液压伺服控制3章.ppt

1,第三章 液压动力元件,3.1 四通阀控制液压缸 3.2 四通阀控制液压马达 3.3 三通阀控制液压缸 3.4 泵控液压马达 3.5 液压动力元件与负载的匹配,本章介绍,2,概 述,液压动力元件=液压放大元件+液压执行元件 液压放大元件（液压控制元件）：液压控制阀、伺服变量泵 液压执行元件：液压缸、液压马达 机-液耦合（换能）元件 四种基本型式的液压动力元件：阀控（节流控制）系统：阀控缸，阀控马达；泵控（容积控制）系统：泵控缸、泵控马达。液压动力元件是一个关键性的部件，它的动态特性在很大程度上决定着整个系统的性能。,3,3.1 四通阀控制液压缸,零开口四边滑阀+对称液压缸,一、基本方程 1）液压控制阀的流量方程 2）液压缸流量连续性方程 3）液压缸与负载的力平衡方程（一）滑阀的流量方程 假设：1）零开口四边滑阀 2）四个节流窗口是匹配对称的 3）供油压力恒定，回油压力为零,4,（二）液压缸流量连续性方程 假设：1）阀与液压缸的连接管道对称且短而粗，管道中的压力损失和管道动态可以忽略 2）液压缸每个工作腔内各处压力相等，油温和体积弹性模量为常数 3）液压缸内外泄漏均为层流流动,总流量=推动活塞运动所需流量+经过活塞密封的内泄漏流量+经过活塞杆密封处的外泄漏流量+油液压缩和腔体变形所需的流量,5,流入液压缸进油腔的流量：,从液压缸回油腔流出的流量：,液体是可压缩的。液体等效容积弹性模数e表示容器中油液的容积变化率与压力增长量之间的关系,6,动态分析时，需要考虑泄漏和油液压缩性的影响，则流入液压缸的流量与流出液压缸的流量不相等，为了简化分析，定义负载流量为：,7,要使压缩流量相等，应使液压缸两腔的初始容积相等，即,活塞在中间位置时，1）液体压缩性影响最大，固有频率最低 2）阻尼比最小因此，系统稳定性最差。所以，分析时，应取活塞的中间位置作为初始位置。,流量方程可整理成：推动液压缸运动所需流量+总泄漏流量+总压缩流量,8,（三）液压缸和负载的力平衡方程,负载力一般包括惯性力、粘性阻尼力、弹性力和任意外负载力。液压缸的输出力与负载力的平衡方程为：,此外，还存在库仑摩擦等非线性负载，但采用线性化的方法分析系统的动态特性时，必须将这些非线性负载忽略。,9,二、方块图与传递函数,阀控液压缸的三个基本方程完全描述了阀控液压缸的动态特性，将其拉式变换，则：,适合于负载惯量小、动态过程较快的场合。,10,适合于负载惯量和泄漏系数都较大，而动态过程比较缓慢的场合。,11,合并三个基本方程，消去中间交量QL及pL，可得到阀芯输入位移和外负载力同时作用时液压缸活塞的总输出位移：,式中，包括泄漏在内的总的压力流量系数。,液压缸活塞的空载速度外负载力作用引起的速度降低,惯性力、粘性力、弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度惯性力、粘性力、弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度活塞运动速度,12,（一）没有弹性负载（K=0）的情况,1）很多情况，以惯性负载为主。2）液压马达伺服系统中，弹性负载很少见。3）粘性阻尼系数Bp一般很小，所以由粘性摩擦力引起的泄漏流量所产生的活塞速度比活塞的运动速度小得多，可忽略不计。,三、传递函数简化,对特征方程的简化。因式分解，化为标准形式。,或,式中 h 液压固有频率 h阻尼比,13,如果粘性摩擦系数Bp可以略去，则,对于指令输入xv的传递函数为：,对于干扰输入FL的传递函数为：,14,（二）有弹性负载（K0）的情况,阀控液压缸中，弹性负载比较常见：1）带对中弹簧的功率级滑阀2）材料试验机的负载是硬弹簧,或,粘性阻尼系数Bp一般很小,所以：,kh 液压弹簧刚度：液压缸完全封闭的两腔由于液体的压缩性而形成的,15,0 综合固有频率 0综合阻尼比,将对应项系数相等，可得：,满足 时，有：,16,Kps 总压力增益 r惯性环节的转折频率,稳态时阀输入位移所引起的液压缸活塞的输出位移外负载力作用所引起的活塞输出位移的减小量,1）弹性负载使积分环节变成惯性环节2）随着负载弹簧刚度减小，转折频率将变低，惯性环节接近积分环节,17,（三）其它的简化情况,K=0时出现积分环节,18,是负载质量与液压缸工作腔中的油也压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结果。假设：液压缸无摩擦、无泄漏由于液体的压缩性，当活塞受到外力作用产生位移时，一腔压力升高，另一腔压力降低,2）液压固有频率,被压缩液体产生的复位力与活塞位移成比例，其作用相当于一个线性液压弹簧，总液压弹簧刚度为：,总液压弹簧刚度是液压缸两腔液压弹簧刚度的并联。,19,当活塞处在中间位置时，液压弹簧刚度最小，当在两端时，V1或V2为零，液压弹簧刚度最大。液压弹簧与负载质量相互作用所构成系统的固有频率，中间位置时，其值为：,液压弹簧刚度是在液压缸两腔完全封闭的情况下推导出来的，实际上由于阀的开度和液压缸的泄漏的影响，液压缸不可能完全封闭，因此在稳态下不存在弹簧刚度。动态时，在一定频率范围内来不及泄漏，相等于一种密封状态，因此液压弹簧是一个动态弹簧。,20,在液压伺服系统中，液压固有频率限制了系统的响应速度。提高液压固有频率的方法：（1）增大液压缸活塞面积Ap（有时，Ap主要由负载决定）h与Ap不成比例关系 压缩容积Vt随之增大 同样的负载速度，所需负载流量增大，阀、连接管道、液压能源装置的尺寸重量也随之增大（2）减小总压缩容积Vt（主要是减少无效容积和连接管道容积）使阀靠近液压缸，最好装在一起 选择合适的执行元件：长行程输出力小时用液压马达，反之用液压缸（3）减小折算到活塞上的总质量Mt（活塞质量+负载折算到活塞上的质量+液压缸两腔的油液质量+阀与液压缸连接管道中的油液折算质量）（4）提高油液的有效体积模量e（7001400MPa，或实测）影响因素：受油液压缩性、管道及刚体机械柔性、油液中所含空气（最严重）要尽量减少混入空气，避免使用软管,21,3）液压阻尼比,决定因素：总流量-压力系数Kce、负载粘性阻尼Bp因为：BpKce，CtpKc，所以h主要由Kc决定。零位时系统的稳定性最差由于库仑摩擦等因素的影响，实际的零位阻尼比要比计算值（按Kc0计算）大，至少为0.10.2，或更高一些。,Kc随工作点不同会有很大的变化。在阀芯位移xv和负载压力pL较大时，由于Kc值增大使液压阻尼比急剧增大，可使h1，其变化范围达2030倍。因此，是一个难以预测的软量。零位阻尼比小，阻尼比变化范围大是液压伺服系统的一个特点,22,液压阻尼比表示系统的相对稳定性。液压伺服系统一般低阻尼，提高的办法有：（1）设置旁路泄漏通道（增加泄漏系数Ctp）但：增大了功率损失 降低了系统的总压力增益和系统的刚度，增加了外负载力引起的误差 系统性能受温度变化的影响大（2）采用正开口阀但：降低了系统刚度 泄漏引起的损失更大 非线性流量增益 稳态液动力变化（3）增加负载的粘性阻尼（需要另设阻尼器，增加了结构复杂性）,23,1）动态位置刚度特性动态位置柔度，其倒数即为动态位置刚度,惯性环节+比例环节+理想微分环节+二阶微分环节因为h很小，所以2hh h负号表示负载力增加使输出减小动态位置刚度与负载干扰力FL的变化频率有关,2.对干扰输入FL的频率响应分析,24,（1）在 2hh 的低频段上，惯性环节和二阶微分环节不起作用，则,=0时，得静态位置刚度,在恒定的外负载力作用下，由于泄漏的影响，活塞将连续不断地移动，没有确定的位置。随着频率的增加，泄漏的影响越来越小，动态位置刚度随频率成比例增大。,25,（2）在 2hh h的中频段上，比例环节、惯性环节和理想微分环节同时起作用，动态位置刚度为一常数：,在中频段上，由于负载干扰力的变化频率较高，液压缸工作腔的油液来不及泄漏，可以看成是完全封闭的，其动态位置刚度就等于液压刚度。,（3）在 h的高频段上，二阶微分环节起主要作用，动态位置刚度由负载惯性所决定。动态位置刚度随频率的二次方增加，但一般很少在此频率范围工作。,26,2）动态速度刚度特性 2hh 的低频段上的动态速度刚度为：,此时，液压缸相当于一个阻尼系数为Ap2/Kce的粘性阻尼器。从物理意义上说，在低频时因负载压差产生的泄漏流量被很小的泄漏通道所阻碍，产生粘性阻尼作用。,=0时，得静态速度刚度,27,（二）有弹性负载（K0）时的频率响应分析,有弹性负载时，活塞位移对阀芯位移的传递函数为：,其主要性能参数有：,为位置放大系数，其中总压力增益Kps包含阀的压力增益Kp，其随工作点在很大范围内变化，零位时最大。另外，位置放大系数还和负载刚度有关，这与无弹性负载时不同。,28,穿越频率,负载刚度使穿越频率降低了,上式再一次说明，负载刚度比较小时，它对动态特性的影响可忽略。,K0时，总流量-压力系数Kce影响1）位置放大系数2）惯性环节的转折频率3）0，从而影响高频段谐振峰值和相频特性形状，影响系统的幅值裕量但不影响：穿越频率，因此不影响快速性,29,第三章 液压动力元件,3.1 四通阀控制液压缸 3.2 四通阀控液压马达 3.3 三通阀控制液压缸 3.4 泵控液压马达 3.5 液压动力元件与负载的匹配,本章介绍,30,3.2 四通阀控制液压马达,常用的液压动力元件，分析方法与阀控液压缸的相同。,31,32,阀控液压马达，弹簧负载很少见，即G=0，另外由于：所以：,通常负载粘性阻尼系数Bm很小，所以：,33,三通阀控制液压缸常用作机液伺服系统的动力元件，如仿形机床和力操纵系统中,3.3 三通阀控制液压缸,34,35,Bp比阻尼系数Ah2/Kce小得多，即：,36,当负载刚度k=0时，则：,三通阀控缸和四通阀控缸传递函数的形式一样，但前者液压固有频率h和阻尼比h（Bp=0）均是后者的原因是：只有一个控制腔，只形成一个液压弹簧因此，四通阀控缸的动态响应要好得多。,37,第三章 液压动力元件,3.1 四通阀控制液压缸 3.2 四通阀控液压马达 3.3 三通阀控制液压缸 3.4 泵控液压马达 3.5 液压动力元件与负载的匹配,本章介绍,38,3.4 泵控液压马达,39,一、基本方程,变量泵的流量方程为：,V0 一个腔室的总容积,变量泵的排量为：,其增量方程的拉氏变换为：,液压马达高压腔的流量连续性方程为：,其增量方程的拉氏变换为：,液压马达和负载的力矩平衡方程为：,其增量方程的拉氏变换为：,40,41,1）液压固有频率较低 只有一个控制管道，1/2 液压泵的工作腔容积大2）阻尼比较小，但较恒定。CtKce，总是欠阻尼，但基本恒定。设置旁路泄漏通道或内部压力反馈以获得满意的阻尼比3）增益Kqp/Dm和静态速度刚度Dm2/Ct比较恒定。4）动态刚度不好，但静态刚度很好（Ct较小）,三、泵控液压马达与阀控液压马达的比较,42,第三章 液压动力元件,3.1 四通阀控制液压缸 3.2 四通阀控液压马达 3.3 三通阀控制液压缸 3.4 泵控液压马达 3.5 液压动力元件与负载的匹配,本章介绍,43,负载匹配是指液压动力元件的输出特性与负载特性之间的配合,3.5 液压动力元件与负载的匹配,一、负载特性,负载：液压执行元件运动时所遇到的各种阻力（或阻力矩）惯性负载、弹性负载、粘性阻尼负载、摩擦负载、重力负载等负载特性：负载力与负载速度之间的关系 负载特性与负载类型和负载的运动规律有关负载轨迹：以负载力为横坐标，负载速度为纵坐标所画出的曲 线,44,（一）、惯性负载特性,惯性负载力可表示为：设惯性负载的位移为正弦运动，即：则负载轨迹方程为：将其联立可得：,最大负载速度与成正比：最大负载力与2成正比：因此，增加时正椭圆的横轴比纵轴增加快因惯性力随速度增大而减小，因此负载轨迹点沿逆时针旋转,45,（四）、摩擦负载特性,静摩擦力+动摩擦力=干摩擦力若 静摩擦力 动摩擦力，则此时的干摩擦力称为库仑摩擦力。,静摩擦负载轨迹 动摩擦负载轨迹,46,（五）、合成负载特性,惯性、粘性、弹性负载合成轨迹方程为：,负载轨迹随频率增加而加大，设计时应考虑最大工作频率时的负载轨迹（有外干扰和不是正弦运动时，很复杂）。最有用的工况点：最大功率、最大速度、最大负载力,47,二、等效负载的计算,假设：1）齿轮是绝对刚性的2）齿轮的惯量和游隙为零则：,结论：将惯量、粘性阻尼系数、刚度折算到转数高的轴时，需除以i2即可，相反时，则只需乘以i2即可。,48,三、液压动力元件的输出特性,是指：在稳态情况下，执行元件的输出速度、输出力与阀的输入位移三者之间的关系。1）提高供油压力Ps，使整个抛物线右移，输出功率增大2）增大阀的最大开口面积Wxvmax，使抛物线变宽，但顶点不动，输出功率增大3）增大液压缸活塞面积Ap，使抛物线顶点左移，同时使抛物线变窄，但最大输出功率不变。,1）2）3）,49,四、负载匹配,曲线5表明：液压缸活塞面积太大，或阀太小，供油压力过高 曲线的斜率小，动力元件的静态速度刚度大，线性好，响应速度快,曲线5表明：液压缸活塞面积太小，或阀太大，供油压力过低 曲线的斜率大，动力元件的静态速度刚度小。线性和响应速度都差。,50,其它几点说明：1）采用作图法求动力元件参数，可将纵坐标取成速度的平方，将输出特性曲线变成直线2）将负载轨迹用负载压力和负载流量表示，与阀的压力-流量特性曲线进行匹配。,四、负载匹配,51,对比较简单的负载轨迹，可利用最佳匹配原则，采用解析法确定液压动力元件的参数。在阀的最大功率输出点有：,四、负载匹配,若供油压力已定，则液压缸活塞面积为：阀的最大空载流量为：通常将阀的空载流量适当加大，因为：1）补偿泄露 2）改善系统控制性能 3）为考虑不周留余地,52,小 结,3.1 四通阀控制液压缸 三大基本方程、传递函数及其简化（k=0？）、频率响应分析（k=0？）、液压固有频率、液压阻尼比、速度放大系数、动态位置和速度刚度3.2 四通阀控液压马达（比较记忆）3.3 三通阀控制液压缸（比较记忆）3.4 泵控液压马达（比较记忆）3.5 液压动力元件与负载的匹配 典型负载、等效负载计算、负载匹配,