第六章电液控制系统

KsvGsv (s)
Q0 I
Ksv
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： m
式中 i m 是齿轮传动比
c
1 Dm
Q0
Kce iDm2
(1
Vt
4e Kce
s(
s2
h2
2 h h
s
1)
s)TL
于是可得系统方框图
可得系统开环传递函数：
G(s)H (s)
和加速度反馈
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 KsvGsv Ksv
可求得速度与加速度反馈校正系统闭环传递函数
m Ug
Ka Kvc / Dm (1 K1)
s[
2
h
s2 (1
K1 )
2 h K2h h (1 K1)
s 1)
K1=KaKsvKfv/Dm只有速度反馈校正时校正回路的开环增益
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
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
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)
s2 s[2 (1
h
Kv /(1 K1) 2 h K2h
K1) h (1 K1)
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
Fg
Ap K
K
Xv
mtVt
角误差 r c 很小时 sin(r c ) r c 自整角机增益为：
Uc
rc
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 力元件可忽略，可看成比例环节。增益：
Ug Uc
Kd
伺服放大器传递函数： 伺服放大器频响很高，是比例环节。增益：
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 压力反馈的闭环传递函数
式中
m Ka Ksv / Dm
Ug
s( s 22 h
2 ' h
h
s 1)
压Kh' v力 h反K eK馈KaKds2的vKKDma2fp开KJts环vh / D传Kcme递i K系D函amK统sv数K开fp G环V(esJt t增)H校益(s)正 后s(系s2h2 统K2阻v hh' 尼s 比1)
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
传递函数为：
s 1
Gc (s)
uo (s) ui(s)
rc s
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
6.5. 电液力控制系统
力控制系统用于材料试验机、结构疲劳试验机、轧机张力控
制、车轮刹车控制等
6.5.1 系统组成及原理
系统组成如图
6.5.2 基本方程与开环传递函数
电压误差信号 Uc Ur U f
力传感器方程 U f K fF Fg
伺服放大器动态可忽略 I KaUe
伺服阀传递函数 式中：
Xv I
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
Kv 2 hh
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 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
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：Uc Ke sin(r c )
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
QL
Fg
Kq X v Kc PL AP sX P Ctp PL
APPL mt s2 X P
Vt
4e
sPL
BPsX
P
KX
P
考虑电液伺服阀和传感器可得力控制系统方块图，其中Kce=Kc+Ctp
6.5. 电液力控制系统
阀芯Xv至液压缸输出力Fg的传递函数
Kq K ( mt s2 Be s 1)
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 h 1 K1 阻尼比减小为 h / 1 K1 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。
G(s)H (s)
s2
h2
K0
2 h h
1
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
6.4. 电液速度控制系统
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
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
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
G(s)H (s)
s2
s[
2
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(1
h
Kv /(1 K1)
2 h K2h K1) h (1 K1)
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
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
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
KvGsv (s)
s(s 2h2
2 h h
1)
式中 开环增益 Kv
Kc Kd Ka K sv iDm
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
比例环节。系统开环传递函数简化为：G(s)H (s)
s(
s2
h2
Kv
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：
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
是相位余量有余 前面的电液位置伺服系统加入 G(s)H (s) 滞后校正后传递函数成为 式中KVC=αKv是校正后的速度增益
s( rc
K
v
c
(
s
rc
s 1)(s2h2
1)
2 h h
1)
KxvGsv (s)
Ur是指令电压信号，Uf是反馈电压，KfF是力传感器增益，Fg 是液压缸输出力，Ka是伺服放大器增益，Xv是伺服阀阀芯位 移，Kxv是伺服阀增益，Gsv(s)是Ksv=1时伺服阀传递函数
6.5. 电液力控制系统
假定负载为质量、弹性和阻尼，则阀控液压缸的动态可用下面
3个方程描述：QL
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
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
1
rc
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
uo 1 ui 1 Tcs
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 hh (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 K0 / 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）
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
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
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
电液伺服阀传递函数：
I Ug
Ka
➢ 伺服阀频宽与液压频率相近时， 伺服阀可近似为二阶振荡环节
K G sv sv
(s)
Q0 I
(
s
K sv
)2 2 sv
s 1
➢伺服阀频宽3-5倍液压频率时， 伺服阀可近似为二阶振荡环节
sv
KsvGsv (S )
Q0 I
K sv Tsvs 1
sv
➢伺服阀频宽5-10液压频率时， 伺服阀可近似为二阶振荡环节