《电液比例容积控制》PPT课件.ppt

第四章 电液比例容积控制,41 容积泵的基本控制方法42 比例排量变量泵和变量马达43 电液比例压力调节型变量泵44 电液比例流量调节型变量泵45 电液比例压力和流量调节型变量泵46 二次调节,41 容积泵的基本控制方法,液压泵和液压马达都是液压系统中不可缺少的能源转换元件，为了节能的需要发展了变量泵和变量马达。但由于通常的手动变量泵和马达只能适应一两种设定的工况，不能或很难适应在负载状态下进行连续比例变量或调压。在这些场合下会导致能量损失或性能下降，尤其是在大功率及控制复杂、要求高的场合更是如此。而比例式和伺服式容积控制的变量泵和马达能适应各种场合的要求，能够在工作状态下使液压参数作快速而频繁的变化，从而使节能效果和控制水平大大提高。更重要的是采用了比例容积控制以后，可以通过电气技术进行各种补偿、校正、协调和适应控制，从而获得最大限度的性能提高和节能效果。,比例变量泵和马达按其控制方式可分为比例排量、比例压力、比例流量和比例功率控制四大类。这四种类型都是在其相应的手动控制的基础上发展起来的，所以有必要先来考察一下变量泵的各种控制方式。在液压控制系统中，节流控制，或称流阻控制是实现各种控制功能的基本手段。它具有结构简单、成本低廉、容易调节及控制精度高等优点，但会产生压力降并导致能耗。对节流调速控制系统的功率损失研究表明，该系统的主要能量损失由两部分组成：即节流损失和溢流损失。上述能量损耗的原因究其本质有两个：流量不适应过多的流量输入系统；压力不适应供油压力大于工作压力，以补偿节流压降。解决这一问题的办法是采用容积调速控制。为此，设计出了各种变量泵，变量机构及控制策略。,41 容积泵的基本控制方法,4.1.1 流量适应控制 由于节流调速系统既有节流损失，又存在溢流损失，用数学式可表示为PpQl+ppQ 式中：P液压回路总损失。流量适应控制是指泵供给系统的流量自动地与系统的需要相适应，它完全消除溢流损失。这种流量供给系统由于消除了过剩的流量，没有溢流损失，提高了效率。流量适应控制的基本办法是采用变量泵。以下是几种较常见的流量适应拄制变量泵。,41 容积泵的基本控制方法,（1）限压式变量泵 下图所示为限压式变量泵，它的出口接有调速阀，构成了容积节流调速回路。该泵的工作原理是利用输出压力与参比弹簧反力的合力来推动定子移动，使偏心距改变，即排量改变，并使排量总在与反馈压力相应的平衡位置上。其输出的流量特性曲线 l 以及调速阀流量特性曲线 2 如图所示。最大输出流量Qmax可由限制定子的最大偏心距来给定。泵的工作点由曲线 1与曲线 2 的交点确定，在轻载时处于接近水平的一段上(拐点c之前)，重载时处在斜线段上。图中斜线段的斜率由参比弹簧刚度决定。,41 容积泵的基本控制方法,41 容积泵的基本控制方法,（2）流量敏感型变量泵 流量敏感变量泵的工作原理如下图所示。它与限压式变量泵的区别仅仅是它以流量检测信号代替了压力直接反馈信号。当没有过剩流量时，流过液阻 R 的流量为零，控制压力 Po 也为零。这时泵的输出流量最大，作定量泵供油。当有过剩流量流过时，流量信号转为压力信号Po，然后和弹簧反力比较来确定偏心距。适当选择液阻 R 可以把控制压力限制在低压范围，从而使弹簧的刚度减小。由于过剩的流量先经过溢流阀，而溢流阀的微小变动就能引起调节作用，故这种流量敏感型变量泵同时具有恒压泵的特性。其压力流量特性曲线如图所示，显然这种泵的拐点压力及最大压力均由溢流阀的手调机构调节确定。,41 容积泵的基本控制方法,流量敏感型变量泵原理图及其压力流量曲线,41 容积泵的基本控制方法,（3）恒压变量泵 恒压变量泵是指当流量作适应调节时压力变动十分微小的变量泵。从前两节的分析中可知，要获得恒压的性质，必须要尽量采用弱刚度的弹簧来作参比对象。正加先导式溢流阀一样，用压差来与弹簧力平衡，其恒压性能就较直动式的好得多。恒压变量泵也是利用这一原理来获得压力浮动很小的恒压性能的。下图给出了这种泵的工作原理和性能曲线。在恒压变量泵中设置两个控制腔，利用两端的压力差来推动变量机构作恢复平衡位置的运动，这样弹簧刚度就可以较小。只要求弹簧能够克服摩擦力，使泵在无压时能处于最大排量的状态即可。,41 容积泵的基本控制方法,恒压变量泵原理图及其特性曲线1调压弹簧 2三通减压阀 3变量机构,41 容积泵的基本控制方法,泵的工作原理是：当输出压力比减压阀2的调定压力小时，减压阀全开不起减压作用。这时，变量机构 3 液压力平衡，在复位弹簧作用下处在排量最大位置。当泵的输出压力等于或超过调定压力时，减压阀阀芯向左移动，使供油压力和变量机构下腔部分与油箱接通。因此下腔压力降低，使变量机构失去平衡。上腔液压力推动变量机构下移压缩复位弹簧，直至重新取得力平衡。与此同时，由于变量机构的移动使流量作适应变化。,41 容积泵的基本控制方法,4.1.2 压力适应控制 压力适应控制是指泵供给系统的压力自动地与系统的负载相适应，完全消除多余的压力。压力适应控制可以由定量泵供油系统来实现。这对于负载速度变化不大，而负载变化幅度大且频繁的工况，具有很好的节能效果。在定量泵压力适应系统中，当供油量超过需要量时，多余的流量不象定压系统那样从溢流阀中排走，也不象限压变量泵那样会迫使系统压力升高来减少输出流量，而是从非恒定的流阻排出。此流阻的阻值随着执行机构的负载和速度不同而变化。常见的压力适应控制系统有恒流源系统、旁路节流系统和负载压力反馈回路。下面只介绍与比例变量泵关系最为密切的负载压力反馈压力适应控制回路。,41 容积泵的基本控制方法,（1）定差溢流型压力适应控制 这种回路只需使溢流阀的弹簧腔接受负载压力反馈信息，构成压差控制溢流阀，或称定差溢流阀（如下图左侧），就能使溢流阀失去恒阻抗流阻的性质，成为一种与负载压力相适应的非恒定流阻，从而使系统供油压力与负载需要相适应，实现节能。,若将节流阀的出口压力作为反馈压力，实质上就构成了一个溢流节流型调速阀(图b)。,41 容积泵的基本控制方法,（2）流量敏感型稳流量变量泵 把定差溢流阀用于变量泵时可以解决由于压力追随内泄漏和容性引起的不稳定问题。把定差溢流节流阀的溢流信息，作为变量泵的变量信号，向减小流量方向变化，就可以完全消除溢流量，又能保证输出流量不受外载的影响，构成所谓稳流量变量泵。下图所示为流量敏感型稳流量变量泵的工作原理图。它的特点是以流量检测信号代替原来的压力直接反馈。在工作压力适应调节时，过剩的流量从溢流阀流走，溢流量的微小变化就能引起泵的动作，所以这种泵是流量敏感型的。实质上此泵同时具有压力适应与流量适应的性质。,41 容积泵的基本控制方法,流量敏感型稳流量变量泵,41 容积泵的基本控制方法,4.1.3 功率适应控制 液压功率由压力与流量的乘积来决定。无论是流量适应或压力适应系统，都只能做到单参数适应，因而都是不够理想的能耗控制系统。功率适应动力源系统，即压力与流量两参数同时正好满足负载要求的系统才是理想的能耗控制系统。它能把能耗限制在最低的限度内。事实上，上一节中介绍的流量敏感型稳流量变量泵就具有压力与流量的适应能力。采用这种泵的系统具有功率适应性。下图所示为一种差压式稳流量变量叶片泵。泵的变量机构由在定子两边的两个柱塞缸组成。定子的移动靠两个柱塞缸上的液压作用力之差克服弹簧4的作用力来实现。所以这种泵称之为差压式变量泵。,41 容积泵的基本控制方法,采用此泵的系统既有压力适应的性质，又有流量适应的性质。,41 容积泵的基本控制方法,下图所示为一种较完善的功率适应动力源。其特点是泵的变量机构不是靠负载反馈信号直接控制，而是通过一个三通减压阀作为先导阀来控制，因而具有先导控制的许多优点，特别是灵敏度高，动特性好。主节流阀的压差被减压阀的参比弹簧固定，因此，通过主节流阀的流量仅由其开口面积决定。改变开口面积可使流量压力特性曲线上下平移。调节减压阀的弹簧预压缩量可以改变拐点的压力，即可使垂直段左右移动，这样便可适应不同的工况要求。,41 容积泵的基本控制方法,功率适应变量泵（a）原理图（b）流量压力特性曲线,41 容积泵的基本控制方法,4.1.4 恒功率控制 恒功率控制是使泵的总输出功率具有与负载无关，维持恒定的性质。因液压功率 P 为压力 p 与流量 Q 的乘积，即Pp*Q。所以精确的恒功率控制中，流量与压力的关系是压力升高时，流量随压力呈双曲线规律减小。如下图所示曲线。下图所示为一种恒功率控制器的结构原理图。控制器中有两根套在一起的弹簧，低压时一根较软的弹簧起作用，这时泵的输出对应于bc段，高压时两根弹簧同时接触变量活塞。这时弹簧刚度变大，其特件曲线对应cd段。两段合起来就能近似实现恒功率控制。,41 容积泵的基本控制方法,恒功率控制变量泵,原理图,特性曲线,41 容积泵的基本控制方法,在一定转速下，变量泵和马达输出或吸入的流量正比于排量。而排量是由变量机构的位置来决定的，因此电液比例排量控制本质上是个电液比例位置控制系统。它利用适当的电机转换装置，通过液压放大级对变量泵或马达的变量机构进行位置控制，使其排量与输入信号成正比。这样的控制称为电液比例排量控制。虽然比例容积控制只是用比例电磁铁和先导阀来取代手调变量机构，但这不仅是操作方式的不同，更重要的是能够利用电气控制来进行各种压力补偿、流量补偿以及功率的适应控制，从而使控制水平大大提高。,42 比例排量变量泵和变量马达,下图所示的是几种常见的比例排量调节方案。比例排量调节的方式按反馈信号的类型分为三种，即位移直接反馈式，位移力反馈式和位移电反馈式。图中压力油输入处 p 可以接内部或外部的压力油。围中的比例阀可以是直动式的，有时需要先导式的，使获得足够大的推力。也可用机械力代替控制力，必要时可以用手动，这时就相当于手动变量式定量泵。变量缸内设有对中弹簧，以便在无信号时回到无流量状态，图 a 所示为一种单向变量机构，图 b 和 c 可以用于双向变量。,42 比例排量变量泵和变量马达,电液比例排量调节a)位移直接反馈式b)位移力反馈式c)位移电反馈式,A图,B图,C图,42 比例排量变量泵和变量马达,4.2.1 位移直接反馈式比例排量调节 位移直接反馈式比例变量泵是在手动伺服变量泵的基础上增设比例控制电机械转换部件而构成的。在这种变量方式中，变量活塞跟踪先导阀芯的位移而定位。可见变量活塞的行程与先导阀芯的行程相等。（1）伺服电机驱动比例排量调节 伺服电动机输出的是转角，而伺服滑阀需要的是直线位移。因此，利用伺服电动机作电机械转换元件时需要加上一个螺旋机构。下图就是这样的一种控制方式。这种变量泵控制精度很高，工作可靠，能与电气自动化系统共同工作，实现遥控比例变量。实际上这种泵就是电液伺服变量泵。,42 比例排量变量泵和变量马达,42 比例排量变量泵和变量马达,（2）比例减压阀控制的比例排量调节变量泵 采用比例减压阀输出的液压油来推动伺服阀的阀芯，实现电液比例排量调节，这样比例电磁铁的行程就不受变量活塞的行程限剧。下图所示比例排量变量泵使用的就是这种形式的比例排量调节机构。它是在手动伺服变量泵上增设电液比例减压阀 2，操纵缸 3 而构成的。其控制精度及灵敏度虽不如电液伺服变量泵，但其抗污染力强，价格低廉，工作可靠，对许多机械的远程控制是很理想的。,42 比例排量变量泵和变量马达,42 比例排量变量泵和变量马达,（3）位移直接反馈型比例排量变量泵的特性分析 位移直接反馈比例排量调节泵的特性是指输入信号电流或当量电流I变化时，流量Q的响应特性。从上面比例排量泵的结构原理分析中可知，它的结构由三个主要环节组成，就是电机械位移转换机构、伺服变量机构及泵主体机构。在简化的条件下，除伺服变量机构外，都简化为比例环节，则泵的特性可由以下的基本方程来描述。a.电机械转换机构方程,42 比例排量变量泵和变量马达,b.伺服变量机构特性方程,c.泵的流量方程,42 比例排量变量泵和变量马达,4.2.2 位移力反馈式比例排量调节变量泵 由于位置直接反馈式中反馈量是变量活塞的位移，它必须采用伺服阀来进行位置比较。而伺服阀的制造工艺要求很高。而且为了驱动伺服阀，往往需要增加一级先导级，又使结构复杂化，增加了成本。采用位移力反馈的控制方式来使变量活塞定位，可使变量机构的控制得到大大的简化。（1）结构及工作原理 我国引进生产的力士乐型A7V斜轴式轴向柱塞泵就是一种位移力反馈式的比例排量调节变量泵，如图示。,42 比例排量变量泵和变量马达,42 比例排量变量泵和变量马达,泵的排量与输入控制电流成正比。可在工作循环中无级地按程序来控制泵的排量。无控制电流时，该泵在压力在复位弹簧的作用下返回原位，当有信号电流时，比例电磁铁10产生推力，通过调节套筒9和推杆7作用于控制阀上。当10产生的推力足以克服起点调节弹簧3和反馈弹簧8的预压缩力的总和时，阀芯4位移使a、b控制腔接通。变量活塞5从最小排量位置向增大排量的方向移动，实现变量。与此同时，在移动中不断压缩反馈弹簧，直至弹簧上的压缩力略大于电磁力时，先导芯开始关闭，并终于完全关闭，实现位移力反馈，使活塞定位在与输入信号成正比的新位置上。,42 比例排量变量泵和变量马达,A7V 比例排量调节变量泵结构1最小流量限位螺钉2调节螺钉带护罩3控制起点调节弹簧4控制阀5控制活塞6端盖7推杆8反馈弹簧9调节套筒10比例电磁铁11最大流量限位螺钉12配流盘13缸体a变量活塞小腔（通常压力油）b变量活塞大腔（控制腔）,42 比例排量变量泵和变量马达,（2）传递函数框图位移力反馈比较环节a）电磁力与反馈力比较环节b）方框图c）等价方框图,42 比例排量变量泵和变量马达,4.2.3 位移电反馈型比例排量调节 位移电反馈式排量调节把带有排量信息的斜轴(斜盘)的倾角或变量活塞的直线位移转换成电信号，并把此信号反馈到输入端由电控器进行处理。最后得出控制排量改变的信息。下图所示为一种位移电反馈型比例排量调节变量变量泵的原理图。机构的位移或倾角，代表了流量的信息。由位移传感器2检测和反馈。所以实际上是间接的流量反馈，反馈的实际值与给定值进行比较，得出需要的排量调节信息。,42 比例排量变量泵和变量马达,位移电反馈型 比例排量调节1双向变量泵2位移传感器3输入信号电位器4电控器5双向变量机构6三位四通比例换向阀7先导油泵,42 比例排量变量泵和变量马达,因为是双向变量机构，需要采用辅助先导泵向比例阀供油，使在主泵的排量为零的位置下变量机构仍能可靠工作。变量机构由弹簧对中，控制失效时，通过比例阀的中位节流口实现油液体积平衡而回零。该系统流量随压力升高有较大的负偏差，这是由于泵的泄漏流量QL引起的。可见，比例排量调节虽然可以通过电气信号来控制泵的输出流量，但因负载变化以及泄漏等因素引起的流量变化无法得到抑制和补偿。所以，比例排量调节的流量得不到精确的控制。当需要精确控制时就要采用比例流量调节变量泵。,42 比例排量变量泵和变量马达,4.3.1 工作原理及结构 电液比例压力调节型变量泵是一种带负载压力反馈的变量泵，其特点是利用负载压力变化作为泵本身变量的控制信号。泵的出口压力代表了负载的大小。当低于设定压力时，相当于定量泵工作，输出最大流量。当工作压力等于设定压力时，它按变量泵工作。泵输出的流量随工作压力的增加而下降。任何工作压力的微小变化都将引起泵较大的流量变化，从而对压力提供了一种反向变化的补偿。当系统的负载压力大于设定压力时，泵的输出流量迅速减小到仅能维持各处的内、外泄漏，且维持设定压力不变。可见这种变量泵具有流量适应的特点，在泵作流量适应调节时，工作压力变动很小，基本保持不变。,43 电液比例压力调节型变量泵,电液比例压力调节型变量泵的最大供油能力由其最大排量决定，而泵的出口压力由比例电磁铁的控制电流来设定。因这种泵完全消除了流量过剩，而输出压力又可根据工况随时重新设定，因而有很好的节能效果。这种泵是流量适应的，它无需设置溢流阀，但应加入安全阀来确保安全。,43 电液比例压力调节型变量泵,43 电液比例压力调节型变量泵,比例压力调节变量叶片泵结构原理图,43 电液比例压力调节型变量泵,4.3.2 先导式比例压力调节变量叶片泵的特性分析 变量叶片泵的定子环由两个控制柱塞保持在一定的位置上，较大的一个控制柱塞由一软弹簧支持，其有效面积为小的两倍。弹簧的推力应在零压力时足以克服各种摩擦力，把定子推至最大偏心位置。因此泵起动时能给出最大流量。直到输出压力达到设定的拐点压力为止，它按定量泵工作。其后便按变量泵工作。（1）动态特性 根据上述变量叶片泵的工作原理，可写出泵与流量、工作压力有关的诸数学式。为简便忽略有关的库仑摩擦以及油液压缩性的影响和被动力。从而得到传递函数如下：,43 电液比例压力调节型变量泵,43 电液比例压力调节型变量泵,传递函数方框图,43 电液比例压力调节型变量泵,（2）静态特性 静态特性是指泵的流量与压力，功率与压力及效率与压力之间的关系。相应的静态特性方程为,43 电液比例压力调节型变量泵,由以上四个式子，消去中间变量求得泵的静态特性曲线：,Q 流量压力曲线P1 最大输出时的功率P2 零行程时的功率输出,图示，在ppc的区域内，功率特性与定量泵相同，在ppc区域内，输出功率急剧下降，直至到达零行程功率曲线。因此该泵用于保压系统时，具有很好的节能效果。,43 电液比例压力调节型变量泵,比例流量调节型变量泵是一种稳流量型的自动变量泵，它的输出流量与负载无关，且正比于输入电信号。虽然比例排量变量泵的输出流量也有正比于输入信号的功能，但由于负载变化所引起的泄漏，液容的影响无法得到自动补偿。因此排量调节控制不能保证流量的稳定性。相反，比例流量调节型变量泵以流量为控制对象，在泵作压力适应变比时，自动补偿流量的变化，维持稳流量。但由于它的恒流量性质是靠容积节流实现的，大流量时，其节流损失不容忽视。下图所示为比例流量调节型变量泵的职能符号和半结构原理图。将该图与流量敏感型稳流量变量泵相比较可知，除用比例节流阀代替手调节流阀外，其它是完全相同的，所以它们的工作原理也完全相同。,44 电液比例流量调节型变量泵,1变量叶片泵2安全阀3比例节流阀4固定阻尼孔5控制阀,比例流量调节变量泵,44 电液比例流量调节型变量泵,4.4.1 稳流量调节控制原理 如上图所示。在设定的安全压力范围内，泵的全部流量通过由电气设定的节流孔 3。对于任一设定开口量，压降与通过的流量成正比。因此，该压降是泵流量的一个度量信息。该压降由泵控制装置保持恒定。控制阀芯5两端作用着比例节流孔3的进出口压力。出口压力与阀芯右端弹簧腔相通。弹簧通常调定在某一压缩量下，达一弹簧力决定了通过比例节流孔的压降。这一压降应使控制阀在控制边 S 处有0.0 5mm左右的开口量，使保持小量溢流。通过调整这一压差，对任何输入的电信号，都可获得准确的流量控制。,44 电液比例流量调节型变量泵,控制阀芯在正常工作时，在约0.1mm的行程内不断调整位置，力图保持平衡。当比例节流口关小或负载力pL下降时，入口压力p便有大于出口压力pL与弹簧力之和的趋势。阀芯就有向右移动，使溢流量增大的倾向。其结果是大柱塞腔部分卸压，使泵的出流减小，直至调节阀芯恢复到原来的位置，保持节流孔压差不变。反之过程类似。,44 电液比例流量调节型变量泵,4.4.2 泵的特性分析 比例流量调节型变量泵的动、静态特性分析与压力调节型的相仿，可以利用其结果作相应的修改而获的。其主要差别是以压差反馈代替压力反馈。其方框图如下：,44 电液比例流量调节型变量泵,比例流量调节变量泵的静态特性,44 电液比例流量调节型变量泵,从特性曲线中可以看到，随着压力升高不存在截流压力，即泵不会回到零流量处，所以这种泵不具流量适应性，因而系统必须设有足够大的溢流阀。4.4.3 带流量适应的比例流量调节型变量泵 下图所示为带流量适应的比例流量调节型变量泵的职能符号原理图。它是在比例流量调节的基础上增加了一个溢流阀 2 和节流孔 4 而构成。由于增加了上述这些元件，使当工作压力达到溢流阀 2 的调定压力后，控制阀 3 就失去了保持恒压差的性质。溢流后，阀 3 的弹簧腔压力被固定在溢流阀调定压力上，当系统压力继续升高时，阀芯3便左移，并最终使泵的大控制腔压力为零。在小控制腔液压力的推动下，变量泵处于零流量位置。,44 电液比例流量调节型变量泵,带流量适应的比例流量调节阀1变量机构2溢流阀3控制阀4固定阻尼孔5比例节流阀6安全阀,原理图及静态特性曲线,44 电液比例流量调节型变量泵,压力和流量是两个最基本的液压参数，它们的乘积就是液压功率。前面介绍的几种比例泵中，都只有一个参数是可以任意设定的，另一个参数需要手调设定，或自动适应。自动适应控制虽然有它的优点，但并非总是最佳选择。例如比例压力变量泵有流量适应能力，但它在作流量适应时，其代价是供油压力要额外提高。或者比例流量泵在作压力适应时要损失一定的流量。所以从能耗控制的观点来看它们并非最优。比例压力和流量调节型变量泵被称为复合比例变量泵，能充分地利用电液比例技术的优点。它控制灵活，调节方便，在大功率系统中节能十分明显。,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,复合比例变量泵可能实现的复合控制功能是通过信号处理来实现的。这样两个基本参数的控制信号并非完全独立。有时要利用一个算出另一个或限制另一个的取值范围。电液比例压力和流量调节型变量泵大致可分为压力补偿型和电反馈型两种。压力补偿型是以容积节流为基础，由一个变量泵加上比例节流阀构成，并由一个特殊的定差溢流阀（称为恒流控制阀）和一个特殊的定压溢流阀（称恒压控制阀）对变量机构进行控制，实现压力和流量的比例控制。电反馈型的可以取消比例节流阀，是纯粹的容积调速。它需要利用流量和压力传感器对被控制压力和流量进行检测和反馈，构成闭环控制系统，因而有更好的控制精度和节能效果。,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,4.5.1 压力补偿型比例压力和流量调节 从上节所示的特性曲线图中可知，带流量适应的比例流量调节型变量泵是一种比例流量调节加手动压力调节的变量泵。因此把其中的手调溢流阀2换成比例溢流阀，便构成了一种比例压力和流量复合调节型变量泵。其原理图和特性曲线如下。当比例溢流阀2不溢流时它是比例流量调节，节流阀5的前后压差被特殊的定差溢流阀3固定。这时泵的输出流量决定于弹簧ks2的预紧力(决定压差)与节流阀5的输入电流(决定开口面积)。当比例溢流阀溢流时，定差溢流阀3失去定压差的性质，其阀芯被泵的出口压力推向左，并使泵的流量变少。这时是比例压力调节。当负载压力继续升高时，变量机构回到零行程位置，最终导致截流。,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,共用一个压力补偿阀的PQ调节的原理及特性曲线图,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,这种泵具有较大的流量调节偏差和压力调节偏差。造成这种偏差的原因主要是压力和流量调节共用一个控制阀3所致。为了克服上述缺点，可以采用两个压力补偿阀，分别进行压力和流量的调节。这种泵实际上就是前面介绍过的比例压力调节和流量调节的组合，其职能符号因及半结构图如下图所示。其中各控制阀可以以叠加阀的形式，叠加在泵体上。该泵具有明显改善了的调节特性。它的流量与压力在额定值范围内可随意设定来满足不同的工况。但在作压力调节时存在滞环，在低压段也存在一个最小控制压力利流量不稳定阶段。,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,比例压力和流量调节型变量泵职能符号及半结构图,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,pQ 调节变量泵的静态特性,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,4.5.2 电反馈型比例压力和流量调节 流量和压力电反馈型比例调节是把流量信息和压力信息通过传感器转换成相应的电信号，并反馈到输入端。它代表实际输出值与给定值进行比较。任何偏差都由电控器进行处理，得出控制排量改变的信号，通过改变排量来控制输出的流量与压力符合要求。与压力补偿型调节相比，它可以取消比例节流阀，因而消除了节流损失，是完全的比例容积控制。压力的检测通常利用压力传感器直接检测。而流量的直接检测较为困难，可以利用流量传感器来直接检测，也可以对变量机构的位移或倾角作间接检测。,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,直接检测式电反馈pQ调节变量泵原理图,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,电反馈型 pQ 调节 变量泵原理图1双向变量轴向柱塞泵2位移传感器3梭阀4压力传感器5电控器6输入信号电位器7直流稳压电源8双向变量机构9节流口10三位四通比例换向阀11先导压力油源,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,电反馈型比例压力和流量调节的特点包括：1）能同时输出流量反馈(间接检测)和输出压力反馈，因而可以依靠电控器进行pQ函数的运算处理，实现复杂的多种控制功能。2）由于是双向变量机构，所以必须采用辅助先导油源向比例阀供油，以保证泵在排量为零的情况下不使控制及反馈失效。3）下图为该泵的静态特性。,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,其中曲线 1 为比例排量调节时控制电压与缸体倾角的关系曲线。由于先导阀芯的力平衡、阀口遮盖量、摩擦力等的影呐，曲线上可见有约 10一15 的死区，因而需要起始控制电压 uo 来克服死区的影响。图中滞环max 约为最大倾角的3。重复精度约为 2。曲线 2 是通过对反馈的倾角位移信号及压力信号实行运算后实现的恒功率控制的情况，曲线 3 是实现恒压控制时的压力与倾角之间的关系曲线。由曲线可见，在作恒压力调节时压力的变化值为p2MPa265。曲线 4 是 QNP 型调节特性。由以上可见，电反馈型比例压力和流量调节变量泵比普通的压力和流量反馈控制更具灵活性。一泵多能，能够适应不同的工况，在大流量的条件下具有很好的节能效果。,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,位移及压力电反馈比例pQ调解变量泵的特性曲线,1比例排量调节特性曲线 2横功率调节曲线 3横压力调节曲线 4Q-N-P型调节曲线,45 电液比例压力和流量调节型变量泵,46 二次调节,在前面的内容中，我们分析到了液压系统常见的机构，利用这些机构可以实现液压系统的流量、压力以及功率等的控制，从而满足工业应用的需要。但是，分析中我们也发现液压系统的能耗较大。它的效率一般在30%左右。效率低使得设计液压系统的需求功率很大，真正作有用功的功率部分很少，而大部分功都损失变为热能，因为液压系统工作的最佳温度是40度。这样损失的热能又得靠增加冷却器的散热面积来平衡，使得液压系统的设计投资很大。电机、液压泵、油箱等的规格大大增加，这样不仅增加了设计成本而且增加了运行成本。因此，提高液压系统的效率是液压研究领域重中之重，也就是研究节能型液压系统。,第四章 电液比例容积控制,针对液压系统能耗的问题，德国汉堡国防工业大学的教授1977年首先提出了二次调节传动的概念。二次调节传动系统是工作在恒压网络的压力偶联系统，能在四个象限内工作，回收与重新利用系统的制动动能和重力势能。在系统中液压马达能无损耗地从恒压网络获得能量，系统中可以同时并联多个负载，在各负载段可同时实现互不相关的控制规律；扩大了系统的工作区域，改善了系统的控制性能，减少了设备的总投资。降低了工作过程中的能耗和冷却费用。因为它既没有节流损失又没有溢流损失，还回收系统的制动动能和重力势能，所以其节能效果比上述的回路系统都优越。,第四章 电液比例容积控制,4.6.1 二次调节静液传动的概述 二次调节静液传动技术，是对液压能与机械能相互转换的液压元件进行调节，来实现能量转换和传递的技术。我们通常液压调节是在液压泵及其出口来完成的，现在是对执行元件的速度、转矩、功率调节换位到执行元件本身。如果把液压泵称为一次元件或初级元件，那么执行元件（液压泵/马达）称为二次元件或次级元件。二次调节静液传动技术的实现是建立在恒压系统基础之上，目前对二次调节传动技术的研究可以分为两大部分：,第四章 电液比例容积控制,一是利用二次调节传动技术的能量回收原理，一般用在被控对象频繁起停、重力势能变化大的工况。如摩天大楼的电梯、城市公交车和抽油机等等，在国外有成功的应用实例 二是从控制的角度出发，利用一些复杂的算法改善液压泵/马达的动态特性。二次调节对改善液压系统的传动效率非常有效，仿佛走出液压传动低效率的“普遍规律”。它与负载敏感回路的主要区别是不但实现了功率适应，而且还可以对工作机构的制动动能和重力势能进行回收和重新利用，同时多个执行元件可以并联在恒压网络上，并分别进行控制。,第四章 电液比例容积控制,4.6.2 二次调节静液传动的工作原理 二次调节系统组成如下图所示：,第四章 电液比例容积控制,它主要由液压泵 1、蓄能器 2、二次元件 3、控制油缸 4、电液比例（伺服）阀 5 组成。其中二次元件不经过任何能引起能量损失的液压元件直接与一次元件相连，所以无损失地从恒压网络中获得能量，这样从原理上进行了节能。二次调节静液传动系统的工作原理是通过调节二次元件（液压马达/泵）的斜盘倾角来改变二次元件的排量。不论是转速控制、转矩控制、还是功率控制，控制方法都是改变斜盘倾角，只是控制的对象不同而已，当然，每一种又有其各自的特性和应用场合。这种调节在次级元件液压泵/马达上进行，这也是为什么叫二次调节的理由。,第四章 电液比例容积控制,调节通过计算机、二次元件、电液（比例）伺服阀、转速转矩传感器、控制器等构成的闭环系统来实现。要实现能量回收二次元件（液压泵/马达）必须有两种工况即泵工况和马达工况。因为要实现能量的回收仅仅工作在马达或泵工况是不够的，这一点是显而易见的。因此我们以液压泵/马达转速为横轴，以转矩为纵轴，二次元件的功率符号来确定二次元件是从恒压网络中获得能量还是向恒压网络中回馈能量。当二次元件从系统中获得能量时称为“马达”工况，当二次元件向系统回馈能量时，取名“泵”工况。当然向系统回馈的能量可以储存也可以供给别的用户。下图为二次元件四象限工作示意图，一、三象限为“马达”工况，二、四象限为泵工况。,第四章 电液比例容积控制,当二次元件工作在“马达”工况时，从恒压网络获得能量。第一象限：若取马达在第一象限时的二次元件输出转矩 M1、从恒压网络流入二次元件的流量 QL、二次元件输出转速 N、二次元件的排量 q 为正，又因为恒压网络的工作压力 pL 为常数，二次元件输出功率为：P=2*M*N=pL*QL0 第三象限：M10，所以：P=2*M*N=pL*QL0 以上两种情况可知马达输出功率大于零，从恒压网络吸收能量，此为马达工况。,第四章 电液比例容积控制,第二象限：二次元件向恒压回馈流量 QL 为负，M10，N 0，QL0，q 0，QL0，所以:P=2*M*N=pL*QL0 以上两种情况可知马达输出功率小于零，向恒压网络回馈能量，此为泵工况。以公交车为例具体分析四象限所对应的工况，在第一象限，二次元件工作在马达工况，它作为动力元件加速使公交车达到正常速度。在第二象限时，二次元件工作在泵工况，它由公交车的惯性带动转动，输出高压油储存在蓄能其中。公交车反向减速。在第三象限是同第一象限，只不过加速后退。四象限同二象限，不同的是正向减速。从第一象限过渡到第二象限，二次元件斜盘一般过零点。,第四章 电液比例容积控制,（1）转速控制 二次调节的基本控制规律很多，它是通过改变二次元件的斜盘倾角来改变液压马达/泵的排量，从而实现液压系统的转速、转矩、功率、转角控制。下图为转速调节原理图，二次元件 3 工作在由恒压变量泵1和蓄能器 2 组成的恒压网络。当设定转速时，二次元件在设定的转速下工作，假如负载增大，则转速降低，测速器4测的转速与设定转速进行比较，得差值控制伺服阀 6 的开口量，进而控制液压缸 5 使得二次元件的斜盘倾角增大，使得二次元件的扭矩回升，转速加大到设定值，保持转速不变。,第四章 电液比例容积控制,二次调节转速控制原理图,第四章 电液比例容积控制,（2）转矩控制 下图为二次调节转矩控制原理图，在现实的工业控制中，恒转矩负载是很常见的一种形式，如果采用二次调节系统则为恒转矩控制。根据液压转矩计算公式：M=p*q/（2）式中：为负载转矩，p为二次系统工作压力为常数，q为二次元件排量。由此可见，只要二次元件排量q恒定，则负载转矩即为定值。如果负载转矩增大时，转矩传感器测量值于设定值进行比较，其差值调节伺服阀的开口量进而控制油缸 5 的倾角，使其减小。这样排量减小输出转矩减小到设定值。,第四章 电液比例容积控制,二次调节转矩控制原理图,第四章 电液比例容积控制,（3）恒功率控制 所谓恒功率控制就是通过二次调节的自身的反馈而实现功率的恒定。根据液压功率的计算方法：P=pL*QL=pL*q*N=M*式中，P 为负载功率，pL、QL 分别为负载压力和负载流量，q、N 分别为二次元件排量和转速，M、分别为二次元件输出扭矩和角速度。由式2-2可知，pL 为恒量，这样，实现恒功率控制可以通过三种途径:,第四章 电液比例容积控制,（1）通过检测二次元件的输入流量 QL 并反馈到控制器,与实际要求值 Q 相比较，用这个差值来控制二次元件的排量，使输出功率与期望值相符，如下图所示。目前由于对动态流量的检测实现较为困难，故本方法较难实现。,第四章 电液比例容积控制,（2）通过检测二次元件的输出转矩M与角速度，然后用二者的乘积与实际要求值 P 进行比较，用来调节二次元件的排量，如图所示。当使角速度处于一合理范围(不为零、不超速)时，此方式可实现较精确的功率控制。,第四章 电液比例容积控制,（3）通过检测二次元件的转速与变量油缸的位移(扭矩)，然后用二者的乘积(功率P)与实际要求值进行比较，用来调节二次元件的排量，如下图所示。在用能反映转矩大小的变量油缸位移(斜盘的倾角)来表示转矩时，因摩擦转矩的存在，有一定的误差。此途径的检测量实现较为容易，同时，这些检测量也可以用在其它控制方式中，故实验研究中常采用该方式。,第四章 电液比例容积控制,二次调节转速、位移检测横功率控制原理图,第四章 电液比例容积控制,