，工作精度也高。
图11.4 速度伺服系统职能方框图
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液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节(2/4)
实际上，任何一个伺服系统都是由这些元件（环 节）组成的，如图11.5所示。
图11.5 控制系统的组成环节
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液压伺服系统的工作原理和特点(5/5)
液压伺服系统的特点如下： （1）反馈。把输出量的一部分或全部按一定方式回送到 输入端，并和输入信号进行比较，这就是反馈。在上例中， 反馈（测速装置输出）电压和给定（输入信号）电压是异号 的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这是负反馈。自动控 制系统大多数是负反馈。 （2）偏差。要使液压缸输出一定的力和速度，伺服阀必 须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。 液压缸运动的结果又力图消除这个误差。但在伺服系统工作 的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这 一偏差信号进行工作的。 （3）放大。执行元件（液压缸）输出的力和功率远远大 于输入信号的力和功率，其输出的能量是液压能源供给的。 （4）跟踪。液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。
液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节(3/4)
下面对图11.5中各元件做一些说明： （ 1 ）输入（给定）元件。通过输入元件，给出必 要的输入信号。如上例中由给定电位计给出一定电压， 作为系统的控制信号。 （ 2）检测、反馈信号。它随时测量输出量（被控 量）的大小，并将其转换成相应的反馈信号送回到比较 元件。上例中由测速发电机测得液压缸的运动速度，并 将其转换成相应的电压作为反馈信号。 （ 3 ）比较元件。将输入信号和反馈信号进行比 较，并将其差值（偏差信号）作为放大转换元件的输 入。有时系统中不一定有单独的比较元件，而是由反馈 元件、输入元件或放大元件的一部分来实现比较功能。
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3.液压伺服系统的分类 伺服系统可以从下面不同的角度加以分类。 （1）按输入的信号变化规律分类：有定值控制系统、程 序控制系统和伺服系统三类。 当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本 任务是提高系统的抗干扰能力。当系统的输入信号按预先给 定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动 系统，其输入信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅 速地复现输入量的变化规律。 （ 2 ）按输入信号的不同分类：有机液伺服系统、电液伺 服系统、气液伺服系统等。 （ 3 ）按输出的物理量分类：有位置伺服系统、速度伺服 系统、力（或压力）伺服系统等。 （4）按控制元件分类：有阀控系统和泵控系统。 在机械设备中，阀控系统应用较多，故本章重点介绍阀 控系统。 www.plcworld.cn
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图11.9 滑阀的三种开口形式
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2.射流管阀 图11.10所示为射流管阀的工作原理。射流管阀由射流管 1和接收板2组成。射流管可绕O轴左右摆动一个不大的角度， 接收板上有两个并列的接收孔a 、 b ，它们分别与液压缸两腔 相通。压力油从管道进入射流管后从锥形喷嘴射出，经接收 孔进入液压缸两腔。当射流管处于两接收孔的中间位置时， 两接收孔内油液的压力相等，液压缸不动。当输入信号使射 流管绕O轴向左摆动一小角度时，进入孔b的油液压力就比进 入孔a的油液压力大，液压缸向左移动。由于接收板和缸体连 结在一起，接收板也向左移动，形成负反馈，当射流管又处 于两接受孔中间位置时，液压缸停止运动。 射流管阀的优点是结构简单、动 作灵敏、工作可靠。它的缺点是射流 管运动部件惯性较大、工作性能较 差；射流能量损耗大、效率较低；供 油压力过高时易引起振动。这种控制 图11.10 射流管阀的工作原理 1－射流管；2－接收板 只适用于低压小功率场合。 www.plcworld.cn
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图11.2 液压缸速度调节过程示意图
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液压伺服系统的工作原理和特点(3/5)
由图 11.2 中可以看出，输出量（液 压缸速度）通过操作者的眼、脑和手来 影响输入量（节流阀的开口量）。这种 反作用被称为反馈。在实际系统中，为 了实现自动控制，必须以电器、机械装 置来代替人，这就是反馈装置。由于反 馈的存在，控制作用形成了一个闭合回 路，这种带有反馈装置的自动控制系 统，被称为闭环控制系统。图 11.3 为采 用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环自 动控制系统。这一系统不仅使液压缸速 度能任意调节，而且在外界干扰很大 （如负载突变）的工况下，仍能使系统 的实际输出速度与设定速度十分接近， 即具有很高的控制精度和很快的响应性 能。
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4.液压伺服系统的优缺点 液压伺服系统除具有液压传动系统所固有的一系 列优点外，还具有控制精度高、响应速度快、自动化程 度高等优点。 但是，液压伺服元件加工精度高，因此价格较 贵；对油液污染比较敏感，因此可靠性受到影响；在小 功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活。随着科 学技术的发展，液压伺服系统的缺点将不断得到克服。 在自动化技术领域中，液压伺服控制有着广泛的应用前 景。
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§11.2 典型的液压伺服控制元件
1.滑阀 根据滑阀控制边数（起控制作用的阀口 数）的不同，有单边控制、双边控制和四边控 制三种类型滑阀。 图 11.6 所示为单边滑阀的工作原理。滑阀 控制边的开口量xs控制着液压缸右腔的压力和流 量，从而控制液压缸运动的速度和方向。来自 泵的压力油进入单杆液压缸的有杆腔，通过活 塞上小孔 a 进入无杆腔，压力由 ps 降为 p1 ，再通 过控制滑阀唯一的节流边流回油箱。在液压缸 不受外载作用的条件下， p1A1=psA2 。当阀芯根 据输入信号向左移动时，开口量xs增大，无杆腔 压力减小，于是 p1A1<psA2 ，缸体向左移动。因 为缸体和阀体连接成一个整体，故阀体左移又 使开口量xs减小（负反馈），直至平衡。
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图11.6 单边滑阀的 工作原理
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滑阀(2/4)
图 11.7 所示为双边滑阀的工作原理。压力油一路直 接进入液压缸有杆腔，另一路经滑阀左控制边的开口xs1 和液压缸无杆腔相通，并经滑阀右控制边的开口xs2流回 油箱。当滑阀向左移动时，xs1减小，xs2增大，液压缸无 杆腔压力p1 减小，两腔受力不平衡，缸体向左移动。反 之缸体向右移动；双边控制滑阀比单边控制滑阀的调节 灵敏度高、工作精度高。
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液压伺服系统
§11.1 概述 §11.2 典型的液压伺服控制元件 §11.3 电液伺服阀 §11.4 液压伺服系统实例
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§11.1 概述
1.液压伺服系统的工作原理和特点 图 11.1 是一种进口节流阀式节流调速回路。在 这种回路中，调定节流阀的开口量，液压缸就以某 一调定速度运动。通过前述分析可知，当负载、油 温等参数发生变化时，这种系统将无法保证原有的 运动速度，因而其速度精度较低且不能满足连续无 级调速的要求。 这里将节流阀的开口大小定义为输入量，将液 压缸的运动速度定义为输出量或被调节量。在上述 系统中，当负载、油温等参数的变化而引起输出量 （液压缸速度）变化时，这个变化并不影响或改变 输入量（阀的开口大小），这种输出量不影响输入 量的控制系统被称为开环控制系统。开环控制系统 不能修正由于外界干扰引起的输出量或被调节量的 变化，因此控制精度较低。
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液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节(4/4)
（ 4 ）放大、转换元件。将偏差信号放大并转换 （电气、液压、气动、机械间相互转换）后，控制执行 元件动作。如上例中的电液伺服阀。 （5）执行元件（机构）。直接带动控制对象动作 的元件或机构。如上例中的液压缸。 （6）控制对象。如机器的工作台、刀架等。
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2.液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节 图11.4是上述速度伺服系统的职能方框图。图中一个方 框表示一个元件，方框中的文字表明该元件的职能。带有箭 头的线段表示元件之间的相互作用，即系统中信号的传递方 向。职能方框图明确地表示了系统的组成元件、各元件的职 能以及系统中各元件的相互作用。因此，职能方框图是用来 表示自动控制系统工作过程的。由职能方框图可以看出，上 述速度伺服系统是由输入（给定）元件、比较元件、放大及 转换元件、执行元件、反馈元件和控制对象组成的。