液压控制系统分析与设计.ppt

液压动力元件 液压动力元件（或称液压动力机构）是由液压放大元件（液压控制元件）和液压执行元件（包括负载）组成的。 液压放大元件可以是伺服阀或伺服变量泵；液压执行元件可以是液压缸或液压马达。它们可以组成四种基本的液压动力元件： 阀控液压马达 阀控液压缸 泵控液压马达 泵控液压缸 前两种动力元件可以构成阀控（节流控制）系统，后两种可以构成泵控（容积控制）系统。 §3-1 阀控液压马达 一、基本方程与方块图 （一）基本方程 1、伺服阀的流量方程 假设： （1）阀为零开口四边滑阀，四个节流口匹配且对称； （2）由于阀腔容积很小，故不考虑液体在阀腔内的压缩性； （3）阀具有理想的响应能力，即阀芯位移和负载变化会立即引起流量的变化（这条假设在几百赫兹的范围内是适用的）。 零开口四边滑阀的线性化流量方程为： 2、阀-液压马达的流量连续性方程 假设： （1）阀与马达的连接管道对称且短而粗，忽略管道内的摩擦损失和管路动态； （2）在管道和马达腔内不会出现饱和或空穴现象； （3）在每个管道和马达腔内各点压力相同，温度和密度均为常数； （4）液压马达内、外泄漏均为层流流动。 两个马达腔的连续性方程分别为 以上两式中， q1 、q2——流入、流出马达进、回油腔的流量； p1 、p2——液压马达进、回油腔的工作压力； Cim 、Cem——液压马达内部、外部泄漏系数； βe——系统的有效体积弹性模量（包括液体、连接管道和工作腔内的机械柔度）； V1 、V2——液压马达进、回油侧由阀到马达腔的总容积， V1 = V0 + △V (θm) V2 = V0 - △V (θm) V0——每个液压马达腔的平均容积，包括阀后通道、连接管道和马达通道； △V (θm)——液压马达有效工作容积，它随马达转角θm而变化。 马达的理论排量Dm与△V之间的关系为： 因此有 3、液压马达-负载的转矩平衡方程 式（3-1）、（3-2）和（3-3）完全描述了阀控液压马达的动态特性，它们的拉氏变换式如下： （二）阀控液压马达的方块图 二、传递函数及传递函数的简化 （一）传递函数 由式（3-4）、（3-5）和（3-6）消去中间变量qL和PL ，可求得Xv和TL同时作用于系统时的总输出θm为 马达输出转角θm对给定输入Xv和干扰输入TL的传递函数分别为 （二）传递函数的简化 1、没有弹性负载的情况（G = 0） 伺服控制系统在很多情况下是以惯性负载为主，而没有弹性负载或其很小可以忽略。此外，粘性摩擦系数Bm一般很小，由粘性摩擦力Bmsθm引起的泄漏流量(KceBm/Dm)sθm 所产生的马达速度变化(KceBm/Dm2)sθm比液压马达的运动速度sθm小得多，即KceBm/Dm2 1。因而KceBm/Dm2项可以忽略不计。 2、有弹性负载的情况（G ≠ 0） 通常，负载的粘性摩擦系数Bm是很小的，而阀和液压马达的阻尼系数Dm2/Kce（对于低频外负载转矩作用而言）是比较小的,从而KceBm/Dm21。这样，KceBm/Dm2与1相比可以忽略，从而由式（3-7）简化可得 为了将式（3-13）的特征方程进行因式分解，应用林氏劈因子法的思想，取特征方程的尾部二项式作一阶因子，于是式（3-13）可近似分解为 由以上三式可得 式（3-17）可简化为 式（3-14）可写成以下标准形式 通常，GKh，即，G/Kh1,故式可简化为 3、其它的简化情况 （1）当βe→∞ ，Bm=0，G=0时，式（3-10）可简化为 阀控液压马达对给定输入信号和干扰信号的动态特性可由相应的传递函数表示。 （一）没有弹性负载时动态特性 1、对给定输入信号的动态响应特性分析 主要性能参数有速度放大系数Kq/Dm 、液压固有频率ωh和液压阻尼比ζh 。 （1）速度放大系数（Kv = Kq /Dm） Kv表示阀对液压马达速度控制的灵敏度。 Kv直接影响闭环系统的稳定性、响应速度和静态精度。提高Kv可以提高系统的响应速度和静态精度，但使稳定性变坏。 由于Dm主要由系统的负载特性决定，所以Kv主要由阀的流量增益决定Kq 。Kq随工作点的不同而变化，在零位处Kq最大，并且随负载增大Kq减小。在一般伺服系统中Kq减小不会对系统产生不利影响，因而在计算稳定性时，应该采用空载流量增益Kq0，而在计算静态特性时应取最小流量增益。 （2）液压固有频率ωh 液压固有频率ωh是负载惯性与液压马达油腔中油液压缩性相互作用的结果。 液压弹簧 假定马达无摩擦和泄漏，两个油腔充满液体并被完全封死。由于液体具有可压缩性，故当马达受到外转矩作用时，马达轴可以转动一个微小的角度θm，使一个腔的压力升高p1 ，另一腔的压力降低p2 。设压力升高腔的容积为V1，压力降低腔的容积为V2 ，则有 （3）液压阻尼比ζh ζh几乎是所有参数的函数。