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1、控制相关专业研究生选修课程,系统建模方法,马宏军,东北大学 信息学院 控制理论与导航技术研究所,2013年3月,逸夫楼203,第十章 液压控制系统建模方法,3,第一节 液压控制系统的结构,图1-3 双电位器电液位置伺服系统,4,一、采用电压比较的液压工作台位置控制系统,5,控制系统组成：被控对象指令元件比较元件指令传感器反馈传感器动力元件(阀.缸),6,二、采用电压比较的电动工作台位置控制系统,7,电动力元件,指令电位器,反馈电位器,电放大Ka,E,Ui,E,-,电压比较,UP,Ka,工作台,电机,控制系统组成：被控对象指令元件比较元件指令传感器反馈传感器动力元件(可控硅电机）,将液压动力元件
2、（伺服阀、缸）换成电动力元件（可控硅与电动机）,8,三、采用力比较的液压工作台位置控制系统,F1=Xi*K1,F2=Xp*K2,指令传感器K1,反馈传感器K2,9,比较元件,1K1+K2,力比较,Xi,xv,XP,比较结果转换成阀位移,10,控制框图,采用力比较方式，用弹簧作为位移-力传感器，以阀芯作为力比较元件。,液压缸,1K1+K2,DF,-,力比较,Ka,工作台,11,四、采用直接位置比较的液压工作台位置控制系统,Xi=X芯,Xp=X套,指令元件与阀芯相连,受控对象与阀套相连,12,Xv,-,阀芯阀套比较,Xi,X芯,X套,1,1,伺服阀,XP,指令与阀芯相连,受控对象与阀套相连,13,
3、控制框图,采用阀芯阀套直较方式,液压缸,Xv,-,Ka,工作台,X芯,X套,1,1,伺服阀,阀芯与阀套比较,阀芯与阀套比较,第二节 液压控制系统的分类,上述工作台位置控制系统的种类：,按控制件、传动件分类：（1）电压比较电液位置控制系统；（2）电压比较电动位置控制系统；（3）力比较机液位置控制系统；（4）直接位置比较机液位置控制系统；,15,按被控制参数分类：（1）位置控制系统；（2）速度控制系统;（3）力控制系统。,液压控制系统的分类,按控制件、传动件分类：（1）电气控制系统；（2）液压控制系统。,16,XP,Xi,升力,阻力,例1：飞机舵机液控制系统,pS,飞机舵机,指令位移,舵机位移,X
4、P,XV,17,18,19,放大元件,电液位置控制系统原理图,例2 电液仿形控制系统,20,电液仿形控制框图,闭环控制系统由开环控制（动力）和负反馈装置两部分组成；负反馈装置由比较元件、测量反馈元件构成；开环控制部分由放大元件(伺服阀).能量转换元件(缸).负载构成；指令元件通过闭环系统控制被控对象.使被控位移y2 跟踪指令位移y1,21,转动：电机：同功率时惯性大-响应慢；液压马达：同功率时惯性小-响应快。,直线运动：电传动：齿轮+齿条+电机-慢、难；液压缸驱动：-快、易。,液压控制的缺点：（1）易因堵塞造成故障；（2）成本高、维护难度大；（3）易污染环境。（4）非线性强、随工作范围变化大,
5、第三节 液压控制的优缺点,22,自动火炮系统,液压控制系统的应用,军工：,汽车伺服转向、飞机舵机,交通：,轧机液压厚度自动控制系统带钢跑偏控制系统连续铸钢控制系统,冶金：,23,电子元件-电阻,第五节 液压控制的常用电子器件,24,电子元件-电容,25,二极管、三极管,26,双列直插DIP封装,电子元件的封装,27,28,运放的方框图,29,运算放大器的电压反馈控制,30,31,串联电阻比较,32,串联电阻比较，反相输入,33,放大器的实际接线,调零,倍数调整,负电源,正电源,34,液压放大元件有两种：“泵类”-变量泵“阀类”-伺服阀,液压放大元件也叫液压控制元件,什么是液压放大元件？,第六节
6、 液压放大元件,35,三极管放大了什么？,三极管是电放大器（电控开关），由小基极电流控制大的发射极电流,放大实际上是一种控制，是用小功率控制大功率的输出,36,放大器是桥路，一个三极管构不成电放大器！,能控制电压升降的典型回路是半桥和全桥,可控电阻,固定桥臂,控制输入,控制输出,37,38,构造阀类液压放大器,伺服阀是液压放大器(液控开关)，由小功率驱动阀芯，可以控制大功率的阀口流量。,可控液阻,被控对象,固定桥臂,39,液压放大元件,放大元件,控制输入,输出流量,输出流量,控制输入,伺服阀本质上是含可变液阻的液压桥路，它能通过小功率输入信号(位移)，控制大功率的流量(压力)的输出。,40,阀
7、类液压放大元件的分类:,41,表示阀输出流量、压力及开口面积三者关系的方程叫阀的特性方程，只研究稳态关系就叫做静特性。,第七节 滑阀静特性的一般分析,流量控制阀,压力控制阀,对于各种滑阀、锥阀、球阀、节流孔口，通过阀口的流量均可用下式表示：,阀口流量公式及流量系数,43,负载,控制输入,输出流量,控制输入,输出流量,扰动输入,扰动输入,44,放大元件的线性化,线性化后即可画出传递函数图!,45,拉氏变换及物理模型,46,放大元件的数学模型,放大元件的四种模型,47,48,液压动力元件由放大元件和执行元件（缸-马达）构成。执行元件是将输入液压功率转换成机械功率的机液耦合（换能）元件，其模型类似于
8、变压器。,什么是液压动力元件?,第八节 液压动力元件的建模,49,理想液压缸的数学模型,不计泄漏和压缩时动力元件的方框图它是一个积分环节,流量放大,液压机械能量转换,基本方程,1、放大器的线性化流量方程,53,液压阻抗+理想油缸+机械阻抗,实际油缸,实际液压缸的阻抗分离,2、油缸的液压阻抗及流量连续性方程,54,方框图简化,55,MS,56,57,58,理想放大元件,油缸与阀阻抗构成的振荡环节,理想油缸,59,60,控制传递函数,61,液阻、液容均可等效成机械阻尼和弹簧,液压阻抗等效成机械阻抗,这是一个弹簧质量振荡系统,62,液压动力元件实际上就是一个开环控制系统用被控位移与指令位移相比较后的
9、误差信号去控制液压放大元件，就可构成闭环位置控制系统。也就是说，在开环控制的基础上，通过负反馈装置即比较元件+测量反馈元件就可以构成闭环液压控制系统。,特点:采用机械元件作比较器的伺服系统,第九节 机液控制系统建模,63,如果比较反馈元件由机械元件充当，则称为“机液伺服系统”，以区别于电反馈系统。“机液伺服系统”广泛的应用于飞机舵面控制、火炮瞄准机构操纵、车辆转向控制、仿形机床以及伺服变量泵等处。,机液伺服系统:采用机械元件作比较器的伺服系统,（杠杆比较反馈）,工作原理及系统方框图,例1 机液位置伺服系统,65,升力,阻力,飞机舵机液控制系统上应用,66,比较反馈原理,比较杠杆,67,手,比较
10、元件要求：1）与指令元件相连（手）2）与被控对象相连（舵机）3）与放大元件相连（阀芯）,舵机位移,被控舵机,文字方框图,69,比较反馈以电子元件为比较器采用电反馈-转化为电量（电压）比较模拟伺服系统：以运放等器件为比较器，模拟比较方式数字伺服系统：以计算机为比较器，数字比较方式,电液伺服系统:采用电子元件作比较器的伺服系统,第十节 电液控制系统建模,70,放大元件,电液位置控制系统原理图,例2 电液仿形控制系统,71,抽象为双传感器阀控位置控制系统,72,73,例3 导弹发射方位角控制系统,74,执行元件,被控对象,75,系统工作原理,76,自整角机输出：,77,伺服阀输出：,伺服阀的传递函数为,78,电液位置系统框图,1Dm,-,+,+,-,c,TL,r,e,m,伺服阀,马达与阻抗,负载干扰,变换,79,例4 设有位移差传感器的位置控制系统,传感器装在被控对象上,
