《液压与气压传动》教学教案（全）.doc

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第一章绪论（2学时）

第一节液压系统类型及特点

一、液压系统分类

1、液压传动系统：

利用密封容腔内受压状态的液体介质传递动力和运动的传动方式称为容积式液压传动简称液压传动。

特点：

对传递动力和运动没有严格的精度要求。

通过对组成系统元件的合理组合和选择，可以实现多动、联动，达到预想动作要求，属于逻辑控制设计。

输入量为开关量。

不能进行过程中连续量调节。

2、液压控制系统

液压控制系统是以液压动力元件作为驱动装置，实现执行元件的输出物理量能以一定速度和精度跟随输入信号的控制系统。

实现输出量随输入量连续变化。

各种机械量有：

位移、速度和力；

系统类型包括：

比例、伺服、数字控制系统；

根据对输出的响应速度和精度不同要求，系统可设计成开环或闭环控制方式。

二、开环控制系统

定义：

控制系统只是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在全部控制过程中对控制量不产生任何作用。

特点：

对于被控制量相对其预期值可能出现的偏差，系统不具备自动修正的能力。

在液压控制中，需要实现参量的连续可调，但对控制精度和响应速度要求不高，通常可采用如下两种控制方式：

1、液压比例控制系统

定义：

液压比例控制系统是指系统输出信号与系统输入信号成比例的连续液压参量调节控制系统。

通常由电液比例阀组成的液压控制系统称为液压比例控制系统。

输入量为连续量。

响应慢，价格便宜，成本低。

控制简单。

电液比例阀：

用比例电磁铁取代普通开关型液压阀的手动调节装置或普通电磁铁；

图1-1液压比例控制系统

可对液压参量进行远距离连续控制。

电液比例阀将手动调节压力、流量等参数的压力阀、流量阀改为电动调节并使被调整参数和给定的电量（通常是电流）成比例。

比例阀主要用于实现液压系统中压力、流量等参数的遥控和自动控制。

2、电液数字控制系统

采用步进电动机作为数/模（D／A）转换装置将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移,的液压动力元件驱动装置。

（1）电液数字阀

由数字信号直接控制的液压阀，称为电液数字阀。

（2）电液步进电机数字控制液压缸

图1-2电液数字控制系统

将液压缸与控制阀、检测元件等集成为一体，组成复合式液压缸，数字信号控制的电液步进液压缸。

特点：

自动化控制技术和机电液一体化技术；

结构简单、控制精度高、缩小体积、提高动态性能和减少污染。

三、闭环控制系统（反馈控制系统）

定义：

利用通过反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制方法称为反馈控制原理。

特点：

控制量通过控制器去控制被控制量，而被控制量又被反馈到输入端通过负反馈产生偏差，继而偏差再经过控制器的适当变换去控制被控制量。

对物体某些机械量形成了一个闭合的自动控制系统，通常称为伺服控制系统：

Servon.伺服的,随动的,补助的伺服,伺服系统

定义：

狭义上讲，伺服系统是指输出信号能以一定精度跟随输入信号的机械控制系统（跟随系统）。

伺服系统根据驱动装置不同，分为电机伺服控制系统和液压伺服控制系统。

电机伺服控制系统

采用电机及机械装置作为为驱动装置的控制系统；

直流伺服电动机的控制系统如图l—3所示，输出量：

位移、速度等．

用检测元件进行检测并反馈，

采用反馈控制，给系统带来了稳定性问题，

动态性能和控制精度都得到提高，可获得高性能的控制．

1-3电机伺服控制系统

1-4电机伺服控制系统

第二节液压伺服控制系统的组成及工作原理

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机械量自动控制系统。

作用：

1、输出量（位移、速度、力等）能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律；

2、输入信号进行功率放大。

一、液压伺服控制系统的工作原理

《例1》机液伺服控制系统

1-5机液伺服控制系统

（一）液压伺服控制系统组成

液压泵、溢流阀、四边滑阀、液压缸构成液压驱动系统。

四边滑阀体、液压缸体一体构成机械反馈回路。

基本参数：

xi，xv，xp，Ap，FL

图1-5机液伺服控制系统原理图。

（二）元件作用：

1、液压泵4是系统的能源，恒定的压力向系统供油

2、溢流阀：

供油压力调定。

3、四边滑阀：

信号转换功率放大元件

4、液压缸：

执行元件，缸体运动，活塞固定。

（三）系统工作原理：

1）初始状态：

滑阀阀芯中间位置—阀的四个窗口均关闭—阀没有流量输出—液压缸不动，输出为零。

1-6机液伺服控制系统工作原理

2）阀芯右移

阀芯输入位移—向右移动xi—窗开口量xv—压力油窗口a进入液压缸右腔—推动缸体右移xp，液压缸左腔油液经窗口b回油。

当输出是缸体运动位移xp时，阀芯位移xv为零，缸体不动。

此时有：

xp=xv

1-7机液伺服控制系统工作原理

3）阀芯左移

阀芯输入位移—向左移动xi—窗开口量xv—压力油窗口b进入液压缸右腔—推动缸体左移，液压缸左腔油液经窗口a回油。

当输出是缸体运动位移xp时，阀芯位移xv为零，缸体不动。

此时也有：

xp=xv

4）结果：

液压缸输出位移对阀芯输入位移作跟随运动

输出位移xp自动地而准确地复现输入位移xi的变化，阀体与液压缸缸体刚性连结，构成负反馈闭环控制系统。

液压缸的输出偏差来消除控制偏差，这就是反馈控制的原理。

如果将滑阀阀体与液压缸缸体分开，不构成反馈回路；输出位移xp就不能复现输入位移xi的变化。

1-8机液伺服控制系统没有机械反馈

（四）系统功能：

输入的机械信号（阀芯位移）xi

输出是缸体即负载的运动位移xp。

滑阀阀体与液压缸缸体刚性连结在一起，构成反馈回路，是个闭环控制系统。

系统功能：

以一个极小的控制信号驱动极大的负载，按照要求的规律移动，完成控制信号的功率放大。

（五）系统工作原理方块图，图1—2

1-9系统工作原理方块图

方块图表明：

系统的结构和组成；信号传递路径；信号的转变状况。

（六）系统类型

1）输出量是位移，故称位置伺服控制系统。

2）输入、出信号和反馈信号均由机械构件连接实现，机械液压伺服系统。

3）液压控制元件为滑阀，节流原理工作，称节流式或阀控式液压伺服系统。

（七）阀缸的配置形式是控制系统性能的关键。

问题：

系统驱动负载的能力和系统跟随的快速性受那些因素的影响？

答案：

阀缸配比是关键；

缸面积和供油压力大，驱动负载能力强；

阀的输出流量和缸面积决定缸运动快慢即负载响应速度；

《例2》变反馈增益的机液伺服控制系统

滑阀阀体与液压缸活塞由刚性杠杆连结在一起，构成反馈回路，是个闭环控制系统。

双出杆缸使控制对称；

输出是活塞运动速度（或位移）xp相对输入的机械信号（阀芯位移）xi构成反馈回路,

同样有复现信号和功率放大双重作用。

活塞运动位移xp相对输入的机械信号xi比例关系：

输入的机械信号（阀芯位移）xi：

阀芯位移xv=（b/b+a）xi

输出的机械信号（阀芯位移）xp：

活塞位移xp=（b+a/a）xv

输入的机械信号xi相对输出是活塞运动速度（或位移）xp信号比称为系统反馈放大增益.

Kf=xi/xp=a/b

反馈放大增益对闭环控制系统的影响

反馈放大增益大，输出信号xp小；反馈放大增益小，输出信号xp大。

系统速度：

Kf反馈放大增益大，系统响应快。

1-10变反馈增益的机液伺服控制系统

《例3》液压仿形机床

分析内容：

液压伺服控制系统组成；

元件作用：

液压泵、溢流阀、二边滑阀、液压缸构成液压驱动系统。

系统工作原理；

初始状态：

滑阀阀芯中间位置—阀的二个窗口均关闭—阀没有流量输出—液压缸不动，输出为零。

阀芯右移：

阀芯输入位移—向右移动xi—窗开口量xv—压力油窗口a进入液压缸右腔—推动缸体右移xp，液压缸左腔油液经窗口b回油。

当输出是缸体运动位移xp时，阀芯位移xv为零，缸体不动。

此时有：

xp=xv

仿形头：

输入的机械信号（阀芯位移）xi

加工刀具：

输出是缸体运动速度（或位移）xp

结果：

输出位移xp自动地、快速而准确地复现输入位移xi的变化，阀体与液压缸缸体由连杆刚性连结，构成负反馈闭环控制系统。

1-11液压仿形机床

《例4》汽轮发电机调速系统

1-12汽轮发电机调速系统

离心调速器1检测发电机组转速，电负荷增大、发电机反力矩增大，致使机组速度降低时，调速器飞球下垂，阀芯下移，活塞杆带动汽阀片上移，开大汽阀，增大进气量，直至机组速度恢复；使电频率稳定；反之亦然。

设定弹簧用于调节转速的设定值。

船舶柴油机调速系统原理相似

《例5》汽车转向助力系统

1-13汽车转向助力系统

《例6》双电位器电液位置伺服系统

（一）液压伺服控制系统元件组成

图1—3工作原理图。

系统控制工作台（负载）的位置。

1-14双电位器电液位置伺服系统

1、指令电位器输入位移指令；

2、反馈电位器检测位移，发出位移信号；

3、电子放大器放大偏差信号；

4、电液伺服阀功率放大

5、液压缸：

执行元件。

6、工作台：

负载

（二）系统工作原理：

1）初始状态：

指令电位器xi为零—桥式电路平衡—偏差信号ue为零—滑阀阀芯中间位置—阀的四个窗口均关闭—阀没有流量输出—液压缸不动。

2）指令电位器xi右移

指令电位器xi右移—桥式电路不平衡—产生偏差信号+ue—放大偏差信号—阀芯右移动—压力油进入液压缸右腔xp—推动缸体右移—ue为零；

3）指令电位器xi左移

指令电位器xi左移—桥式电路不平衡—产生偏差信号-ue—放大偏差信号—阀芯左移动—压力油进入液压缸左腔xp—推动缸体左移—ue为零。

（三）系统工作原理方块图，图1—4信号变化和传递路程，从指令到负载的元件连接和信号传递。

1-15双电位器电液位置伺服系统工作原理方块图

（四）系统类型

1）输出量是位移，故称位置伺服控制系统。

2）输入信号和反馈信号均由电器连接实现，电器液压伺服系统。

3）液压控制元件为滑阀，节流原理工作，节流式或阀控式液压伺服系统。

（五）阀缸的配置形式是控制响应速度的关键。

缸面积大，驱动负载能力强；阀的输出流量大，缸输出快；

《例7》卷取机自动对边控制系统

钢板边缘偏移：

输入的机械信号（阀芯位移）xi

卷取机自动对边：

输出是运动速度（或位移）xp

1-16卷取机自动对边控制系统

《例8》容积式伺服系统

这是一个双闭环速度控制系统，速度闭环是主要控制环，位置闭环是提高控制性能的辅助控制闭环。

1-17容积式伺服系统

1-18容积式伺服系统方块图

二、液压伺服控制系统的组成

1、输入元件指令元件，给系统的输入端输入信号（指令信号）

元件：

机械、电气、气动等。

如靠模、指令电位器或计算机模信号等。

2、反馈测量元件测量系统的输出信号转换、反馈成为反馈信号，将信号转换为相同介质和当量特性，与输入信号比较。

元件：

各种传感器及其二次仪表。

3、比较元件将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。

4、放大转换元件偏差信号放大、转换成液压信号（流量或压力）元件：

电子放大器，也有用比较放大器代替比较元件。

伺服放大器：

机液伺服阀、电液伺服阀等。

5、执行元件：

如液压缸和液压马达等。

6、控制对象被控制的机器设备或物体，即负载。

7、各种校正装置，液压能源装置。

三、液压伺服系统类型及特点

（一）按系统输入信号的变化规律分类

由机液伺服阀、电液伺服阀构成的液压控制系统均称为液压伺服控制系统。

1、定值控制系统系统输入信号为定值；恒压力，恒转速；

2、程序控制系统输入信号按预先给定的规律变化，液压结晶器振动；

3、随动控制系统其输入信号是时间的未知函数，而输出量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。

板带卷曲机；

（二）按被控物理量的名称分类

1、位置伺服控制系统；

2、速度伺服控制系统；

3、力控制系统；

4、其它物理量的控制系统。

（三）按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类

1、节流式控制（阀控式）系统

1）阀控液压缸系统

2）阀控液压马达系统

优点：

响应速度快、控制精度高、结构简单；

缺点效率低。

在快速、高精度的中、小功率伺服系统中应用很广。

2、容积式控制（变量泵控制或变量马达控制）系统。

优点：

效率高；

缺点：

响应速度较慢、结构复杂，转动部件质量大。

1）伺服变量泵系统

2）伺服变量马达系统

泵控系统适用于大功率而对响应速度要求不高的场合。

（四）按信号传递介质的形式分类

1、机械液压伺服系统

输入信号给定、反馈测量和比较均用机械构件实现。

优点：

结构简单、工作可靠、维护简便；

缺点：

系统的校正及系统增益的调整不如电的方便。

机液伺服系统一般用在控制性能要求不是很高的场合。

2、电器液压伺服系统

输入信号、反馈信号、偏差信号、校正和初始放大等均采用电气、电子元件实现。

优点：

控制精度高，具有很大的灵活性，对信号的测量、校正、放大都比较方便。

液压动力元件响应速度快、抗负载刚性大。

电液伺服系统具有很大的灵活性和广泛的适应性。

电液伺服系统与计算机相结合，可以充分地运用计算机的信息处理能力，使系统具有更复杂的功能和更广泛的适应性。

3、气动液压伺服系统等。

（五）根据液压能源的型式分为：

恒压伺服系统和恒流伺服系统

五、开环控制与闭环控制比较

1、被控制量与控制量关系

开环控制系统：

不存在被控制量到控制量的负反馈，对干扰给被控制量造成的误差，系统不具有自行修正的能力。

闭环控制系统：

采用负反馈因而被控制量对于外部和内部的干扰都不甚敏感，

2、元件

开环控制系统：

采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证。

闭环控制系统：

采用精度不高成本低廉的元件来构成控制质量较高的系统。

3、系统设计

开环控制系统：

不必对被控制量进行测量和反馈因而结构简单，容易建造；

闭环控制系统：

动态特性的设计和分析，考虑多种因素设计复杂。

4、控制精度

开环控制系统：

采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证。

闭环控制系统：

系统设计精度与传感器精度来保证。

5、稳定性

开环控制系统：

容易解决；采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证。

闭环控制系统：

稳定性则是要研究的主要问题之一。

三个电液控制系统比较

1-19三个电液控制系统比较

六、各种控制机构的适用范围

选择控制机构着眼点：

输出功率和响应速度；

使控制功率和驱动机器的输出特性和负载相适应。

图1—8是目前市场上通常使用的各种控制机构的功率一响应速度范围图．

直流电动机的传递函数近似于一阶滞后环节，分析较简单。

结论：

电液控制系统用于大功率、高响应的工程系统。

1-20各种控制机构的功率一响应速度范围图

第三节液压控制系统的分析和设计

一、液压控制系统的特性及其评价

自动控制：

研究输出信号对输入信号的响应的速度和精度；

液压控制系统是自动控制系统的一个主要分支，其特性分析和设计采用自动控制原理的基本方法，同时又要考虑到流体的传动的特殊性。

1、自动控制系统的基本特性分为：

1）静特性：

表现为驱动负载的能力，阀，缸的大小符合驱动力和驱动速度匹配；

2）动特性：

表现为对控制信号的响应状态；

2、自动控制系统的基本动特性表现为：

1）稳定性，系统具有收敛的能力；

2）快速性，系统对控制信号的响应速度；

3）准确性，系统对控制对象的控制精度。

二、液压控制系统动态特性分析

1、静态设计法

早期凭借设计者的知识和经验用真实的元部件构成一个动态系统；

在这个系统上进行实验，研究控制方式和结构参数对系统动态特性的影响，

缺点：

建造一个实际系统要花费大量的人力、物力和时间，一次成功的把握又很小，变更系统参数也比较困难。

2、理论分析法

根据经典控制理论，建立描述其动态过程的数学模型，分析控制方式的可行性，通过分析结构参数对系统动态特性的影响，选择较好的方案和结构参数

特点：

大大降低工程造价，节省时间，

由于理论的局限性，往往理论分析结果与实际相差甚远，

需要用相似理论建造模型进行中间试验，从而给设计实际系统提供可靠的依据。

研究液压系统的动态特性，采用经典控制理论的方法。

“单输入一单输出”的系统：

单变量的线性定常系统的分析，可以简单扼要地、形象地说明系统的许多问题。

特点：

实际系统：

液压系统．单输入一压力P和流量q的两个基本参数的信息传递；

很多液压元件、液压系统都是非线性的，时变的，只能将它们作一些简单的线性化后，对某些典型的输入信号作动态分析，其设计方法只是一种试探法．很难得到系统的最佳没计，故经典控制理论有一定的局限性。

现代自动控制理论：

3、仿真分析法

仿真就是用模型代替实际系统进行试验。

仿真所遵循的基本原则是相似原则，即几何相似、环境相似和性能相似。

仿真可分为：

物理仿真和数学仿真。

1）物理仿真

应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小的物理模型进行试验。

特点：

直观性强。

制造一个物理模型要花费大量的人力、物力和时间；

一次成功的把握又很小，变更系统参数也比较困难。

2）数学仿真

应用性能相似原理，构成数学模型，在计算机上进行试验。

数学仿真可以大大节省人力、物力，缩短研究周期，能够研究影响因素更多更复杂的动态系统．

采用现代控制理论与计算机结合，进行实验研究实际物理系统的各种工作状况，

建立与实际更加符合的数模和分析

确定最好的最佳参数匹配。

特点：

利用计算机进行动态系统模拟试验可以大大节省人力，

计算机分析的结果可靠程度很高，

省略了实物试验的中试验过程，可大大降低工程造价，以及缩短研究周期。

实现对控制系统的最佳设计和最优控制，

4、系统分析手段

1）传统分析

系统建模

解微分方程（拉氏变换将微分方程求解变为线性方程）

手动分析计算、绘图；

适合系统简单；分析结果误差大，适用面窄。

2）计算机分析

（1）计算机分析液压的功能

液压系统原理图的绘图软件、液压元件及系统参数设计和元件造型软件、动态仿真软件、结构设计。

自动建立数学模型时域阶跃响应，

过渡过程的积分计算和绘制曲线的功能。

同时也可完成频率响应的计算、线性化、根轨迹分析和参数优化等工作。

（2）计算机分析电液伺服系统的使用

将仿真液压系统的物理模型，按规定格式输入计算机．即可自动完成建立数学模型的工作。

输入仿真参数结构、参数等参量后，即可显示或打印输出结果或曲线。

（3）液压分析软件介绍

A）DSH程序系统

DSH程序系统是德国亚琛工业大学液压气动传动及控制研究所开发的液压系统动态数字仿真专用程序系统。

浙江大学流体传动及控制研究室于1981年引进、消化、移檀和改进后已在国内推广。

B）自动从图形编程的液压系统仿真软件包HYCAD

该软件包是由上海交通大学机械系液压教研室于1985年研制并推广应用。

该软件能够从用户输入的一张液压系统原理图，自动生成描述系统的仿真程序，简化了使用者掌握编程的困难。

仿真程序经编译后，在连接时，可把元件和算法调进，组装成所需的仿真程序。

C）HYPNEU软件包

该软件包由美国BARDYNE公司研制，于1993年引进国内。

该软件设计具有90年代初的流行风俗采用c语言编制窗口界面、菜单选择，可视性强，该软件具有元、部件设计、系统田设计、系统设计、系统静态分析、极限工况分析、频率性能分析等功能，是一个集设计、仿真于一体的综合软件。

5、MATLAB的应用

1）MATLAB最先是用于求解方程的语言接口，取矩阵（matrix）和实验室（laboratory）的前三个字母组合。

很好的数值计算和图形显示的功能，并且在专业水平上开拓了符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件。

2）MATLAB的语言特点是：

语言简洁紧凑，具有源程序的开放性、功能强劲的工具箱。

MATLAB是以矩阵和向量为基本数据单位，包括控制流程语句、函数、数据结构、输入输出及面向对象等特点的高级语言。

它既适合编写小程序，也适合开发复杂的大型程序，被称为是第四代计算机语言。

3）强大的图形绘制和图形显示的功能功能

4）MATLAB的动态系统仿真工具箱SIMULINK是众多仿真软件中功能最强大，最优秀的一种。

它使得建模、仿真算法、仿真结果分析与可视化等实现起来更加方便。

5）对象面广泛

6）MATLAB的电液伺服系统分析应用

（1）电液伺服系统控制系统的描述

根据输入输出数据建立数学模型；

（2）电液伺服系统时域响应分析

模型的连接；根据模型获得响应曲线；

时域响应分析：

阶跃响应的分析，脉冲响应的分析；

用LTIViewe，获得响应曲线和性能指标

稳定性分析：

直接计算特征根的方法，劳斯稳定性判据；

误差分析，静态误差系数；

（3）液伺服系统的频率响应分析

频率响应与传递函数的关系；

频率响应的图示法：

伯德图；

频率响应分析：

性能分析，稳定性分析；

（4）电液控制系统设计和校正方法

开环对数幅频和相频特性与控制品质的关系

超前校正；滞后校正；超前滞后校正；其他校正方法；PID控制器设计

比例、积分和微分控制作用对过程控制品质的影响

系统设计工具sisotool的使用方法

（5）Simulink及应用

控制系统仿真；控制系统仿真的动画效果；仪表显示和交互界面设计。

三、液压控制系统的设计

1、液压控制系统的设计

1）静态设计：

控制系统驱动负载的能力设计，包括油源压力、阀、缸驱动能力设计；

2）动态设计：

控制系统响应状态设计；

（1）稳定性，系统具有收敛的能力设计；

（2）快速性，系统对控制信号的响应速度设计；

（3）准确性，系统对控制对象的控制精度设计。

第五节液压控制系统特点和发展

一、比例控制系统的特点

比例阀主要用于实现液压系统中压力、流量等参数的遥控和自动控制。

使用一个比例阀即可得到多种压力或流量。

输入、输出量为连续量。

响应慢，价格便宜，成本低。

控制简单。

传递功率为主的液压系统：

它一般要求满足力和速度，要求节能、高效率、并有良好的功率匹配，主要是静态性能的设计，常用于开环控制。

二、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（或力—质量比）大结构紧凑、体

积小、重量轻、加速性好的伺服系统。

液压马达的功率—重量比一般为相当容量电动机的10倍，而力矩—惯量比为电动机的10—20倍。

（2）液压动力元件快速性好，系统响应快同功率的液压马达的时间只需电动机的1／10左右。

油液压缩性小，液压弹簧刚度很大，液压动力元件的惯量小，合成的液压固有频率很高，系统的响应速度快。

（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。

三、液压伺服控制的