液压控制系统 常同立编著 清华大学出版社说课材料.ppt
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1、液压控制系统液压控制系统 常同立编常同立编著著 清华大学出版社清华大学出版社2知识脉络图知识脉络图3Outline第1章 绪论第2章 动力学系统及反馈控制第3章 液压控制系统原理与结构第4章 液压控制元件第5章 液压动力元件第6章 机液伺服控制系统第7章 电液伺服控制阀第8章 电液控制系统动态设计第9章 液压控制系统设计4第第1章章 绪论绪论液压控制系统是以(静)液压控制与换能元件为主要控制元件构建的控制系统。液压控制与换能元件通常指液压控制阀、控制用液压泵等。液压控制技术是自动控制技术的一个重要分支。液压控制系统特点鲜明,优势明显,发挥不可替代的作用。液压控制技术是典型的机电液一体化技术,是
2、多学科交叉融合发展的范例。例如,电气液压控制系统以动力学系统为对象,以负反馈系统设计为手段,集成机械系统、电气系统和液压系统构建机电液一体化的动态系统。目前,液压控制技术在装备制造业、汽车工业、航天航空、兵器工业、冶金工业、船舶工业、医疗工程等多领域获得应用。5应用案例应用案例材料试验机材料试验机四自由度飞行模拟器四自由度飞行模拟器超大型地震实验台超大型地震实验台飞行控制系统飞行控制系统机器动物机器动物两足机器人两足机器人6应用案例应用案例 1材料力学实验材料力学实验机机大功率、材料试验加载大多采用了液压控制。7应用案例应用案例 1 材料力学实验机材料力学实验机闭环控制,位置反馈,力反馈,计算
3、机控制8应用案例应用案例 2四自由度飞行模拟器重负荷、高动态四个自由度四个作动器9应用案例应用案例 2 四自由度飞行模拟器四个自由度分别由四个电液伺服作动器驱动。每个作动器都构成一个电液伺服系统。10应用案例应用案例 3超大型地震台一人移动质量达到350ton。采用四级电液伺服阀控制,在7Mpa压降下,伺服阀流量15000l/min。11应用案例应用案例 3 超大型地震台具有8个液压伺服作动器。实现6个自由度控制频率响应非常高12应用案例应用案例 4飞机控制系统13应用案例应用案例 4飞机控制系统现代飞机上的各种飞行操纵动作多通过液压伺服作动器实现。14应用案例应用案例 5机器动物高功率体积比
4、和结构紧凑15应用案例应用案例 5机器动物16应用案例应用案例 5机器动物17应用案例应用案例 6两足机器人高功率体积比和结构紧凑18应用案例应用案例 6 两足机器人19小结小结液压控制技术是一门机电液一体化新技术,它是自动控制技术的一个重要分支。液压控制技术包括开环控制和闭环控制两类,其中液压闭环控制较为复杂。液压控制在重载、高性能、高功率密度等场合具有明显优势。这种优势使其与机电控制技术、气动控制技术在应用范围上形成互补格局。液压控制技术应用广泛,在很多领域已有应用或未来会有应用。继续在常规领域发展的同时,液压控制技术具有两个发展趋势,即朝向超大型和超大功率系统领域发展,以及朝向高功率体积
5、比型系统领域发展。20第第1章章 参考文献参考文献1R.H.Maskery,W.J.Thayer.Abriefhistoryofelectrohydraulicservomechanisms.ASMEJournalofDynamicSystemsMeasurementandControl,June1978(Moogtechnicalbulletin141)2Blackburn,J.F.,Reethof,G.,andShearer,J.L.FluidPowerControl.TheMITPressandWiley,1960.3H.E.梅里特.液压控制系统.北京:科学出版社,19764Backe,
6、W.(1993).Thepresentandfutureoffluidpower.ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartI:JournalofSystemsandControlEngineering,vol.207,p.193-212.5Viernsma,TacoJ.Analysis,synthesis&designofhydraulicservosystems&pipelines.Amsterdam:Elsevier,19806SaeidHabibi,AndrewGoldenberg.Designofanewhighperf
7、ormanceelectrohydraulicactuator.Proceedingsofthe1999IEEE/ASMEInternationalconferenceonadvancedintelligentmechatronicsSept.19-23,1999.Atlanta,USA7EddieZavala.FiberopticexperiencewiththesmartactuationsystemontheF-18systemsresearchaircraft.NASA/TM-97-2062238MartinS.Jones.Moogsmotorsportfamilyofminiatur
8、ehydraulicvalves.Moogindustrialnewsletter.Issue10,2006,1.9J.C.Jones.Developmentsindesignofelectrohydrauliccontrolvalvesfromtheirinitialdesignconcepttopresenttopresentdaydesignandapplications.WorkshoponProportionalandServovalves,MonashUniversity,Melbourne,Australia.November1997.10王春行.液压控制系统.北京:机械工业出版
9、社,1995.1.11李洪人.液压控制系统.北京:国防工业出版社,1990.8.12刘长年.液压伺服系统的分析与设计.北京:科学出版社,1985.4.13Directdrivevalve-balldrivemechanism.USpatentNo.467299214Directdriveservovalve.USPatentNo.479337715Drect-drivevalve.USPatentNo.498792716夏立群,张新国.直接驱动阀式伺服作动器研究.西北工业大学学报.2006,24(3)17Moog.Movingyourworld:ideasinmotioncontrolfrom
10、moogindustrial.2001,10(1)18L.H.Warton,Afourdegreesoffreedom,cockpitmotionmachineforflightsimulation.ReportsandmemorandaNo.3727.April,1972.19OmarE.Rood,Han-shengChen,RodneyL.LarsonAndRichardFNowak.Developmentofhighflow,highperformancehydraulicservovalvesandcontrolmethodologiesinsupportoffuturesuperla
11、rgescaleshakingtablefacilities.Proceedingsofthe12WCEE2000.20JuanG.C.Alva,MarcoA.Meggiolaro,JaimeT.P.Castro.Bang-bangcontrolofservo-hydraulictestingmachinesusinglearningtechniques.XVIIICongressoBrasileirodeAutomtica/12a16-setembro-2010,Bonito-MS21第第2章章 动力学系统及反馈控制动力学系统及反馈控制液压反馈控制系统是一个动力学系统,具备动力学系统的基本性
12、质,被控对象等控制系统组成环节也往往是动力学系统。动力学系统的思想、观念、研究方法与手段也适用于液压控制系统研究。反馈控制原理是液压控制的理论基础之一,也是液压反馈控制的研究工具与手段。控制理论内容很多,控制系统分析与综合方法也很多。针对液压反馈控制系统分析与设计问题,这里扼要回顾动力学系统的建模、分析方法;回顾经典控制理论的系统分析与综合方法。22模型与被模拟系统模型与被模拟系统麦弗逊式悬架系统1汽车车身2车轮轴3车轮4车架5主销6减震器7弹簧23系统分析与建模系统分析与建模对系统进行受力分析,建立力平衡方程微分方程依据虎克定律理想粘性阻尼器依据牛顿定律质量块处于力平衡状态数学模型24拉氏变
13、换式拉氏变换式拉普拉斯变换式拉普拉斯变换式25Simulink 分析系统分析系统Bode图图26液流体动力学系统元件液流体动力学系统元件27系统工作原理及组成系统工作原理及组成 依据各组成部分在系统中的功能,机电反馈控制系统可以划分为如下基本元件或环节。1)指令元件2)反馈测量元件3)比较元件4)放大转换元件5)执行元件6)被控对象7)其它元件与装置28模型进行降阶处理模型进行降阶处理 条件满足则可降阶相对于系统动态要求相对于系统动态要求29奈奎斯特判据奈奎斯特判据稳定的系统临界稳定的系统不稳定的系统只有这两个条件同时满足,系统才是稳定的。30频域快速性分析频域快速性分析在频域上,反馈控制系统
14、的快速性通常可以用3dB频带宽度、相位滞后-90频带宽度或(幅值)穿越频率描述。31第第2章章 参考文献参考文献1KatsuhikoOgata.Systemdynamics.北京:机械工业出版社.2004.32吴重光.仿真技术.北京:化学工业出版社.2000.5.3KatsuhikoOgata.Moderncontrolengineering.PrenticeHall,20104JohnJ.DAzzoandConstantineH.Houpis,StuartN.Sheldon.LinearControlSystemAnalysisandDesignwithMatlab.NewYork:Marc
15、eldDekker,Inc.20035王广雄,何朕.控制系统设计.北京:清华大学出版社,2008.3.6高钟毓等.机电控制工程.北京:清华大学出版社,2011.8.7www.M8RolandS.Burns.AdvancedControlEnginineering.Oxord:Butterworth-Heinemann.2001.9J.R.Leigh.Controltheory.London:Theinstitutionofengineeringandtechnology.2004.10IsaacHorowitz.SomeideasforQFTresearch.InternationalJour
16、nalofRobustandNonlinearControl,2003,13:599-605.11刘兵,冯纯伯.基于双重准则的二自由度预测控制连续情况.自动化学报.1998,24(6):721-726.12冯勇等.现代计算机控制系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.7.13D.M.Auslander,J.R.Ridgely,J.D.Ringgenberg.Controlsoftwareformechanicalsystems:object-orienteddesigninareal-timeworld.PearsonEducation,Inc.2002.32第第3章章 液压控制系统原理
17、与结构液压控制系统原理与结构在阐述控制系统的控制阀和液压动力元件等细节和局部问题之前,从系统整体视角认识液压反馈控制系统的工作原理与系统结构是需要的,但是也是有难度的,因为液压反馈控制系统具有多样性,它们总是为了满足不同需要而设计的。应用液压反馈系统的主机总是有多种多样的用途,控制对象也是为了完成各种特定功能需求而设计的机械机构,为了驱动和控制这些各异的机构而设计的液压控制系统也是形态各异、功能不同的。事实上,液压反馈控制系统可以归类于几种基本类型,分析和设计同类型液压控制系统会有更多共性问题,其原因是在工作原理和系统结构等方面,同类型液压控制系统是相同或相近的。333.1 机械液压伺服系统机
18、械液压伺服系统汽车动力转向系统1方向盘2丝杆螺母机构3左前轮4左前轮轴5拉臂6连杆7拉臂8右前轮9右前轮轴10车身11液压缸12调压阀13油泵14油箱15控制阀16定位弹簧17摇杆连杆机构没有电气元件参与控制34位置系统例子位置系统例子水槽造波机控制系统水槽造波机控制系统1水槽2水3推波板4水波5机架6液压缸7电液伺服阀8位移传感器9计算机系统10滑轨11浪高传感器35速度控制系统速度控制系统速度反馈36力控制系统力控制系统力反馈37飞机功率电传系统飞机功率电传系统1垂直尾翼2方向舵3水平尾翼4襟翼5机翼6双余度电静液作动器7电源与控制电缆8电源9控制电缆10单余度电静液作动器38一种先进的电
19、静液作动器方案一种先进的电静液作动器方案1位移传感器2位移传感器放大器3斜盘传动机构4斜盘控制伺服电机5驱动伺服电机6转速传感器7变量泵8蓄能器9单向阀10安全阀11液压缸12位移传感器39分解为两个系统分解为两个系统变排量泵控系统变转速泵控系统40第第3章章 参考文献参考文献1VictorBenche,VirgilBarbuUngureanu,OvidiuMihaiCraciun.Contributionstothedynamicanalysisofthehydro-mechanicalservo-steering.Proceedingsofthe6thInternationalConfer
20、enceonHydraulicMachineryandHydrodynamics.Timisoara,Romania,October21-22,2004:319-324.2朱晓民,张农.电液伺服式水槽不规则波造波机.液压与气动.1992,3:2223.3StefanFrischemeier.Electrohydrostaticactuatorsforaircraftprimaryflightcontrol-types,modelingandevaluation.http:/www.tu-harburg.de/fst.4S.R.Habibi,A.Goldenberg.Designofanewhi
21、gh-performanceelectrohydrostaticactuator.IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2000,5(2):158-164.5王占林.近代电气液压伺服控制.北京:北京航空航天大学出版社.2005.2.41第第4章章 液压控制元件液压控制元件液压控制元件是液压控制系统中最小控制结构单元,液压控制元件接受机械量(位移、转角、转速等)控制信号,将其转换为受控的液压量(流量和压力),从而驱动液压执行元件实现对机械对象的控制。一些液压控制元件不仅实现信号类型转换,还同时放大了控制信号功率。液压控制元件是液压控制系统中的重要环节,它的特性对
22、液压控制系统的性能有很大的影响。421)依据进出油口数依据进出油口数目分类目分类四通阀四通阀三通阀三通阀三通阀三通阀三通阀三通阀四通阀四通阀四通阀四通阀432)依据轴肩数目依据轴肩数目分类分类双肩滑阀双肩滑阀双肩滑阀双肩滑阀三肩滑阀三肩滑阀四肩滑阀四肩滑阀三肩滑阀三肩滑阀双肩滑阀双肩滑阀443)依据控制边依据控制边数目数目四边滑阀四边滑阀四边滑阀四边滑阀四边滑阀四边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀双边滑阀四边滑阀四边滑阀性能好,加工稍难性能好,加工稍难 双边滑阀双边滑阀 性能好,加工难度一般性能好,加工难度一般 单边滑阀单边滑阀性能差,加工容易性能差,加工容易 454)圆周开口与非
23、圆周开口)圆周开口与非圆周开口 圆周开口阀口非圆周开口阀口阀芯位移时,圆周开口阀的开口面积为非圆周开口阀的开口面积为465)滑阀的预开口型滑阀的预开口型式分类式分类 流量曲线零开口零开口(零重叠零重叠)正开口(负重叠正开口(负重叠)负开口负开口(正重叠(正重叠)474.2.1 四通滑阀静态特性分析四通滑阀静态特性分析理想滑阀是指径向间隙为零、工作边锐利的滑阀。讨论理想滑阀的静态特性可以不考虑径向间隙和工作边圆角的影响,因此阀的开口面积和阀芯位移的关系比较容易确定。48桥路流量平衡桥路流量平衡49零开口四通滑阀的压力流量曲线零开口四通滑阀的压力流量曲线零开口四通滑阀的压力流量曲线局部Pressu
24、reflowcurve50流量特性、压力特性,理想零开口四通滑阀流量特性、压力特性,理想零开口四通滑阀流量特性Flowcharacteristics压力特性Pressurecharacteristics51流量特性、压力特性,流量特性、压力特性,实际实际零开口四通滑阀零开口四通滑阀实际零开口四通滑阀流量特性基本理想零开口阀一样压力特性泄漏特性52压力流量曲线全程正开口四通滑阀的压力流量曲线小正开口四通滑阀的压力流量曲线小正开口四通滑阀的压力流量曲线局部53正开口四通滑阀特性正开口四通滑阀特性流量特性压力特性54线性化流量方程线性化流量方程由四通滑阀负载流量公式可知:在恒压源供油时,控制滑阀的负
25、载流量可以描述为负载压力和阀芯位移的函数流量增益压力流量系数压力增益泰勒级数展开55阀控系统功率及效率阀控系统功率及效率液压系统的能量损失发生在液压系统的各处,它们以沿程压力损失和局部压力损失的存在。这里主要探讨在控制阀作用下功率分配与流向,因而可以忽略管路、滤清器等沿程压力瞬时和局部损失,以及执行元件效率带来的能量损失。56系统功率分布系统功率分布恒压定量液压源恒压变量液压源57工作原理工作原理58特性曲线特性曲线全程正开口三通滑阀的压力流量曲线小正开口三通滑阀的压力流量曲线零开口三通滑阀的压力流量曲线59工作原理工作原理全桥结构:两个可调阀口;两个固定节流口组合:对称双控制边滑阀结构:两个
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