液压动力元件的动态特性

液压动力元件的动态特性

对称四通阀控制对称缸的动态特性

动态特性方程及方块图

动态特性方程及方块图

项目

简图及特性方程

说明

b22d3d23a

模型中滑阀为正开口阀并假定:

(1)供油压力ps恒定回油压力pr0

(2)阀的四个节流窗口配作且对称采用矩形阀口阀口处流动为紊流

(3)不考虑管道损失及管道的动态

(4)温度和密度均为常数

滑阀为理想零开口阀时Q3Q40

QL(Qip+Qop)/2

Qip(Q1-Q4)为进入缸的流量

Qop(Q2-Q3)为从缸流出的流量m3/s

s——拉普拉斯算子1/s

KqKc——工作点处的流量增益、流量-压力系数见表 流量增益、流量-压力系数汇总

xv——滑阀的位移m

xpAp——活塞位移、活塞工作面积单位分别为mm2

pL(p1-p2)为负载压力N/m2

滑阀的流量方程

QL(s)Kqxv(s)-KcpL(s)

活塞腔的连续性方程

QL(s)Apsxp(s)+CtppL(s)+(υt/4βe)spL(s)

活塞上的力平衡方程

AppL(s)mts2xp(s)+Bpsxp(s)+Kxp(s)+FL(s)

b22d3d23b

p1p2——缸两腔压力N/m2

Vt——总容积Vt(V1+V2)V1V2为进油腔、回油腔容积m3

Ctp——缸的总泄漏系数Ctp(Cip+Cep/2)m5/N·s

CipCep——缸的内、外泄漏系数m5/N·s

βe——液体的有效容积弹性模数N/m2

mt——活塞、油液及负载等效到活塞上的总质量kg

Bp——活塞及负载的黏性阻尼系数N·s/m

K——负载的弹簧刚度N/m

KL——作用在活塞上的外负载力N

流量增益、流量-压力系数汇总

流量增益、流量-压力系数汇总

工作点

理想零开口四通阀

正开口四通阀

平衡点:

xvxv0

pLpL0

QLQL0

零点:

xv0

pL0

QL0

传递函数及其简化

传递函数及其简化

 

考虑因素

简化条件

简化后的传递函数

动态参数

1

质量mt

阻尼Bp

刚度K

压缩性βe

缸泄漏Ctp

K任意

K=Kh

K?Kh

2

质量mt

阻尼Bp

压缩性βe

缸泄漏Ctp

3

质量mt

阻尼Bp

缸泄漏Ctp

4

刚度K

阻尼Bp

缸泄漏Ctp

5

空载

指令输入下的频率特性及波德图

指令输入下的频率特性及波德图

输出/

输入

负载

情况

传递函数及动态参数

波德图

K0

系统为型系统

动态参数:

(1)速度增益Kq/Ap

(2)液压谐振频率

(3)液压阻尼系数ζh见表传递函数及其简化

b22d3d26a

图中 L(ω)——幅频特性

φ(ω)——相频特性

ωc——穿越频率ωcKq/Ap

动态

特性

分析

动态特性由动态参数Kq/Apωhζh所确定:

(1)速度增益增大L(ω)上移ωc增大意味着系统精度响应速度提高但稳定性变差注意:Kq随工作点变化零位空载时Kq最大稳定性最差

(2)ωh表征系统响应速度是系统的极限频率为提高ωh应增大Apβe而减小υtmt通常取βe700MPa注意:空气混入系统或采用软管时βe大为降低

(3)ζh表征系统的相对稳定性ζh主要取决于Kcxv0Kcζh值最小ζhmin0.1~0.2

K0

系统为0型系统动态参数:

(1)位置增量KqAp/KKce

(2)转折频率

(3)综合固有频率

(4)综合阻尼系数ζ0见表传递函数及其简化

b22d3d26b

图中 穿越频率

动态

特性

分析

K0系统变成0型系统动态特性由动态参数增益ωrω0ζ0所确定

(1)动态参数均与负载刚度K有关:K增大时增益ωcζ0减小ωrω0提高即稳态误差增大快速性降低超调变小

(2)注意:当K由某值变成0即由有弹性负载转入空载时增益由KqAp/KKce增加到Kq/Ap瞬间增益的提高有可能使原来稳定的系统变得不稳定如果存在这种情况应采取变增益控制措施

K0

系统为0型系统动态参数:

(1)速度增益Kq/Ap

(2)液压谐振频率ωh

(3)液压阻尼系数ζh

B22D3D26c

图中 虚线系加PI校正后的波德图

动态

特性

分析

(1)未加PI校正时穿越频率ωc处的斜率为-40dB/decζh很小因此相角储备r(ωc)很小计及检测及伺服阀等环节造成的相位滞后以后即使开环增益很小闭环也可能不稳定因此速度伺服阀系统须加PI校正

(2)采用PI校正后穿越频率ω'c大为降低即动态响应降低了

KKh

相当

系统为0型系统

动态参数:

(1)增益KpeKq/Kce

(2)转折频率ωr

(3)综合固有频率ω0及阻尼ζ0

(4)机械固有频率ωm及阻尼ζm

b22d3d26d

K?Kh

K=Kh

(常见)

动态

特性

分析

pL输出时为压力控制以驱动力FgpLAp输出时为力控制它们的特点:

(1)存在阻尼很小的二阶微分环节且恒有ωmω0ωmω0的点称为逆共振点它是一个间断点ωm是力控制系统频宽的极限值ωωm易出现自激振荡为不可用域

(2)为提高系统频宽应设法增大ωc为此应增大Kq减小Ap力及压力系统中在保证驱动力的前提下通过减小Ap来提高系统频宽这一点是与位置及速度控制中不同的

负载扰动下的频率特性及分析

负载扰动下的频率特性及分析

输出/

输入

负载

情况

传递函数

频率特性

动态特性分析

K0

(动态位置柔度特性)

与分析xv作用下的频率特性一样原则上可对FL作用下的频率特性进行类似的分析

FL作用下更关心的是:

(1)动态位置刚度特性(对位置控)

(2)动态速降特性(对速度控制)

K0

K0

(动态速度柔度特性)

K0

 

K0

K0

b22d3d27a

动态位置刚度特性的物理解释如下

(1)ωω1的低频段:渐进线斜率为+20dB/decω1正是稳态

速度刚度说明低频时阀控缸相当于一个

阻尼系数为的黏性阻尼器阻尼

作用相当于泄漏流量通道所造成的结果

(2)ω1ωωh的中频段:渐进线斜率为0由于外负载力的变化频率高没有足够的时间让泄漏流量通过油液被封在缸的两腔因而动态刚度等于Kh

(3)ωωh的高频段渐进线斜率为+40dB/dec由于FL的变化频率极高快速“退让”运动产生很大的惯性力抵消了FL的作用因而动态刚度呈二次幂增加

(4)ω0的刚度为稳态位置刚度其值这是由于FL

下泄漏使活塞不断后退因而稳态位置刚度为零

K0

b22d3d27b

(1)ω0时的稳态速度刚度:

(2)反之稳态速度柔度:

其含义为

外负载力要引起速降

由于Kce很小稳态速度柔度很小这正是液压伺服系统的特点是液压伺服系统得到广泛应用