第１章緒論１.１液壓控制系統(tǒng)的基本原理及特點(diǎn)１.２液壓控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)１.３液壓控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用１.４液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真返回１.１液壓控制系統(tǒng)的基本原理及特點(diǎn)１.１.１液壓控制系統(tǒng)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)均以油液為介質(zhì),屬于液壓系統(tǒng)范疇,但是二者在工作任務(wù)、控制原理、控制元件、控制功能和性能要求等諸多方面存在差異,二者工作特點(diǎn)的比較如表１.１所示.１.１.２工作原理液壓控制系統(tǒng),也稱(chēng)為液壓伺服系統(tǒng)或液壓隨動(dòng)系統(tǒng),是采用液壓元件作為控制和執(zhí)行元件,用液壓油作為能量傳遞工作介質(zhì)的一種反饋控制系統(tǒng).在液壓控制系統(tǒng)中,液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)即系統(tǒng)輸出(包括位移、速度、加速度和力等),通過(guò)反饋元件傳遞給控制器,根據(jù)誤差大小調(diào)節(jié)控制元件的輸入信號(hào),使系統(tǒng)輸出能夠自動(dòng)、快速和精確地跟蹤系統(tǒng)輸入指令.下一頁(yè)返回１.１液壓控制系統(tǒng)的基本原理及特點(diǎn)圖１.１所示為某液壓位置控制系統(tǒng)的原理,液壓源為滑閥提供一定壓力和流量的液壓油,滑閥是液壓放大元件,將電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的小功率機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率液壓信號(hào),控制液壓缸運(yùn)動(dòng),位移傳感器將液壓缸活塞位移量反饋給控制器,構(gòu)成了反饋控制.下面以此為例進(jìn)一步說(shuō)明液壓控制系統(tǒng)的控制原理.根據(jù)上述原理分析,液壓控制系統(tǒng)一般具有以下特征:(１)以液壓為能源,具有功率放大和能量轉(zhuǎn)換的作用;(２)液壓控制系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng),根據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行控制;(３)液壓控制系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),即隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng).上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１液壓控制系統(tǒng)的基本原理及特點(diǎn)１.１.３液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)與其他控制系統(tǒng)(電動(dòng)控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng))相比,液壓控制系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)勢(shì).(１)單位功率的質(zhì)量輕,力矩質(zhì)量比大.由于液壓元件功率質(zhì)量比大,故可以組成結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、慣量小的控制系統(tǒng),對(duì)于中、大功率的控制系統(tǒng),這一優(yōu)點(diǎn)尤為突出.(２)負(fù)載剛度大,控制精度高.由于液壓控制系統(tǒng)所用的介質(zhì)———液壓油體積彈性模量大,壓縮性和泄漏量很小,故液壓動(dòng)力元件的速度剛度大,組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)剛度也大,控制精度高,定位準(zhǔn)確,不易受外界擾動(dòng).上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１液壓控制系統(tǒng)的基本原理及特點(diǎn)(３)快速性好,動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異.液壓彈簧剛度大,它與慣性負(fù)載構(gòu)成的液壓系統(tǒng)的固有頻率高,使液壓控制系統(tǒng)頻帶寬、響應(yīng)快,非常適用于對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求較高的控制場(chǎng)合.(４)易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng).以閥控缸為動(dòng)力元件的液壓控制系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)負(fù)載的直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳動(dòng)效率高.此外,液壓控制系統(tǒng)還具有液壓系統(tǒng)的通用優(yōu)點(diǎn),例如,系統(tǒng)潤(rùn)滑性能好,利于散熱和延長(zhǎng)使用壽命;利用蓄能器易于實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)及壓力消振.上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１液壓控制系統(tǒng)的基本原理及特點(diǎn)但是,液壓控制系統(tǒng)還存在以下缺點(diǎn),從而限制了它在一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用.(１)對(duì)工作介質(zhì)的清潔度要求高.液壓控制元件的抗污染能力差,污染的油液會(huì)使閥磨損加劇并降低其性能,甚至被堵塞而不能工作,這是液壓控制系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因.(２)工作穩(wěn)定性易受溫度影響.液體黏度受溫度影響大,其變化直接影響系統(tǒng)阻尼,因此液壓控制系統(tǒng)的性能對(duì)溫度比較敏感,不宜在過(guò)高溫度或過(guò)低溫度下工作.(３)制造精度高,經(jīng)濟(jì)性差.液壓控制元件的加工制造精度要求較高,這就直接提高了系統(tǒng)成本,使得構(gòu)建液壓控制系統(tǒng)的投入較大.(４)能源供給不方便.液壓能源不像電能可以長(zhǎng)距離輸送,而需要配備專(zhuān)用的液壓能源裝置,這進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的制造成本,并引入了較大噪聲.上一頁(yè)返回１.２液壓控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)１.２.１液壓控制系統(tǒng)的組成液壓控制系統(tǒng)的組成如圖１.２所示,它通常由指令裝置、控制器、液壓源、電機(jī)械轉(zhuǎn)換器、放大元件、執(zhí)行元件、反饋傳感器及負(fù)載組成.下面簡(jiǎn)單介紹各組成元件的作用.(１)指令裝置:通過(guò)總線、網(wǎng)絡(luò)或模擬量傳輸指令控制信號(hào),常用的指令裝置有數(shù)字計(jì)算機(jī)、電位計(jì).(２)控制器:將指令信號(hào)和反饋信號(hào)按照一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算,輸出電控信號(hào),PID為最常用的控制算法.控制器按照類(lèi)型分為數(shù)字控制器和模擬控制器.(３)液壓源:為放大元件提供具有一定壓力和流量的液壓油.(４)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器:將控制器產(chǎn)生的電控信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,驅(qū)動(dòng)放大元件工作.下一頁(yè)返回１.２液壓控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)(５)放大元件:將小功率機(jī)械能轉(zhuǎn)換為大功率液壓能,控制輸出的壓力和流量,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng).(６)執(zhí)行元件:直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng),如液壓缸驅(qū)動(dòng)負(fù)載線性運(yùn)動(dòng),液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).(７)反饋傳感器:檢測(cè)負(fù)載的被控制量,如位移、速度、加速度和力等,為控制器輸出反饋信號(hào).(８)負(fù)載:被控對(duì)象,它是與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件連接并一起運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或裝置.上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.２液壓控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)１.２.２液壓控制系統(tǒng)的分類(lèi)液壓控制系統(tǒng)種類(lèi)繁雜,可按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分.１)按能量轉(zhuǎn)換的形式分類(lèi)(１)機(jī)械液壓控制系統(tǒng),即機(jī)液控制系統(tǒng).(２)電氣液壓控制系統(tǒng),即電液控制系統(tǒng).(３)氣動(dòng)液壓控制系統(tǒng),即氣液控制系統(tǒng).(４)機(jī)、電、氣、液混合控制系統(tǒng).上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.２液壓控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)２)按控制元件的類(lèi)型分類(lèi)(１)閥控系統(tǒng),即節(jié)流式控制系統(tǒng),利用節(jié)流原理控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).它具有動(dòng)態(tài)特性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn),但是效率較低,系統(tǒng)溫升快.(２)泵控系統(tǒng),即容積式控制系統(tǒng),通過(guò)改變液壓泵排量或轉(zhuǎn)速來(lái)控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).它一般無(wú)節(jié)流損失,具有節(jié)能高效的優(yōu)勢(shì),但是動(dòng)態(tài)特性差、控制精度低.上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.２液壓控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)３)按被控物理量分類(lèi)(１)位置(或轉(zhuǎn)角)控制系統(tǒng).(２)速度(或轉(zhuǎn)速)控制系統(tǒng).(３)加速度(或角加速度)控制系統(tǒng).(４)力(或力矩)控制系統(tǒng).(５)其他控制系統(tǒng)(如溫度、壓力控制系統(tǒng)等).４)按輸入信號(hào)的變化規(guī)律分類(lèi)(１)伺服控制系統(tǒng),也稱(chēng)為隨動(dòng)系統(tǒng),輸入信號(hào)是時(shí)變函數(shù),要求系統(tǒng)輸出能以一定的控制精度跟隨輸入信號(hào)變化.(２)定值控制系統(tǒng),輸入函數(shù)是不隨時(shí)間變化的常數(shù),要求其在外部干擾作用下,能以一定的控制精度將系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在期望值上.上一頁(yè)返回１.３液壓控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用１.３.１液壓控制技術(shù)的發(fā)展液壓控制技術(shù)融合了液壓技術(shù)和控制技術(shù),它不僅是早已成熟的液壓傳動(dòng)技術(shù)的新發(fā)展,而且在自動(dòng)控制領(lǐng)域占有重要地位.１７世紀(jì)中葉,帕斯卡(Pascal)提出了著名的液體靜壓傳動(dòng)定律,奠定了液壓技術(shù)的理論基礎(chǔ).技術(shù)進(jìn)步的需求是液壓控制理論發(fā)展的推動(dòng)力,而軍事刺激使液壓控制技術(shù)得到迅猛發(fā)展,它首先應(yīng)用在大功率、高精度和快響應(yīng)的武器裝備上,然后轉(zhuǎn)入民用,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展與應(yīng)用.下一頁(yè)返回１.３液壓控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用機(jī)液控制系統(tǒng)是出現(xiàn)較早的液壓控制方式,它作為操舵裝置,早在第一次世界大戰(zhàn)前就已應(yīng)用于艦艇和飛機(jī)中.１９４０年,在戰(zhàn)機(jī)上首次出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng),使用伺服電動(dòng)機(jī)作為電機(jī)械轉(zhuǎn)換器.２０世紀(jì)５０年代初出現(xiàn)了快速響應(yīng)的永磁力矩馬達(dá),它與滑閥結(jié)合后形成了電液伺服閥;２０世紀(jì)５０年代末又出現(xiàn)了以噴嘴擋板為先導(dǎo)級(jí)的電液伺服閥,進(jìn)一步提高了控制性能;其后,各種新型結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼問(wèn)世,且性能日益優(yōu)越.電液控制技術(shù)已經(jīng)逐漸在液壓控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位.上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.３液壓控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為了與最新技術(shù)的發(fā)展保持同步,液壓控制技術(shù)必須不斷發(fā)展和創(chuàng)新.目前,電液控制技術(shù)與現(xiàn)代微電子、計(jì)算機(jī)、傳感器和控制理論相結(jié)合,形成了電液伺服控制技術(shù)、電液比例控制技術(shù)和電液數(shù)字控制技術(shù),這構(gòu)成了現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的主干體系,并且將繼續(xù)朝著高壓化、集成化、輕量化、數(shù)字化、智能化、節(jié)能降耗和綠色環(huán)保的方向持續(xù)發(fā)展.１.３.２液壓控制技術(shù)的應(yīng)用液壓控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備和裝置中的基本技術(shù)構(gòu)成、現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)要素、工業(yè)及國(guó)防自動(dòng)化的重要手段,應(yīng)用液壓控制技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志.上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.３液壓控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用在國(guó)防軍事領(lǐng)域,導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)的調(diào)平與起豎系統(tǒng)、裝甲武器的穩(wěn)定與操縱系統(tǒng)、自走式武器的驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、戰(zhàn)斗機(jī)的舵面控制系統(tǒng)、航母艦載機(jī)的彈射與攔阻系統(tǒng)等都廣泛應(yīng)用了液壓控制技術(shù),如圖１.３所示.在民用工業(yè)領(lǐng)域,工程機(jī)械、醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)模擬器、數(shù)控機(jī)床、仿生機(jī)器人、鋼鐵冶金等行業(yè)均大量采用了液壓控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)大功率、高精度和快響應(yīng)的控制過(guò)程,如圖１.４所示.上一頁(yè)返回１.４液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真１.４.１液壓控制系統(tǒng)的建模液壓控制系統(tǒng)的分析與研究不僅需要定性地了解系統(tǒng)的工作原理與特性,還需要定量地描繪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,即建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.液壓控制系統(tǒng)中的各個(gè)變量隨時(shí)間而變化,其數(shù)學(xué)模型不僅包括變量本身,還包含這些變量的各階導(dǎo)數(shù).因此,微分方程是描繪液壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能數(shù)學(xué)模型的基本形式.液壓控制系統(tǒng)建模的方法有分析法和實(shí)驗(yàn)法.分析法,即解析法,是根據(jù)系統(tǒng)工作機(jī)理,從物理規(guī)律出發(fā)建立數(shù)學(xué)模型;實(shí)驗(yàn)法,即黑箱法,是對(duì)系統(tǒng)加入一定規(guī)律的輸入信號(hào),根據(jù)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)建立數(shù)學(xué)模型.本書(shū)從工程應(yīng)用出發(fā),忽略次要因素,在模型準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)化性上折中,采用分析法建立液壓控制元件及系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.下一頁(yè)返回１.４液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真常用的數(shù)學(xué)模型有時(shí)域模型、復(fù)數(shù)域模型和頻域模型.時(shí)域模型包括微分方程、差分方程和狀態(tài)方程,是在時(shí)間域內(nèi)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行描繪;復(fù)數(shù)域模型包括傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖,不僅表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,而且可以研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響;頻域模型主要描繪系統(tǒng)的頻率特性,具有明確的物理意義,可以用實(shí)驗(yàn)方法確定.本書(shū)采用經(jīng)典的傳遞函數(shù)描繪液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,其建?？砂匆韵虏襟E進(jìn)行.(１)確定系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系.(２)按信號(hào)傳遞順序或工作機(jī)理,將系統(tǒng)劃分為若干模塊,確定各模塊的輸入輸出關(guān)系.(３)根據(jù)物理學(xué)定律,建立各模塊的原始方程,并進(jìn)行線性化.(４)對(duì)線性化方程進(jìn)行拉普拉斯變換,消除中間變量,得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù).上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.４液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真１.４.２液壓控制系統(tǒng)的仿真液壓仿真技術(shù)作為液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的必要手段,從誕生至今,已經(jīng)有４０多年的歷史.美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)在１９７３年,首先研制出直接面向液壓技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)用液壓仿真軟件Hydsim.隨著流體力學(xué)、現(xiàn)代控制理論、算法理論、可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn),液壓仿真技術(shù)也逐漸成熟,日益成為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的有力工具.液壓控制系統(tǒng)在AMESim.中仿真,要經(jīng)歷創(chuàng)建草圖、更改元件和連接子模型、設(shè)置子模型參數(shù)、運(yùn)行仿真４個(gè)步驟,每個(gè)步驟分別在AMESim.的Sketchmode.(草圖模式)、Submodelmode.(子模型模式)、Parametermode.(參數(shù)模式)和Simulationmode.(仿真模式)這４種工作模式下執(zhí)行.上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.４液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真(１)草圖模式.在草圖模式下,可以創(chuàng)建一個(gè)新系統(tǒng)、修改或完成一個(gè)已經(jīng)存在的系統(tǒng)及增加或刪除液壓元件的子模型.其中,子模型即元件的數(shù)學(xué)模型.在草圖模式下建立的液壓挖掘機(jī)模型如圖１.５所示.(２)子模型模式.搭建完成系統(tǒng)后,可以進(jìn)入子