1、力反饋二級(jí)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性分析摘要電液伺服閥是閉環(huán)控制系統(tǒng)中最重要的一種伺服控制元件， 它能將微弱的電 信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓信號(hào) （流量和壓力 ）。現(xiàn)在我們將電液伺服閥裝置中加上 一個(gè)具有力反饋?zhàn)饔玫目刂崎y， 這樣就得到了力反饋二級(jí)電液伺服閥。 此種伺服 閥不僅具有電液伺服閥的優(yōu)點(diǎn)， 還具有了閉環(huán)系統(tǒng)中的反饋功能， 使得閥體的反 應(yīng)速度更快，穩(wěn)定性更高，靈活性更強(qiáng)。用它作轉(zhuǎn)換元件組成的閉環(huán)系統(tǒng)稱為力反饋電液伺服系統(tǒng)。 力反饋電液伺服 系統(tǒng)用電信號(hào)作為控制信號(hào)和反饋信號(hào)，靈活、快速、方便；用液壓元件作執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，重量輕、慣量小、響應(yīng)快、精度高。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說，力反饋電液伺服閥 是信號(hào)轉(zhuǎn)換和

2、功率放大元件； 對(duì)系統(tǒng)中的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說， 力反饋電液伺服閥 是控制元件。 閥本身也是個(gè)多級(jí)放大的開環(huán)電液伺服系統(tǒng)， 提高了伺服閥的控制 性能。當(dāng)閥體中有流量和壓力的微小變化時(shí)， 就能準(zhǔn)確分析出閥體的工作狀況， 這 樣 我們就對(duì)閥體進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。關(guān)鍵詞： 力反饋，開環(huán)系統(tǒng)，電液伺服閥，動(dòng)態(tài)特性1 力反饋二級(jí)電液伺服系統(tǒng)的分類力反饋電液控制系統(tǒng)是電液伺服系統(tǒng)的一大類， 簡(jiǎn)稱為力控制系統(tǒng)。 按在工 程上的作用可以分為施力系統(tǒng)和加載系統(tǒng)兩類。施力系統(tǒng)或稱力控制系統(tǒng)主要是對(duì)靜止構(gòu)件施以一定規(guī)律或是隨機(jī)的外力。 按其輸出量的不同， 可以分為驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)和負(fù)載力的控制系統(tǒng)。 加載控制系 統(tǒng)是對(duì)某

3、些運(yùn)動(dòng)構(gòu)件施以一定規(guī)律的載荷。 一般，所加載荷與構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)量有關(guān)。 按其加載工作方式不同，可以分為加載式加載系統(tǒng)和阻力式加載系統(tǒng)。2 施力系統(tǒng)中力反饋二級(jí)電液伺服閥得特性分析圖12.1特性方程與傳遞函數(shù)圖1是在施力系統(tǒng)中的力反饋二級(jí)電液伺服閥，下面我們對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行分 析。參考上圖，借用閥控系統(tǒng)的分析結(jié)果有：KqXA呱 KPlqdt 2卩 dt或者KqX AsY (Vos Km) Pl20由于力傳感器裝在施力桿端(不計(jì)施力桿和構(gòu)件支承的結(jié)構(gòu)柔度)，活塞桿上受力即是驅(qū)動(dòng)力?；钊狭ζ胶馐綖椋?APl =Fl =(ms Bs Ck)Y Ff輸入一反饋比較方程式為： e=ej-KfFL式中X v伺服閥

4、主閥芯位移量；K f 力反饋系數(shù)；K l 桿端負(fù)載力(驅(qū)動(dòng)力)。以上三個(gè)公式聯(lián)立可以得到以下方塊圖 2圖2將XVFL的部分整理為：1 2Fl(S)Kq-(ms Bs Ck)AXv(S)mVos3(mKm 亠 BV。)s2 亠(V°Ck 亠 BKm 斗、一 CmS ()s (2 l)s2B AA2B A2B A A其分母多項(xiàng)式與帶彈性負(fù)載的閥控位置系統(tǒng)的相應(yīng)傳遞函數(shù)式一樣，傳遞函數(shù)中多了一對(duì)零點(diǎn)。mVoV°Ck2A只不過系統(tǒng)與閥控位置系統(tǒng)分析一樣，在CkmKm)21條件下，分母多項(xiàng)式分解為二個(gè)因子，并將KALm2 -代入，整理的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函2s2匸LKaKsgW/(S)Kq

5、(2 LS 1)GH _Km 3l3lKf A數(shù):Km£ 1)(篤s 1)3r3030式中 Kvf二KaKsygKf A/心一一力控制系統(tǒng)的開環(huán)增益;K 亠|Km=Lm，系統(tǒng)泄漏系數(shù)23 LKm Ck K 0CjD r 2A (CkKo)開環(huán)伯德圖如圖3圖3假設(shè)伺服閥為慣性環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)折頻率為CD bo2.2特性分析(1) 與帶彈性負(fù)載的閥控位置控制系統(tǒng)一樣“ 0”型系統(tǒng)。(2) 彈性負(fù)載剛度Ck對(duì)系統(tǒng)影響很大，在開環(huán)傳遞函數(shù)中，執(zhí)行部分特性 的所有參數(shù)均與Ck有關(guān)。從伯德圖中可以看出，d L越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好， 而且，d L越大，越能夠提高系統(tǒng)的穿越頻率，提高系統(tǒng)的快速性。因此，C

6、k大， 有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，Ck小則不利。如果Ck是變化的，應(yīng)當(dāng)在Ck 最小時(shí)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3) Kvf中含有壓力靈敏度Kp, Kp值較大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。而加大系統(tǒng) 漏損數(shù)Km能使d r、Zo提高，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。為了加大Km可以增加油缸的漏損和加大伺服閥的流量壓力系數(shù)Kl，或另開漏損通道。提高KI的辦法有：(i)采用正開口閥；(ii )采用壓力反饋式電液伺服閥;(iii )是工作壓力PI接近油源壓力Ps,即采用大規(guī)模流量伺服閥。在這種高 壓小流量工作狀態(tài)下，大規(guī)格伺服閥的 KI較大。(4) 力控制系統(tǒng)一般不采用PI < 23Ps的限制，而是相反，在閥流量允許的 情況

7、下，使PI接近Pso這樣做有幾點(diǎn)好處：(i )使閥工作點(diǎn)處的KI較大。(ii ) 油缸面積A較小，所需油源泵流量較少；(iii )有利于提高系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬。(5) 伺服閥的傳遞函數(shù)影響力控制系統(tǒng)的特性。一般，希望伺服閥能考慮為 慣性或比例環(huán)節(jié)。這樣對(duì)系統(tǒng)有利。圖4(6) 按照?qǐng)D3的分析，在s 0b條件下，可以導(dǎo)出一個(gè)力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。參考圖4,。按穩(wěn)定性有空 ，則3c乞2 oY，且=Kvf，或 s c 2-0® r-'r Kvf，又因o'L2-,貝r -,故有.'1- '0整理為2K .： K。. A B K。BV。KoKm_Ck Ko mKmK

8、o Ck Ko 2 mKmK KsyKqKf A二-y qCk K0 mK0K°Km VoB_ Ck Ko 2m(7) 為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少或消除負(fù)載因素Ck變化的影響，可以采用 結(jié)構(gòu)不變性原理，設(shè)置觀測(cè)器的正反饋環(huán)，消除圖 2的內(nèi)環(huán)的影響。3電液加載系統(tǒng)中力反饋二級(jí)電液伺服閥的分析加載系統(tǒng)或稱負(fù)反饋模擬系統(tǒng)，是工作系統(tǒng)的模擬負(fù)載。電液加載系統(tǒng)一般用電液伺服伺服閥控液壓工來實(shí)現(xiàn)； 也可以用各種電液壓 力閥，主要利用阻力原理來實(shí)現(xiàn)。暫且把前者稱為加載式加載系統(tǒng)， 建成加載系 統(tǒng)；把后者成為阻力式加載系統(tǒng)或稱阻力系統(tǒng)。加載系統(tǒng)利用改變流入加載腔的流量控制加載腔的壓力來實(shí)現(xiàn)加載。但

9、是，加載系統(tǒng)中的控制流量會(huì)受工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，產(chǎn)生“多余力”。因?yàn)榭刂屏髁亢茈y完全與工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致， 不一致時(shí)，工作機(jī)的運(yùn)動(dòng)會(huì)附加地壓縮 或膨脹加載腔中的液壓油，產(chǎn)生正或負(fù)的多余力。因此，加載系統(tǒng)要提高快速響 應(yīng)能力，消除“多余力”。阻力加載系統(tǒng)靠調(diào)節(jié)加載腔中的液體流動(dòng)的阻力，利用壓力閥恒定壓力不隨 流量而變化的特點(diǎn)來對(duì)系統(tǒng)加載，不存在“多余力”問題。然而，目前壓力閥的 精確響應(yīng)能力有限，阻力加載的能力也受到一定限制。3.1加載式加載系統(tǒng)的的特性分析指令| mm |J"y |伺服閥|工作缸系統(tǒng)加載缸果統(tǒng)圖5考慮加載系統(tǒng)中XvFl的部分，其余與前述力控制系統(tǒng)相同。不考慮傳 感

10、器和連接結(jié)構(gòu)的柔性，不計(jì)干擾力，有前式可得KqXv = ASY (尹心肌對(duì)加載桿端的力平衡方程為APl = Fk =ms Y +(Bs+Ck)(Y -丫。)=(ms +Bs + Ck Y (Bs + Ck Yo工作桿端的負(fù)載力為Fl =Bs(Y Y。)Ck(Y -丫。)=(Bs Ck )(Y - Y。)= (Bs Ck)Y -(Bs Ck )Y。2并有Fl二Fk -ms Y,且由上式得F k CkYo2 ms Bs Ck(BCk)FK (Bs ck )Y02ms Bs Ck由上式可得2VoKqAXv 二 AY js Km)FKKqAXv2二 A s(FK CkY)(獸 s Km)FK2ms B

11、s CkVoCk s (尹 Km)(二蘭s 1)CkCk CkBs 1CkFkm 2sCk2A sYoCk簡(jiǎn)化可得YoFl =(Bs Ck)Y-(Bs Ck)Yo(BCk)Ck(1 G)CkYo輸入與反饋比較方程，若傳感器檢測(cè)為Fk,則則方塊圖如圖6開環(huán)傳遞函數(shù)為GH 二 KaGKqAKfVom 32 S2 AKaKsyKqAKf 乞(衛(wèi) s2 y q a CkmKm BV0 2VoCkBKm(FRs(2 F 1)sA 2 A2 A ACk Km2AA S22 巴KaKsyKqKf( 2 LS 1)KmLSS2_(i)rS 1)rj'0與驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)的公式完全相同。穩(wěn)定性的特點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中分析一致。從圖6中可得出，系統(tǒng)的輸出力Fl或Fk都受到工作桿運(yùn)動(dòng)量y0的影響。由圖6可以得到總輸出為Fk2=(q -KfFJKaKsyKqAG -sYo整理可得2Ka KsyKqAGq A sY0 F KM - KGm2 B2KaKsyKqA(ss 1)eAs旳C k C kCk A(co1)(篤 J s 1) K (字 s2Bs 1)A , m 2 B 八KaKsyKq(ss 1)ei -Km CKCKKms s 2 om2 B(1)(r os 1) K