2022年液压控制系统 .pdf

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1、液压控制系统第一章 绪论1. 液压伺服控制系统：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，输出量能够自动的、快速而准确的复现输入量的变化规律，对输入信号进行功率放大，是一个功放装置。2. 液压伺服控制系统的组成：分法一：（1）输入元件：给出输入信号加于系统的输入端；（2）比较元件：给出偏差信号；（3）放大转换元件（中枢环节）：将偏差信号放大、转换成液压信号。（4）控制元件：伺服阀；（5）执行元件：液压缸和液压马达；（6）反反馈测量元件：测量系统中的输出并转换为反馈信号；（7）其他元件：伺服油源、校正装置、油箱。分法二：执行元件、动力元件、介质、辅助元件、控制元件（伺服阀）、

2、比较元件、伺服反馈元件。3. 液压伺服控制系统的分类：按系统输入信号的变化规律不同分为：定值控制系统、程序控制系统、伺服控制系统。按被控物理量的名称不同可分为：位置伺服控制系统、速度伺服控制系统、力控制系统、其它物理量的控制系统。按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式可分为：节流式控制（阀控式）系统和容积式控制（变量泵控制或变量马达控制）系统两类。按信号传递介质的形式或信号的能量形式可分为：机械液压伺服系统、电气液压伺服系统、气动液压伺服系统。4. 泵控与阀控系统的优缺点：阀控系统的优点是响应速度快、控制精度高、结构简单；缺点是效率低。泵控系统的优点是效率高；缺点是响应速度慢，结构复杂，

3、操纵变量机构所需的力较大，需要专门的操纵机构。5. 液压伺服控制的优点：（1）液压元件的功率重量比和力矩惯量比大，可组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统；（2）液压动力元件快速性好，系统响应快，由于液压动力元件的力矩惯量比大，所以加速能力强，能快速启动、制动和反向；（3）液压伺服系统抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，定位准确，控制精度高。优点：液压伺服系统体积小，重量轻，控制精度高，响应速度快。（4）此外，液压元件的润滑性好、寿命长；调速范围宽、低速稳定性好；借助油管动力的传输比较方便；借助蓄能器，能量储存比较方便；液压执行元件有直线位移式和旋转式两种，增加它的适应性；

4、过载保护容易；解决系统温升问题比较方便等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 6. 液压伺服控制的缺点：1）抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高；2）粘度也随油温变化而变化，油温变化对系统的性能有很大的影响；3）油液容易外漏，造成环境污染，可能引起火灾；4）液压元件制造精度要求高，成本高；5）液压能源的获得和远距离传输不如电气系统方便；6）伺服油源中要有油污控制与油温控制系统。7. 液压传动系统与液压控制系统的异同

5、：1）液压控制技术是在液压传动技术上发展起来的（介质相同，原件大部分相同，遵循的物理规律相同，融合了控制理论）；2）目的不同（前者传递动力，后者对运动量进行精确控制）; 3）组成不同（前者5 个组成部分，开环，后者7 个组成部分，闭环） ；4）设计概念不同（前者以静态参数设计为主，后者动静态结合，以动态性能为主）；5）特点不同相同点：无级调速、能动量大（有的缺点被放大：对污染的敏感度，有的缺点被消除：传动比）第二章液压放大元件1.液压放大元件也称液压放大器，是一种以机械运动来控制流体动力的元件。它将输入的机械信号（位移或转角）转换为液压信号（流体或压力）输出。它既是一种能量转换元件，又是一种功

6、率放大元件。2.作用：小的机械量输入，大的液压量输出。3.具有结构简单、单位体积输出功率大、工作可靠性和动态稳定性好等优点，得到广泛应用。4.液压放大元件形式：滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀等。5.滑阀是靠节流原理工作的，借助于阀芯与阀套间的相对运动改变节流口面积的大小，对流体流量或压力进行控制。圆柱滑阀中最常用的是四边四通阀。6.按进出阀的通道数划分有：四通阀、三通阀和二通阀。四通阀有两个控制口，可控制双作用液压缸或液压马达。三通阀只有一个控制口，只控制差动液压缸，须在液压缸活塞侧设置固定偏压。二通阀（单边阀）只有一个可变节流口，必须和一个固定节流孔配合使用，才能控制一腔的压力，用来控制差动液压

7、缸。按滑阀的工作边数划分有：有四边滑阀、双边滑阀和单边滑阀。四边滑阀有四个可控的节流口，控制性能最好；双边滑阀有两个可控的节流口，控制性能居中；单边滑阀只有一个可控的节流口，控制性能最差。四边滑阀需保证三个轴向配合尺寸，双边滑阀需保证一个轴向配合尺寸，单边滑阀没有轴向配合尺寸。因此，四边滑阀结构工艺复杂、成本高，单边滑阀比较容易加工成本低。按滑阀的预开口形式分有：正开口（负重叠）、零开口（零重叠）和负开口（正重叠）按阀套窗口的形状划分有：矩形、圆形、三角形等多种名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

8、 - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 按阀芯的凸肩数目划分有：二凸肩的、三凸肩的和四凸肩的滑阀7.滑阀的静态特性曲线：流量特性曲线：是指负载压降等于常数时，负数流量与阀芯位移之间的关系压力特性曲线：是指负载流量等于常数时，负数压力与阀芯位移之间的关系，比流量特性曲线有更好的线性度阀的压力 -流量特性曲线是指阀芯位移Xv 一定时，负载流量QL 与负载压降PL 之间的图形描述。特性曲线族8.阀的三个系数（并非常数）：流量增益：公式Kq= （ PL是常数）它是流量特性曲线在某一点的切线斜率。流量增益表示负载压力一定时，阀单位输入位移所引得负载流量变化的大小

9、。其值越大，阀对负载流量的控制就越灵敏。Kq大，系统快速性上升，准确性上升，稳定性下降流量 -压力系数为：Kc= （Xv 是常数）它是压力-流量曲线的切线斜率冠以负号。对任何结构形式的阀来说都是负的。它表示阀开度一定时，负载压降变化所引起的负载流量变化大小。 Kc值小，阀抵抗负载的能力大，即阀的刚度大。Kc直接影响系统阻尼压力增益（压力灵敏度） ： Kp= =Kq/Kc （Q=0）它是压力特性曲线的切线斜率。它是指QL=0 时阀单位输入位移所引起的负载压力变化的大小。此值大，阀对负载压力的控制灵敏度高。影响系统的带载启动能力。流量增益直接影响系统的开环增益，因而对系统的稳定性、响应特性、稳态误

10、差有直接影响。流量 -压力系数直接阀控执行元件（液压动力元件）的阻尼比和速度刚度。压力增益表示阀控制执行元件组合起动大惯量或大摩擦力负载的能力。阀的系数值随阀的工作点而变。最重要的工作点是压力流量曲线的原点（即QL=PL=Xv=0). 一个系统能在这一点为稳定工作，则在其他工作点也能稳定工作。在原点处的阀系数称为零位阀系数。9.压力 -流量特性方程的线性化表达式为：10.滑阀受力：径向力：重量、液压卡紧力（换向阀）轴向力：阀芯质量的惯性力F=ma(Xv),阀芯所受液动力：a、稳态液动力 =弹簧F=KXv ，b、瞬态液动力；阀芯与阀套间的摩擦力：干摩擦力、粘性摩擦力；对中弹簧力；任意外负载。11

11、.液动力：液流流经滑阀时，液流速度大小和方向发生变化，其动量变化对阀芯产生一个反作用力，这就是作用在阀芯上的液动力。液动力又分为稳态液动力和瞬态液动力。稳态液动力与阀口开量成正比，瞬态液动力与阀口开口量变化率成正比。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 12.零开口四边滑阀的输出功率和效率：当 PL=0 时， NL=0，PL=PS时， NL=0.通过dNL/dPL=0,可求得输出功率为最大值时的PL 值为PL=2PS/

12、3。采用变量泵时，不存在供油流量损失；变量泵：轴向柱塞泵，单作用叶片泵（偏心距的改变） 。采用定量泵加溢流阀作液压能源时，阀在最大输出功率时的系统最大效率为38.5%除了滑阀本身的节流损失外，还包括溢流阀的溢流损失，即供油流量损失，这种系统的效率很低，但由于其结构简单、成本低，维护方便，特别是在中、小功率的系统中，仍然得到广泛的应用。定压源：限压式（恒压式）变量，定量泵+溢流源。12.单喷嘴挡板阀由固定节流口、喷嘴和挡板组成。双喷嘴挡板阀是由两个结构相同的单喷嘴挡板阀组合在一起按差动原理工作的。双喷挡阀是四通阀，可控制双作用液压缸。13.喷嘴挡板阀性能特点：响应速度快，运动惯量小，频响特别高，

13、适合作先导级；功率系数小；对清洁度要求高，名义过滤度35（喷嘴挡阀距离） ；污染的后果很严重，“满舵事故”；输入功率很小。常用双喷嘴挡阀尺寸小，结构对称。与单喷嘴挡阀相比，双喷嘴挡阀由于结构对称还有以下优点：因温度和供油压力变化而产生的零漂小，即零位工作点变动小；挡板在零位时所受的液压力与液动力是平衡的。14.射流管阀组成和原理：主要由射流管和接收器组成。射流管可以绕支承中心转动。接受器上有两个圆形的接收孔，二个接收孔分别与液压缸的两腔相连。来自液压能源的恒压力、恒流量的液流通过支承中心引入射流管，经射流管喷嘴向接收器喷射。压力油的液压能通过射流管的喷嘴转换为液流的动能（速度能），液流被接收孔

14、接受后，又将转换为压力能。15.射流管阀的性能特点：较高的响应速度，大于滑阀，小于喷嘴挡板；功放系数居中，小于滑阀，大于喷嘴挡板阀；用途：主要用于先导级，个别情况下单独直接驱动；抗污染能力强， （污染的后果：失效对中）；性能较难预测， （缺点）；易振动；零泄较大；受温度影响较大，粘度影响速度。第三章液压动力元件1.动力机构 =滑阀 +执行元件 +负载。2.组成：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）和液压执行元件组成的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

15、- - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 3.液压放大元件可以是：液压控制阀、伺服变量泵。液压执行元件是：液压缸或液压马达。可组成四种基本的液压动力元件：阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控液压马达。4.四通阀控制液压缸构成：由零开口四边滑阀和对称液压缸组成的，是最常见的一种液压动力元件。5. 四通阀控缸原理：6. 四通阀控缸对指令输入Xv 的传递函数： （对干扰输入FL的传递函数： （h 液压固有频率；h 液压阻尼比； Vt 总压缩容积； e 有效体积弹性模量（包括油液、连接管道和缸体的机械柔度）；Ap 液压缸活塞有效面积。 h= （mt：活塞及负载折算到活塞

16、上的总重量 h=（Bp：活塞及负载粘性阻尼系数，足够小时,7.影响阀控缸动力机构动态性能的参数（没有弹性负载 k=0） ：速度放大系数Kq/Ap（速度增益） 。它表示阀对液压缸活塞速度控制的灵敏度。Ap 为常数， Kq 大，快速性上，稳定性下，准确性上速度放大系数直接影响系统的稳定性、响应速度和精度。提高速度放大系数可以提高系统的速度和精度，但使系统的稳定性变坏，速度放大系数随阀的流量增益变化而变化。液压固有频率。 h= （e 越大、 mt 、vt 越小、 Ap；h 越大液压固有频率表示液压动力元件的响应速度，在液压伺服系统中，液压固有频率往往是整个系统中最低的频率，它限制了系统的响应时间，为

17、了提高系统的响应速度，应提高液压固有频率。方法：1、增大液压缸活塞面积Ap。2、减小总压缩容积Vt，主要是减小液压缸的无效容积和连接管道的容积。3、减小折算到活塞上的总质量mt。4、提高油液的有效体积弹性模量。液压阻尼比h。表示系统的相对稳定性，为获得满意的性能，液压阻尼比应具有适当的值。一般液压伺服系统是低阻尼的，因此提高液压阻尼比对改善系统性能是十分重要的。方法有：设置旁路泄漏通道采用正开口阀增加负载的粘性阻尼名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 -

18、 - - - - - - - - h（Kc 大 h 大；Bp 大 h 大） Kce=Kc+Ctp ，Kc为主8.阀控马达液压马达轴的转角对阀芯位移的传递函数为：液压马达轴的转角对外负载力矩的传递函数为： h = h =9.阀控缸与阀控马达的异同：同：控制元件相同，传递函数形式相同；异：一个直线运动一个回转运动，执行元件不同。10.泵控马达：由变量泵和定量马达组成。变量泵以恒定的转速p旋转，通过改变变量泵的排量来控制液压马达的转速和旋转方向。补油系统是一个小流量的恒压源，溢流阀是调节背压的，通过单向阀向低压端补油，补偿系统泄漏，保证低压管道有恒定压力值，防止气穴现象和空气渗入系统，冷却、沉淀。液

19、压马达轴的转角对变量泵摆角的传递函数为：液压马达轴的转角对任意外负载力矩的传递函数为 h = h =Ct=Ctp+Ctm 不变名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11.泵控与阀控横向对比：只要控制元件相同，就具有相同的动态性能；只有控制元件不同，输入参量不同，动态性能有差异。结论：只要控制元件相同，则动力机构具有相同的动态特性；泵控固有频率低于阀控；泵控阻尼比小于阀控，阀控较稳定，泵控易于估计；泵控的开环增益基本恒定

20、；泵控的效率（80%90%）远高于阀控（最多60%70%） ；适用场合：阀控用于功率小响应速度很高的场合，泵控用于功率大（因为效率高），响应速度要求不高的场合。第五章电液伺服阀1.电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。功能：将输入的微小电器信号转换为大功率的液压信号输出。特性：控制精度高，响应速度快，是一种高性能的电液控制元件，得到广泛应用。组成：由力矩马达（或力马达）、液压放大器（先导级和功率级）、反馈机构（或平衡机构）三部分组成。2.电液伺服阀的分类：根据输出液压信号的不同：电液流量控制伺服阀，电液压力控制伺服阀。按液压放大器的级数分类可分为单级、两级和三级电液伺服阀。单级伺服阀：

21、此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或力马达输出力矩或力小。定位刚度低，使阀的输出流量有限，对负载动态变化敏感，阀的稳定性在很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定状态。只适用于低压、小流量和负载变化不大的场合。两级伺服阀：此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。三级伺服阀：通常是由一个两级伺服阀做前置级控制第三级功率滑阀，形成闭环控制，通常只用在大流量（200L/min 以上）的场合。按第一级阀的结构形式分类可分为滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、射流管阀和偏转板射流阀。滑阀放大器：此类阀作为第一级，其优点是流量增益和压力增益高，输出流量大，对油液清洁度要求较低。缺点是结构工艺复杂，

22、阀芯受力较大，阀的分辨率较低、滞环较大，响应慢。,按反馈形式分：滑阀位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈三种。滑阀位置反馈：此类阀可分为位置力反馈、直接位置反馈、机械位置反馈、位置点反馈和弹簧对中式。按力矩马达是否浸泡在油中分类：湿式和干式两种。3.力矩马达：在电液伺服阀中力矩马达的作用是将电信号转化为机械运动，因而是一个电气-机械转换器。电气 -机械转换器是利用电磁原理工作的，它是永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场，电气控制信号通过控制线圈产生磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分产直线位移或角位移的机械运动。4.力反馈两级电液伺服阀：其第

23、一级液压放大器为双喷嘴挡板阀，由永磁动铁式力矩马达控制，第二级液压放大器为四通滑阀，阀芯位移通过反馈杆与衔铁挡板组件相连，构成滑阀位移力反馈回路。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优点：体积小，响应速度快，功率放大。流量范围：40L100L性能好。缺点：拆装不方便，对油污要求很高，成本高。原理：无电流无液压输出，输入差动电流，衔铁产生旋转力矩，弹簧杆和反馈杆产生变形，挡板偏离中位，挡板左右间隙不等引起左右控制腔产生

24、压差，推动滑阀阀芯运动，同时带动反馈杆端部小球移动，趋于平衡。反馈杆的作用：力平衡（阻碍滑阀运动）力矩平衡（使挡板趋于回正）连接上下两部分形成反馈。5.直接反馈两级滑阀式电液伺服阀结构及工作原理：动圈式直接位置两级滑阀式电液伺服阀由动圈式马达和两级滑阀式液压放大器组成。前置级是带两个固定节流孔的四通阀（双边滑阀），功率级是零开口四边滑阀。功率级阀芯就是前置级的阀套，构成直接位置反馈。当信号电流输入马达线圈时，线圈上产生的电磁力使前置级阀芯移动，假定阀芯向上移动x。此时上节流口开大，下节流口关小。从而使功率级滑阀上控制腔压力减小，而下控制腔压力增大，功率级阀芯上移。当功率级阀芯位移xv=x 时停

25、止移动，功率级滑阀开口量为xv，使阀输出流量。其性能不如位置-力反馈两级电液伺服阀，体积比位置-力反馈两级电液伺服阀大。其优点：成本低，对油污染承受能力强。6.力反馈，直接反馈异同：构成相同 ;带有反馈通道的闭环控制系统。区别：电机转换元件不同（力反馈力矩马达，直接反馈力马达） 。直接反馈体积大（主要是电机转换部分大），响应速度不同（因为先导级不同）。7.电液伺服阀的特性与性能指标静态特性有：负载流量特性（P-Q特性） ：完全描述了伺服阀的静态特性。空载流量特性：是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线，它是在给定的伺服阀压降和负载压降为零的条件下，使输入电流在正负额定电流值之间以阀的动态特性不

26、产生影响的循环速度作一完整的循环所描绘出来的连续曲线。曲线中点的轨迹称为名义流量曲线，曲线上某点或某段的斜率就是阀在该点的或该段的流量增益。流量曲线不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，而且从中还可以得到阀的线性度、对称度、滞环、分辨率，并揭示了阀的零区特性。（滞环越小越好）压力特性：是输出流量为零（两个负载油口关闭）时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线。内泄漏特性：内泄漏流量是负载流量为零时，从回油口流出的总流量。零漂：工作条件或环境变化所导致的零偏变化，以其对额定电流的百分比表示。包括供油压力零漂、回油压力、温度、零值电流。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

27、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 动态特性：可以用频率响应或瞬态响应来表示，一般用频率响应。频率响应是输入电流在某一频率范围内作等幅变频正弦变化时空载流量与输入电流的复数比。（ 100%In 时）输入幅值大时，频宽较小，曲线靠里；输入幅值小时，频宽较大，曲线靠外。（ 25%In 时）频率越大越容易跟随幅值小的信号。第六章电液伺服系统1.电液伺服系统根据输入信号的形式不同可以分为模拟伺服系统和数字伺服系统。2.模拟伺服系统：在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，其

28、重复精度高，但分辨能力较低（绝对精度低）。该系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响。3.数字伺服系统：在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。数字检测装置有很高的分辨能力，该系统的输入信号是很强的脉冲电压，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。从经济性、可靠性方面来看，简单的伺服系统仍以采用模拟型控制为宜。第七章液压伺服系统设计1.液压伺服系统的设计步骤：明确设计要求；拟定控制方案，画出系统原理图；静态计算：确定动力元件参数，选择系统的组成元件；动态计算：确定系统组成元件的动态特性，画出系统的方块图，计算系统的稳定性、响应特性和静态精度；校验系统的动、静态品质，需要时对系统进行校正；选择液压能源。2.伺服油源与普通油源的区别: 构成：（伺服油源采用定压源） ：定量泵 +溢流阀，恒压式定量泵；清洁度控制：伺服：35m ；油温的控制：伺服：3 5C,热惯性，有主副油箱。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -