1、第10章 液壓伺服系統液壓伺服系統是采用液壓控制元件和液壓執行機構，根據液壓傳動原理建立起來的對位移、速度、力等物理量進行控制的伺服系統。在這一系統中，液壓執行機構能以一定精度自動地隨著輸入信號的變化規律動作，以達到自動控制的目的，所以又稱液壓隨動系統。液壓伺服系統包括機液伺服系統和電液伺服系統兩大類，它們除具有液壓傳動的優點外，還有響應快、系統剛性大、伺服精度高等特點，在機械、冶金、化工、航空和航天等工業部門中得到廣泛的應用。10.1 液壓伺服控制系統概述10.1.1液壓伺服系統工作原理圖10-1為液壓傳動系統，采用節流調速。調定節流閥開口量，液壓缸就以某一調定速度運動。但負載、油溫發生變化

2、時，這種系統就無法保證以原有速度運動，故調速精度低，也不能滿足自動連續調速的要求。 圖10-1 圖10-2 閥控油缸閉環控制系統原理圖1一齒條 2一齒輪 3一測速發電機 4一給定電位計5一放大器 6一電液伺服閥 7一油缸 為了提高系統的控制精度和連續調速，采用圖10-2所示的液壓伺服系統。該系統不僅使液壓缸速度能任意地連續調節，且在外界干擾很大、速度變化很快時，仍能使速度與設定值十分接近，它具有高的控制精度和快的響應特性。 系統的工作原理如下：在某穩定狀態下，液壓缸速度由測速裝置測得(齒條1、齒輪2、測速發電機3)并轉換為電壓ufo。與給定的輸入信號電壓ugo(電位計4)通過比較元件進行比較。

3、其差值ue0ug0uf0經放大器放大后，以電流i0輸入電液伺服閥6。電液伺服閥按輸入電流的大小和方向自動調節滑閥的移動方向和開口大小，控制輸出壓力油液的方向和流量，液壓缸獲得沿某一方向運動的速度v0，若由于干擾引起速度增大，則測速裝置的輸出電壓uf增大，通過比較元件輸出的差值電壓uc相應減小，通過放大器使電液伺服閥開口相應減小，液壓缸速度降低，直到vv0，自動調節過程結束。按照同樣原理，當輸入信號電壓連續變化，液壓缸速度也隨之連續地按同樣規律變化，即輸出自動跟蹤輸入。10.1.2液壓伺服系統的特點 液壓伺服系統一般由輸入元件、檢測反饋元件、比較元件、放大轉換元件、液壓執行元件及控制對象等組成。

4、它具有如下一些特點： 1) 在系統的輸出和輸入之間存在反饋連接，從而組成閉環控制系統。在本系統中反饋裝置是齒輪，齒條和測速發電機。 2) 系統的主反饋是負反饋，即反饋信號與輸入信號相反，兩者相比較得出偏差信號，該偏差信號控制液壓能源輸入到液壓執行元件的能量，使其向減小偏差的方向運動，即以偏差來消除偏差。 3) 系統輸入信號的功率很小，而系統輸出功率可以達到很大，因此它是一個功率放大裝置。功率放大所需的能量由液壓能源供給。 可見，液壓伺服系統就是液壓流體動力的反饋控制系統。10.1.3 液壓伺服系統的分類 液壓伺服系統可以從不同的角度分類，每一種分類方法都代表系統一定的特點。 按控制元件的種類和

5、驅動方式分為：節流式控制(閥控式)系統和容積式控制(泵控式)系統兩類。其中閥控系統又可分為閥控液壓缸系統和閥控液壓馬達系統兩類；容積控制系統又可分為伺服變量泵系統和伺服變量馬達系統兩類廣， 按控制信號的類別分為：機液、電液和氣液伺服系統三類。按系統輸出量的名稱分為：位置控制、速度控制、加速度控制、力控制和其它物理量控制系統等。10.2 液壓伺服閥放大轉換元件是液壓伺服系統中的一種主要控制元件，它把輸入的機械信號(位移或轉角)轉換為液壓信號(流量、壓力)輸出，并進行功率放大。它們的性能直接影響到液壓伺服系統的工作品質。液壓放大元件可以是液壓控制閥或伺服變量泵。液壓控制閥包括液壓伺服閥和電液伺服閥

6、。液壓伺服閥是液壓伺服系統中機、液兩部分之間的轉換元件，它控制著輸送到執行元件中去的流量和壓力。電液伺服閥是電液伺服系統中的核心元件。它在系統中將輸入的小功率電信號轉換為大功率的液壓能(壓力與流量)輸出，既是電液轉換元件，又是功率放大元件。下面分別對液壓伺服閥和電液伺服閥的性能進行介紹。10.2.1液壓伺服閥圖10-3 單邊、雙邊和四邊滑閥 液壓伺服閥的結構形式有；滑閥、射流管閥和噴咀擋板閥三種。其中滑閥式控制性能好，在液壓伺服系統中應用最為廣泛。 1. 滑閥的結構形式 根據滑閥上控制邊數(起控制作用的閥口數)的不同，有單邊滑閥(圖10-3d)、雙邊滑閥(圖10-3b)和四邊滑閥(圖10-3c

7、)。四邊滑閥控制性能最好，雙邊滑閥居中，單邊滑閥最差。但四邊滑閥結構工藝復雜、成本高，單邊滑閥比較容易加工、成本低。四邊滑閥根據在平衡狀態時閥口初始開口量的不同，有正開口(負重疊)、零開口(零重疊)和負開口(正重疊)，如圖10-4所示。閥的開口形式對其特性有很大影響，零開口閥的特性好，應用最廣泛。上面所述的是滑閥，閥芯是作直線移動的，還有一種閥芯作旋轉運動的，稱為轉閥，它的工作原理和滑閥類似。 2. 伺服閥的特性伺服閥的特性(即流量一壓力特性)是指穩態情況下，閥的負載流量QL、負載壓降PL和滑閥位移xv三者之間的關系，QLf (pl，xv)。它表示滑閥本身的工作能力和性能，對液壓伺服系統的動靜

8、態特性計算具有重要意義。現以圖10-5所示理想零開口四邊滑閥為例，假定閥口槽邊鋒利，無泄漏，油源壓力穩定，油液是理想流體。當閥芯向右移動xv時，伺服閥在進油，、回油路上各有一個節流口，進油口處壓力從Pp降到p1，回油口處壓力從p2降到零。油液流量連續方程為QpQlQLQ3式中，Qp，Ql為在負載下通過伺服閥和通向液壓缸的流量；Ql、Q3為通過閥口1、3的流量，其流量方程為 圖10-4 閥的開口型式 圖10-5 零開口伺服閥計算簡圖式中A1、A3為閥口1、3處的通流截面積，一般伺服閥的控制口多是配作且對稱，若閥口是理想的矩形閥口，則有A1=A3=wxv (式中w為閥口沿圓周方向的寬度，稱為閥的面

9、積梯度；xv為閥的開度)。負載壓降，由上各式可得，并有 (10-1) 上式即為匹配和對稱的、且為矩形閥口的理想零開口四邊滑閥的流量一壓力特性方程。 3. 伺服閥的特性系數由式(10-1)可見閥的流量一壓力特性是非線性的，采用線性化理論對系統進行動態分析時，必須把這個方程線性化。以增量形式表示的線性化表達式為或 (10-2)式中，稱為閥的流量放大系數，或流量增益。它是流量曲線在某一點的切線斜率，流量增益表示負載壓降一定時，閥單位輸入位移所引起的負載流量變化的大小，流量增益越大，閥對負載流量的控制越靈敏，稱為流量一壓力系數。它是流量一壓力曲線的切線斜率冠以負號。因是負的，冠以負號后使得Kc為正值。

10、它表示開度一定時，負載壓降變化所引起的負載流量變化的大小。 另外，定義Kp稱為壓力增益，或壓力靈敏度。通常，壓力增益指QL0時，閥單位輸入位移所引起的負載壓力變化的大小。因為所以有Kp=Kq/Kc 流量一壓力的線性化方程，適用于不同結構形式的閥，但不同的閥其閥系數是不同的。對理想另開口四邊閥來說，根據式(10-1)，有 (10-3a) (10-3b) (10-3c) 上述閥的三個系數是表征閥靜特性的性能參數，這些系數在確定系統的穩定性、響應特性時是非常重要的。 閥系數的數值隨工作點的變化而變化。最重要的工作點是流量一壓力曲線的原點(即在QL=pL=xv=0處)，因為系統經常在原點附近工作，而此

11、處Kq最大，系統增益最高；Kc最小，阻尼最低。因此，從穩定性的觀點看，如果一個系統在這一點是穩定的，則在其它各個工作點也是穩定的。在原點附近的閥系數稱為零位閥系數，理想零開口四邊閥的零位閥系數由式(10-3)有 (10-4) 由上可知，在恒壓油源情況下，Kqo僅與幾何尺寸w有關，計算所得的值與實際情況相符。但Kco和Kpo的計算值與實驗值卻相差很大，這是由于實際的閥都有徑向間隙，閥內部有泄漏，實際的Kco和Kcp可按下式計算恒壓油源供油時，當閥處于中位系統不工作而需要液流循環散熱的場合，或者在恒流量油源供油時，必須采用正開口閥。可采用與零開口閥相同方法分析正開口四邊滑閥的特性，詳細推導可參看相

12、關文獻。10.2.2 電液伺服閥 電液伺眼閥既是電液轉換元件，又是功率放大元件。它能將小功率的電信號輸入轉換為大功率的液壓能(流量與壓力)輸出。它是電液伺服系統的核心，它的性能直接影響整個系統的性能。 電液伺服閥的類型和結構形式很多，但都是由電氣機械轉換器和液壓放大器所組成；電氣機械轉換器的作用是將電信號轉換成力或力矩，再通過機構、彈簧等轉換成位移，常用的有動圈式力馬達和銜鐵式力矩馬達兩種型式。液壓放大器的作用是由閥的運動來控制液壓流體動力(流量和壓力)，放大器有一級、二級和三級閥，閥的結構形式有噴咀擋板閥和滑閥。現對目前廣泛應用的力反饋二級電液伺服閥進行分析。 1. 電液伺服閥的結構和工作原

13、理圖106所示，為力反饋二級電液伺服閥的結構原理圖。它由電磁和液壓兩部分組成。電磁部分是永磁式力矩馬達，由永久磁鐵1、導磁體2、銜鐵3、控制線圈4和彈簧管5所組成。液壓部分是結構對稱的兩級液壓放大器，前置級是雙噴咀擋板閥6，功率級是四通滑閥7。滑閥通過反饋桿與銜鐵擋板組件相連。圖10-6 QDY電液伺服閥原理圖1一永久磁鐵 2一導磁體 3一銜鐵 4一線圈5一彈簧管 6一噴嘴 7一滑閥 8一固定節流孔 力矩馬達把輸入的電信號(電流)轉換為力矩輸出。無信號電流時，銜鐵由彈簧管支承在上下導磁體的中間位置，永久磁鐵在四個氣隙中產生的極化磁通是相同的，力矩馬達無力矩輸出。此時，擋板處于兩個噴咀的中間位置

14、，兩個噴咀與擋板間的節流阻力相同，因此，噴咀擋閥輸出的控制壓力p1p=p2p，滑閥在反饋桿小球的約束下也處于中間位置，閥無液壓能(流量、壓力)輸出。若有信號電流輸入時，控制線圈產生控制磁通，其大小與方向由信號電流所決定，在永久磁鐵形成的磁場作用下，在銜鐵上產生逆時針(或相反)方向的磁轉矩，使銜鐵繞彈簧管中心逆時針方向偏轉。同時，使擋板向右偏移，噴咀擋板的右間隙減小而左間隙增大，即使控制壓力p2pp1p，推動滑閥左移。同時反饋桿產生彈性變形，對銜鐵擋板組件產生一個順時針方向反力矩。當作用在銜鐵擋板組件上的磁力矩、彈簧管反力矩、反饋桿的彈性反力矩以及噴咀處的液壓力形成的力矩等作用下達到平衡時，滑閥

15、停止運動，取得一個子衡位置，使滑閥具有一定開口，并有相應的流量輸出。在負載壓降一定時，閥的輸出流量與信號電流成比例。當輸入信號電流反向時，閥的輸出流量也反向。所以，這是一種流量控制電液伺服閥。 由上可見，電液伺服閥中電磁部分的作用，是把輸入電流轉變成轉矩，使銜鐵偏轉，所以叫做力矩馬達。液壓部分中的噴咀擋板閥借助于檔板間隙的改變來使閥移動，滑閥的移動控制流體的流量，它們都是液壓放大器，前者稱為前置放大級，后者稱為功率放大級。另外，滑閥的最終位置是通過擋板彈性反作用力的反饋作用而達到平衡的，因此稱為力反饋伺服閥。 2. 電液伺服閥的基本特性 電液伺服閥是電液伺服系統中的關鍵元件，結構復雜而精密，它

16、和其他液壓元件相比，性能的技術要求嚴格得多。其基本靜態和動態特性對于設計、選用和評定伺服閥都是非常有用的。 1) 靜態特性 (1) 流量一壓力特性(負載流量特性) 伺服閥的流量一壓力曲線表示出穩定狀態下，輸入電流、負載流量和負載壓降三者之間的函數關系。如圖10-7所示。這些曲線主要用來確定伺服閥的類型和估計伺服閥的規格，以便與所要求的負載流量和負載壓力相匹配。 (2) 空載流量特性(流量增益特性) 如圖10-8所示。它是在給定的伺服閥壓降(通常為63105Nm-2)和負載壓降為零的條件下，使輸入電流在正、負額定電流值之間作一完整的循環而繪制的曲線。由此曲線可以得到以下參數：額定流量、流量增益、

17、滯環、非線性度、不對稱度和零偏等。 額定流量：在額定電流和規定的閥壓降下所測得的流量。流量增益：流量曲線回環的中點軌跡線稱為名義流量曲線，它是無滯環流量曲線。流量曲線上某點或某段的斜率就是閥在該點或區段的流量增益。 圖10-7 伺服閥的壓力-流量曲線 圖10-8 流量曲線、額定流量、零偏、滯環 (3) 壓力特性 如圖10-9所示。它是輸出流量為零(將兩個負載口堵死)時，輸入電流在正負額定電流之間變化一個完整周期后負載壓力的變化曲線。壓力特性曲線上某點或某段的斜率即為壓力增益。這條曲線應具有很陡的斜率，并且當信號電流為全行程電流的一部分時，壓力就很快達到飽和。伺服閥的壓力增益越高，伺服系統的剛度

18、越大，克服外負載能力越強，從而系統的誤差越小。壓力增益低表示零位泄漏量大，閥芯和閥套配合不好，從而使伺服系統的響應變得緩慢而遲鈍。 圖10-9 壓力特性曲線 圖l0-10 靜耗流量 (4) 泄漏特性如圖10-10所示。泄漏流量是輸出流量為零(負載通道關閉)時，由回油口流出的內部泄漏流量。泄漏流量隨輸入電流變化而變化，當閥處于零位時為最大值。 2) 動態特性伺服閥的動特性，可用傳遞函數和頻率特性來表示如圖10-6所示的力反饋二級電液伺服閥的傳遞函數可近似地寫成 (10-5a) 或 (10-5b)式中，KsV為電液伺服閥增益，；Q0為空載流量；I0為額定電流；wsv為電液伺服閥的固有頻率；為電液伺

19、服閥的阻尼比；為電液伺服閥的時間常數。以上參數均可在電液伺服閥產品樣本中查出。在電掖伺服系統的動態計算中，當系統執行元件的固有頻率較高時(50Hz以上)可用式(10-5a)計算；當系統固有頻率較低時(50Hz以下)，用式(10-5b)計算。即是說，當電液伺服閥對系統的動態特性影響較大時，可以近似地把它看戚為一個振蕩環節，影響較小時可以近似地把它看成為是一個慣性環節。 電液伺服閥的動態特性一般用頻率響應和瞬態響應來表示。 (1) 頻率響應 電液伺服閥的頻率響應是輸入電流在某一頻率范圍內作等幅正弦變化時，空載流量與輸入電流的復數比。頻率響應用幅值比(dB)和相頻滯后(度)與頻率的關系表示。見圖10

20、-11。圖10-11 頻率響應、幅頻寬、相頻寬 幅值比是某一特定頻率下的輸出流量幅值與輸入電流幅值之比，除以一指定低頻(輸入電流基準頻率，通常為5或10Hz)下的輸出流量與同樣輸入電流幅植之比。 相位滯后是在某一指定頻率之下所測得的輸入電流和與其相對應的輸出流量變化之間的相位差。以度表示。 (2) 頻寬 伺服閥的頻寬通常以幅值比為一3dB(即輸出流量為基準頻率時輸出流量的70.7%)的頻率區間作為幅頻寬。以相位滯后90時的頻率區間作為相頻寬。見圖10-11。 頻寬是伺服閥動態響應速度的度量。伺服閥的頻寬應根據系統實際需要加以確定，頻寬過低會限制系統的響應速度，過高會使高頻干擾傳到負載上去。10

21、.3 機液伺服系統 機液伺服系統以機械位移作為輸入，以液壓能作為動力來自動地控制系統工作。機液伺服系統主要用來進行位置控制，廣泛地用于仿形機床、飛機、汽車和汽輪機的控制中。 把閥控動力機構的輸出量，通過機械裝置反饋到輸入端，從而組成的閉環回路，稱為機械液壓伺服系統。圖10-12所示為機液位置伺服系統的例子，現對其動態特性進行分析。 圖10-12 簡單的機液位置伺服系統 圖10-13 連桿運動原理圖10.3.1 系統的傳遞函數和方塊圖 由圖10-12可見，為閥控缸伺服系統，采用杠桿機構作為機械反饋裝置。杠桿機構綜合了輸入和反饋兩個運動，當杠桿位移量較小時，閥芯的開口量可由圖10-13的三角關系求

22、出。即 (10-6) 式中，Ki為輸入放大系數，Kf為反饋系數。 機械液壓伺服系統的反饋連接是多種多樣的，通常它可以由凸輪、連桿、齒輪、軸、絲桿和螺母等構成。但是，不管是哪一種反饋連接，其輸入、輸出和閥芯位置的關系都可以用式(10-6)表示。 液壓缸和負載的力平衡方程為 (10-7)式中，B為液壓缸和工作部件的粘性阻尼系數；M為活塞總質量(含工作部件折算到活塞上的部分；k為工作部件的彈簧剛度；FL為外負載；其余符號見圖。 根據液流連續方程，液壓缸左、右腔的流量平衡方程分別為 (10-8) (10-9)式中 kLi、kle為液壓缸的內、外泄漏系數；V01、V02為進、出油腔的初始容積；K為油液的

23、體積彈性模量。把上兩式相減，有考慮到；。并令(k為液壓缸總泄漏系數)。此外，假設活塞處在中間位置，因此為容積總容積，活塞在中位時穩定性最差，這個假定偏于保守。整理后可得 (10-10)對式(10-7)和(10-10)取增量式并拉氏變換，對閥的流量壓力方程的增量式(10-2)拉氏變換，整理合并后可得(10-11)x(s)KfxT（s）-+xv（s）FL（s）-KiKq/A圖10-14 機械伺服系統方塊圖考慮到一般以液壓缸作為執行元件時，可以略去阻尼力、彈性力和泄漏等不計，上式可簡化成 (10-12)將式(10-6)取增量式并拉氏變換后與上式可畫出機液伺服系統的方塊圖(圖10-14).由圖10-1

24、4可得系統開環傳遞函數為 (10-13) (10-14)式中 Kv開環放大系數； wh系統固有角頻率； z系統的阻尼比。由式(10-13)可畫出系統開環波德圖，如圖10-15所示。 圖10-15 機液位置伺服控制系統的波德圖10.3.2 系統的穩定條件為使系統穩定，必須使相位裕量g和增益裕量Kq(dB)均為正值。相位裕量是增益穿越頻率wc處的相角與180之和，即g180+；增益裕量是相位穿越頻率wq處的增益倒數，即，以dB表示時，Kq(dB)201gKg201g|W (jwg) |。由圖10-15可見，機液位置伺服系統的開環波德圖中，穿越頻率wc處的斜率為一20dB/dec，所以相位裕量g為正

25、值，因此只要使增益裕量為正就可以了。由于，所以有。由此得系統穩定條件為 (10-15) 上式對所有未加校正的液壓位置伺服系統都適用。該式表明，為了使系統穩定，速度放大系數Kv受液壓固有頻率wh和阻尼比zh的限制。因為系統是I型伺服系統，在穿越頻率wc處的斜率為20dB/dec時，穿越頻率wc近似等于速度放大系數Kv(實際上wc稍大于Kv)，即。因為wc愈大，系統頻帶愈寬，系統響應也愈快。所以，一般總是希望穿越頻率大些，也就是Kv大些。另外，Kv值大，系統的靜態精度就高。總之，要提高響應速度和靜態精度就要提高Kv值，但要受穩定性的限制。因此就要設法提高wh和zh值。10.3.3 系統的穩態誤差

26、穩態誤差表示系統的控制精度，是伺服系統的一項最基本的性能指標。穩態誤差是輸出量的希望值與實際值的差值。它是由輸入信號和外加負載力所引起的。由輸入信號所引起的穩態誤差稱為跟隨誤差，由外加負載力所引起的穩態誤差稱為負載誤差。 1. 跟隨誤差 機液伺服系統是一個I型系統。對于階躍位置輸入，其穩態誤差為零。而對于斜坡輸入(即等速輸入)時的穩態誤差為，式中v為活塞的運動速度。 2. 負載誤差對于常值負載力Flo，其穩態負載誤差為系統的總誤差等于跟隨誤差和負載誤差之代數和。即 (10-16) 由上式可見，提高速度放大系數kv，對于減小跟隨誤差和負載誤差都是有利的。 除了跟隨誤差和負載誤差之外，還有摩擦力，

27、間隙等造成的死區和伺服閥的零漂等引起的誤差。10.3.4 機液伺服系統實例1. 液壓仿形刀架 圖10-16所示為普通車床液壓仿形刀架工作原理圖。仿形刀架裝在車床刀架橫滑板的后方，這樣可以保留車床上原來的方刀架，不影響車床原有的性能。樣件(或樣板)1支持在床身的后側面。仿形刀架在工作中隨車床溜板作縱向進給。液壓缸的活塞桿固定在刀架的底座上，液壓缸體連同刀架6可在刀架底座的導軌上沿液壓缸軸向移動。 圖10-16 液壓形刀架原理圖 圖10-17 進給運動示意圖仿形刀架由控制滑閥(伺服閥)、液壓缸和反饋機構(杠桿機構)三部分組成的一個機液位置伺服控制系統。滑閥一端有彈簧主，經桿4使觸頭2壓緊在樣件1上

28、。位置指令由樣件1給出，經杠桿5和桿4作用在滑閥的閥芯上。液壓缸體跟隨滑閥運動，使刀架在液壓缸軸華方向產生仿形運動。在車削工件時，實質上車刀的運動是溜板縱向進給運動和刀架相對溜板的仿形運動的合成運動。如圖l0-17所示，為了能車削90臺階，刀架必須斜放一個角度(一般為4560)。在車床上使用液壓仿形刀架，不僅能方便地加工出曲線的表面，而且能節省車削階梯軸時的調整、測量等輔助時間，大大提高勞動生產率減輕勞動強度。因此在汽車拖拉機、機床、電機等制造行業中得到廣泛的應用。圖10-18 電液步進馬達結構原理圖 2. 液壓扭矩放大器 如圖10-18所示，液壓扭矩放大器是一種帶機械反饋的液壓伺服機構，由四

29、通滑閥、液壓馬達以及閥芯端部上的螺桿和液壓馬達輸出軸上的螺母組合起來的反饋機構組成。液壓扭矩放大器實際上是閥控液壓馬達上加設反饋絲桿螺母副而形成的閉環機液伺服系統。 工作原理是；當數字控制裝置(計算機)發宋脈沖信號，經功率放大驅動步進電機回轉(回轉角位移與脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比)。步進電機的輸出軸通過一對減速齒輪將其轉矩傳遞給滑閥，使滑閥轉動。由于滑閥端部的螺桿和液壓馬達軸上的螺母配合，引起閥芯軸向移動，使閥芯與閥套間形成開口，壓力油經閥口進入液壓馬達，使之旋轉驅動負載。液壓馬達輸出軸的轉動又通過螺母使閥芯恢復原位，關閉開口，液壓馬達停止轉動。當步進電機在反向脈沖作用下而反向旋轉時

30、，液壓馬達也作反向旋轉。因此，液壓馬達總是跟隨步進電機運動。液壓扭矩放大器的優點是；反應快、速度高、輸出力矩大，性能可靠、輪廓尺寸小，因此在開環數控系統中得到應用。3. 輪式車輛液壓助力轉向控制系統如圖10-19所示，轉向控制系統主要包括轉向器、控制閥、液壓缸、轉向梯形機構、反饋機構等幾部分。車輛轉向時，操縱方向盤1，使轉動i角度，通過錐齒輪變換，使絲桿2沿反饋機構3中的絲母產生軸向移動。同時，與絲桿相連的機液伺服閥4的閥芯軸向位移，換向閥處于一開口狀態，如右位，兩只轉向液壓助力缸5的下腔進油，上腔回油，活塞桿推動轉向梯形機構6運動，車輪偏轉c角，此即插出量c對輸入量i的響應過程。當轉向時，輸

31、出量c通過反饋機構的傳遞，反作用于絲桿2，便與之相連的閥芯向相反方向移動，直到使閥關閉處于中位，液壓缸在新的位置停止不動，c達到一個定值，此即輸出量c對輸人且i的反饋作用。c對i的響應過程以及反饋作用就是液壓助力轉向伺服控制系統的工作原理。圖10-19 液壓助力轉向控制系統10.4 電液伺服系統 電液伺服系統是由電的信號處理部分與液壓的功率輸出部分組成的閉環控制系統。根據被控的物理量，電液伺服系統可分為：位置伺服控制系統，速度伺服控制系統，力或壓力伺服控制系統等。電液伺服系統綜合了電和液壓兩方面的特點，具有控制精度高、響應速度快、信號處理靈活、輸出功率大、結構緊湊和重量輕等優點，因此得到了廣泛

32、的應用。而最基本和應用最廣的是電液位置控制系統。10.4.1 電液位置伺服系統的工作原理如圖l0-20所示。為閥控液壓缸電液位置伺服系統，該系統采用雙電位器作為檢測反饋元件，它控制工作臺的位置，使之按照指令電位器給定的規律變化。圖10-20 雙電位器位置控制電液伺服系統 該系統由指令電位器1、反饋電位器2、電氣放大器3、電液伺服閥4和液壓缸5組成。 指令電位器將滑臂的位置指令xg轉換成電壓ug。被控制的工作臺位置xf由反饋電位器檢測，轉換成電壓uf。兩個相同的線性電位器接成橋式電路，該電橋的輸出電壓 (K為電位器增益；E為電橋供電電壓；x0為電位器全長。)。當工作臺位置xf與指令位置xg相一致

33、時，電橋輸出偏差電壓Du0，此時電放大器輸出電流為零，電液伺服閥處于零位，沒有流量輸出，工作臺不動，系統處在一個平衡狀態。當指令電位器滑臂位置發生變化時，如向右移動一個位移Axo，在工作臺位置變化之前，電橋輸出的偏差電壓DuKDug，該偏差電壓經放大器放大后變為電流信號去控制電液伺服閥，電液伺服閥輸出壓力油，推動工作臺右移。隨著工作臺的移動電橋輸出偏差電壓逐漸減小，當工作臺位移Dxf等于指令電位器滑臂位移Dxg時，電橋又重新處于平衡狀態，輸出偏差電壓為零，工作臺停止運動。如果指令電位器滑臂反向運動時，則工作臺也反向跟隨運動。在該系統中工作臺位置能夠精確地跟隨指令電位器滑臂位置的任意變化，實現位

34、置的伺服控制。圖10-21所示為該系統的工作原理方塊圖。指令電位器伺服放大器電液伺服閥液壓缸工作臺反饋電位器+-圖10-21 位置控制系統工作原理方塊圖 如圖10-22所示。為閥控液壓馬達的電液位置伺服控制系統，該系統采用自整角機作為角差測量裝置。自整角電機上的三根線表示定子繞組的引出線，二根線表示轉子單相繞組的引出線，通過圓心的點劃線表示轉軸。輸入軸與自整角發送機軸相連，負載端輸出。軸與自整角接收機軸相連。自整角機檢測輸入軸和輸出軸之間的角差，并將角差(誤差信號)轉換為電壓信號輸出。即ueKe(qr一qc)，式中ue為自整角機的輸出電壓，qr、qc為輸入軸、輸出軸的角位移。當輸入軸轉角qr和

35、輸出轉角qc相一致時，自整角機的輸出電壓ue=0，此時功率放大器輸出電流為零，電液伺服閥處于零位，沒有流量輸出，液壓馬達停轉。當給輸入軸一個角位移時，在液壓馬達未轉動之前，自整角機就有一電壓信號輸出，該電壓經放大后變為電流信號去控制電液伺服閥，電液伺服閥輸出壓力油，推動液壓馬達轉動。隨著液壓馬達的轉動自整角機輸出的電壓信號減小，當輸出軸轉角qc等于指令輸入軸的轉角qr時，輸出偏差電壓為零，液壓馬達停止轉動。如果輸入角位移反向，液壓馬達也反向跟隨轉動。圖10-22 電流位置伺服控制系統原理圖 上兩個系統雖采用的檢測裝置不同，執行元件不同，但其工作原理是相似的，因此它們的數學模型和傳遞函數形式也是

36、十分相似的。10.4.2 電液位置伺服系統的傳遞函數和穩定性 由圖10-20、圖10-21和圖10-22中，各個組成元件都可以建立數學模型，寫出自己的傳遞函數，然后歸并出整個系統的傳遞函數。但有時實際上并不需要這樣嚴格處理，通過合理簡化可以方便地把系統關鍵部分的特征表達出來。 各種電氣元件的固有角頻率都高達數百或上千Hz，它們在電液伺服系統中可看作是一些比例環節。它們的綜合增益系數Ka通常都是可調的，并且可以實測出來。 當系統中執行元件部分(液壓缸或液壓馬達)的固有角頻率不足20Hz時，電液伺服閥也完全可視為一個比例環節，其增益系數為Ks。 除個別的特殊情況外，執行元件的固有角頻率總是系統中最

37、低的一個轉折頻率，因此它左右了系統的動態特性。為此整個系統的固有角頻率wh，就可以認為是等于液壓馬達或液壓缸的固有角頻率。并且，不考慮彈性負載。根據以上簡化后，可以把電液位置伺服系統的開環傳遞函數近似地寫成 (10-17)式中，Kv為系統的開環增益。對閥控液壓缸：Kv(KaKs)/A；對閥控液壓馬達：Kv(KaKs)(Dmn)，其中A為液壓缸有效作用面積，Dm為液壓馬達的每弧度排量，n為齒輪傳動比。wh為系統的液壓固有頻率，也就是動力元件的液壓固有頻率。對閥控液壓缸：；對閥控液壓馬達：，其中K為油液的體積模量，M為可動部件折算到活塞上的總質量，V為液壓缸或液壓馬達兩腔總容積，J為液壓馬達和折算

38、到液壓馬達軸上的總的轉動慣量。zh為系統液壓阻尼比，也就是動力元件的液壓阻尼比。nKecAu（s）r-+eTL（s）-1/n圖1023 簡化方塊圖對閥控液壓缸對閥控液壓馬達其中，Kc為流量一壓力系數。 如圖10-23所示，為閥控液壓馬達位置伺服系統簡化后的方塊圖。而閥控液壓缸系統的方塊圖與此相似。 由上可見，對電液位置伺服系統來說其簡化的傳遞函數和方塊圖與機液位置伺服系統具有相同的形式。因此，對機液位置伺服系統的分析方法和結論，在這里也完全適用。 系統的穩定性判據為 (10-18) 而系統的精度分析也是與機液位置伺服系統相同。而檢測器的誤差在回路之外，與回路增益無關，這部分誤差將直接影響到系統

39、的精度。雖然，控制系統的精度無論如何也不會超過檢測器的精度。因此，在高精度控制時，要十分注意檢測器的選擇。10.4.3 電液伺服系統實例 圖10-24所示為用在軋鋼機上的電液伺服跑偏控制系統。隨著軋鋼機向自動化、連續化、高速化方向發展，液壓伺服控制已成為現代化帶鋼連軋機的重要控制方式，它廣泛用在軋機液壓壓下、液壓彎輥和軋鋼輔助設備的液壓控制系統中，以實現張力、位置、厚度和速度等的控制。帶材跑偏控制就是其中的種。為什么帶材連續生產言要進行跑偏控制呢?這是因為盡管在機組和設備設計中采取了許多使帶材定心的措施，但跑司仍是不可避免的。引起跑偏的主要原因有：張力不適當或張力波動較大；輥系的不平行和不水平

40、度；輥子偏心或錐度；帶材厚度不均勻、浪形及橫向彎曲等。跑偏控制的作用在于使機組中被軋帶鋼定位，避免帶材跑偏過大撞壞設備或造成斷帶停產，從而保證機組穩產高產；同時由于實現了自動卷齊，使帶鋼可以立放，便于中間多道工序的生產，并可大量減少帶邊的剪切量而提高成品率，使成品鋼卷整齊，包裝、運輸及使用方便。圖10-24 卷取機EMG電液伺服跑偏控制系統a) 設備及EMG裝置簡圖 b) 系統圖 c) 系統方塊圖常見的跑偏控制系統有氣液和光電液伺服控制系統。兩者工作原理相同，其區別僅在于檢測器和伺服閥不同，前者為氣動檢測器和氣液伺服閥；后者為光電檢測器和電液伺服閥，它們各有所長。電液伺服控制系統的優點是信號傳輸快；電反饋校正方便；光電檢測器的開口(即發射與接收器間距)可達一米左右，因此可直接方便地裝于卷取機旁，但系統較復雜。氣液伺服系統的最大優點是簡單可靠且不怕干擾；氣液伺服閥中的膜片不僅起氣壓一位移轉換作用；還起力放大作用，因此系統中省去了放大器，簡化了系統。但氣動信號傳輸速度較慢，傳輸距離有限。圖10-25所示的跑偏控制系統。系由光電檢測器、電放大器、電液伺服閥、液壓缸、卷取機和液壓能源裝置