液壓伺服控制系統第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日HydrauliccontrolsystemChapter1

液壓控制系統第一章Introduction緒論第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日Outline開環液壓控制系統與閉環液壓控制系統液壓控制系統分類液壓反饋控制系統特點發展趨勢及歷程液壓控制系統的應用第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.1開環液壓控制系統與閉環液壓控制系統三種液壓控制系統第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日開環控制系統用開關閥建構的液壓控制系統電磁換向閥的閥芯有三個工作位置，左位、中位和右位。可以控制油路的通斷與切換。對每一個閥口油路來說只有兩種狀態，即完全打開和完全關閉，所以電磁換向閥歸類于電磁液壓開關閥。20150619000第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日開環控制系統用比例閥建構的液壓控制系統比例液壓閥采用電信號控制閥芯進行漸變移動，從而控制閥口開度漸變變化，調節比例液壓閥的壓降和流量等，并在一定程度上實現流量與控制信號間呈現比例變化。20150619000第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日閉環控制系統用伺服閥建構的液壓控制系統電液伺服閥是高性能液壓控制元件，具有很高的控制精度、很快的響應速度，不足的是電液伺服閥價格很高。閉環液壓控制系統，不僅存在控制器對被控對象的前向控制作用，還存在被控對象對控制器的反饋作用。第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日開環液壓控制系統與閉環液壓控制系統開環系統與閉環系統比較開環液壓控制采用普通液壓閥和比例液壓閥的開環控制系統與液壓傳動系統有很大的技術重合，它們幾乎采用相同類型的液壓元件和液壓回路。開環液壓控制系統性能主要由所用液壓元件的性能實現。開環系統精度取決于系統各個組成元件的精度，系統的響應特性直接與各個組成元件的響應特性有關。液壓開環控制系統無法對外部干擾和內部參數變化引起的系統輸出變化進行抑制或補償。從系統設計方面看，開環液壓控制系統結構簡單，開環液壓控制系統一定是穩定的，因此系統分析、系統設計及系統安裝等均相對容易，而且還可以借鑒液壓傳動系統的分析與設計經驗。開環液壓控制系統與液壓傳動系統具有較多的共性，區別主要是側重點有所不同。開環液壓系統經常用于控制精度要求不高，外部環境干擾較小，內部參數變化不大，并且允許系統響應速度較慢的情況。第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日開環液壓控制系統與閉環液壓控制系統閉環液壓控制閉環液壓控制系統經常采用電液伺服閥或直驅閥作控制元件。電液伺服閥和直驅閥是高性能液壓控制元件，它們內部含有閉環反饋控制系統，因而這兩類閥具有很高的控制精度、很快的響應速度。通常，閉環液壓控制系統也稱液壓反饋控制系統，它依據反饋作用原理工作。反饋控制的基本思想是以偏差來消除或抑制偏差，反饋控制系統是利用偏差進行工作的。通過比較元件將反饋元件檢測到的被控對象信息與系統指令元件的控制指令進行比較形成偏差信號。這個偏差信號經過能量放大，從而能夠驅動大功率液壓控制閥，控制液壓執行元件，驅動與控制被控對象。閉環液壓控制系統結構形成閉環回路。閉環控制系統存在穩定性問題，控制精度與動態響應速度均需細致設計與調試，所以閉環系統分析、系統設計及系統調試等均較為繁瑣。但是采用閉環控制(反饋控制)方式，用精度相對不高、抗干擾能力相對不強的液壓元件有可能建構控制精度高和抗干擾能力強的控制系統，或者在現有液壓元件性能的條件下，有可能利用閉環控制獲取更好的控制系統性能及控制效果。反饋控制有開環控制無法實現的優點。20150619000第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.2液壓控制系統分類1）按照控制系統完成的任務分類按照控制系統完成的任務類型，液壓控制系統可以分為液壓伺服控制系統和液壓調節控制系統。2）按照控制系統各組成元件的線性情況分類按照控制系統是否包含非線性組成元件，液壓控制系統可以分為線性系統和非線性系統。3）按照控制系統各組成元件中控制信號的連續情況分類按照控制系統中控制信號是否均為連續信號，液壓控制系統可以分為連續系統和離散系統。4）按照被控物理量分類按照被控物理量不同，液壓反饋控制系統可以分為位置控制系統、速度控制系統、力控制系統和其它物理量控制系統。第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.2液壓控制系統分類5）按照液壓控制元件或控制方式分類按照液壓控制元件類型或控制方式不同，液壓反饋控制系統可以分為閥控系統（節流控制方式）和泵控系統（容積控制方式）。進一步按照液壓執行元件分類，閥控系統可分為閥控液壓缸系統和閥控液壓馬達系統；泵控系統可分為泵控液壓缸系統和泵控液壓馬達系統。6）按照信號傳遞介質分類按照控制信號傳遞介質不同，液壓控制系統可分為機械液壓控制系統、電氣液壓控制系統等。第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.3液壓反饋控制系統特點液壓反饋控制主要優點概括如下：（1）體積小和重量輕液壓元件具有很大的功率—重量比和力矩—慣量比(或力--質量比)，因此液壓系統的功率傳遞密度大。在同樣控制功率或同樣控制負載情況下，采用液壓控制技術可以建構結構更緊湊、體積更小、重量更輕和動態響應更快的液壓控制系統。（2）剛度大、精度高、響應快液壓工作液體積模量大，泄漏小，液壓控制系統具有很大靜態剛度。液壓伺服系統可以提供更大的動態剛度。液壓控制系統的剛度大，則負載力干擾產生的液壓執行機構位移誤差較小，系統控制精度較高，響應控制指令的速度較快。（3）驅動力大，適合重載直接驅動液壓控制系統采用靜液壓驅動方式，具有液壓傳動系統驅動力大的優點。在同樣體積情況下，液壓系統可以發出更大力（或力矩）。在同樣負載條件下，液壓控制更適合直接驅動。優點20150619000第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日優點（4）調速范圍寬，速度控制方式多樣靜液壓驅動方式易于實現無級變速，調速范圍寬。例如液壓仿真轉臺的閥控馬達轉速范圍可以實現0.0004o/s至200o/s連續變速。速度控制有閥控方式、變轉速泵控、變排量泵控等多種方式適應不同被控對象需求。（5）自潤滑、自冷卻和長壽命液壓工作液具有良好潤滑特性和冷卻作用。液壓元件工作時元件磨損小，液壓工作液能夠帶走工作過程中產生的熱量，液壓控制系統具有更長的工作壽命。（6）易于實現安全保護液壓回路中易于設置壓力保護安全閥或其他過載保護機構。液壓系統能可靠地進行頻繁的帶負載啟動和制動，以及進行正反向直線或回轉運動。第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日缺點液壓反饋控制的主要缺點概括如下：（1）抗工作液污染能力差超過80%的液壓系統故障與工作液污染有關。與液壓傳動系統相比，液壓控制系統對工作液污染更為敏感。高壓液壓泵馬達和精密的液壓控制元件(如電液伺服閥)抗污染能力差，對工作液的污染較為敏感。與電液伺服閥比較，比例控制閥和直驅閥的抗污染能力較強，與普通電磁換向閥相當，且性能較好，甚至接近電液伺服閥。（2）對溫度變化敏感工作液溫度變化大時，其粘度等指標變化很大，工作液粘度變化對控制系統的性能影響很大。溫度過高或過低，密封元件密封性能降低，甚至失效。液壓系統需要進行熱平衡設計。需注意到：液壓系統的冷卻方面也有良好設計范例，如飛機的液壓系統冷卻與燃油供給系統的協調設計。（3）存在泄漏隱患當液壓元件的密封設計、制造和使用維護不當時，容易引發泄漏故障，外泄漏還會造成環境污染。注意到：密封技術發展迅速，它的進步大大減少了工作液泄漏隱患。第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日缺點（4）制造難，成本高液壓反饋系統中包含許多超精密配合的零件部件，如伺服閥等，因此液壓控制存在制造精度要求高和制造成本高的問題。同時也應注意到：制造難、精度高的液壓元件通常由專業生產企業制造，液壓反饋系統構建可以直接選購精密液壓控制元件，而不是自行設計制造全部液壓元件，從而減低了液壓反饋系統的制造難度。還應注意到：一些低成本、制造工藝性好的、高性能的液壓控制元件不斷被開發出來，如直驅閥的結構相對簡單，制造成本較低，且性能接近電液伺服閥。（5）不適于遠距離傳輸且需液壓能源液壓工作液具有粘性，因此遠距離傳輸損失大，不適合長距離傳輸。液壓系統需要配套的液壓能源站，液壓能源使用不如電能便捷。應該注意到：直驅泵控系統不需要集中的液壓能源站，連接各個液壓作動器系統的只有電纜。第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.4發展趨勢及歷程發展歷程發展趨勢20150619000第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日發展歷程公元前240年，在古埃及出現了人類歷史上第一個液壓反饋系統——水鐘。公元前200多年阿基米德（Archimedes）關于浮力的論述實際上是液體壓強（壓力）的理論研究成果。1650年，帕斯卡提出了帕斯卡原理。它描繪了靜態液體中的壓力傳播規律。1686年，牛頓揭示了粘性液體的內摩擦定律。18世紀，流體力學的連續性方程被建立起來。1795年，英國出現了世界上第一臺水壓機，液壓傳動開始進入工程領域。1873年，伺服馬達（servomotor）一詞出現，它指用曲柄連桿反饋輪船舵機運動自動關閉舵機操縱助力蒸汽裝置的反饋控制機構。1877年，EdwardJohnRouth提出了線性定常系統穩定性判據。1895年，AdolfHurwitz發表了線性定常系統穩定性判據。1906年前，液壓傳動與控制技術應用于海軍戰艦炮塔的俯仰控制。1914年前，液壓伺服控制技術出現在海軍艦艇舵機的操控裝置上。1932年，HarryNyquist發表了關于奈奎斯特判據的論文。第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日發展歷程（續1）1934年，伺服機構（servomechanism）一詞出現，HaroldLockeHanzen給出了定義：“一個功率放大裝置，其放大部件是根據系統輸入與輸出的差來驅動輸出的。”1939年前，液壓控制技術得到高速發展，射流管閥、噴嘴擋板閥等許多控制閥原理出現。出現一種具有永磁馬達及接收機械及電信號兩種輸入的雙輸入閥，并在航空領域應用。1940年，滑閥特性和液壓伺服控制理論研究出現。HendrikBode發表了關于最小相位系統幅頻特性和相頻特性關系的Bode定理。1945年前，用螺線管驅動的單級開環控制閥建立的液壓伺服系統出現。1946年，伺服閥的關鍵組件及技術相繼出現，例如力矩馬達、兩級閥、帶反饋的兩級閥。壓力21MPa飛機液壓控制系統出現。1948年，N.Wiener出版《Cybernetics（控制論）》。1950年，單噴嘴兩級伺服閥出現。1953年至1955年間，機械反饋式兩級伺服閥、雙噴嘴兩級伺服閥、干式力矩馬達相繼出現。1957年，兩級射流管伺服閥和三級電反饋伺服閥出現。第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日發展歷程（續2）1960年前后，伺服閥技術空前發展，大量伺服閥技術專利等文獻出現，出現大量伺服閥生產廠家。當時的伺服閥已具有許多現代伺服閥的特征。1960年，Blackburn,J.F.等.出版了《Fluidpowercontrol（流體動力控制）》圖書。1962年，ErnestE.Lewis,HansjioergStern.出版《Designofhydrauliccontrolsystems（液壓控制系統設計）》圖書。1963年，面向工業應用的系列伺服閥產品出現。1967年，HerbertE.Merritt出版《Hydrauliccontrolsystems》圖書。1973年，工業標準接口伺服閥出現。射流管先導級及電反饋的平板型伺服閥研制成功。1974年，低成本、大流量的三級電反饋伺服閥出現。不帶閉環的比例閥出現。1976年，HerbertE.Merritt的《液壓控制系統（Hydrauliccontrolsystems）》中文譯本出版。1980年前后，幾部液壓控制系統的中文教材和專著出版。第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日發展歷程（續3）1980年后，開始直驅閥（directdrivevalve,DDV）研制。1990年后，直驅閥獲得了重大進展。1997年，無閥直驅液壓伺服技術出現。美國將DDV閥用于航空靜液壓驅動系統。飛機上出現35MPa液壓控制系統。1998年，四級電液伺服閥出現。2000年，直驅容積控制（directdrivevolumecontrol，DDVC）獲得實際應用。2006年，應用直驅容積控制技術的產品出現。例如采用DDVC技術的注射機、壓力機和冶金設備等。第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日發展趨勢液壓控制技術的發展方向可以概括為集成化、數字化、微型化、超大型化和超重型化發展。插裝等新型安裝方式的液壓元件獲得廣泛應用，多個多種功能的液壓控制閥可安裝到一個油路塊上實現復雜功能，體現了集成化發展趨勢。電子技術特別是總線技術發展，促使液壓技術向數字方向發展。在液壓閥內部嵌入安裝了電子控制電子電路，液壓控制閥可以接收數字信號，并可通過計算機程序來改變液壓控制閥的性能，實現數字化補償等功能。新材料和新技術的發展及在液壓控制領域應用促使新型液壓控制元件研制出來。特別是體積小、性能高的液壓元件。液壓元件小型化和微型化為液壓控制技術在更廣泛領域應用創造了條件，如機器人、醫療器械、運動機械。2001年液壓伺服控制技術開始出現在F1賽車上，用于完成動力轉向、檔位選擇、油門控制等功能的系統20150619000第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日F1賽車中應用液壓控制技術伺服閥、電磁鐵、燃油調節器及液壓缸DDV閥與動力轉向閥第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.5液壓控制系統應用應用分析應用案例第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用分析液壓伺服控制、液壓開關控制、機電伺服控制液壓伺服控制系統在動態響應頻率方面遠高于液壓傳動系統、液壓開關控制；液壓控制系統與機電控制系統應用領域具有互補性;液壓伺服控制系統具有更高動態特性與更大的驅動能力。第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用分析在各種設備上，液壓控制應用情況依據各個專業領域設備特點，采用合理的參數設計液壓控制系統，液壓控制在上述多個領域都可以勝任。第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用分析飛行器上的不同設備同一臺機器設備上，不同用途和功能的裝置在系統動態特性、驅動控制能力、運動速度范圍等方面都是不同的。第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用案例材料試驗機四自由度飛行模擬器超大型地震實驗臺飛行控制系統機器動物兩足機器人第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用案例1——材料力學實驗機大功率、材料試驗加載大多采用了液壓控制。第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用案例1——材料力學實驗機閉環控制，位置反饋，力反饋，計算機控制第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用案例2——四自由度飛行模擬器重負荷、高動態四個自由度四個作動器第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用案例2——四自由度飛行模擬器四個自由度分別由四個電液伺服作動器驅動。每個作動器都構成一個電液伺服系統。20150619000第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日應用案例3——超大型地震臺一人移動質量達到350ton。采用四級電液伺服閥控制，在7Mpa壓降下，伺服閥流量