电子工程毕业论文
液压伺服系统的设计
在液压伺服系统中，液压伺服阀用作输入信号的转换和放大元件。该液压伺服系统能够以小功率的电信号输入控制大功率液压能量(流量和压力)的输出，并能获得较高的控制精度和较快的响应速度。位置控制、速度控制和力控制三种液压伺服系统的一般设计步骤如下:
1)明确设计要求:充分了解设计任务提出的系统的流程、结构和性能要求，详细分析负载情况。
2)拟定控制方案，绘制系统原理图。
3)静态计算:确定功率元件参数，选择反馈元件和其他电气元件。
4)动态计算:确定系统的传递函数，绘制开环波特图，分析稳定性，计算动态性能指标。
5)检查精度和性能指标，选择校正方式，设计校正元件。
6)选择液压能源和相应的附属元件。
7)完成执行机构和液压能源的结构设计。
本章内容主要是根据以上设计步骤，进一步阐述液压伺服系统的设计原理，介绍具体的设计计算方法。因为位置控制系统是最基本和应用最广泛的系统，所以介绍将集中在阀控液压缸位置系统。
4.1充分理解设计要求
4.1.1充分了解被控对象。
液压伺服控制系统是被控对象——主机的组成部分，必须满足主机在技术和结构上的要求。例如，轧机液压压下位置控制系统不仅要能承受最大轧制负荷，满足轧机辊缝最大行程调节、调节速度和控制精度的要求，而且执行机构——压下液压缸的外形尺寸受轧机机架窗口尺寸的约束，结构还必须满足方便换辊的要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视解决这些问题。因此，设计人员要充分了解被控对象的工作状况，综合运用电、机械、液压、技术等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的要求。
4.1.2开角设计系统的性能要求
1)被控对象的物理量:位置、速度或力。
2)静态极限:最大行程、最大速度、最大力或扭矩、最大功率。
3)要求的控制精度:给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀和电控系统的零点漂移、非线性环节(如摩擦、死区)、传感器等引起的系统误差、定位精度、分辨率和允许漂移。
4)动态特性:相对稳定性可用相位裕度和增益裕度、共振峰和超调来规定，响应的快速性可用停止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定；
5)工作环境:主机工作温度、工作介质冷却、振动冲击、电气噪声干扰及相应的耐高温、防水、耐腐蚀、防振动要求；
6)特殊要求；设备重量、安全防护、工作可靠性等技术要求。
4.1.3负荷特性分析
正确确定系统的外负载是设计控制系统的基本问题。它直接影响系统的组成和功率元件参数的选择，所以负荷特性的分析应尽可能反映客观实际。液压伺服系统的负载类型包括惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载(如静摩擦、动摩擦等。)、重力等不随时间、位置等参数变化的恒载。
4.2拟定控制方案和系统原理图。
在充分了解设计要求后，根据不同的控制对象，可按表6所列的基本类型选择控制方案，并绘制控制系统框图。如直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案，框图如图36所示。
图36阀控液压缸位置控制系统框图
表6液压伺服系统控制模式的基本类型
伺服系统控制信号控制参数和运动类型元素。
机器流体
电动液压的
空气和液压
电液模拟量
数字量
位移位置、速度、加速度、力、力矩和压力的线性运动
摆动运动
旋转运动1。阀门控制:阀门-液压缸，阀门-液压马达。
2.容积控制:变量泵-液压缸；变量泵-液压马达；阀门-液压缸-变量泵-液压马达
3.其他:步进扭矩电机
4.3功率元件的参数选择
功率元件是伺服系统的关键元件。它的主要作用是使负载在整个工作循环中以要求的速度运动。其次，其主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，功率元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的最小功耗和高效率。
动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积(或液压马达的排量)和伺服阀的流量。当选择液压马达作为执行机构时，还应包括齿轮的传动比。
4.3.1供油压力选择
在相同的输出功率下，选择较高的供油压力可以减小液压缸的活塞面积(或液压马达的排量)，使泵和动力部件体积小、重量轻，设备结构紧凑。同时，油腔的体积减小，体积弹性模量增大，有利于提高系统的响应速度。但随着供油压力的增加，由于材料强度的限制，液压元件的尺寸和重量也趋于增加，对元件的加工精度也要求提高，系统的成本也随之增加。同时，在高压下，泄漏量大，发热量高，系统功率损耗增加，噪音增大，部件使用寿命降低，维修困难。因此，在条件允许的情况下，通常选择较低的供油压力。
常用的供油压力等级为7MPa至28MPa，可根据系统要求和结构约束选择合适的供油压力。
4.3.2伺服阀流量和致动器尺寸的确定
如上所述，动力元件的参数选择既要满足牵引负荷和系统性能的要求，又要考虑与负荷的最佳匹配。下面重点介绍与负载的最佳匹配。
(1)功率元件的输出特性
伺服阀的流量-压力曲线通过坐标变换
画在υ-FL平面上，得到的抛物线就是功率元件稳态时的输出特性，如图37所示。
图37参数变化对动力机构输出特性的影响
a)供油压力变化；b)伺服阀容量变化；c)液压缸的面积变化
图中，FL-负载力，FL = pLA；
PL——伺服阀的工作压力；
A——液压缸的有效面积；
υ-液压缸的活塞速度，
伺服阀的QL流量；
Q0——伺服阀空载流量；
PS-供油压力。
从图37可以看出，当伺服阀规格和液压缸面积不变时，曲线向外扩展，最大功率增大，最大功率点向右移动，如图37a所示。
供油压力和液压缸面积不变时，伺服阀规格增加，曲线变高，曲线顶点A ps不变，最大功率增加，最大功率点不变，如图37b所示。
当供油压力和伺服阀规格不变时，增加液压缸面积a，曲线变低，顶点向右移动，最大功率不变，最大功率点向右移动，如图37c所示。
(2)最佳负荷匹配的图解法
在负载轨迹曲线υ-FL的平面上画出功率元件的输出特性曲线，调整参数使功率元件的输出特性曲线从外部完全包围负载轨迹曲线，可以保证功率元件能够拖动负载。在图38中，曲线1、2和3表示三个功率元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹的最大功率点C相切，符合负载的最佳匹配条件，而曲线1和3上的工作点α和B可以拖动负载，但效率较低。
(3)最佳负载匹配的分析方法
参见液压动力元件的负载匹配。
(4)近似计算方法
在工程设计中，通常采用近似计算法来设计功率元件，即根据最大负载力FLmax来选择功率元件。在功率元件的输出特性曲线上，定义是
FLmax≤pLA=
认为负载力、最大速度和最大加速度同时出现，因此液压缸的有效面积可按下式计算:
(37)
图38功率元件与负载的匹配图
根据等式37获得a的值后，可以计算负载流量qL，即可以根据阀门的压降从伺服阀样本中选择合适的伺服阀。近似计算法使用简单，但偏于保守。这种方法可以保证系统的性能，但传输效率略低。
(5)根据液压固有频率选择动力元件。
对于功率和负载较小的液压伺服系统，功率损耗不是主要问题，功率元件可以根据系统要求的液压固有频率来确定。
由四通滑阀控制的液压缸的活塞有效面积为
(38)
由双向滑阀控制的液压缸活塞的有效面积为
(39)
水力固有频率ωh可由系统所需带宽的(5 ~ 10)倍确定。对于一些干扰力较大、载荷轨迹形状复杂的系统，无法用上述方法计算功率分量，只能通过作图确定功率分量。
在计算阀控液压马达组合的功率元件时，只需将液压缸的有效面积a换成液压马达的排量d，将负载力FL换成负载力矩TL，将负载速度换成液压马达的角速度，即可得到相应的计算公式。当系统采用减速机构时，需要注意的是负载惯量、负载力、负载位移、速度、加速度等参数可以换算到液压马达的轴上作为计算参数。选择减速机构传动比的原则是:在满足液压固有频率要求的条件下，传动比最小，即为最佳传动比。
伺服阀的选择
根据确定的供油压力ps和由负载流量qL(即伺服阀需要输出的流量)计算出的伺服阀空载流量q0，可以从伺服阀样本中确定伺服阀的规格。因为伺服阀的输出流量是限制系统带宽的重要因素，所以伺服阀流量应该留有余量。一般可以取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。
除流量参数外，选择伺服阀时还应考虑以下因素:
1)伺服阀具有良好的流量增益线性。在位置控制系统中，一般选择零开度流量阀，因为这种阀具有较高的压力增益，可以使动力元件具有较大的刚度，提高系统的快速性和控制精度。
2)伺服阀的带宽应满足系统带宽的要求。一般情况下，伺服阀的带宽应大于系统带宽的5倍，以减小伺服阀对系统响应特性的影响。
3)伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽可能小，以保证其引起的系统误差不超过设计要求。
4)其他要求，如零泄漏、抗污染能力、电力、使用寿命、价格等有一定要求。
4.3.4执行器的选择
液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键元件，直接影响系统的性能。执行机构的选择和设计不仅根据本节所述的方法确定液压缸有效面积a(或液压马达排量d)的最佳值，还涉及到密封、强度、摩擦阻力和安装结构等问题。
4.4反馈传感器的选择
根据检测的物理量，反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力(或压力)传感器。它们在不同类型的液压伺服系统中用作系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要取决于系统给定元件和反馈元件的精度，因此合理选择反馈传感器至关重要。
传感器的带宽一般应为控制系统带宽的5 ~ 10倍，以便为系统提供测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的带宽可以满足一般系统的要求，因此可以近似按比例考虑传感器的传递函数。
4.5确定系统框图
根据系统原理图和系统各环节的传递函数，可以形成系统的框图。根据系统的框图，可以直接写出系统的开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统的传递函数具有相同的结构形式，只要改变相应的符号即可。
4.6画出系统的开环波特图，确定开环增益。
这里系统的动力计算和分析采用频率法。首先，根据系统的传递函数，得到波特图。画伯德图时，需要确定系统的开环增益k。
当系统开环增益k改变时，开环波特图上的幅频曲线只增加或减少一个常数，曲线形状不变，其相频曲线也不变。波特图上幅频曲线的低频带、交叉频率和幅值增益裕度分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率和稳定性。因此，根据闭环系统所需的稳态精度、带宽和相对稳定性，可以在开环波特图上调整幅频曲线的位置，以获得适合闭环系统的K值。
4.6.1 K由系统的稳态精度要求决定。
根据控制原理，不同类型控制系统的稳态精度取决于系统的开环增益。因此，系统应该具有的开环增益k可以根据系统对稳态精度的要求和系统的类型来计算。
4.6.2 K由系统的带宽要求决定。
通过分析二阶或三阶系统的特性与伯德图的关系可知，当ζh和K/ωh较小时，可以近似认为系统的带宽等于开环对数幅度曲线的交叉频率，即ω-3dB≈ωc，因此可以画出对数幅频曲线，使ωc等于系统要求的ω-3dB值，如图39所示。k的值可以从这个图表中得到。
图39以ω-3dB绘制开环对数幅度-频率特性
a)0型系统；b)I型系统
4.6.3根据系统的相对稳定性确定K。
系统的相对稳定性可以用幅值裕度和相位裕度来表示。根据系统要求的幅值裕度和相位裕度，可以画出开环伯德图，也可以求出K。参见图40。
实际上，通过作图来确定系统的开环增益k，往往需要综合考虑并尽可能满足系统的几个主要性能指标。
4.7系统的静态和动态质量分析以及校正特性的确定
系统传递函数的参数确定后，可通过闭环伯德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算来检查系统的静态和动态指标及误差。如果设计的系统性能不满足要求，则应调整参数，重复上述计算或利用校正环节对系统进行补偿，改变系统的开环频率特性，直至满足系统要求。
4.8模拟分析
在系统的传递函数初步确定后，可以对系统进行计算机模拟，以得到最佳设计。目前有关于数字仿真的商业软件，比如Matlab软件，非常适合仿真分析。