第9章液压伺服系统

第9章液压伺服系统液压伺服系统（又称随动系统和跟踪系统）是自动控制系统的一种重要类型。它是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统。在这种系统中，输出量能以一定的精度自动、快速而准确地按照输入信号的变化规律运动。输出量可以是机械位移、速度、加速度或力。该系统除具有液压传动的所有优点外，还具有响应速度快、抗负荷刚性大、控制精度高等显著特点，应用广泛。9.19.1.1液压伺服系统的工作原理及组成图9-1液压传动系统向右给阀芯一个输入量xi时，滑阀移动某一开口量xv，压力油进入缸右腔，缸左腔回油，缸体右移，输出位移xp图9-2滑阀和液压缸组合成一个整体控制元件执行元件滑阀和液压缸组合成一个整体，液压泵4输出的液压油通过溢流阀3调定压力后供给系统，通过伺服阀1控制液压缸2推动负载运动。伺服阀1为控制元件，液压缸2为执行元件。阀1控制流入缸体2的流量、压力和液流方向，该系统称为阀控式液压伺服系统。由于阀体1与缸体2制成一个整体，从而构成了反馈控制。★将一个系统的输出信号的一部分或全部以一定方式和路径送回到系统的输入端作为输入信号的一部分，这个作用过程叫——反馈系统的反馈控制过程是：当伺服阀处于中间位置（零位，即输入信号xi=0）时，阀芯凸肩恰好遮住通往液压缸的两个油口，阀没有流量输出，缸体不动，系统的输出量xp=0，系统处于静止平衡状态。图9-2若给伺服阀一个输入位移xi（图示向右），阀芯将偏离中间位置，节流口a、b便有一个相应的开口量xv=xi，压力油经a口进入液压缸右腔，左腔油液经b口回油，缸体右移xp，由于缸体与阀体是一体的，因此阀体也右移xp，受阀芯输入端的限制，阀的开口量逐渐减小，即xv=xi-xp，直到xv=0时，阀的输出量等于零，缸体停止运动，处在一个新的平衡位置，完成了液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。图9-2伺服阀作为转换、放大元件，把输入的机械信号（位移或速度等）转换并放大成液压信号（流量或压力等）输出至液压缸。在这个系统中，反馈信号与输入信号相反，构成负反馈。缸体的输出信号反馈至阀体，并与阀芯输入信号进行比较，产生偏差（即有开口量）来控制缸体运动直到偏差消除为止，从而使输出位移能精确地复现输入位移的变化。可见，该系统是靠偏差信号进行工作的，即以偏差来消除偏差，这就是反馈控制的原理。★负反馈：负反馈的特点可以从“负”字上得到很好的理解，它主要是通过输入、输出之间的差值作用于控制系统的其他部分。这个差值就反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。负反馈形成的系统，控制精度高，系统运行稳定。举例说明：当人打算要拿桌子上的水杯时，人首先要看到自己的手与杯子之间的距离，然后确定自己手的移动方向，手开始向水杯移动。同时人的眼睛不停观察手与杯子的距离（该距离就是输入与输出的差值），而人脑（控制器）的作用就是不停控制手移动，以消除这个差值。直到手拿到杯子为止，整个过程也就结束了。从上面的例子可以看出，由负反馈形成的偏差是人准确完成拿杯子动作的关键。如果这个差值不能得到的话，整个动作也就没有办法完成了。这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的缘故。负反馈一般是由测量元件测得输出值后，送入比较元件与输入值进行比较而得到的。图9-3系统中，移动阀芯所需要的信号功率是很小的，而系统的输出功率（液压缸输出的速度和力）却可以达到很大，因此这是一个功率放大装置。本系统中，反馈介质是机械连接，称为机械反馈，又称为机-液伺服系统。综上所述：液压伺服控制的基本原理就是液压流体动力的反馈控制，即利用反馈连接得到偏差信号，再利用偏差信号去控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符。图9-4液压伺服系统组成及职能方块图2、液压伺服系统的组成1）指令元件（又称输入元件）给出与被控制对象所希望的运动规律相对应的指令信号（输入信号），加在系统中的输入端。指令元件可以是机械装置如凸轮、连杆、模版等，给出位移信号；也可以是电气元件如电位计、程序装置等，给出电压信号。2）比较元件用来比较输入信号和反馈信号，并将它们的差值作为偏差信号输送给后面的元件。实际系统中，比较元件有时不单独存在，而是与输入元件、反馈测量元件或放大元件一起组成同一元件来完成多种功能。3）放大转换元件（液压功率放大器）将偏差信号放大并转换成液压信号，并控制执行元件的动作，如伺服放大器、液压控制阀、电液伺服阀等。4）液压执行元件驱动控制对象动作的液压元件，通常指液压缸或液压马达。5）检测反馈元件检测系统输出量，将其转换成与输入信号具有相同形式的反馈信号，并回输给比较元件。反馈元件可以是机械装置如齿轮副、连杆等，也可以是电气元件如各种传感器、测速电机等。6）控制对象被控制的机械设备，即负载，它接受液压伺服系统的控制，并输出被控制量。9.1.2液压伺服系统的类型1）按输入信号变化规律分类有定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本任务是提高系统的抗干扰能力。当系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规律。9.1.2液压伺服系统的类型2）按偏差信号的产生和传递方式不同分类有机液伺服系统、电液伺服系统和气液伺服系统三类。机液伺服系统的给定、反馈和比较环节均采用机械构件实现，结构简单可靠，但偏差的校正和系统增益的调定困难，机构中的摩擦会影响系统的性能；电液伺服系统中，误差的检测、校正和放大都采用电气、电子元件，具有很大的灵活性和广泛的适应性，是目前控制精度最优的伺服系统；气液伺服系统的检测和放大都采用气动元件，测量灵敏度高，工作可靠，但需要专门的气源装置。9.1.2液压伺服系统的类型3）按输出物理量分类有位置伺服系统、速度伺服系统和力（或压力）伺服系统等。4）按系统输出信号是否反馈分类有闭环控制系统和开环控制系统。5）按控制元件不同分类可分为滑阀式、射流管式、喷嘴挡板式和转阀式等。以上几种分类方法是从不同角度考虑的，它们实际上可能指的是同一个系统。如阀控式电液伺服位置控制系统。9.1.3液压伺服系统的基本特点与普通的液压系统相比，液压伺服系统具有以下特点：1）它是一个自动跟踪系统（或跟随系统）：输出量自动地跟随输入量变化规律而变化；2）它是一个误差控制系统：系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件，也可以说液压伺服系统是靠偏差信号进行工作的。9.1.3液压伺服系统的基本特点3）它是一个负反馈闭环系统：被控对象（或执行元件）产生的运动量（输出量）必须经检测反馈元件回输到比较元件，力图抵消使被控制对象（或执行元件）产生运动的输入信号，即力图使偏差信号减小到零，从而形成一个负反馈闭环系统。4）它是一个信号放大系统：系统输出信号功率是系统输入信号功率的数倍甚至数千倍。9.1.3液压伺服系统的基本特点5）与普通液压系统相比，尽管同样有液压泵（能源）、液压马达或液压缸（执行元件）和控制元件，但控制调节的精度要求更高。如液压源提供的液压力和流量应更稳定，进入执行元件的流量特性的线性度更好。9.2液压伺服系统的基本形式及应用9.2.1液压伺服系统的基本形式液压伺服系统按控制方式和控制元件的形式分为阀控系统（节流式）和泵控式（容积式）两类。阀控系统，主要控制元件是伺服阀或电液伺服阀。泵控系统中，主要控制元件是变量泵，目前变量马达控制用得较少。9.2液压伺服系统的基本形式及应用9.2.1液压伺服系统的基本形式变量泵控制液压伺服系统的优点是效率高、系统刚性大，缺点是响应速度慢、结构复杂。另外，操纵变量泵变量机构所需的力较大，需要专门的操作机构，从而使系统复杂化。适用于大功率而响应速度要求又不太高的场合。阀控系统的优点是响应速度快、控制精度高，缺点是效率低。由于它的性能优越而得到广泛应用，特别是用在中、小功率的快速、高精度液压伺服系统中。9.2液压伺服系统的基本形式及应用9.2.1液压伺服系统的基本形式阀控系统中的控制元件主要有三类：滑阀式液压伺服阀、喷嘴挡板式液压伺服阀、射流管式液压伺服阀。滑阀式液压伺服阀具有很高的功率放大倍数，既可作为单级伺服阀使用，又可作为多级伺服阀的功率放大级；后两种阀的功率放大倍数小，一般用于多级（二、三级）伺服阀的前置放大级。1.滑阀式液压伺服阀滑阀式液压伺服阀具有优良的控制性能，在液压伺服系统中应用最广。机构与液压换向阀相似，换向阀是液压开关，每个阀口只有两个状态，“开”与“关”。滑阀式液压伺服阀则是一个比例控制的液压放大器，每个阀口具有连续变化的开启度，以便连续调节通过液体的流量，其加工精度要求很高。1.滑阀式液压伺服阀之单边控制滑阀式液压伺服阀图9-5单边控制滑阀式液压伺服阀边数-起控制作用的阀口数没有外负载时，P1A=P2B；阀芯左移，增大，P2减小，于是P2BP1A,缸体左移，缸体与阀体一体，阀体左移，又使减小，直到新的平衡。图9-6四边控制滑阀式液压伺服阀1.滑阀式液压伺服阀之四边控制滑阀式液压伺服阀具有四个油口，又称四通液压伺服阀；三个凸肩，四个控制边。—分别控制A、B两腔压力油—分别控制A、B两腔回油常态时：P与T接通，缸体不运动；21、43、图9-7滑阀的三种开口形式按照控制边相对于阀套槽边的位置不同，滑阀式液压伺服阀可制成正开口、零开口和负开口三种类型。阀芯凸肩控制边与阀套槽边的相对位置xs图9-8喷嘴挡板式液压伺服系统工作原理图2.喷嘴挡板式液压伺服阀中间油室图9-9射流管式液压伺服阀的工作原理图3.射流管式液压伺服阀9.2.2液压伺服系统实例图9-10图9-11进给运动合成示意图图9-12转向液压助力器工作原理图图9-13电液伺服阀工作原理图图9-14力矩马达的磁通变化情况图9-15机械手伸缩运动电液伺服系统原理