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1、第十章 液压伺服系统,伺服系统又称为随动系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。液压伺服系统是由液压元件组成的伺服系统。,目录,10.1 概述,10.1.1 伺服系统工作原理和特点,这是一种液压进口节流阀式节流调速回路.在这种回路中，调定节流阀的开口量后，液压缸就以某一调定速度运动。通过前述章节分析可知，当负载、油温等参数发生变化时，这种回路将无法保证原有的运动速度，因而其速度精度较低且不能满足精确地连续无级调速要求 .,液压进口节流,液压缸速度调节过程图,由上图中可以看出，输出量（液压缸速度）通过操作者的眼、脑和手来影响输入量
2、（节流阀的开口量）。这种作用被称为反馈。在实际系统中，为了实现自动控制，必须以电器、机械等装置来代替人来判断比较，这就是反馈装置。由于反馈的存在,控制作用形成了一个闭合回路，这种带有反馈装置的控制系统，被称为闭环控制系统。,此图为采用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环控制系统。这一系统不仅使液压缸速度能任意调节，而且在外界干扰很大（如负载突变）的工况下，仍能使系统的实际输出速度与设定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的响应性能。,阀控油缸闭环控制系统原理图,通过分析上述伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下： （1）是反馈系统：把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信
3、号比较，这就是反馈作用。在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。自动控制系统中大多数反馈是负反馈。,（2）靠偏差工作：要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。执行元件运动的结果又试图消除这个误差。但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。 （3）是放大系统：执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。其输出的能量是液压能源供给的。 （4）是跟踪系统：液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。,10.1.2 伺服系统职能方块图和系统的组成环节,下图是上述
4、速度伺服控制系统的职能方框图。图中一个方框表示一个元件，方框中的文字表明该元件的职能。带有箭头的线段表示元件之间的相互作用，即系统中信号的传递方向。职能方框图明确地表示了系统的组成元件、各元件的职能以及系统中各元件的相互关系。因此，职能方框图是用来表示自动控制系统工作过程的。,速度伺服控制系统职能方框图,由职能方框图可以看出，上述速度伺服控制系统是由输入元件、比较元件、放大及转换元件、执行元件、反馈元件和控制对象组成的。实际上，任何一个伺服控制系统都是由这些元件组成的，如下图所示。,伺服控制系统的组成环节,（1）输入元件：通过输入元件，给出必要的输入信号。如上例中由电位计给出一定电压，作为系统
5、的控制信号； （2）检测、反馈元件：它随时测量输出量的大小，并将其转换成相应的反馈信号送回到比较元件。上例中是由测速发电机测得液压缸的运动速度，并将其转换成相应的电压作为反馈信号； （3）比较元件：将输入信号和反馈信号进行比较，并将其差值作为放大转换元件的输入。有时系统中不一定有单独的比较元件，而是由反馈元件、输入元件或放大元件的一部分来实现比较的功能； （4）放大、转换元件：将偏差信号放大并转换后，控制执行元件动作。如上例中的电液伺服阀； （5）执行元件:直接带动控制对象动作的元件。如上例中的液压缸； （6）控制对象:机器直接作工的部分，如工作台、刀架等.,10.1.3 伺服系统的分类,伺服
6、系统可以从下面不同的角度加以分类。 （1）按输入信号变化规律分类：有定值控制系统、程序控制系统和伺服 、 控制系统三类。 当系统输入信号为定值时,称为定值控制系统,其基本任务是提高系统的抗干扰能力.当系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知函数,输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规律。,（2）按输入信号介质分类：有机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统等。 （3）按输出物理量分类：有位置伺服系统、速度伺服系统、力（或压力）伺服系统等。 在液压伺服系统中还可以按控制元件分为阀控系统和泵控系统两类。在液压传动中，阀控系统应用较多，
7、故本章重点介绍阀控伺服系统。,10.1.4 伺服系统的优缺点,液压伺服系统除具有其液压传动所固有的一系列优点外，还具有控制精度高、响应速度快、自动化程度高等优点。 但是，伺服元件加工精度高，因此价格较贵；特别是液压伺服系统对油液的污染比较敏感，因此可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活。随着科学技术的发展，液压与气压伺服系统的缺点将不断地得到克服。在自动化技术领域中，液压与气压伺服控制有着广泛的应用前景。,10.2 典型的伺服控制元件,伺服控制元件是液压伺服系统中最重要、最基本的组成部分，它起着信号转换、功率放大及反馈等控制作用。常用的伺服控制元件有力矩马达或力马达、滑阀
8、、射流管阀和喷嘴挡板阀等。,10.2.1 力矩马达和力马达,力矩马达是一种具有旋转运动的电机械转换器，力马达是一种具有直线运动的电机械转换器。它们在阀中的作用是将电控信号转换成转角（力矩马达）或直线位移（力马达），用来作为液压放大器的输入信号。,10.2.2 滑阀,根据滑阀数（起控制作用的阀口数）的不同，有单边控制、双边控制、四边控制三种类型滑阀。,压力油一路直接进入液压缸有杆腔，另一路经滑阀左控制边的开口和液压缸无杆腔相通，并经滑阀右控制边的开口流回油箱。当滑阀向左移动时，减小，增大，液压缸无杆腔压力减小，两腔受力不平衡，缸体向左移动。反之缸体向右移动；双边滑阀比单边滑阀的调节灵敏度高、工作
9、精度高。,双边滑阀的工作原理,滑阀有四个控制边，开口、分别控制进入液压缸两腔的压力油，开口、分别控制液压缸两腔的回油。当滑阀向左移动时，液压缸左腔的进油口减小，回油口增大，使迅速减小；与此同时，液压缸右腔的进油口增大，回油口减小，使迅速增大。这样就使活塞迅速左移。与双边滑阀相比，四边滑阀同时控制液压缸两腔的压力和流量，故调节灵敏度高，工作精度也高。,四边滑阀的工作原理,滑阀的三种开口形式,四边滑阀在初始平衡的状态下，其开口有三种形式，即负开口（x0）、零开口（x=0）和正开口（x0）。具有零开口的滑阀，其工作精度最高；负开口有较大的不灵敏区，较少采用；具有正开口的滑阀，工作精度较负开口高，但功
10、率损耗大，稳定性也差。,10.2.3 射流管阀,射流管阀的优点是结构简单、动作灵敏、工作可靠.它的缺点是射流管运动部件惯性较大、工作性能较差;射流能量损耗大、效率较低;供油压力过高时易引起振动.这种控制只适用于低压小功率场合.,10.2.4 喷嘴挡板阀,喷嘴挡板阀的优点是结构简单、加工方便、运动部件惯性小、反应快、精度和灵敏度高；缺点是能量损耗大、抗污染能力差.喷嘴挡板阀常用作多级放大伺服控制元件中的前置级.,10.3 伺服阀,液压与气压用伺服阀是电液或电气联合控制的多级伺服元件，它能将微弱的电气输入信号放大成大功率的液压或气压能量输出,以实现对流量和压力的控制。它接受一种模拟量电控信号，输出
11、液压模拟量随电控信号的大小及极性变化。电液或电气伺服阀具有控制精度高和放大倍数大等优点，在液压与气压控制系统中得到了广泛地应用。,10.3.1 液压伺服阀的分类、结构和工作原理,1. 液压伺服阀的分类,液控伺服阀主要是指电液伺服阀，它在接受电气模拟信号后，相应输出调制的流量和压力。它既是电液转换元件、也是功率放大元件，它能够将小功率的微弱电气输入信号转换为大功率的液压能（流量和压力）输出。在电液伺服系统中，它将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与液压放大。电液伺服阀是电液伺服系统控制的核心。 电液伺服阀广泛地应用于电液位置、速度、加速度、力伺服系统，以及伺服振动发生器中。它具有体积
12、小、结构紧凑、功率放大系数高、控制精度高、直线性好、死区小、灵敏度高、动态性能好以及响应速度快等优点。,电液伺服阀按用途、性能和结构特征可分为通用型和专用型； 按输出量可分为流量控制伺服阀和压力控制伺服阀； 按液压放大级数可分为单级、双级和三级伺服阀； 按电气机械转换后动作方式可分为力矩马达式（输出转角）和力马达式（输出直线位移）；,按电气机械转换装置可分为动铁式（一般为衔铁转动）与动圈式和干式与湿式； 按液压前置级的结构形式可分为单喷嘴挡板式、双喷嘴挡板式、四喷嘴挡板式、射流管式，偏转板射流式和滑阀式； 按反馈形式可分为位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈； 按输入信号形式可分为连续控制式和
13、脉宽调制式。,2. 液压伺服阀的组成,伺服阀通常由电机械转换器（力矩马达或力马达）、液压放大器和反馈或平衡机构等三部分组成。其中，我们已经介绍过了电机械转换器（力矩马达或力马达）和液压放大器，而伺服阀的输出级所采用的反馈或平衡机构是为使伺服阀的输出流量或输出压力获得与输入电控信号成比例的特性。平衡机构通常用圆柱螺旋弹簧或片弹簧等。反馈常采用力反馈、位置反馈、电反馈和压力反馈等型式。,3. 典型伺服阀的结构和工作原理,（1）滑阀式伺服阀,它由永磁动圈式力马达、一对固定节流孔、预开口双边滑阀式前置液压放大器和三通滑阀式功率级组成。前置控制滑阀的两个预开口节流控制边与两个固定节流孔组成一个液压桥路。
14、滑阀副的阀芯直接与力马达的动圈骨架相连，在阀套内滑动。前置级的阀套又是功率级滑阀放大器的阀芯。 这种阀的优点是：采用动圈式力马达，结构简单，功率放大系数较大，滞环小和工作行程大；固定节流口尺寸大，不易被污物堵塞；主滑阀两端控制油压作用面积大，从而加大了驱动力，使滑阀不易卡死，工作可靠。,（2）喷嘴挡板式伺服阀,这种伺服阀，由于力反馈的存在，使得力矩马达在其零点附近工作，即衔铁偏转角很小，故线性度好。此外,改变反馈弹簧杆11的刚度，就能在相同输入电流时改变滑阀的位移。 这种伺服阀结构紧凑,外形尺寸小,响应快.但喷嘴挡板的工作间隙较小，对油液的清洁度要求较高.,（3）射流管式伺服阀,该阀采用衔铁式
15、力矩马达带动射流管，两个接收孔直接和主阀两端面连接，控制主阀运动。主阀靠一个板簧定位，其位移与主阀两端压力差成比例.这种阀的最小通流尺寸（射流管口尺寸）比喷嘴挡板的工作间隙大410倍，故对油液的清洁度要求较低。缺点是零位泄漏量大；受油液粘度变化影响显著，低温特性差；力矩马达带动射流管，负载惯量大，响应速度低于喷嘴挡板阀。,10.3.2 液压伺服阀的选用,1）根据负载参数或负载轨迹求出最大负载功率。 2）由最大负载功率时的力（或转矩）计算负载压力及执行元件所需流量q。 执行元件为液压缸时： 执行元件为液压马达时： 式中 AP 缸承载腔的有效作用面积； umax 最大功率时液压缸速度； V 马达排
16、量； 最大功率时角速度。,3）计算供油压力： 式中 p 阀到执行元件的压力损失。 4）伺服阀的输出流量： =（1.151.30）q 5）计算伺服阀的压降：,6）根据、从产品样本中的压降负载流量曲线，找出合适的阀。把阀的额定流量选得大到能使压力流量特性曲线上对应最大电流的那条曲线包住工作循环中负载流量和负载压力的所有各点，并且确保，这就保证所有负载都在伺服阀的能力范围。但为了满足系统总的精度要求，阀不要到最大电流。 7）根据系统执行元件的频率选择伺服阀的频宽，使之高于执行元件负载环节的频宽。,10.4 液压伺服系统,10.4.1 车床液压仿形刀架,液压仿形刀架倾斜安装在车床溜板5的上面，工作时随
17、溜板纵向移动。样板12安装在床身后侧支架上固定不动。液压泵站置于车床附近。仿形刀架液压缸的活塞杆固定在刀架的底座上，缸体6、阀体7和刀架连成一体，可在刀架底座的导轨上沿液压缸轴向移动。滑阀阀心10在弹簧的作用下通过杆9使杠杆8的触销11紧压在样板上。在车削圆柱面时，溜板5沿床身导轨4纵向移动。杠杆触销在样板的圆柱段内水平滑动，滑阀阀口不打开，刀架只能随溜板一起纵向移动，刀架在工件1上车出AB段圆柱面。,车削圆锥面时，触销沿样件的圆锥段滑动，使杠杆向上偏摆，从而带动阀心上移，打开阀口，压力油进入液压缸上腔，推动缸体连同阀体和刀架轴向后退。阀体后退又逐渐使阀口关小，直至关闭为止。在溜板不断地做纵向
18、运动的同时，触销在样板的圆锥段上不断抬起，刀架也就不断地作轴向后退运动，此两运动的合成就使刀具在工件上车出BC段圆锥面。 其它曲面形状或凸肩也都是这样合成切削来形成的从仿形刀架的工作过程可以看出，刀架液压缸（执行元件）是以一定的仿形精度按着触销输入位移信号的变化规律而动作的，所以仿形刀架液压系统是液压伺服系统。,10.4.2 机械手伸缩运动伺服系统,机械手伸缩系统的工作原理如下： 由数字控制装置发出的一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器5的动触头转过一定的角度（假定为顺时针转动），动触头偏离电位器中位，产生微弱电压，经放大器7放大成后，输入给电液伺服阀1的控制线圈，使伺服阀产生一定的开口量。这
19、时压力油经阀的开口进入液压缸的左腔，推动活塞连同机械手手臂一起向右移动，行程为；液压缸右腔的回油经伺服阀流回油箱。由于电位器的齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，手臂向右移动时，电位器跟着作顺时针方向转动。当电位器的中位和触头重合时，偏差为零，则动触头输出电压为零，电液伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。手臂移动的行程决定于脉冲数量，速度决定于脉冲频率。当数字控制装置发出反向脉冲时，步进电机逆时针方向转动，手臂缩回。,10.4.3 钢带张力控制系统,在钢带张力控制液压伺服系统中，热处理炉内的钢带张力由带钢牵引辊组2和带钢加载辊组8来确定。用直流电机D作牵引，直流电机D作为负载，以造成所需张力。如
20、果用调节系统中某一部件的位置来控制张力，由于在系统中各部件惯量大，时间滞后大，控制精度低不能满足要求，故在两辊组之间设置一液压伺服张力控制系统来控制精度。其工作原理是：在转向辊左右两侧下方各设置力传感器，把它作为检测装置，两传感器检测所得到的信号的平均值与给定信号值相比较，当出现偏差信号时，信号经电放大器放大后输入给电液伺服阀。如果实际张力与给定值相等，则偏差信号为零，电液伺服阀没有输出，液压缸保持不动，浮动辊不动。当张力增大时，偏差信号使电液伺服阀有一定的开口量，供给一定的流量，使液压缸向上移动，浮动辊上移，使张力减少到一定值。反之，当张力减少时，产生的偏差信号使电液伺服阀控制液压缸向下移动，浮动辊下移，使张力增大到一定值。因此该系统是一个恒值力控制系统。它保证了带钢的张力符合要求，提高了钢材的质量。,