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1、电液控制技术,参考书目,王春行主编液压控制系统北京：机械工业出版社，2002 关景泰机电液控制技术上海：同济大学出版社 2003年 HE梅里特著陈燕庆译液压控制系统北京：科学出版社，1976 李洪仁著液压控制系统北京：国防工业出版社，1981,主要内容,液压放大元件（喷嘴挡板阀特性分析；零开口四边滑阀特性分析；正开口四边滑阀特性分析等）液压动力执行元件（四通阀控对称液压缸；三通阀控差动液压缸；阀控液压马达；泵控液压马达；液压动力执行元件与负载的匹配等）机液伺服系统（机液位置伺服系统；机液速度伺服系统；机液力伺服系统；机液伺服系统的校正等）电机械转换元件（动圈式力马达；动铁式力矩马达；直流比例电
2、磁铁；控制用电机等）电液伺服阀及伺服系统（电液伺服阀的结构形式及其特点；力反馈二级电液伺服阀；电液伺服阀主要性能、实验特性及选择应用；电液位置伺服系统；电液速度伺服系统；电液力伺服系统；电液伺服系统设计等）电液比例阀及比例控制系统（电液比例控制阀；电液比例阀主要性能及其选择；电液比例控制系统等）机电液伺服系统性能改善的相关技术（结构谐振与液压一机械综合谐振；蓄能器及其应用；典型非线性环节及其对策等）,第一章 绪论,1.1 伺服控制系统的工作原理及组成 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（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
3、规律，与此同时，还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。,图 液压回油节流调速系统,先阅读液压速度传动系统的基本工作原理,液压速度传动系统工作性质,传动系统运动方向是根据电磁换向阀的电磁铁CT1、CT2的通电、断电控制换向阀，改变传动缸的运动方向。系统运动速度：向右快速运动，由泵流量决定。向左慢速运动，由调速阀决定。传动系统特点：调速阀对温度压力油补偿作用，可不受温度、负载变化的影响，但对元器件的泄漏无法补偿。,再阅读（采用位置比较）电液位置控制系统,图 电液位置控制系统,输出位移能够自动地、快速而准确地复现输入的位移变化。原因：阀体与液压缸缸体刚性的连接在一起，构成了负反馈闭环控
4、制系统。液压缸的输出位移能够连续不断的反馈到阀体上，与滑阀阀芯的输入位移相比较，得出两者之间的偏差，这个偏差就是开口量。有开口量就有压力油输入到液压缸，驱动液压缸运动（减小偏差），直到输入位移与输出位移相一致为止。系统靠偏差来工作的。,另一方面，该系统移动阀芯所需的信号功率很小，而系统的输出功率可以很大，故也是一个功率放大装置。液压能的控制是靠偏差的大小控制的，因此伺服系统也是一个控制液压能源输出的装置,再阅读：采用电压比较的双电位器电液位置控制系统,双电位器电液位置控制系统工作原理方框图,又一例：泵控电液速度控制系统原理图,泵控电液速度控制系统工作原理框图,阅读四个系统后的小结,液压控制系统
5、与液压传动系统的主要区别为：液压控制系统具有负反馈回路，它是一个负反馈控制系统。液压控制系统的主要构成:包含有控制元件（例如伺服阀、滑阀等），执行元件（例如液压缸）液压动力机构:液压动力机构由液压控制元件、执行元件、负载三者构成，称为液压动力机构。液压控制概念:包含有液压动力机构的反馈控制系统，称为液压控制系统。,1.1 伺服控制系统的工作原理及组成(续),1 输入元件电位器、计算机等2 反馈测量元件各种传感器3 比较元件 给出偏差信号4 放大转换元件（机）电液伺服阀5 执行元件液压缸、液压马达6 控制对象负载,反馈测量元件,放大转换元件,执行元件,1.2 液压伺服控制的分类,1 按系统输入信
6、号的变化规律分 定值控制系统输入信号为定值 程序控制系统输入信号按给定的规律变化 伺服控制系统输出量能够准确、快速地复现输入量的变化规律。2 按被控物理量的名称不同分 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,3 按液压动力元件的控制方式或元件的形式分,阀控：响应速度快、控制精度高、结构简单，但效率低泵控：效率高，响应速度较慢，结构复杂，操作变量机构需力较大，需专门的操作机构。4 按信号传递介质的形式分类机械液压伺服系统输入信号、反馈信号、比较均用机械部件实现。电气液压伺服系统比较均用电子元件实现。气动液压伺服系统比较均用气动元件实现。,1.3 液压伺服控制的优缺点
7、,优点a.液压元件的功率重量比和力矩惯量比（或力质量比）大体积小，重量轻，加速度性好。b.液压动力元件快速性好，系统响应快。c.液压伺服系统抗负载的刚度大。其他，润滑性好，散热性好，调速范围宽，低速性能好。2 缺点a.抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。b.油液的体积弹性模量随油温和混入的空气含量而变化。c.密封不当，容易引起外漏，造成环境污染。d.精度要求高，成本高。e.液压能源获得与远距离传输不如电气系统。,1.4 液压伺服控制的发展和应用,液压伺服控制是液压技术的一个重要分支是控制领域中的重要组成部分。在第一次与第二次世界大战期间及以后，由于军事工业的刺激，液压伺服控制因响应快、精度
8、高、功率重量比大等特点而受到特别的重视，特别是近几十年，随着整个工业技术的发展，促使液压伺服与比例控制得到迅速发展，使这门技术无论在元件与系统分面，还是在理论与应用方面都日趋完善与成熟，形成一门新兴的科学技术。目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化与工业自动化的一个重要方面。在国防工业与一般工业领 域都得到了广泛应用。,液压伺服与比例控制技术发展趋势：,1.高压大功率。减轻装备重量，解决大惯量、重负载拖动问题，尤其在航空航天领域及高精度重型机械设备方面应用广泛。2.高的可靠性。克服伺服系统对油液污染及温度变化敏感的缺陷，尤其在现代飞行器研究方面，除对机器本身的研究 与改良以及增加
9、检测与诊断技术外，还在采用余度技术与 重构技术，采用了三或四通道的余度构成系统。3.理论解析与特性补偿。利用计算机对复杂系统(多变数液压系统)、复杂因素(非线性及时变等)进行仿真分析。补偿主 要针对大惯量、变参数、非线性及外干扰系统，采用控制 策略进行补偿。4.计算机控制系统结合,5.更加注重其环保性能。解决泄漏问题，加大非石油基液压油的使用力度，先进的污染控制和过滤技术，水压技术的 推广。6.集成化、模块化、智能化、网络化。内置式标准化传感器和计算机的智能化液压元件，现场总线技术，加工、装配 和调试等过程的全球化虚拟制造。7.新材料的发展及使用。耐磨、抗气蚀及化学稳定性好的陶瓷材料，纳米材料
10、、纳米工艺提高液压元件的加工精度及 表面质量。,第二章 液压放大元件,也称为液压放大器，是一种以机械运动来控制流体动力的的元件。在液压伺服系统中，它将输入的机械信号（位移、转角）转换为液压信号（流量、压力）输出，并进行功率放大。因此，它既是一种能量转换元件，也是一种功率放大元件。包括滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀。结构型式、工作原理、静态特性、设计准则,2.1 圆柱滑阀的结构型式及分类,阀是液压伺服系统中的一种主要控制元件，它的静态、动态特性对液压伺服系统有很大的影响。结构简单、单位体积输出功率大、工作可靠、动态特性好是其优点。,2.1 圆柱滑阀的结构型式及分类(续),1 按进出阀的通道数划分 四
11、通阀、三通阀、二通阀2 按滑阀的工作边数划分 四边滑阀、双边滑阀及单边滑阀3 按滑阀的预开口形式划分 正开口（负重叠）、零开口（零重叠）负开口（正重叠）4 按阀套窗口形状划分（矩形、圆形、三角形）5 按阀芯的凸肩数目划分（二、三、四凸肩滑阀）,2.2 滑阀静态特性的一般分析,2.2 滑阀静态特性的一般分析(续),2.2 滑阀静态特性的一般分析(续),一、压力流量方程一般表达式,二、滑阀的静态特性曲线,滑阀的静态特性可以用静态特性曲线表达,三、阀的线性化分析,三、阀的线性化分析（续）,三、阀的线性化分析（续）,2.3 零开口四边滑阀的静态特性,2.3 零开口四边滑阀的静态特性,二、实际零开口四边
12、滑阀的静态特性,阀芯与阀套间的径向间隙,油液的动力粘度,2.4 正开口四边滑阀的静态特性,正开口量,2.5 双边滑阀的静态特性,2.5 双边滑阀的静态特性,2.5 双边滑阀的静态特性,2.5 双边滑阀的静态特性（续）,2.6 滑阀受力分析,主要考虑滑阀受到的液动力，分为稳态液动力与瞬态液动力。稳态液动力与滑阀开口量成正比，瞬态液动力与滑阀开口量变化率成正比。,2.6 滑阀受力分析（续）,液流经过阀口时。由于流动方向和流速的改变，阀芯上会受到附加的作用力。在阀口开度一定的稳定流动情况下，液动力为稳态液动力。当阀口开度发生变化时，还有瞬态液动力作用。稳态液动力可分为轴向分力和径向分力。由于一般将阀
13、体的油腔对称的设置在阀芯的周围，因此沿阀芯的径向分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力。,2.6 滑阀受力分析（续）,2.6 滑阀受力分析（续）,由于射流角90度，所以稳态液动力的方向总是指向使阀口关闭的方向。p一定时，稳态液动力与阀的开口量成正比弹性力实际的阀受径向间隙和工作圆边的影响，使过流面积增大，射流角减小，从而使稳态液动力增大。,2.6 滑阀受力分析（续）,2.6 滑阀受力分析（续）,2.6 滑阀受力分析（续）,稳态液动力一般都很大，是滑阀的主要阻力。例：全周开口，直径0.012m的阀芯，ps140105Pa,空载时的动力刚度Kf02.27105N/m,如果阀芯的最大位移5
14、104m时，空载的稳态液动力Fs0114N 考虑采用二级滑阀。,三、瞬态液动力,三、瞬态液动力(续),三、瞬态液动力(续),瞬态液动力与阀芯的移动速度成正比，起粘性阻尼作用。方向始终与腔内液体的加速度方向相反。阻尼系数Bf与长度L有关，称L为阻尼长度,四、滑阀的驱动力,2.7 滑阀输出功率及效率,2.7 滑阀输出功率及效率（续）,2.7 滑阀输出功率及效率（续）,上述分析表明，在PL2/3 Ps时，整个液压伺服系统的效率最高，同时阀的输出功率最大。取PL2 Ps/3作为阀的设计负载压力，同时，在PL=2/3 Ps,Kc变化不大。Kq的减小和Kc的增大会影响系统的性能。Kc是系统的阻尼的一种体现
15、，也说明了系统抗负载的能力，值越小，刚度越大,2.8 滑阀的设计,1 结构型式的选择（工作边数、节流窗口形状选择、预开口型式以及阀芯凸肩数的选择）2 主要参数的确定 根据负载的要求可以确定供油压力和额定流量即阀的最大空载流量,2.8 滑阀的设计（续）,面积梯度W,Kqf（Ps，W）与系统的开环增益直接配合。,分机液伺服系统与电液伺服系统，对增益的调整方法多样性进行说明！,阀芯最大位移Xvmax,通常希望适当降低W以增加Xvmax1 提高阀的抗污能力，减少阻塞现象2 可以降低阀芯轴向尺寸的公差要求但是：较大的Xv在电磁操作控制元件中受到限制 在机械伺服系统中用的比较多,阀芯直径d,为了保证阀芯有
16、足够的刚度，使dr0.5d;为了避免流量饱和现象，阀腔通道内的流速不应过大，应使阀腔通道的面积为控制窗口面积的4倍以上,全周开口的滑阀不产生流量饱和的条件！,流量饱和现象,2.9 喷嘴挡板阀,与滑阀相比，结构简单，加工容易，运动部件质量小，对油液污染不太敏感。但零位泄漏流量大，故只适合于小功率系统。在两级液压放大器中，多采用喷嘴挡板阀作为第一级。,2.9 喷嘴挡板阀（续）,喷嘴挡板阀,固定节流孔,喷嘴,挡板,可变节流孔,Pc,属于三通阀，只能控制差动油缸,是4通阀，可以控制双作用液压缸,2.10 射流管阀,射流管阀,射流管,接收器,接液压缸2端,可转动,属于4通阀，能控制双作用液压油缸,2.1
17、0 射流管阀(续),优点：1)抗污能力强，对油液的清洁度要求不高2)压力恢复系数和流量恢复系数高，效率较高，可以作为前置放大元件。缺点：1)由于射流力的作用，容易产生振动2)射流管惯量较大，动态特性不如喷嘴挡板阀3)零位泄漏量大4)粘性特性影响较大,第三章 液压动力元件,液压动力元件是由液压放大元件和液压执行元件组成。放大元件液压控制阀、伺服变量泵执行元件液压缸与液压马达故有：阀控液压缸、阀控液压马达泵控液压缸、泵控液压马达前两种称为阀控（节流控制）系统后两种称为泵控（容积控制）系统,3.1 四通阀控制液压缸,液压动力元件的动态特性在很大程度上决定着整个系统的性能。在得到动力元件的传递函数过程
18、中，需要三个基本方程。阀控流量方程液压缸流量连续性方程液压缸和负载的力平衡方程,3.1 四通阀控制液压缸（续）,3.1 四通阀控制液压缸（续）,液压缸内泄漏系数,液压缸外内泄漏系数,有效体积弹性模量,液压缸进油腔容积,3.1 四通阀控制液压缸（续）,活塞及负载折算到活塞上的总质量,活塞及负载的粘性阻尼系数,负载弹性刚度,工作边数影响,双边滑阀,差动液压缸,四边滑阀,双作用液压缸,Kq一样，Kp（四）2Kp（双），四边优；工艺上，双边优；双边机液伺服系统，四边电液伺服系统,节流窗口形状选择,矩形窗口，圆形窗口，三角形窗口,线性的流量增益,非线性的流量增益,工艺性好,预开口形式,0开口，正开口，负开口,线性的流量增益压力增益高，0位泄漏小,非线性的流量增益，压力增益低，0位泄漏大，较少使用,具有死区特性，很少使用,
