1、液压元件与系统设计 液压系统设计（第四讲）电液控制系统设计（回顾）1 电液控制系统分类 按控制物理量分类（位置、速度、力） 按液压控制元件控制方式的不同分类（阀控、泵控） 根据输入信号形式和信号处理手段分类（模拟、数字、混合等）2 电液位置控制系统 电液位置控制系统组成和方块图 性能分析A稳定性分析 Kv 2hh (0.20.4) hB位置控制系统的闭环频率特性当 h 和 Kv/h较小时， c b Kv， nc h， 2nc 2h K v/h C系统的精度分析系统闭环静态刚度为干扰力矩引起位置误差为3校正方法（滞后校正、速度加速度反馈） 4速度、力控制系统的特点、组成、性能分析及精度分析5 电
2、液伺服系统的设计步骤 弄清设计要求 ； 拟定设计方案 ； 进行负载匹配 ； 选定电液伺服阀的伺服放大器 ； 设计液压伺服缸 ； 设计液压泵站 ； 分析系统性能 ； 进行必要的补偿； 进行系统调试 ； 进行技术总结 。 以上步骤不是单方向的，会有交叉反复。 分析计算步骤 1) 明确设计要求(A) 负载分析（负载类型、绘制负载特性）(B) 控制性能要求（控制类型、动静态要求）(C) 工作环境要求及其它（环境、能源及其它）2) 方案选择(A) 拟定控制方案（泵控？阀控？缸？马达？）(B) 画出系统原理图3) 静态计算(A)负载计算（负载轨迹、最佳匹配、执行元件、阀及泵的主要参数）(B)根据最大流量和
3、最大压力设计或选择所需各液压元件。(C)选择系统中其它电放大元件、反馈元件、传感器。（误差分配）4) 动态计算 分析各元件的动态特性，画出系统方块图，求出系统传递函数，画出系统开环频率特性，分析稳定性及稳定裕量，计算闭环频宽。 计算系统开环增益，静态误差。 如不满足设计要求，进行校正，直到满足为止。5) 选择液压能源及原动机P、 Q、油液的清洁度及空气含量应满足要求电液位置控制系统设计实例一设有一数控机床工作台的位置需要连接控制，其技术要求为：指令速度信号输入时引起的速度误差为： ev 5mm干扰输入引起的位置误差为： epf = 0.2mm给定设计参数为：工作台质量 m 1000 kg最大加
4、速度 amax 1m/s2最大行程 S 50 cm最大速度 v=8cm/s工作台最大摩擦力 Ff 2000N最大切削力 Fc 500 N供油压力 ps 6.3MPa反馈传感器增益 Kf 1V cm(1)确定系统方案采用伺服阀控制液压缸的系统结构。(2)确定工作台速度和负载力的关系负载力由切削力 Fc，摩擦力 Ff和惯性力 Fa等组成。惯性力 Fa按最大加速度考虑 Fa mamax 1000N系统在最恶劣的负载条件下工作时的总负载力 F 3500N。工作台速度和负载力的关系曲线如下图所示。(3)确定液压缸有效工作面积 A和结构尺寸 D， d令负载压力 pL=2/3ps，因为 F=ApL，所以A=
5、3F/(2ps)=8.3cm2现确定液压缸活塞直径 D及活塞杆直径 d。因为 A /4(D2d 2)，取 d D 0.5代入上式得D 3.75cm，圆整取 D=4cm， d=2.2cm校核有效工作面积 A得 A=8.04cm2，取 A 8cm2。(4)确定伺服阀规格最大速度工况时负载压降为 pL F/A=4.375MPa伺服阀压降 pv ps-pL=1.925MPa，负载流量 qL=vmA 3.84 L min查伺服阀样本，阀压降 7MPa，额定电流 IR为 30mA时，流量为 8l/min的伺服阀就可满足多 ps 1.925MPa，输出流量 qL 3.84L min的要求。(5)确定系统传递
6、函数(A)电液伺服阀的传递函数额定流量 81/min的伺服阀在供油压力 ps 6.3MPa时的空载流量为 7.6l/min，阀的增益为伺服阀生产厂提供了 sv=600rad/s， sv=0.5的数值。电液伺服阀的传递函数(B)液压缸的传递函数设取代入 h式中得所以得到液压缸的传递函数为：(C)反馈传感器的传递函数(D)电放大器的传递函数待定(E)系统的开环增益(6)系统开环频率特性从图中可见，系统频宽 f-3dB时，稳定裕量为 5dB和 90。(7)计算系统稳态误差 指令输入最大速度 v=8cm s时的误差为 干扰输入引起的误差：干扰有伺服放大器温度零飘、伺服阀的零飘和磁滞及执行元件的不良灵敏
7、度等，将其总和折合成伺服阀输入电流的干扰为 f 0.02 IR，对这个干扰来说，系统属于 0型，当其在一段时间内为常量时，系统的位置误差为可见，系统达到了原定设计指标。电液位置控制系统设计实例二1设计要求假定电液伺服系统需要驱动质量 m 160kg的负载作正弦规律运动，最大振幅为 Y 5mm，最高速度为 45cm s，最大加速度为 l0g100m/s2，工作频率范围为 1100Hz。客户指定供油压力为 21MPa。快速性要求是 100Hz时相位移小于 180。2设计方案其中信号源由客户自备，其他元件在后面具体选定或设计。3负载匹配(1)供油压力 pa客户指定供油压力为 21MPa。(2)活塞有
8、效面积 A负载质量为 160kg，活塞质量估计为 10kg，因此总移动质量为 160十 10 170kg。最大加速度为 10g 100m/s2，所需最大推力应为Fm=mYm 170100 17000N取活塞直径 D 52mm，活塞杆直径 d 40mm。(3)伺服阀额定流量 QR考虑留出 10的余量，取 QR 18 L/min。(4)匹配情况假定负载阻尼系数 b 1000Ns/m，负载弹簧刚度 k 20kN/m，针对外特性曲线（最大功能曲线）上的 B、 M和 N三个拐点的参数，算出对应于三个拐点的负载特性曲线。从这三个拐点的负载特性可以看出，以 M点为设计工况点进行负载匹配是有道理的。从图中可见
9、，驱动特性以一定的余量包围负载特性，匹配成功。4伺服阀和放大器选用北京机械工业自动化研究所的 DYCF-B16-18型动圈滑阀式电液伺服阀，其额定流量为 18L min，供油压力范围是 2.531.5MPa，额定电流为 150mA，单线圈电阻为 560，固有频率为 120Hz，阻尼比为 0.5。选用与该伺服阀配套的 YCF-1型伺服放大器。5伺服缸伺服缸行程取为 S 2Y十 6 2(5)十 6 16mm。反馈传感器选用阜新传感器厂 FX-71型直流差动变压器，量程士 10mm，精度 0.2，供电电压 915V(DC)，满量程输出电压土 2V(DC)。壳体外径 20mm，放在直径 40mm的活塞
10、杆的空心孔里是没有问题的。伺服阀直接装在缸体上。活塞处采用间隙密封。活塞杆处采用锥形静压轴承。6液压泵站采用蓄能器，负载所需流量为 2Qm 2YmA/ 20.458.6710-4 2.8410-4m3 s 14.9L min，取泵站流量为 20L min。液压缸一次行程所需油液体积为 V AS 8.6710-40.01 8.6710-6m3 8.6710-3L。选用 NXQ-L0.63 31.5-A型皮囊式蓄能器。7性能分析1）建立传递函数已经确定，差动变压器在工作行程土 5mm时的输出电压是土 lv。对应最大振幅 5mm的指令信号也是 1V。输入放大器的误差信号最大为 lV，如令此时放大器输
11、出额定电流 150mA，则放大器增益 KA 150mA 1V。伺服阀的无载流量 QNL 31.18L min，所以伺服阀增益 KSV (31.18L min) 150mA。液压缸增益为活塞有效面积的倒数，即是 KCYL 1 A 1 8.67cm2。反馈增益 KF 1V 5mm。于是，环路增益已知伺服阀固有频率 0 120Hz 2120rad s，阻尼比 0 0.5，于是2）稳定性、快速型分析（课后自己进行）需要说明的是：当幅频和相频特性绘制在一张图上时的看图方法。从图中可以看出，系统开环对数幅频特性在 19.32Hz处穿越 0 dB轴，相位裕度为 80.6；开环对数相频特性在 120Hz处达到
12、 180，幅值裕度为 16dB。系统有足够的稳定裕度，调试时可以适当提高环路增益。结束The End电液速度控制系统实例速度控制系统给定设计参数为：负载转动惯量 J 0.43kgm2最大负载转矩 T 49Nm转速范围 n=34195 r/min供油压力 ps 7.84MPa速度传感器增益 Kfv 0.19Vs/rad性能指标为：跟踪精度 l r/min完成准确跟踪的时间 0.9s(1)决定系统控制方案采用伺服阀控制液压马达的阀控系统。(2)确定马达排量取则马达排量为或选取 BMl10 摆线液压马达，其排量为 Dm=10210-6m3/r或 Dm=16310-7m3/rad(3)选择伺服阀规格伺
13、服阀流量为：此时阀的压降为：查伺服阀样本，选用 QDYC63 型，额定电流为 30mA，供油压力为 7.84MPa时的额定空载流量为 1.0510-3m3 s。(4)确定传递函数(A)电液伺服阀的传递函数伺服阀的增益由样本得：于是电液伺服阀的传递函数为(B) 液压马达的传递函数马达油腔容腔与伺服阀到马达间容积之和为又取则：取：于是液压马达的传递函数为速度传感器的传递函数积分放大器的传递函数(5)绘制系统开环频率特性由图可见，为了满足系统稳定性的条件，取开环频率特性的相位滞后 180点上的幅值裕量为 6分贝，此时的角稳定裕量为 87 ，由于幅值稳定裕量不能减小，所以穿越频率不能再增加。(6)确定系统开环增益及积分放大器增益开环增益：由系统波德图知，在区间 c内， L()是一条斜率为 -20dB/dec的直线，所以：求得积分放大器的增益为(7)速度控制系统的开环传递函数系统的开环传递函数为(8)计算系统的稳态误差因为系统是 I型系统，对速度指令信号误差为零，满足了跟踪精度为 l r/min的要求。(9)系统的仿真实验由试验结果可见，现有系统是稳定的，没有超调，但上升过程有几次小的振荡。过渡过程在 0.1秒以内结束，完全满足在 0.9秒内完成准确跟踪的任务。力控制系统设计实例现要求设计一个如图的力控制系统。其设计参数及性能指标为：
