电液伺服系统的设计方法及步骤
电液伺服系统的设计方法及步骤
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电液伺服系统的设计方法及步骤 |
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步骤 |
设计内容及方法要点 |
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了解 被控 制对 象 |
(1)全面了解被控制对象及其所属的主机(机组)的功能、组成、原理及有关参数 (2)了解工艺和设备对控制系统的基本要求 (3)了解负载的性质、类型、大小及变化规律。负载性质是指阻力负载还是动力负载，负载类型是指惯性负载、弹性负载、黏性负载、摩擦负载、外载荷及其组合 |
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明 确 设 计 要 求 |
被控制量的类 型及控制规律 |
类型：位置控制、速度控制、加速度控制、力或压力控制、温度控制、功率控制 控制规律：恒值、恒速、等加速、阶梯状或任意变化规律的控制 |
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系统传动 方面要求 |
最大作用力、最大位移、最大速度、最大加(减)速度、最大功率、传动比和效率等 |
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系 统 控 制 性 能 要 求 |
稳定性 指标 |
频域指标：相角稳定裕量γ(ωc)、幅值稳定裕量L(ωL)，峰值Mp 时域指标：超调量σ(%)，振荡次数N |
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控制精 度指标 |
指定输入引起的稳态误差：稳态位置误差、稳态速度误差、稳态加速度误差 负载扰动引起的稳态误差：稳态负载误差 元件死区、滞环、零漂、摩擦、间隙等引起的稳态误差(静差) 检测机构、传感器及其二次仪表误差 |
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动态响 应指标 |
频域指标：穿越频率ωc，幅频宽ω-0.707或ω-3db、相频宽ω-90° 时域指标：响应时间或飞升时间tr，过渡过程时间ts |
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其他方面要求 |
抗污染性能或油液清洁度等级，无故障工作率，工作寿命，操作和维护的方便性等 |
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限制性条件 |
装置的尺寸、体积、质量、成本、能耗、油温、噪声等级、电源等级、接地方式 |
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工作环境条件 |
环境温度、湿度、通风，冷却水质、压力、温度，振动、电磁场干扰，酸碱腐蚀性、易燃性等 |
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拟 订 控 制 方 案 |
确定被控制物理量 |
取决于系统用途或工艺要求。有的系统可能存在可切换的两个被控制量，如轧机液压压下系统，大压下量轧制状态时采用位置闭环恒辊缝工作，平整状态时采用力闭环恒轧制力工作 |
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开环控制或闭环控制方式 |
闭环控制具有抗干扰能力，对系统参数变化不太敏感，控制精度高、响应速度快，但要考虑稳定性问题，且设备成本高 开环控制不存在稳定性问题，但不具有抗干扰能力，控制精度和响应速度取决于各环节或元件的性能，控制精度低，设备成本较低 对于闭环稳定性难以解决、响应速度要求较快、控制精度要求不太高、外扰较小、功率较大、要求成本较低的场合，可以选择开环或局部闭环控制方式 |
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模拟控制或数字控制方式 |
模拟式控制系统较传统，而且目前仍普遍使用。除脉宽调制式伺服阀，目前工业上采用的伺服阀仍然是模拟式的，与之相配的放大器也是模拟式的。模拟式系统分辨率和控制精度较低 检测元件、控制元件全部数字化，并由计算机控制的系统才是全数字系统 目前工程上采用的高精度高响应电液伺服系统属于混合型数字系统，即伺服阀及放大器仍为模拟式，检测元件为数字式的高精度高响应传感器(如磁尺、编码器等)并采用计算机控制的系统；放大器为功率放大器，其前加D/A转换器，前置放大功能可改由计算机实现 |
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液压 控制 方式 及供 油方 式 |
阀控或泵控 |
阀控系统控制精度、响应速度高，但效率低。阀控缸方式中常用的有四通阀—对称缸控制方式和三通阀—不对称缸控制方式。轧机液压压下是三通阀—不对称缸控制方式的典型 泵控系统效率高，但控制精度、响应速度较低，成本也较高。泵控方式中常用的有泵控马达和泵控不对称缸两种，挤压机速度控制是泵控不对称缸的典型 |
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恒压或恒流油源 |
绝大多数阀控系统采用恒压油源：供油压力恒定，控制阀的压力—流量特性的线性度好，系统精度和响应速度高，但系统效率低 恒流油源阀控系统：供油流量一定，与正开口阀配套使用，正开口阀较容易制造，且油源系统效率高，但控制阀P-Q特性的线性度差，因而系统的控制性能较差，用于高温场合(要求始终有油源流过阀口)或精度、响应要求不高的系统 |
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执行 元件 类型 |
液压缸 |
直线运动采用液压缸 |
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液压马达及减速箱 |
回转运动采用液压马达；超大行程的直线运动也通过液压马达+滚珠丝杠来实现；负载惯性矩很大时，常有意在马达轴与负载轴之间增设一机械减速箱，以减小马达轴的等效负载惯量，提高液压谐振频率 |
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传 感 器 类 型 |
位移传感器 |
差动变压器(LVDT)、磁尺、磁致伸缩位移传感器(MTS)、高精度导电塑料电位计等 |
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速度传感器 |
测速机、光码盘、编码器、圆形光栅等 |
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压力传感器 |
应变式压力传感器、半导体压力传感器、差压传感器等 |
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力传感器 |
压磁式力传感器、应变式力传感器 |
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动 力 元 件 的 设 计 |
阀 控 动 力 元 件 的 设 计 |
分析负载轨迹，考虑负载匹配 |
详见表 动力元件的静态特性、表负载特性及其等效、表 阀控制动力元件与负载特性的匹配 |
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合理确定供油压力ps |
ps合理与否很重要，它关系到动力元件与负载的匹配是否合理，关系到动力元件规格、静态参数及动态参数，关系到伺服阀的规格、供油系统的参数及液压装置的尺寸等 ps较高时，执行元件的Ap或Dm可较小，因而伺服阀额定流量QN和伺服油源的供油流量Qs可较小；压力较高时，油中空气含量减小，油液βe值提高，有利于提高液压谐振频率ωh。但ps过高，Ap或Dm过小，难以达到良好的负载匹配，且ωh降低；高压时要求采用高压高性能液压泵，并要求高的系统维护水平 初步设计可参考或比较同类系统的ps值 |
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确定执行元件及伺服阀的规格参数(以阀控缸为例) |
(1)通常按最大功率传输条件取负载压力pL＝(2/3)ps 按最大功率点负载Fm及运动速度υm 由式Ap＝Fm/pL确定液压缸工作面积Ap 由式QL＝Apυm确定伺服阀负载流量QL 由式Q0＝ 注意，工程设计上出于保守计算，取Fm＝mtam+Btυm+KXpm+FLm，实际上负载中的惯性力、黏性力和弹簧力最大值的出现相位依次相差90° (2)对于Fm很大的情况，可取pL＝(3/4~5/6)Ps，并由Ap＝Fm/pL确定Ap，由QL＝Apυm确定QL |
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液压谐振频率ωh的校验 |
按拖动要求确定Ap时，必须校验动态： 对于四通阀—对称缸 对于三通阀—不对称缸 |
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机械减速箱减速比的确定 |
对于阀控马达：
式中 Jm、JL——马达轴及负载的转动惯量 在负载匹配良好的情况下，具有满意ωh值的最小传动比为最佳传动比 |
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泵 控 动 力 元 件 的 设 计 |
变量机构的控制设计 |
原则上同阀控动力元件。但由于成品泵或马达的变量缸业已确定，对系统设计者而言，实际上只需选用伺服阀及位置检测元件 |
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按拖动要求确定马达和泵的规格参数 |
不计压力损失时，泵的出口压力与马达(缸)的入口压力相同；不计内泄漏时，泵的出口流量与马达(缸)的入口流量相同。因此泵控动力元件完全匹配，不存在阀控动力元件中的所谓负载匹配问题 一般按拖动要求进行设计，以动态设计相校验。以泵控马达为例： (1)根据负载力矩和ωh的要求预选高压侧管道压力p1，p1取值的合理与否，将影响马达排量Dm、泵排量Dp和ωh及装置尺寸的大小 (2)按 (3)按要求的 |
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ωh的校验 |
按拖动要求进行设计时，必须按动态要求校验ωh值：
如果通过调整p1、Dm参数，仍难以达到ωh要求，则需增设减速箱，此时
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伺服 阀及 放大 器的 选择 |
伺服阀类型 |
应综合考虑系统类型、系统精度与频宽要求、工作环境、抗污染性能和经济性等因素来选择伺服阀，一般来说： (1)位置和速度控制采用Q阀，压力控制采用Q阀或P阀 (2)系统精度要求高时，拟采用分辨率高、滞环小、零漂小的伺服阀 (3)系统频宽要求高时，拟采用高频宽(高响应)的伺服阀 (4)工业控制尽量采用抗污染、成本较低的伺服阀 |
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伺服阀的规格 |
(1)额定压力等级为7MPa、21MPa、35MPa，视系统压力ps需要选取 (2)额定流量以空载流量或指定阀上总压降Δpv或每个阀口压降Δp下的流量标称，视负载流量需要而定。注意各种标称流量的折算 |
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放大器等配件 |
为保证参数匹配，放大器、调制解调器、电源及机箱等最好与伺服阀厂家一致。放大器有P、PI和PID等类型，Ⅰ型系统可选比例放大器，0型系统可选PI放大器 |
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传 感 器 选 择 |
传感器类型 |
根据被控制物理量类型、量程、要求的精度、结构及安装方式等加以选择 |
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传感器及其二次仪表的性能 |
传感器及其二次仪表的性能包括测量范围、分辨率、非线性度、重复精度、滞后、输出信号、响应时间、温漂、工作温度、工作寿命、供电电源等。其中最主要的有分辨率、重复精度和响应时间等指标 位移传感器中，量程最大的是：MTS磁致伸缩型，可达10m；SONY磁尺次之，可达数米。测量精度最高的是SONY磁尺，可高达1μm；其次是MTS，可达2μm。响应时间方面，MTS为1~3ms，SONY磁尺为1ms。SONY磁尺为数字式；MTS有模拟式和数字式两种，模拟输出中有0~10V、4~20mA、0~20mA标准输出 |
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系 统 分 析 |
建立数学模型 |
对于典型的位置、速度和力伺服系统可直接引用已有的数学模型，对于特殊需要的系统，可采用同样的分析思路和方法建模 对于工程系统，常用系统数模形式有：系统运动微分方程组或拉氏变换方程组、系统方块图、系统开环或闭环传递函数、系统开环或闭环频率特性等。对于多输入多输出系统，可以采用状态方程 建模时应根据系统实际情况进行必要而合理的简化，以便数模能反映系统本质又不过于复杂化 |
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确定各环节参数 |
根据系统组成、动力元件设计及元件参数等，计算并确定各环节的静态或动态的参数。从而得到可供系统性能分析或系统数字仿真的带有参数数值的数模(方块图、传递函数或频率特性) |
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系 统 性 能 分 析 |
稳定性分析 |
通过稳定性分析，确定系统的稳定裕量和开环增量 |
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动态响应分析 |
通过动态响应分析，确定开环穿越频率、闭环频宽或响应时间、过渡过程时间 |
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精度分析 |
通过精度分析，计算各种稳态误差，确定各部分的误差分配和增益分配 |
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注意事项 |
(1)性能分析时应特别注意主要参数的变化及其对性能的影响 (2)如性能达不到要求，应考虑增加校正环节 (3)如加校正后仍难以达到要求，应考虑性能指标是否合理，并重新系统设计 |
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系 统 校 正 |
校正方案 |
采用比例或比例积分放大器时，如果通过调整开环增益或主要结构参数，系统性能仍达不到性能指标，则应采取校正措施。适合液压伺服系统的校正类型较多，常用的串联校正有PID调节器；并联校正有速度、加速度、静压或动压反馈等。采用哪类校正要根据系统的组成、结构和参数情况而定 |
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加校正后的性能分析 |
校正环节的传递函数形式及参数，要根据系统性能分析结果而定；加入校正环节后，应对系统性能进行重新分析，直至性能指标满足要求 |
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系统 数字 仿真 |
仿真的必要性 |
工程上为简化分析，系统建模及系统分析中作了一些必要的假设和简化，忽略了一些次要因素和非线性因素，所得的频域分析结果是近似的。对于结构复杂、性能要求高或应用场合重要的系统，有必要进行系统数字仿真 |
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仿真的方便性 |
随着计算机技术及软件的飞速发展，由Matrix Laboratory开发的MATLAB软件被移植和扩展成方便的控制系统的仿真软件，MATLAB软件相当方便，只需将有关结构参数写入微分方程、方块图、传递函数或频域特性中，一按执行便可得到波德图、闭环频率特性或阶跃响应曲线，并得到相应的有关性能指标。这样一来，系统设计者无须为计算方法和编程而困扰，只需把精力集中到系统建模、系统设计上 |
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MATLAB仿真软件使用方法 |
详见“控制系统的工具软件MATLAB及其在仿真中的应用” |
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仿真的真实性与局限性 |
数字仿真只是一个工具，其结果的真实性与准确性取决于数学模型的真实性、边界条件及数据以及结构参数的准确性 仿真离不开系统分析，仿真时许多参数的取值范围有赖于系统频域分析的结果；而且仿真的分析也离不开频率分析和时域分析的物理概念 |
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液压 伺服 油源 设计 |
液压油源类型 |
定量泵+溢流阀油源；恒压变量泵+蓄能器油源 |
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伺服油源参数 |
(1)供油系统压力ps：动力元件设计中业已确定 (2)泵的最大供油流量Qsm：取Q0≥Qsm＞QL，Q0、QL为伺服阀的空载流量及负载流量 (3)蓄能器容积V0：根据允许的压力波动值及恒压泵变量特性确定 (4)系统清洁度等级(ISO 4406或NAS 1638等级)：根据保证伺服阀可靠工作的清洁度等级要求确定 (5)工作油温T：一般取T＝(45±5)℃并加以自动控制 |
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污染控制及装置设计 |
详见“电液伺服油源的分析与设计” |
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伺服 液压 缸的 设计 |
一般伺服缸 |
采用通用伺服缸产品 |
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专用伺服缸 |
压下伺服缸内置或外置高精度位移传感器，工作压力高达28MPa，活塞直径为1250mm，甚至更大，要求承受重载、偏载、冲击载荷，且要求摩擦力＜5‰液压力，因此需专门设计和制造 |
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