機器人驅(qū)動及控制第7章機器人電液伺服驅(qū)動及控制●學習目標了解電液伺服閥組成及分類掌握力反饋兩級電液伺服閥工作原理了解電液伺服閥特性和性能指標掌握電液伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)工作原理掌握電液位置伺服系統(tǒng)特性與校正了解速度或力伺服系統(tǒng)特性與校正了解電液驅(qū)動在四足機器人中應用01020304050607

電液伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)在自動化領(lǐng)域是一類重要的控制設(shè)備，由于控制精度高、響應速度快、運行平穩(wěn)和功率密度大等特點，被廣泛應用于航空、航天、艦船和特種機器人等領(lǐng)域的伺服控制系統(tǒng)中。

電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動控制的核心，將電信號轉(zhuǎn)換成調(diào)制的液壓信號（流量、壓力）輸出，是連接電氣和液壓系統(tǒng)的中間橋梁。7.1電液伺服閥組成及分類

電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件。在電液伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)中將電氣部分與液壓部分連接起來，使輸入的微小電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號，精確控制著流量或壓力的輸出，實現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換、液壓放大和對液壓執(zhí)行元件的精準控制。7.1.1電液伺服閥組成

2025/2/127.1電液伺服閥組成及分類

電氣-機械轉(zhuǎn)換器是把輸入電信號的電能轉(zhuǎn)換為機械運動的機械能，驅(qū)動液壓放大器的控制元件，使之轉(zhuǎn)換為液體壓力能。

電氣-機械轉(zhuǎn)換器為力矩馬達或力馬達，它輸出力矩或力很小，閥的流量較大時無法直接驅(qū)動功率級閥芯運動，需要增加一級液壓先導級，將電氣-機械轉(zhuǎn)換器（力矩馬達或力馬達）輸出能量放大后，再去推動功率級閥，這就構(gòu)成了液壓放大器，由先導級閥和功率級主閥級聯(lián)而成。

反饋機構(gòu)是為了使伺服閥的輸出流量或輸出壓力獲得與輸入電氣控制信號成比例的特性。反饋機構(gòu)的存在，使伺服閥本身成為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了伺服閥的控制性能。

電液伺服閥通常由電氣-機械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器（先導級閥和功率級主閥）和反饋機構(gòu)三部分組成。2025/2/127.1電液伺服閥組成及分類7.1.2電液伺服閥分類按級數(shù)分單級電液伺服閥結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，輸出力矩或力小，定位剛度低、易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。適用于低壓、小流量和負載動態(tài)變化不大的場合。兩級電液伺服閥具有液壓前置放大級，可以將力矩馬達的輸出放大，能克服功率級滑閥運動時產(chǎn)生的較大液動力、黏性力和慣性力，是最常用的型式。三級電液伺服閥一個兩級伺服閥作先導級控制第三級功率滑閥，功率級滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率級滑閥閥芯的定位，適用于大流量的應用場合。2025/2/127.1電液伺服閥組成及分類7.1.2電液伺服閥分類

按先導閥結(jié)構(gòu)型式分

常用的兩級或三級伺服閥分為雙噴嘴擋板伺服閥和射流管伺服閥。它們都是力反饋型伺服閥。

雙噴嘴擋板閥結(jié)構(gòu)對稱，雙輸入差動工作，動態(tài)響應快，線性度好，壓力靈敏度高，零漂小，擋板受力小，所需輸入功率小。

但擋板與噴嘴間隙小，易被污染物堵塞，抗污染能力差，要求油液清潔度高。

射流管伺服閥最小流通面積較噴嘴擋板閥大，不易堵塞，抗污染能力強。若射流管閥噴嘴被油液污染物堵塞，滑閥也能自動處于中位，具有“失效對中”能力。

但射流管閥動態(tài)響應慢，性能不易預估，且受油溫影響較大。2025/2/127.1電液伺服閥組成及分類7.1.2電液伺服閥分類按反饋形式分位置反饋最常用。輸入電流用來控制伺服閥功率級閥芯位移，反饋作用下閥芯位移與輸入電流成比例，位置反饋伺服閥的負載流量受負載壓力影響較大。負載壓力反饋伺服閥輸入電流用來控制伺服閥的輸出壓力，反饋使伺服閥在外界干擾下能給出與輸入電流成比例的負載壓力。負載流量反饋控制閥的輸出流量在外界干擾下保持恒定，理想狀態(tài)下其負載流量不隨負載壓力的變化而變化。2025/2/127.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理7.2.1單級電液伺服閥

電液伺服閥根據(jù)電氣-機械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)型式分為動鐵式和動圈式兩種。

動鐵式單級電液伺服閥

動鐵式單級電液伺服閥由動鐵式力矩馬達和滑閥兩部分組成。

動鐵式力矩馬達包括永磁體、導磁體、帶扭簧的鐵心轉(zhuǎn)軸、鐵心和控制線圈五部分，滑閥由閥體和閥芯兩部分組成。

控制線圈輸入電流信號，鐵心產(chǎn)生的力矩與扭簧產(chǎn)生的反力矩平衡，使鐵心偏轉(zhuǎn)θ角，帶動閥芯移動相應位移xv，使伺服閥輸出相應的流量。2025/2/127.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理

動圈式單級電液伺服閥

動圈式單級電液伺服閥由動圈式力馬達和滑閥組成。

動圈式力馬達是由十字彈簧、導磁體、永磁體、控制桿、控制線圈和框架組成，滑閥包含閥體和閥芯兩部分。

電流信號通過控制線圈時，線圈在磁場中產(chǎn)生的電磁力通過控制桿與十字彈簧的反力平衡，與控制桿相連的閥芯產(chǎn)生相應位移，使伺服閥輸出相應的流量。2025/2/127.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理7.2.1單級電液伺服閥

動鐵式力矩馬達因磁滯引起的輸出位移滯后程度比動圈式力馬達大。

動圈式力馬達的線性范圍比動鐵式力矩馬達寬。故動圈式力馬達的工作行程比動鐵式力矩馬達長。

慣性相同時，動鐵式力矩馬達的輸出力矩大，而動圈式力馬達的輸出力小。

減小工作氣隙的長度可提高動鐵式力矩馬達和動圈式力馬達的靈敏度。但動圈式力馬達受動圈尺寸的限制，而動鐵式力矩馬達受靜不穩(wěn)定的限制。

相同功率下，動圈式力馬達比動鐵式力矩馬達體積大，但動圈式力馬達的造價低。

在要求頻率高、體積小和重量輕的場合多采用動鐵式力矩馬達，在尺寸要求不嚴格、頻率要求不高，又希望價格低的場合常采用動圈式力馬達。

動鐵式力矩馬達和動圈式力馬達相比有如下異同：2025/2/127.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理

兩級電液伺服閥比單級電液伺服閥多一級液壓放大器和一個內(nèi)部反饋元件。根據(jù)所采用的反饋形式可分為滑閥位置反饋、負載壓力反饋和負載流量反饋三種形式。滑閥位置反饋是兩級電液伺服閥中最常見的一種反饋形式。7.2.2兩級電液伺服閥

第一級液壓放大器為雙噴嘴擋板閥，由永磁動鐵式力矩馬達控制，第二級液壓放大器為四邊滑閥，閥芯位移通過反饋桿與銜鐵擋板組件相連，構(gòu)成滑閥位置力反饋回路。

力反饋兩級電液伺服閥2025/2/12

7.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理

沒有控制電流輸入，銜鐵由彈簧管支撐在上、下導磁體的中間位置，擋板處于兩噴嘴中間位置，閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位，閥口關(guān)閉，無壓力輸出。

輸入差動控制電流△i=i1-i2，銜鐵產(chǎn)生逆時針電磁轉(zhuǎn)矩，銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動中心逆時針偏轉(zhuǎn)，彈簧管和反饋桿產(chǎn)生變形，擋板偏離中位。

此時，噴嘴擋板閥右間隙減小，左間隙增大，引起滑閥右腔壓力p2p增大，左腔壓力p1p減小，推動閥芯左移。同時帶動反饋桿端部小球左移，使反饋桿進一步變形。

力反饋兩級電液伺服閥2025/2/12

7.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理

當反饋桿和彈簧管變形產(chǎn)生的反力矩=電磁力矩，銜鐵擋板組件便處于一個新的平衡位置。

在反饋桿端部左移進一步變形時，擋板的偏移減小，趨于中位。使閥芯兩端的壓力p2p降低，p1p升高，當閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑閥的液動力相平衡時，閥芯停止運動，其位移與控制電流成比例。

這種伺服閥由于銜鐵和擋板均在中位附近工作，線性好，對力矩馬達的線性要求也不高，允許滑閥有較大的工作行程。

力反饋兩級電液伺服閥2025/2/12

7.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理

該伺服閥將噴嘴與閥芯集成于一體，并將噴嘴-擋板液壓放大器的油路設(shè)置在閥芯內(nèi)部。力矩馬達的控制線圈輸入控制電流時，若擋板向右偏離中位xf，噴嘴-擋板液壓放大器便推動閥芯向右運動，直到擋板重新回到兩噴嘴的中間位置，噴嘴-擋板液壓放大器才停止工作，此時閥芯已產(chǎn)生了相應位移xv，使閥輸出相應的流量。

直接位置反饋兩級電液伺服閥2025/2/12

7.2電液伺服閥結(jié)構(gòu)和工作原理

該閥由檢測閥芯位移的位移傳感器、伺服放大器及比較器組成的電氣反饋回路實現(xiàn)閥芯的閉環(huán)位置控制。

輸入控制電流時，閥芯因慣性來不及運動，故比較器輸出偏差信號，經(jīng)伺服放大器放大后輸給力矩馬達產(chǎn)生電磁力矩，帶動擋板偏離中位，推動閥芯運動，由位移傳感器檢測其位移xv產(chǎn)生反饋信號。

閥芯移到一定位置時，輸入信號與反饋信號相等，馬達中控制電流為零，消除了電磁力矩，擋板在扭簧反力矩作用下回到兩噴嘴中間位置，閥芯移動了位移xv，使伺服閥輸出相應流量。

電氣反饋兩級電液伺服閥2025/2/127.3電液伺服閥特性和性能指標7.3.1靜態(tài)特性

負載流量特性

在穩(wěn)定條件下，伺服閥的各穩(wěn)態(tài)參數(shù)（如輸出流量、負載壓力等）和輸入電流間的相互關(guān)系。

靜態(tài)特性主要包括負載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性和零漂等性能指標。

電液伺服閥是一種非常復雜且精密的電液控制元件，其性能優(yōu)劣對整個電液伺服系統(tǒng)的工作品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。

流量-壓力特性曲線主要用來確定伺服閥的類型和估計伺服閥的規(guī)格，以便與所要求的負載流量和負載壓力相匹配。2025/2/127.3電液伺服閥特性和性能指標

空載流量特性

額定壓力下，伺服閥的負載壓力為零，輸入電流為正、負額定電流間緩慢連續(xù)變化的一個完整循環(huán)，所得的輸入電流與輸出流量之間的回環(huán)狀關(guān)系曲線稱為伺服閥的空載流量特性曲線。

因力矩馬達的磁滯效應，空載流量曲線呈回環(huán)狀，流量曲線中點的軌跡稱為名義流量曲線。這是零滯環(huán)流量曲線，閥的滯環(huán)通常很小，可把流量曲線的任一側(cè)當作名義流量曲線使用。

流量曲線上某點或某段的斜率就是伺服閥在該點或該段的流量增益。

從名義流量曲線的零流量點向兩極各作一條與名義流量曲線偏差為最小的直線，就是名義流量增益線。2025/2/127.3電液伺服閥特性和性能指標

壓力特性

壓力特性曲線是輸出流量為零（兩個負載油口關(guān)閉）時，負載壓降與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線。

壓力增益：負載壓力對輸入電流的變化率。

伺服閥的壓力增益通常規(guī)定為最大負載壓降的±40%之間，負載壓降對輸入電流曲線的平均斜率。

內(nèi)泄漏特性

內(nèi)泄漏流量是負載流量為零時，從回油口流出的總流量。

閥處于零位時，內(nèi)泄漏流量（零位內(nèi)泄漏流量）最大。

零位泄漏流量對于新閥可作為滑閥制造質(zhì)量的指標，對于舊閥可反映滑閥的磨損情況。2025/2/127.3電液伺服閥特性和性能指標

零漂

工作條件或環(huán)境條件變化會使伺服閥的零偏有所變化，零偏電流的變化值對額定電流的百分比稱為零漂。分供油壓力零漂、回油壓力零漂、溫度零漂和零值電流零漂等。供油壓力零漂供油壓力在70%~100%額定壓力變化時零漂<2%回油壓力零漂回油壓力在0~20%額定壓力變化時零漂<2%溫度零漂工作油溫每變化40℃時零漂<2%零值電流零漂零值電流在0~100%額定電流變化時零漂<2%2025/2/127.3.2動態(tài)特性

電液伺服閥的動態(tài)特性可用頻率響應（頻域特性）或瞬態(tài)響應（時域特性）表示，一般用頻率響應表示。

頻率響應是指輸入電流在某一頻率范圍內(nèi)做等幅變頻正弦變化時，空載流量與輸入電流的復數(shù)比。

頻率響應特性包括幅頻特性和相頻特性。

幅頻特性是輸入、輸出信號的幅值比（dB）與頻率的關(guān)系曲線。

相頻特性是輸出信號滯后輸入信號的相位角（°）與頻率的關(guān)系曲線。

幅頻和相頻特性曲線通常用伯德（Bode）圖表示。7.3電液伺服閥特性和性能指標2025/2/127.3.2動態(tài)特性

伺服閥的頻寬通常以幅值比為-3dB（即輸出流量為基準頻率（5Hz或10Hz）時的輸出流量的70.7%）時所對應的頻率定義為幅頻寬，用w-3

或f-3

表示。

以相位滯后90°時所對應的頻率定義為相頻寬，用w-90°

或f-90°表示。

伺服閥的頻寬一般取幅頻寬和相頻寬中的較小者，它是伺服閥動態(tài)響應速度的度量。

伺服閥的頻寬應根據(jù)系統(tǒng)的實際需要加以確定，頻寬過低會影響系統(tǒng)的響應速度，過高會使高頻干擾信號傳到負載上去。

伺服閥的幅值比一般≤2dB。

通常力反饋兩級電液伺服閥的頻寬在100~130Hz之間，電反饋高頻電液伺服閥的頻寬可達250Hz或以上。7.3電液伺服閥特性和性能指標2025/2/127.3電液伺服閥特性和性能指標7.3.3輸入特性

線圈接法

伺服閥一般有兩個控制線圈可采用右圖任一種接法。

單線圈接法

可減小電感影響，但因力矩馬達工作間隙不可能做到完全相等和對稱，會加大伺服閥流量特性的不對稱度，一般不采用。

雙線圈接法

串聯(lián)接法

一線圈輸入電流，另一線圈用來調(diào)偏、接反饋或引入顫振信號。

額定電流和電控功率小，易受電源電壓變動的影響。

并聯(lián)接法

可靠性高，具有一定的工作冗余，但易受電源電壓變動的影響。與串聯(lián)接法相比，并聯(lián)時電感小，因此推薦采用。

差動接法

不易受伺服放大器電源電壓變動影響。2025/2/127.3電液伺服閥特性和性能指標7.3.3輸入特性

顫振信號

為提高伺服閥的分辨能力，改善系統(tǒng)性能，可在伺服閥輸入信號上疊加一個高頻低幅的電信號，使伺服閥處在一個顫振狀態(tài)中，以減小或消除伺服閥由于干摩擦所產(chǎn)生的游隙，防止閥芯卡死。

顫振信號頻率一般取伺服閥頻寬的1.5~2倍。顫振信號的頻率不應與伺服閥、執(zhí)行元件及負載的諧振頻率重合。

顫振幅值不能過大，一般取10%的額定電流值，以免通過伺服閥傳遞到負載。

附加的顫振信號會增加滑閥節(jié)流口及閥芯外圓和閥套內(nèi)孔的磨損，以及力矩馬達的彈性支承元件的疲勞，縮短伺服閥的使用壽命。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)是以液壓為動力，以電液伺服閥（伺服變量泵）作為電液轉(zhuǎn)換和放大元件來實現(xiàn)某種控制規(guī)律的系統(tǒng)，它的輸出信號能跟隨輸入信號快速變化，也稱隨動系統(tǒng)。

電液伺服系統(tǒng)具有響應速度快、功率質(zhì)量比大及抗負載剛度大等特點，在控制精度要求高、輸出功率大的控制領(lǐng)域占有獨特的優(yōu)勢。

按電液伺服系統(tǒng)被控機械量的不同，可分為電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度伺服系統(tǒng)和電液力伺服系統(tǒng)三種。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

電液位置伺服系統(tǒng)是一種最基本和最常用的液壓伺服系統(tǒng)。以電液伺服閥實現(xiàn)對伺服油缸的位置控制，加入位移傳感器構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。

位置傳感器（線位移傳感器）用來測量實際位置信號，并將其轉(zhuǎn)換成對應的電流或電壓信號送至偏差檢測元件作為反饋信號。

通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)被控量對給定量的及時準確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。

電液位置伺服系統(tǒng)適合于負載慣性大的高速、大功率對象的控制，已在飛行器姿態(tài)控制、飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、雷達天線方位控制、機器人關(guān)節(jié)控制、帶材跑偏、張力控制、雷達和火炮控制以及振動試驗臺中得到應用。7.4.1電液位置伺服系統(tǒng)2025/2/12

7.4電液伺服系統(tǒng)

傳遞函數(shù)分析

閥控缸式電液位置伺服系統(tǒng)由放大器、伺服閥、液壓缸、位移傳感器以及負載組成。

放大器將指令信號Ur

與位移傳感器的反饋信號Uf

形成的偏差信號放大并轉(zhuǎn)換為電流信號△i。式中Ke為放大器增益。

伺服閥從力矩馬達控制電流△i到滑閥閥芯位移xv

的傳遞函數(shù)式中wmf和分別為力矩馬達固有頻率和阻尼系數(shù)；Kvf為伺服閥力反饋回路開環(huán)放大系數(shù)；Ksv為伺服閥增益。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

傳遞函數(shù)分析

忽略彈性負載，零開口四邊閥控缸從滑閥閥芯位移xv到活塞桿位移xp的傳遞函數(shù)為式中wh和為液壓缸固有頻率和阻尼系數(shù)；Kq為滑閥流量增益；Ap為活塞有效面積；Kce為包括泄漏在內(nèi)的總壓力流量系數(shù)；Vt為液壓缸兩腔的總?cè)莘e；βe為液體等效體積彈性模量。式中，Kf為傳感器增益。

位移傳感器將液壓缸活塞位移xv轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號Uf，即

電液伺服閥的頻寬與液壓固有頻率相近時，電液伺服閥的傳遞函數(shù)可用二階環(huán)節(jié)來表示。

電液伺服閥的頻寬>（3~5倍）液壓固有頻率時，電液伺服閥的傳遞函數(shù)可用一階環(huán)節(jié)來表示。

由于電液伺服閥的響應速度快，與液壓動力元件相比，其動態(tài)特性可忽略不計，此時伺服閥又可簡化為比例環(huán)節(jié)。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

忽略外負載力FL，對應系統(tǒng)的框圖見右圖。

由簡化框圖可以寫出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

特征方程是由一個積分環(huán)節(jié)和一個二階振蕩環(huán)節(jié)組成。式中，Kv為速度放大系數(shù)2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

穩(wěn)定性分析

誤差分析

根據(jù)上式開環(huán)傳遞函數(shù)繪制系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖

系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)及穩(wěn)定裕度分別為

電液位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由開環(huán)增益

Kv

、動力元件固有頻率

wh和阻尼系數(shù)決定的。

控制系統(tǒng)的誤差包括穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差兩個方面。

穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)動態(tài)誤差當時間時的誤差。它描繪控制系統(tǒng)對給定輸入和干擾信號穩(wěn)態(tài)時的誤差。穩(wěn)態(tài)誤差可根據(jù)誤差傳遞函數(shù)求得。

靜態(tài)誤差是由組成控制系統(tǒng)的元器件本身精度所造成的誤差。包括動力機構(gòu)死區(qū)誤差、伺服閥和放大器的零漂誤差、反饋元件的零位誤差等，靜態(tài)誤差不是時間的函數(shù)，沒有動態(tài)過程。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)H(s)，可以得到誤差Er對指令信號Ur的誤差傳遞函數(shù)

利用拉氏變換的中值定理，求穩(wěn)態(tài)誤差er

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與輸入信號的形式有關(guān)。

對于單位階躍輸入信號，其傳遞函數(shù)為

可得穩(wěn)態(tài)誤差為零，這是因為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中有一個積分環(huán)節(jié)，是I系統(tǒng)。

對于單位等速輸入信號，其傳遞函數(shù)為

可求得穩(wěn)態(tài)誤差為2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

I型系統(tǒng)跟蹤等速輸入信號時存在位置誤差（不是速度誤差），誤差大小與開環(huán)增益成反比。

對于單位等加速度輸入信號，其傳遞函數(shù)為

可求得穩(wěn)態(tài)誤差為

可見I型系統(tǒng)無法跟蹤等加速度輸入信號。

電液位置伺服系統(tǒng)的靜態(tài)誤差主要由液壓動力機構(gòu)死區(qū)及伺服閥死區(qū)、伺服閥與其放大器的零漂、測量元件的零位誤差引起的。

動力機構(gòu)由靜止開始運動克服負載和靜摩擦力造成的負載壓降，伺服閥輸入電流△i1。

若克服伺服閥存在的死區(qū)，輸入電流△i2。

伺服閥的零點漂移主要由供油壓力、系統(tǒng)溫度變化引起的，減小零漂輸入電流△i3。

上述因素所造成的系統(tǒng)輸出誤差△y為Ke為伺服放大器增益。Kf為位移傳感器增益。2025/2/12

剛度特性分析7.4電液伺服系統(tǒng)

位置伺服系統(tǒng)的輸出位移Y對外負載力F的閉環(huán)傳遞函數(shù)稱為系統(tǒng)閉環(huán)柔度特性，其表達式為

系統(tǒng)柔度特性的倒數(shù)稱為閉環(huán)剛度特性，即

系統(tǒng)閉環(huán)剛度是對外負載干擾引起的位置誤差的度量，直接影響系統(tǒng)的位置控制精度。

系統(tǒng)閉環(huán)剛度與開環(huán)增益

Kv

成正比，Kv越高，系統(tǒng)剛度越大。

當開環(huán)增益不滿足系統(tǒng)剛度要求時，可采用積分校正或速度反饋校正加以解決。

閉環(huán)靜態(tài)剛度為

對比系統(tǒng)閉環(huán)剛度特性與開環(huán)剛度可知，動力機構(gòu)靜態(tài)剛度為零，而系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)剛度是一個很大的值。因此，加入位移反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)后，極大提高了系統(tǒng)剛度。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

滯后校正

加入滯后校正主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，加大低頻段增益、降低高頻段增益，使系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下減小穩(wěn)態(tài)誤差。

常用滯后校正的傳遞函數(shù)為式中，Kc為校正環(huán)節(jié)的增益；w1為超前環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；α為滯后超前比。

校正環(huán)節(jié)具有純相位滯后，是一個低通濾波器。

滯后校正利用的是校正網(wǎng)絡(luò)的高頻衰減特性，可以在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提高系統(tǒng)的低頻增益，從而改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

在阻尼較小的液壓伺服系統(tǒng)中，提高放大系統(tǒng)的限制因素是增益裕度，而不是相位裕度，故在液壓伺服系統(tǒng)中采用滯后校正是合適的。電液位置伺服系統(tǒng)串聯(lián)滯后校正，開環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)計滯后校正網(wǎng)絡(luò)主要是確定參數(shù)Kc、w1

和α。2025/2/12

速度和加速度反饋校正7.4電液伺服系統(tǒng)

速度反饋可提高系統(tǒng)的固有頻率，加速度反饋能夠增加系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

速度反饋回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中，K0v為校正后速度反饋回路的增益；Kfv為速度反饋系數(shù)；K0校正前開環(huán)增益；whv和為速度反饋回路的液壓固有頻率和阻尼系數(shù)。

速度反饋校正增加系統(tǒng)固有頻率、頻寬和剛度，減小開環(huán)增益和阻尼系數(shù)，但低阻尼系統(tǒng)性能難以提高。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

加速度反饋回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為為由加速度反饋產(chǎn)生的附加阻尼項；Kfa為加速度反饋系數(shù)。式中，為加速度反饋回路的阻尼系數(shù)；其中第二項

采用加速度反饋回路校正系統(tǒng)開環(huán)增益、固有頻率不變，系統(tǒng)的阻尼系數(shù)增大了。

保證內(nèi)部回路穩(wěn)定的前提下，通過調(diào)整加速度反饋系數(shù)Kfa可使系統(tǒng)的阻尼系數(shù)達到希望值，以滿足性能需要。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

同時帶速度和加速度反饋回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式中K1為前置放大器增益；Kva、wva和

分別為速度-加速度反饋回路的增益、液壓固有頻率和液壓阻尼系數(shù)。

同時引入這兩種校正，調(diào)整K1、Kfv、Kfa改變前置放大器增益、系統(tǒng)固有頻率和阻尼系數(shù)，改善性能指標。

速度和加速度反饋校正可以提高系統(tǒng)的固有頻率和阻尼系數(shù)，但并不是無限制任意調(diào)節(jié)。伺服閥等環(huán)節(jié)的頻寬是速度和加速度反饋校正的限制條件。

2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

靜壓反饋和動壓反饋校正

引入靜壓反饋并不改變數(shù)學模型結(jié)構(gòu)，但增加了一項附加的流量-壓力系數(shù)，即KfpKaKsvKq。

該附加的流量-壓力系數(shù)很小，其作用與加大伺服閥和液壓缸的泄漏是相同的。

因液壓系統(tǒng)自身阻尼系數(shù)較小，易出現(xiàn)欠阻尼，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可通過增加能耗和降低剛度的方式加大漏損，來提高阻尼系數(shù)。

如果既希望增加阻尼但不希望增大能耗及降低剛度，可采用壓力反饋校正。

壓力反饋分為靜壓反饋和動壓反饋兩種反饋方式。

系統(tǒng)校正前總泄漏系數(shù)Kce，靜壓反饋系數(shù)Kfp，靜壓反饋校正后總泄漏系數(shù)2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

靜壓反饋校正使系統(tǒng)總泄漏系數(shù)增大，校正后系統(tǒng)固有頻率保持不變，而阻尼系數(shù)為

靜壓反饋校正增大了系統(tǒng)阻尼，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，克服了因泄漏導致的系統(tǒng)效率降低的缺陷。靜壓反饋校正是提高和產(chǎn)生恒定阻尼的較好方式。

提高總泄漏系數(shù)會降低系統(tǒng)剛度，增大干擾引起的誤差。式中，為微分放大器增益；為時間常數(shù)。

加入靜態(tài)反饋校正后，系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)剛度為

為彌補靜壓反饋校正的缺點，可采用動壓反饋校正的方法。要實現(xiàn)動壓反饋，就要將壓力傳感器的放大器替換為微分放大器，傳遞函數(shù)為

加入動壓反饋校正后不影響系統(tǒng)靜態(tài)剛度和固有頻率，可增大系統(tǒng)阻尼。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

7.4.2電液速度伺服系統(tǒng)

閥控馬達動力機構(gòu)包括放大器、伺服閥、液壓馬達、速度傳感器以及負載，控制目標是馬達的輸出轉(zhuǎn)速。分析電液速度伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

電液速度伺服系統(tǒng)的控制對象是系統(tǒng)的輸出速度，它通過速度傳感器將輸出的速度反饋至系統(tǒng)輸入端，構(gòu)成速度閉環(huán)。

傳遞函數(shù)分析

放大器將指令信號Ur與反饋速度的電壓信號Uf

形成的偏差進行放大并轉(zhuǎn)換為電流信號△i。對應方程：式中，Ke為放大器增益。

伺服閥從力矩馬達電流△i到閥芯位移xv的傳遞函數(shù)2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

忽略彈性負載，零開口四邊閥控馬達從滑閥位移xv

到液壓馬達角速度的傳遞函數(shù)為式中，wh和液壓缸的固有頻率和阻尼系數(shù)；Kq滑閥流量增益；Dm液壓馬達的排量；Kce包括泄漏在內(nèi)的總壓力流量系數(shù)；Vt

液壓馬達兩腔及連接管路總?cè)莘e；βe液體等效體積彈性模量。

速度傳感器將馬達角速度信號轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號Uf，即

得出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

特征方程是一個二階振蕩環(huán)節(jié)。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

系統(tǒng)校正

由開環(huán)傳遞函數(shù)可知，電液速度伺服系統(tǒng)是0型有差系統(tǒng)，輸出速度誤差隨速度的增大而增大。

速度伺服系統(tǒng)不像位置伺服系統(tǒng)那樣簡單地通過速度反饋來實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，存在的速度誤差可能使穩(wěn)定裕度減小，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為了使電液速度伺服系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，并減小穩(wěn)態(tài)誤差，需要采取適當?shù)男Ｕ胧?/p>

動態(tài)特性分析

為了使電液速度伺服系統(tǒng)穩(wěn)定工作，通常需要加入積分校正環(huán)節(jié)或慣性校正環(huán)節(jié)。

加入積分環(huán)節(jié)校正后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為T1積分校正環(huán)節(jié)時間常數(shù)。已知穿越頻率wc，可計算T1=Kv/wc。

加入慣性環(huán)節(jié)校正后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為T2慣性校正環(huán)節(jié)時間常數(shù)。已知穿越頻率wc，可計算T2=Kv/wc。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

7.4.3電液力伺服系統(tǒng)

電液力伺服系統(tǒng)以閥控液壓缸為動力機構(gòu)，主要由伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸和力傳感器等組成。

電液力伺服系統(tǒng)的控制對象是輸出力矩或力，它通過力矩或力傳感器傳輸反饋信號至系統(tǒng)輸入端，構(gòu)成力矩或力閉環(huán)。

電液力伺服系統(tǒng)組成及工作原理

指令信號Ur作用于系統(tǒng)，液壓缸輸出動力，經(jīng)力傳感器轉(zhuǎn)換為反饋力的電壓信號Uf，與輸入信號比較得偏差信號Ue，經(jīng)伺服放大器、電液伺服閥作用于液壓缸，使輸出力向減小偏差方向變化，直到為零。

開環(huán)傳遞函數(shù)中是不含積分環(huán)節(jié)的0型有差系統(tǒng)。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

傳遞函數(shù)分析

電液力伺服系統(tǒng)中，放大器將指令信號Ur與反饋信號Uf的偏差信號放大并轉(zhuǎn)換為電流信號△i。放大器通常簡化為比例環(huán)節(jié)。式中，Ke為放大器增益。

伺服閥從力矩馬達控制電流△i到滑閥閥芯位移xv的傳遞函數(shù)

閥控液壓缸從負載力F到閥芯位移xv的傳遞函數(shù)為Kce包括泄漏在內(nèi)的總壓力流量系數(shù)kh液壓彈簧剛度；wm為負載固有頻率，w0和為液壓系統(tǒng)的綜合固有頻率和綜合阻尼系數(shù)，；wr為液壓彈簧和負載彈簧串聯(lián)耦合剛度與阻尼系數(shù)之比2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

力傳感器將輸出力F轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號Uf，即Uf=KfF

根據(jù)系統(tǒng)控制框圖，可以得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

對應的電液力伺服系統(tǒng)的控制框圖為式中，K0為系統(tǒng)開環(huán)增益；Kp為系統(tǒng)總壓力增益。

電液力伺服系統(tǒng)的特征方程中沒有積分環(huán)節(jié)，它是0型有差系統(tǒng)。

開環(huán)增益中出現(xiàn)了壓力增益Kp，這是電液力伺服系統(tǒng)的典型特征，表明系統(tǒng)輸出量為力信號。2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

特征分析

從電液力伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可知，該系統(tǒng)為0型有差系統(tǒng)，由比例環(huán)節(jié)、二階微分環(huán)節(jié)、二階振蕩環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)組成。

討論系統(tǒng)中負載彈性剛度k的兩種特殊情況

2025/2/127.4電液伺服系統(tǒng)

系統(tǒng)校正

電液力伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性直接受負載彈性剛度的影響，當負載彈性剛度較小時，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

二階振蕩環(huán)節(jié)的阻尼系數(shù)較小，隨著負載彈性剛度的增加而減小，使得振蕩環(huán)節(jié)固有頻率w0

處的諧振峰很容易超過零分貝線，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為改善電液力伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常在開環(huán)穿越頻率wc與負載固有頻率wm之間加入校正裝置，在這里加入雙慣性環(huán)節(jié)作為校正裝置的傳遞函數(shù)，即式中，wp為校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率。2025/2/127.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用

Bigdog四足仿生機器人在未知和不可預測的崎嶇不平復雜地形中能自如行走，是足式機器人超越輪式和履帶式機器人的最顯著特性。融合了機械、電子、控制、計算機和仿生等領(lǐng)域先進技術(shù)。在相當程度上反映了國際尖端機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

Bigdog四足仿生機器人以四足哺乳動物身體結(jié)構(gòu)為參照，擁有12個或16個主動自由度的腿部移動裝置。

以液壓為驅(qū)動系統(tǒng)對主動自由度實施動力驅(qū)動，機載運動控制系統(tǒng)對機體姿態(tài)和落足地形實施檢測，利用虛擬模型測算機體重心位置，根據(jù)肢體實際載荷，實施準確和安全的運動規(guī)劃，并根據(jù)機體狀態(tài)的變化同步調(diào)整輸出，使機器人具備對復雜地形的適應性。

7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用7.5.1機體結(jié)構(gòu)與運動特性

機體結(jié)構(gòu)

Bigdog機體由機身及12或16段肢體組成。機身為剛體結(jié)構(gòu)，是整個裝置設(shè)計與裝配的基準。

Bigdog肢體設(shè)計側(cè)重于縱向運動。縱向自由度位置更靠近地面，對地形干擾的適應性強。髖部橫向自由度在最上端遠離地面，靈活性較差。機體縱向運動的靈活性和調(diào)整能力強于橫向。

Bigdog所有肢體為單軸關(guān)節(jié)，各肢體之間均采取銷孔配合連接，有效保證機體的結(jié)構(gòu)精度。各段肢體在各自液壓執(zhí)行器的驅(qū)動下做往復加減速旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成了Bigdog肢體的運動常態(tài)。7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用7.5.1機體結(jié)構(gòu)與運動特性

運動特性

機體支撐倒立擺運動、重心顛簸起伏、機體重心自擾動和肢體往復加減速運動構(gòu)成了四足機器人的基本運動特性。

機體運動協(xié)調(diào)性是四足機器人控制的最大難點。

機體所有質(zhì)點都不是直線而是空間不規(guī)則曲線運動。機身在兩條支撐腿支撐下從倒立擺的一端經(jīng)最高點后在另一端停止。機身重心經(jīng)歷一次圓弧運動，而水平方向的位移才是機身實際有效位移。機身的重心始終是顛簸起伏，呈波浪曲線狀。

7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用

機體的各剛體在縱向運動的同時還存在著明顯的相對運動，重心空間位置飄忽不定，引起四足機體重心的自擾動。該擾動也是足式機器人區(qū)別于其他移動式機器人的顯著特性。

每段肢體是旋轉(zhuǎn)運動，行程范圍小，為實現(xiàn)機器人的運動速度，通常在肢體轉(zhuǎn)速剛提升時，就快速減速來保證在行程終端位置剎住。即驅(qū)動系統(tǒng)的加速、減速構(gòu)成了動力系統(tǒng)輸出的基本常態(tài)。

為保證機器人平穩(wěn)運動，使輸出的力和扭矩能剛好滿足對應肢體的實際動力需求，也就是有效控制油壓及流量。不斷地規(guī)劃、檢測、反饋和調(diào)整，便構(gòu)成了四足機器人運動控制的基本常態(tài)。

地形的隨機變化、多種運動狀態(tài)之間頻繁切換和肢體載荷分布不均等，都將影響B(tài)igdog四足仿生機器人運動控制的難度。

運動特性7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用7.5.2液壓驅(qū)動系統(tǒng)

Bigdog液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由汽油發(fā)動機、變量活塞泵、液壓油箱、油壓總路、蓄電池、16個電液伺服閥和液壓執(zhí)行器等元器件組成。

汽油發(fā)動機帶動活塞泵旋轉(zhuǎn)，形成油壓總路。每段肢體的液壓執(zhí)行器將根據(jù)運動控制系統(tǒng)發(fā)出的油壓和流量等指令參數(shù)，借助電液伺服閥的調(diào)壓功能，提供肢體所需的動力。

液壓油傳輸時會與管壁產(chǎn)生摩擦，造成能量損失，油壓下降，傳輸距離越長下降越明顯，造成進入足底段肢體油壓低于動力學規(guī)劃值，需要借助電液伺服閥的增壓功能，對液壓油實施增壓，彌補因傳輸損耗造成的油壓不足，使動力系統(tǒng)的輸出滿足動力學的需要。7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用7.5.3運動控制系統(tǒng)

Bigdog機器人在復雜環(huán)境下，只需少量人工干預，獨立自主實施各種運動。運動中的動作指令需要借助運動控制系統(tǒng)自主生成，因此，運動控制系統(tǒng)必須具有很強的魯棒性和應變性，才能滿足不同地形的需求。

運動控制過程：檢測機身和肢體狀態(tài)，還原落足點地形，建立數(shù)學模型求算機體重心。以機體安全狀態(tài)參數(shù)為控制準則，借助樣機模型與規(guī)劃模型的偏差，對運動控制實施反饋，保證實際樣機與規(guī)劃模型的一致性。

概況7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用

利用垂直地面的運動支撐機身、利用支撐腿橫向自由度牽拉機身的位置變化以保持機身姿態(tài)的安全、邁步腿根據(jù)均勻?qū)ΨQ原則放置正確的落足位置以保持新的支撐平衡。

理想狀態(tài)下，四足機器人機體只在縱向平面內(nèi)實施運動，但受多種因素影響，機身發(fā)生傾斜，機體重心偏離穩(wěn)定支撐區(qū)域，借助支撐腿橫向自由度的運動，調(diào)整機身姿態(tài)。

處于懸空狀態(tài)的邁步腿根據(jù)支撐腿及機身的姿態(tài)，選擇正確的落地位置，保證機體重心落在新支撐腿確立的穩(wěn)定區(qū)域之內(nèi)。

控制原則和狀態(tài)安全性評估

控制原則7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用

凹凸起伏、坡度、濕滑等復雜地形是造成Bigdog機器人運動困難和遭遇險情的主要因素。

崎嶇路面運動時，地面作用在足底的支撐力方向不易確定和控制，前后有效腿長不一致；落地存在時間差，運動不連貫；濕滑造成支撐腿不穩(wěn)而打滑、摔倒等風險，對四足機器人的運行安全構(gòu)成了潛在威脅。

Bigdog安全性評估主要從支撐腿打滑程度和機身姿態(tài)兩個方面進行評估。

復雜環(huán)境中支撐腿打滑是極為常見的，利用壓力傳感器檢測和插入規(guī)劃的方法可解決支撐腿打滑的問題。

控制原則和狀態(tài)安全性評估

安全性評估7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用

支撐腿是否打滑，監(jiān)控虛擬模型狀態(tài)和檢測足底壓力傳感器數(shù)值的變化。

小幅度打滑出現(xiàn)在山坡行走時，支撐腿在倒立擺結(jié)束前出現(xiàn)的打滑離地，可通過快速落地的新支撐腿來挽救。大幅度打滑出現(xiàn)在冰面行走時，Bigdog停止正常行走，通過尋找穩(wěn)定的支撐腿狀態(tài)，確保立穩(wěn)不打滑，才可以繼續(xù)行走。

俯仰和橫滾角是衡量機身姿態(tài)安全性的主要參數(shù)。Bigdog初始在水平地面站立，慣性測量單元清零，此后慣性測量單元隨時檢測機身運動中的狀態(tài)參數(shù)，可知機身與水平面之間的偏差，即俯仰或橫滾角。若超出設(shè)定的雙角安全范圍，運動控制系統(tǒng)則認為機身處于非安全狀態(tài)。

雙角變化過大，意味著機體發(fā)生傾斜，重心會偏離支撐腿所確定的穩(wěn)定區(qū)域，在重力扭矩作用下機體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，傾斜幅度加大，導致機體傾翻。

控制原則和狀態(tài)安全性評估

安全性評估7.5電液驅(qū)動在Bigdog四足仿生機器人中的應用

控制原則和狀態(tài)安全性評估

機身和肢體檢測

借助慣性測量單元、關(guān)節(jié)編碼器和壓力傳感器快速準確檢測機身和肢體的狀態(tài)參數(shù)變化，是實施精確控制的前提條件。

機身運動過程中俯仰角、橫滾角和偏航角借助陀螺儀測得。俯仰角和橫滾角是機身姿態(tài)安全的主要參考指標，偏航角是機器人方向變化的主要控制參數(shù)，與姿態(tài)的安全性無關(guān)。

每一主動關(guān)節(jié)加裝的編碼器，可獲取任意時刻各個關(guān)