电液伺服系统的设计计算

电液力(压力)伺服系统的分析与设计

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电液力(压力)伺服系统的分析与设计

电液力伺服系统的类型及特点

电液力伺服系统的类型及特点

如果说电液速度伺服系统可能受到电气控制系统的挑战,电液力伺服系统却是独树一帜,因为用液压缸对受控对象进行加载极为简便,且出力大、尺寸小、响应快、精度高。电液力(压力)伺服系统广泛应用于材料试验机、大型构件试验机、航空或高速汽车轮胎试验机、负载模拟器、飞机防滑车轮刹车系统、带材张力调节系统、平整机恒压系统和水压试管机压力控制等方面

类型

驱动力伺服系统

负载力伺服系统

系统

组成

b22d4d10a

b22d4d10b

特点

力传感器装在施力缸活塞与被控制对象之间,检测到的力包括惯性力、黏性阻尼力和弹性力;因此检测和控制的是施力缸的驱动力

力传感器装在被控制对象与基座之间,检测和控制的仅是弹性负载力

电液驱动力伺服系统的分析与设计

采用Q阀的单自由度驱动力系统

采用Q阀的单自由度驱动力系统

项目

分析

说明

动

态

方

程

力传感器刚度Kf?K(负载刚度)时,可把力传感器看成刚性,系统看做是单自由度系统

Fc——力传感器的输出力,N

Uf——力传感器二次仪表的输出,V

Kf——力传感器及二次仪表的增益,V/N

mt=mp+mL——总的运动质量,kg

Bt=Bp+BL——总的黏性阻尼系数,N·s/m

K——负载刚度,N/m

方

块

图

b22d4d11a

开

环

传

递

函

数

W(s)=KiKsvKfKqWl(s)

考虑到:Fc(s)=ApPL(s)

可直接引用表 传递函数及其简化中结果,可得:

Kv=KiKsvApKfKq/Kce

Kv——开环增益

ωm——机械谐振频率,rad/s

ζm——机械阻尼系数,无量纲

ωr——液压及机械弹簧引起的转折频率,rad/s

Kh——液压弹簧刚度,N/m

ω2——负载弹簧引起的转折频率,rad/s

ω1——液压弹簧引起的转折频率,即容积滞后频率,rad/s

ω0——综合谐振频率,rad/s

ωh——液压谐振频率,rad/s

ζ0——综合阻尼系数,无量纲

波

德

图

b22d4d11b

(a)K=Kh的情况

(b)K与Kh相当情况

(c)K?Kh的情况

结论:

(1)驱动力系统属0型系统,对阶跃输入存在稳态误差

(2)负载刚度K愈小,系统稳定性愈差,甚至ωh处的谐振峰可能超出零分贝线,以致不稳定,如波德图a所示。在ωc与ωm之间加入Wc(S)=(1+s/ωc)-2的校正环节,可望改善稳定性,见a图中虚线。当然,仅当K变化不大时,校正才会奏效

(3)在相同的开环增益下,K愈小,ωc愈低,即响应速度愈低。因此系统稳定性和响应均应按K最小值来检验

(4)对于实际的驱动力系统,不仅要充分考虑K变化对系统性能的影响,还应计及伺服阀等小参数的影响

(5)若要分析外负载力FL对输出力Fc的影响,还应进行类似的分析

采用Q阀的两自由度驱动力系统

采用Q阀的两自由度驱动力系统

项目

分析

说明

物

理

模

型

及

动

态

方

程

与单自由度系统相比,仅力平衡方程不同:

b22d4d12a

KF——力传感器刚度,N/m

方

块

图

及

其

简

化

B22D4D12B

B22D4D12C

开

环

传

递

函

数

及

分

析

图b中W2(s)相当于不存在弹性负载的阀控缸以Xv为输入,以Xp为输出的传递函数,可直接引用表传递函数及其简化中K=0的结论:

如ω02?ω01,则ω02所处的二阶环节可略去,此时

ωL2——负载谐振频率

ζL1——负载阻尼比

ωL2——负载力及传感器的综合谐振频率

ζL2——综合阻尼比

ω'r、ω01、ω02、ζ01、ζ02——将W4(s)折成典型环节后的参数

结论:

两自由度系统的简化传递函数与单自由度系统型式相同,单自由度系统的有关结论原则上也适用于两自由度系统

采用P阀的单自由度驱动力系统

采用P阀的单自由度驱动力系统

项

目

分析

说明

动

态

方

程

与采用Q阀的单自由度驱动力系统相比,仅伺服阀的传递函数不同。P阀的传递函数:

Ks1——P阀的压力增益,N/(m2·A)

Ks2——P阀的流量—压力系数,N·s/m5

QV——使缸运动的强制流量,m3/s

ωs1——P阀的一阶因子频率,rad/s

ωs2——P阀的二阶因子频率,rad/s

方

块

图

B22D4D13

传

递

函

数

图中:

W5(s)的分母为四阶,一、二项Ks2A2ps(1+s/ωs1)/K不会影响高阶项,因此W5(s)可写成如下形式:

于是开环传递函数:

Kv=KiKs1ApKf

Kv——开环增益,V/V

——机械谐振频率,rad/s

——机械阻尼系数,无因次

K——负载刚度,N/m

结论:

(1)采用P阀时,系统开环传递函数不存在采用Q阀时的二阶微分环节,也就是说采用P阀的驱动力系统的稳定性比Q阀时好得多

(2)如P阀的频宽很高,可近似看做比例环节

(3)采用P阀时,可以采用PI放大器

电液负载力伺服系统的分析与设计

采用Q阀的单自由度负载力系统

采用Q阀的单自由度负载力系统

项目

分析

说明

动

态

方

程

与驱动力系统相比,仅力平衡方程有所不同:

参见表电液力伺服系统的类型及特点中系统原理图

方

块

图

b22d4d14

传

递

函

数

图中W6(s)系以Xv(s)为输入,Xp(s)为输出的具有弹簧负载的阀控动力元件的传递函数。可直接引用表传递函数及其简化中结果,即

图中 W7(s)=BLs+K=K(1+1/ωb)

于是开环传递函数

Kv=KiKsvKqApKf/Kce

Kv——开环增益

考虑到,且Bp=BL,则有

于是W(s)可以简化成

如果ω0?ωr,则

ζ0见表 采用Q阀的单自由度驱动力系统

ωb=K/BL

结论:

(1)采用Q阀的负载力系统,不易出现采用Q阀的驱动力系统那样的严重稳定性问题

(2)可以采用PI放大器,使0型系统变成Ⅰ型系统

采用P阀的单自由度负载力系统

采用P阀的单自由度负载力系统

项

目

分析

说明

动

态

方

程

见表采用P阀的单自由度驱动力系统

为说明本质问题,设P阀的频宽很高,其传递函数可简化为

Ks1——P阀的压力增益,N/(m2·A)

Ks2——P阀的流量-压力系数,N·s/m5

方

块

图

b22d4d15

 

传

递

函

数

图中:

于是系统开环传递函数

K'v=KiKs1ApKf

K'v——开环增益,V/V

ωm——机械谐振频率,rad/s

ζm——机械阻尼系数

结论:

(1)采用P阀的负载力系统,亦为0型系统

(2)对于负载力系统,看不出采用P阀有什么更为显著的好处

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