阀控液压马达速度伺服系统仿真分析
引言
阀控液压马达速度伺服系统的负载具有较大的惯性和很小的阻尼，其传递函数常可近似由一对实部为零的极点组成，并有很低的动态响应，由于负载处在系统的闭环之中，所以它对阀控液压马达的动态品质有很大的影响。此外，系统的负载常是可变的，系统设计只能针对一种特定负载，负载一旦改变，系统的动态品质就会变坏，有时甚至失去稳定性，严重的影响了伺服系统的跟踪性能。本文主要针对干扰力矩对系统的影响，利用结构不变性原理，消除干扰力矩对系统的影响，同时利用PID 控制理论来提高系统的动态性能。
1 阀控液压马达速度伺服系统模型建立
阀控液压马达速度伺服系统的结构如图1所示。
液压马达的力矩方程为：
f
m m s l m T G s C J P +++=θ)(D （1）
负载流量方程为：
l e
m m l tm l sP V
s D P C βθ4Q +== （2）
伺服阀的线性流量方程为： L p x l
P K x k Q -= （3）
电液伺服阀近似看成二阶振荡环节：
1
22^2^)()(++=
s S K s i s x sv
sv
sv sv
v ωξω （4） 伺服放大器输出电流ΔI 与输入电压Ue 近似成正比，其传递函数可用伺服放大器增益Ka 表示：
但通常的速度控制系统采用积分放大器，对原系统加以校正才能稳定工作。校正后的积分放大器增益Ka 表示为：
测速机速度传感器（测速机）的数学模型为：
在上述公式中：v x 为电液伺服阀阀芯位移；i 为电液伺服阀输入电流；v sv k s sv ωξ、、分别为电液伺服阀的增益、阻尼系数和固有频率；m D 为马达排量；L Q 为马达的负载流量；x K 为流量增益系数；
p K 为流量一压力系数；只为供油压力；s P 为负载压力；m θ为马达转
速；e β为从油液有效体积弹性模数；V 为马达的总容积；J 为折算到
马达输出轴上的转动惯量；f T 为外干扰力矩；tm C 为马达泄露系数；
m C 为粘性阻尼系数；G 为扭簧梯度。Ue 为积分放大器额定电压，；Ka 为积分放大器增益。为传感器电压；为速度传感器增益。
2 电液速度控制系统原理
首先给出阀控液压马达速度控制系统的实际物理模型：
如图所示，该系统由伺服放大器、电液伺服阀、液压马达、测速电动机等组成。测速电机轴与负载机轴相联，用于检测负载轴的速度，检测到的速度信号与指令信号差（误差信号）经伺服放大器进行功率放大，产生的电流用来控制电液伺服阀的阀芯位置，电液伺服阀输出压力油驱动液压马达及负载旋转。
根据所建立的物理模型，可以建立相对应的闭环控制系统原理的方框图：
伺服放大器
伺服阀
液压马达
测速机
速度信号电压
+
-
仿真系统动态方块图
根据所给出的系统原理方框图以及所求得的各环节数学模型，
可以得出仿真系统经过积分环节校正后的系统动态方块图如下：
K a
s
K sv
s2
ωsv2
+2ξh
ωsv
s+1
K s
s2
ωh2+
2ξh
ωh s+1
K fs s
Ur
Uf
Ue
+
-
θm
3 问题描述
现有一阀控液压伺服速度控制系统，其原理图如图1，考虑伺服阀的动态，伺服参数为：=3060e-6,=600,=0.5,液压缸的参数为=1.25e6，=388，=0.94，放大器增益=0.05，试用simulink对该系统进行动态分析，并比较校正前后系统稳定性，分析校正前后的变化。
4 解题步骤
（1）根据给定的参数，利用simulink对该系统进行未加积分环节校正的系统建模，如下图所示：
未校正系统的simulink模型
（2）绘制未校正系统的伯德图。Matlab程序如下：
clear all;clc;
Wsv=600;zuni1=0.5;Ksv=3060e-6;Ka=0.05;i=3;Kf=0.175;
Wh=388;zuni2=0.94;Kh=1.25e6;
sys=tf(Ka*Ksv*i*Kf*Kh,conv([1/Wsv^2 2*zuni1/Wsv 1],[1/Wh^2 2*zuni2/Wh 1]));
Figure;margin(sys);
grid;
分析bode图：
从图可看出系统的稳定裕量（Gm=-32.6dB,Pm=-128°）为负，可以断定其闭环系统是不稳定的。及时K0值调很低，对数幅频特性曲线也是以-80dB/dec或-40dB/dec的斜率穿过零分贝线，系统的相位裕量和幅值裕量都趋于负值，使系统不稳定。为了使系统有一定的稳定裕度量，必须加校正环节。在速度控制系统中，可以用运算放大器组成积分放大器代替原来的放大器。积分放大器如下图所示：
积分放大器
其传递函数为：
其中，Ka=0.05。
加了校正之后的系统仿真方框图如下：
校正后速度控制系统的仿真框图
矫正后的MATLAB程序：
clear all;clc;
Wsv=600;zuni1=0.5;Ksv=3060e-6;Ka=0.05;i=3;Kf=0.175;
Wh=388;zuni2=0.94;Kh=1.25e6;
sys=tf(Ka*Ksv*Kh,conv([1/Wsv^2 2*zuni1/Wsv 1 0],[1/Wh^2 2*zuni2/Wh 1]));
figure;margin(sys);
grid;
从伯德图看出校正后的系统穿越频率下降到247 rad/s,Gm=4.09dB,Pm=26.7deg,可看出系统有正的相角裕度，因而该系统闭环是稳定的。
第二章 思考题 1、为什么把液压控制阀称为液压放大元件？ 答：因为液压控制阀将输入的机械信号（位移）转换为液压信号（压力、流量）输出，并进行功率放大，移动阀芯所需要的信号功率很小，而系统的输出功率却可以很大。 2、什么是理想滑阀？什么是实际滑阀？ 答： 理想滑阀是指径向间隙为零，工作边锐利的滑阀。 实际滑阀是指有径向间隙，同时阀口工作边也不可避免地存在小圆角的滑阀。 4、什么叫阀的工作点？零位工作点的条件是什么？ 答：阀的工作点是指压力-流量曲线上的点，即稳态情况下，负载压力为p L ，阀位移x V 时，阀的负载流量为q L 的位置。 零位工作点的条件是 q =p =x =0L L V 。 5、在计算系统稳定性、响应特性和稳态误差时，应如何选定阀的系数？为什么？ 答：流量增益q q = x L V K ??，为放大倍数，直接影响系统的开环增益。 流量-压力系数c q =- p L L K ??，直接影响阀控执行元件的阻尼比和速度刚度。 压力增益p p = x L V K ??，表示阀控执行元件组合启动大惯量或大摩擦力负载的能力 当各系数增大时对系统的影响如下表所示。 7、径向间隙对零开口滑阀的静态特性有什么影响？为什么要研究实际零开口滑阀的泄漏特性？ 答：理想零开口滑阀c0=0K ，p0=K ∞，而实际零开口滑阀由于径向间隙的影响，存在泄漏 流量2c c0r = 32W K πμ ，p0c K ，两者相差很大。
理想零开口滑阀实际零开口滑阀因有径向间隙和工作边的小圆角，存在泄漏，泄漏特性决定了阀的性能，用泄漏流量曲线可以度量阀芯在中位时的液压功率损失大小，用中位泄漏流量曲线来判断阀的加工配合质量。 8、理想零开口阀具有线性流量增益，性能比较好，应用最广泛，但加工困难；因为实际阀总存在径向间隙和工作边圆角的影响。 9、什么是稳态液动力？什么是瞬态液动力？ 答：稳态液动力是指，在阀口开度一定的稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力。 瞬态液动力是指，在阀芯运动过程中，阀开口量变化使通过阀口的流量发生变化，引起阀腔内液流速度随时间变化，其动量变化对阀芯产生的反作用力。 习题 1、有一零开口全周通油的四边滑阀，其直径-3 d=810m ?，径向间隙-6c r =510m ?，供油压力5s p =7010a P ?，采用10号航空液压油在40C 。 工作，流量系数d C =0.62，求阀的零位 系数。 解：零开口四边滑阀的零位系数为： 零位流量增益 q0d K C =零位流量-压力系数 2c c0r 32W K πμ = 零位压力增益 p0c K = 将数据代入得 2q0 1.4m s K = 123c0 4.410m s a K P -=?? 11p0 3.1710a m K P =? 2、已知一正开口量-3 =0.0510m U ?的四边滑阀，在供油压力5s p =7010a P ?下测得零位泄 露流量c q =5min L ，求阀的三个零位系数。 解：正开口四边滑阀的零位系数为： 零位流量增益 c q0q K U = 零位流量-压力系数 c c0s q 2p K =
阀控液压马达速度伺服系统仿真分析 引言 阀控液压马达速度伺服系统的负载具有较大的惯性和很小的阻尼，其传递函数常可近似由一对实部为零的极点组成，并有很低的动态响应，由于负载处在系统的闭环之中，所以它对阀控液压马达的动态品质有很大的影响。此外，系统的负载常是可变的，系统设计只能针对一种特定负载，负载一旦改变，系统的动态品质就会变坏，有时甚至失去稳定性，严重的影响了伺服系统的跟踪性能。本文主要针对干扰力矩对系统的影响，利用结构不变性原理，消除干扰力矩对系统的影响，同时利用PID 控制理论来提高系统的动态性能。 1 阀控液压马达速度伺服系统模型建立 阀控液压马达速度伺服系统的结构如图1所示。 液压马达的力矩方程为： f m m s l m T G s C J P +++=θ)(D （1） 负载流量方程为： l e m m l tm l sP V s D P C βθ4Q +== （2）
伺服阀的线性流量方程为： L p x l P K x k Q -= （3） 电液伺服阀近似看成二阶振荡环节： 1 22^2^)()(++= s S K s i s x sv sv sv sv v ωξω （4） 伺服放大器输出电流ΔI 与输入电压Ue 近似成正比，其传递函数可用伺服放大器增益Ka 表示： 错误!未指定书签。 但通常的速度控制系统采用积分放大器，对原系统加以校正才能稳定工作。校正后的积分放大器增益Ka 表示为： 测速机速度传感器（测速机）的数学模型为： 错误!未指定书签。 在上述公式中：v x 为电液伺服阀阀芯位移；i 为电液伺服阀输入电流；v sv k s sv ωξ、、分别为电液伺服阀的增益、阻尼系数和固有频率；m D 为马达排量；L Q 为马达的负载流量； x K 为流量增益系数；p K 为流量一压力系数；只为供油压力；s P 为负 载压力；m θ为马达转速；e β为从油液有效体积弹性模数；V 为马达的总容积；J 为折算到马达输出轴上的转动惯量；f T 为外干扰力矩； tm C 为马达泄露系数；m C 为粘性阻尼系数；G 为扭簧梯度。Ue 为积分 放大器额定电压，；Ka 为积分放大器增益。错误!未指定书签。为传感器电压；错误!未指定书签。为速度传感器增益。
1.应用背景 在海上风机吊装工程中，经常需要进行速度控制，如原动机调速、吊臂垂直及回转装置的速度控制等。在该项目的工程设计及应用当中的电液位置伺服系统也经常采用速度局部反馈回路来提高系统的刚度和减小伺服阀等参数变化的影响，提高系统的精度。 电液速度控制系统按控制方式可分为：阀控液压马达速度控制系统和泵空液压马达速度控制系统。阀控液压马达系统一般用于小功率系统，而泵控马达系统一般用于大功率系统。在本次的实验中，主要针对阀控马达速动控制系统的校正前后变化，通过MATLAB的simulink对其进行仿真比较分析。 2.电液速度控制系统原理 首先给出阀控液压马达速度控制系统的实际物理模型： 如图１所示，该系统由伺服放大器、电液伺服阀、液压马达、测速电动机等组成。测速电机轴与负载机轴相联，用于检测负载轴的速度，检测到的速度信号与指令信号差（误差信号）经伺服放大器进行功率放大，产生的电流用来控制电液伺服阀的阀芯位置，电液伺服阀输出压力油驱动液压马达及负载旋转。 根据所建立的物理模型，可以建立相对应的闭环控制系统原理的方框图：
图2 阀控马达速度控制系统方框图 3.系统各环节数学模型 3.1伺服放大器 伺服放大器输出电流ΔI与输入电压Ue近似成正比，其传递函数可用伺服放大器增益Ka表示： （1） 但通常的速度控制系统采用积分放大器，对原系统加以校正才能稳定工作。校正后的积分放大器增益Ka表示为： （2） 式中：Ue为积分放大器额定电压，V； Ka为积分放大器增益，A/V。 3.2伺服阀 伺服阀的流量增益为： (3) 式中：为伺服阀流量增益，m 3/(s*A)； 为伺服阀空载流量，m3/s; 为伺服阀额定电流，A。 伺服阀传递函数为：
平衡阀在液压系统中的应用及故障排除 【摘要】：本文通过对平衡阀结构组成的分析，对其工作原理进行了详细的说明，并介绍了在各种变负载液压系统中广泛的应用；然后从平衡阀结构特性的角度，结合平衡阀在某公司焦炉机械装煤车上实际应用中出现的几种常见的故障，定性的分析了它的故障原因并提出了排除及预防故障的方法。 【关键词】：平衡阀液压系统震颤故障排除 【前言】：平衡阀是当今冶金液压系统中应用及其广泛的一种控制阀，本文通过力士乐液压公司ＦＤ型平衡阀工作原理，论述了其在变载机构中的控制作用，并以冶金液压系统中的实例应用加以说明。 一，平衡阀的结构与工作原理 FD 型平衡阀是德国力士乐公司设计的平衡阀, 它采用了液控单向节流设计, 从而实现了液控单向阀和单向节流阀的控制功能。其结构原理图如图1 , 当其控制油口X不工作时, 平衡阀具有单向阀的功能, 压力油从A口流入时, 液压阀单向导通, 当压力油从B口流入时, 液压阀反向封闭。如果其控制油口X通有一定的压力油, 由于X口连接的阻尼口（6）的作用, 控制阀芯（4）缓慢运动, 延时后首先推动卸荷阀芯（3）使B口卸压, 然后推动主阀芯（2）开启, 液压油从B 流向A 口。图2为其图形符号。
图1 FD 平衡阀结构原理图 （1）阀体、（2）主阀芯、（3）先导体、（4）控制阀芯，（5）阻尼阀芯，（6）阻尼孔、（7）（8）(9) 均为控制腔 图2 FD 平衡阀图形符号 二，平衡阀在工业液压系统中的实际应用 2.1平衡阀在单杆缸液压平衡回路中的应用 图3 为采用FD 型平衡阀设计的平衡回路, 在换向阀处于中位(为了安全, 应始终使用闭中位的方向阀)时,平衡阀保持垂直放置的 液压缸不因自重而下落。当换向阀交叉油路供油时, 液压油经过平衡阀(起单向阀作用) ,推动液压缸活塞提升负载。这时如果液压泵到平衡阀之间的液压油管破裂, 压力下降, 由于负载压力作用, 主阀立即关闭, 油缸保持在工作位置。当换向阀平行油路进行工作时, 由平衡
液压控制系统王春行版课后题答案
第二章 思考题 1、为什么把液压控制阀称为液压放大元件？ 答：因为液压控制阀将输入的机械信号（位移）转换为液压信号（压力、流量）输出，并进行功率放大，移动阀芯所需要的信号功率很小，而系统的输出功率却能够很大。 2、什么是理想滑阀？什么是实际滑阀？ 答：理想滑阀是指径向间隙为零，工作边锐利的滑阀。 实际滑阀是指有径向间隙，同时阀口工作边也不可避免地存在小圆角的滑阀。 4、什么叫阀的工作点？零位工作点的条件是什么？ 答：阀的工作点是指压力-流量曲线上的点，即稳态情况下，负载 压力为p L ，阀位移x V 时，阀的负载流量为q L 的位置。 零位工作点的条件是q=p=x=0 L L V 。 5、在计算系统稳定性、响应特性和稳态误差时，应如何选定阀的系数？为什么？ 答：流量增益 q q = x L V K ? ? ，为放大倍数，直接影响系统的开环增益。 流量-压力系数 c q =- p L L K ? ? ，直接影响阀控执行元件的阻尼比和 速度刚度。 压力增益 p p = x L V K ? ? ，表示阀控执行元件组合启动大惯量或大摩 擦力负载的能力
当各系数增大时对系统的影响如下表所示。 7、径向间隙对零开口滑阀的静态特性有什么影响？为什么要研究实际零开口滑阀的泄漏特性？ 答：理想零开口滑阀c0=0K ，p0=K ∞，而实际零开口滑阀由于径向间隙的影响，存在泄漏流量2c c0r =32W K πμ ，p0c K ，两者相差 很大。 理想零开口滑阀实际零开口滑阀因有径向间隙和工作边的小圆角，存在泄漏，泄漏特性决定了阀的性能，用泄漏流量曲线能够度量阀芯在中位时的液压功率损失大小，用中位泄漏流量曲线来判断阀的加工配合质量。 9、什么是稳态液动力？什么是瞬态液动力？ 答：稳态液动力是指，在阀口开度一定的稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力。 瞬态液动力是指，在阀芯运动过程中，阀开口量变化使经过阀口的流量发生变化，引起阀腔内液流速度随时间变化，其动量变化对阀芯产生的反作用力。
变幅系统液压回路——平衡阀- 中国吊装网 变幅系统液压回路一般由一个或两个油缸、平衡阀、主副溢流阀和三联控制阀组成。在这一整套基本独立完整的液压回路结构中,平衡阀安装在油缸下部,使变幅油缸平稳下降,并防止油缸下沉,因此平衡阀与油缸连接油管一定要采用高压钢管,以防软管破损老化造成用臂突然下跌。当变幅油缸伸出时, 变幅角度增大,跨距减小,起重量增大。变幅油缸缩回时情况相反。 下图所示是加藤NK300型汽车起重机变幅液压系统,由两个后推式双作用油缸、平衡阀、主副溢流阀和三联控制阀的右联阀组成。 平衡阀安装在变幅油缸的支撑油路上,是用以防止变幅下降速度因载荷重力作用大于供油量所决定的速度。该阀的结构作用如下图所示,在阀体内装有补偿滑阀和单向阀。补偿滑阀由弹簧的压力和作用于先导活塞的液控压控制。
在变幅过程中，平衡阀的作用如下： 1.控制阀芯在中位 从P1泵来的液压油通过增压器经方向控制阀回油箱，变幅油缸静止。平衡阀内的补偿滑阀在弹簧的作用下截断由港大腔的油路。 2. 油缸伸出 将方向控制阀芯扳到伸的位置,从P l 泵来的液压油通过增压器经方向控制阀进入平衡阀的A口,推开单向阀通过B口到油缸的大腔推动活塞。油缸杆侧的油液通过控制阀回油箱,油缸伸出口在此情况下补偿阀不工 作,因为作用于先导活塞的液控压与油箱相通。
3. 油缸缩回 将方向控制阀芯扳到缩的位置,从P l 泵来的液压油通过增压器经控制阀进入油缸的杆侧,也经液控管导入P.P.口。控制阀刚转换时,油缸仍是静止的,因为补偿滑阀在弹簧的作用下截断油缸大腔的回油路,从泵来的液压油的压力升高。同时,液控压在D室作用于先导活塞,该活塞推补偿滑阀,克服弹簧的压力补偿滑阀向右移动离开阀座,接通油缸大腔的回油路,油缸缩回。 由于先导活塞的节流孔的阻尼效应,使活塞移动极为平稳,C孔使活塞开始移动时快,以增进阀的灵敏性。由于补偿滑阀的节流嘴e的作用,开口缓慢增大,并适应于操作条件的最佳开度,因而也自动决定回流油液的流量。由于M腔、K腔及节流孔b的阻尼效应,补偿滑阀的移动也极为平稳。 在正常情况下,变幅油缸缩回时液控压在(2.2±0.3)MPa应发生作用。 在正常情况下,发动机停止操纵方向控制阀时,变幅油缸应该不动。如果移动,说明补偿滑阀座有故障,应更换此阀。 补偿滑阀和先导活塞都有很小的节流孔,分解和组装时要避免灰尘。更换和重装平衡阀后,操作前要排放内部空气。忽略此项会导致平衡阀作用不良和振动。
液压控制系统王春行版 课后题答案 Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】
第二章 思考题 1、为什么把液压控制阀称为液压放大元件 答：因为液压控制阀将输入的机械信号（位移）转换为液压信号（压力、流量）输出，并进行功率放大，移动阀芯所需要的信号功率很小，而系统的输出功率却可以很大。 2、什么是理想滑阀什么是实际滑阀 答：理想滑阀是指径向间隙为零，工作边锐利的滑阀。 实际滑阀是指有径向间隙，同时阀口工作边也不可避免地存在小圆角的滑阀。 4、什么叫阀的工作点零位工作点的条件是什么 答：阀的工作点是指压力-流量曲线上的点，即稳态情况下，负载压力为p L ， 阀位移x V 时，阀的负载流量为q L 的位置。 零位工作点的条件是q=p=x=0 L L V 。 5、在计算系统稳定性、响应特性和稳态误差时，应如何选定阀的系数为什么 答：流量增益 q q = x L V K ? ? ，为放大倍数，直接影响系统的开环增益。 流量-压力系数 c q =- p L L K ? ? ，直接影响阀控执行元件的阻尼比和速度刚度。 压力增益 p p = x L V K ? ? ，表示阀控执行元件组合启动大惯量或大摩擦力负载的 能力 当各系数增大时对系统的影响如下表所示。 7、径向间隙对零开口滑阀的静态特性有什么影响为什么要研究实际零开口滑阀的泄漏特性
答：理想零开口滑阀c0=0K ，p0=K ∞，而实际零开口滑阀由于径向间隙的影 响，存在泄漏流量2c c0r = 32W K πμ ，p0c =K ，两者相差很大。 理想零开口滑阀实际零开口滑阀因有径向间隙和工作边的小圆角，存在泄漏，泄漏特性决定了阀的性能，用泄漏流量曲线可以度量阀芯在中位时的液压功率损失大小，用中位泄漏流量曲线来判断阀的加工配合质量。 9、什么是稳态液动力什么是瞬态液动力 答：稳态液动力是指，在阀口开度一定的稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力。 瞬态液动力是指，在阀芯运动过程中，阀开口量变化使通过阀口的流量发生变化，引起阀腔内液流速度随时间变化，其动量变化对阀芯产生的反作用力。 习题 1、有一零开口全周通油的四边滑阀，其直径-3d=810m ?，径向间隙 -6c r =510m ?，供油压力5s p =7010a P ?，采用10号航空液压油在40C 。工作，流 量系数d C =0.62，求阀的零位系数。 解：零开口四边滑阀的零位系数为： 零位流量增益 q0d K C =零位流量-压力系数 2c c0r 32W K πμ = 零位压力增益 p0c K = 将数据代入得 2q0 1.4m s K = 123c0 4.410m s a K P -=?? 11p0 3.1710a m K P =?
河南科技大学 课程设计说明书 课程名称专业课程设计 题目阀控缸位置伺服系统设计与分析 学院农业工程学院 班级农电111 学生姓名王银肖 指导教师岳菊梅 日期 2015年4月3日
专业课程设计任务书 班级：农电111 姓名：王银肖学号： 111403010124 设计题目：阀控缸位置伺服系统设计与分析 一、设计目的 熟悉专业课程设计的相关规程、规定，了解控制系统设计数学模型的基本建立方法和相关算法的计算机模拟，熟悉相关计算的内容，巩固已学习的相关专业课程内容，学习撰写工程设计说明书，对控制系统相关状态进行模拟，对控制系统设计相关参数计算机计算设计有初步的认识。 二、设计内容 阀控缸位置伺服系统原理如下图所示。 三、设计要求： 1. 指出并分析电液位置控制系统的基本组成和特点。 2. 分析电液伺服阀的主要特性与其参数。 3. 电液伺服阀的选则与使用。 4. 设计电液阀伺服系统并画出仿真图。 四、设计时间安排 查找相关资料（2天）、确定总体方案，进行必要的计算。（1天）、对电力系统相关状态进行模拟，计算相关参数，（2天）、使用（MATLAB）等相关软件进行控制系统设计与仿真（2天）、撰写设计报告（2天）和答辩（1天）。 五、主要参考文献 [1] 易孟林，曹树平，刘银水.电液控制技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2010. [2] 王正林，王盛开，陈国顺. MATALAB与控制系统仿真[M].北京:电子工业出版社.2005. [3] 刘超.MATALAB基础与实践教程[M],北京:机械工业出版社.2011. 指导教师签字：年月日
第一章电液位置控制系统 (1) §1.1液压控制系统概论 (1) §1.2电液控制系统的基本组成及特点 (3) 第二章电液伺服阀的特性与主要性能参数 (6) §2.1 静态特性 (6) §2.1.1 负载流量特性 (6) §2.1.2 空载流量特性 (7) §2.1.3 压力特性 (9) §2.1.4 内泄漏特性 (10) 第三章电液伺服阀的选择与使用 (11) §3.1电液伺服阀的选择的一般原则 (11) §3.2 电液伺服规格的确定 (12) 第四章阀控缸位置伺服系统的的设计及MATLAB仿真 (14) §4.1 电液比例阀控缸位置伺服系统建模设计 (14) §4.1.1阀控缸模型设计及分析 (14) §4.1.2仿真调试图 (14) 总结 (18) 参考文献 (19)
伺服电机原理及选型规则
2011-8-4 8:00:00 来源：
［摘要］：是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装 置。伺服电机是可以连续旋转的电－机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机，属 于功率很小的微特电机，以永磁式直流伺服电机和并激式直流伺服电机最为常用。 ［关键词］：伺服系统 发动机 马达 变速装置 伺服电机 什么是伺服电机？ 伺服电机：是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装 置。伺服电机是可以连续旋转的电－机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机，属 于功率很小的微特电机，以永磁式直流伺服电机和并激式直流伺服电机最为常用。 伺服电机的作用：伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确。 伺服电机的分类：直流伺服电机和交流伺服电机。 直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。具有起动转 矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便等优点，但换向电刷 的磨损和易产生火花会影响其使用寿命。 近年来出现的无刷直流伺服电机避免了电刷 摩擦和换向干扰， 因此灵敏度高， 死区小， 噪声低， 寿命长， 对周围电子设备干扰小。 直流伺服电机的输出转速/输入电压的传递函数可近似视为一阶迟后环节，其机 电时间常数一般大约在十几毫秒到几十毫秒之间。而某些低惯量直流伺服电机（如空 心杯转子型、印刷绕组型、无槽型）的时间常数仅为几毫秒到二十毫秒。 小功率规格的直流伺服电机的额定转速在 3000r/min 以上，甚至大于 10000r/min。因此作为液压阀的控制器需配用高速比的减速器。而直流力矩伺服电机 （即低速直流伺服电机）可在几十转/分的低速下，甚至在长期堵转的条件下工作， 故可直接驱动被控件而不需减速。 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护， 但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感 的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩 稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换 相。 电机免维护， 效率很高， 运行温度低， 电磁辐射很小， 长寿命， 可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同 步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着 功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 交流伺服电机的工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子 在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈 值与目标值进行比较， 调整转子转动的角度。 伺服电机的精度决定于编码器的精度 （线
第 二章 思考题 1、为什么把液压控制阀称为液压放大元件？ 答：因为液压控制阀将输入的机械信号（位移）转换为液压信号（压力、流量）输出，并进行功率放大，移动阀芯所需要的信号功率很小，而系统的输出功率却可以很大。 2、什么是理想滑阀？什么是实际滑阀？ 答： 理想滑阀是指径向间隙为零，工作边锐利的滑阀。 实际滑阀是指有径向间隙，同时阀口工作边也不可避免地存在小圆角的滑阀。 4、什么叫阀的工作点？零位工作点的条件是什么？ 答：阀的工作点是指压力-流量曲线上的点，即稳态情况下，负载压力为p L ，阀位移x V 时，阀的负载流量为q L 的位置。 零位工作点的条件是 q =p =x =0L L V 。 5、在计算系统稳定性、响应特性和稳态误差时，应如何选定阀的系数？为什么？ 答：流量增益q q = x L V K ??，为放大倍数，直接影响系统的开环增益。 流量-压力系数c q =- p L L K ??，直接影响阀控执行元件的阻尼比和速度刚度。 压力增益p p = x L V K ??，表示阀控执行元件组合启动大惯量或大摩擦力负载的能力 当各系数增大时对系统的影响如下表所示。 7、径向间隙对零开口滑阀的静态特性有什么影响？为什么要研究实际零开口滑阀的泄漏特性？ 答：理想零开口滑阀c0=0K ，p0=K ∞，而实际零开口滑阀由于径向间隙的影响，存在泄漏流量 2c c0r = 32W K πμ ，p0c = K ，两者相差很大。 理想零开口滑阀实际零开口滑阀因有径向间隙和工作边的小圆角，存在泄漏，泄漏特性决定了阀的性能，用泄漏流量曲线可以度量阀芯在中位时的液压功率损失大小，用中位泄漏流量曲线来判断阀的加工配合质量。 9、什么是稳态液动力？什么是瞬态液动力？ 答：稳态液动力是指，在阀口开度一定的稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力。 瞬态液动力是指，在阀芯运动过程中，阀开口量变化使通过阀口的流量发生变化，引起阀腔内液流速度随时间变化，其动量变化对阀芯产生的反作用力。
液压系统中平衡阀与液压锁的选用 摘要：平衡阀与液压锁在一定的条件下都可以参与到液压系统中，而且也可以保证不会因为工作仪器的重叠而导致工作效率大幅度的下滑，但是在一定条件下两者是不可以一起应用的。本文主要是从理论上讲述了液压系统中平衡阀与液压锁之间的工作原理及结构差异，并且从实际应用的角度出发，解决液压系统中平衡阀与液压锁之间正确的选用方法。 关键词：液压系统；平衡阀；液压锁；选用 平衡阀主要是调节两侧压力的相对平衡，或通过分流的方法达到流量的平衡阀门，液压锁，顾名思义，就是一把“锁”，就是把回路锁住，不让回路油液有流动。液压系统中的平衡阀与液压锁都可以作为闭锁的元件进行使用，从而保证在胶管或是管道受到损害时，防止载荷发生突然下落，同时也可以防止因为方向控制阀的阀芯卸油引起的载荷缓慢的下落的问题。因为液压锁比平衡阀的价格便宜，相关的设计人员在液压系统中常常采用液压锁来取代平衡阀，但是在一些特定速度的载荷情况之下，它们两个是不能相互进行取代的，它们在结构上还是具有差异的。 1.平衡阀工作的原理及其内在的结构 液压系统中的平衡阀又被人们称为下降减速阀阀或负载保持阀，对于负载，平衡阀可以精密的控制器下载的速度，平衡阀是一种特殊功能的阀门，阀门本身无特殊之处，只在于使用功能和场所有区别。在某些行业中，由于介质（各类可流动的物质）在管道或容器的各个部分存在较大的压力差或流量差，为减小或平衡该差值，在相应的管道或容器之间安设阀门，用以调节两侧压力的相对平衡，或通过分流的方法达到流量的平衡，该阀门就叫平衡阀。平衡阀的自身功能一共有三种，第一种功能是通过低液阻单方向的提升器功能。当换向阀在左侧工作时，液压轴是以特别低的压降单方向的通过，液压轴在通过液压缸的无杆腔时提升负载能力，然后将其回路封锁，将负载的位置保持不变。第二种功能是通过调节液控达到节流的目的。如果想很好的控制负载的话，那就需要通过在执行器的入口处应设立液阻节流，但是只有应用能够随着负载的变化而改变的液阻才能够将流量也可以在一定情况下随着负载相继变化。平衡阀再启动时可以将连续调节做到最精准化，使负载的运行速度不会因负载的大小与方向而受到影响。当换向阀工作在右侧时，液压轴是需要应用换向阀作为载体才可进入到液压缸的杆腔当中，并且液压轴可以控制压力来达到开启控制节流阀，如果负载的下降速度过于快的话，就会导致液压缸的上层所需的流量值要远远的大于进入杆腔的电流量，所以需要通过调节进入到杆腔的流量来达到下降负载速度的目的，使负载的速度平缓的下降。控制比是控制压力时所占用的面积与负载压力占用的面积之比，这是为了让液控的节流通道工作时所承受的负载的压力与控制的压力之比，通常的情况下是1.5-10等等。假设无控制的压力与无背压刚开始流动所受的压力值为P S时，平衡阀的液控节流工作的条件是P A+P B×K C＞P S，在本公式当中，K C是控制比，P B是控制的压力，P A负载口的压力。 2.液压锁工作的原理极其内在的结构 当没有液压油通过的时候，左右两面的单向阀是分别锁紧两个回路的，为了防止负载的下落，液压锁是开关型的阀门，普遍只是有开关两种的位置装置，且停留在两个极限的位置，做不到精细的控制，倘若在设计过程时不考虑使用的情况及其泵流量的因素，对液压锁随意的使用会极容易导致出现速度及其不稳定的现象，当油缸的无杆腔进行回油的时候，因为油缸内部的活塞存有作用面积的差额，在活塞下降的时候，有杆腔的压力也会随之迅速的降低，从而导致了油缸的无杆腔的侧单向阀门压力的控制也会迅速地下降甚至发生关闭现象，导致活塞的运动停止，在继续供油后，有杆腔压力会再次上升到单向阀门开启的压力，活塞又会再一次的运动，这样如此的进行反复，油缸的无杆腔单向阀门就会时开时关，这样会使液压系统产生抖动的想象，并且产生一些冲击的振动及噪声。且液压锁压力的大小不仅仅是与油
伺服系统的速度控制模式运行 2010-01-03 19:52 一、实训目的： 伺服控制系统的功能很广，有速度控制模式，转矩控制模式，位置控制模式以及这三种模式的组合模式，本项目练习速度控制模式，通过实训理解速度控制模式下的伺服电机的运行特点。 二、实训任务。 在速度控制模式下，能完成7段调速以及电位器调速。 三、相关知识。 1、理解伺服电机和伺服驱动器的控制原理。 2、理解伺服驱动器的参数设置要求，和每调参数对系统运行情况的影响。 3、速度控制模式的使用场合。以及速度控制模式的特点。 四、实训设备。 由伺服驱动器MR-J2S-10A、伺服电机HC-MFS13B、DC24V电源、接触器、中间继电器、按钮等组成的实训板。万用表、螺丝刀等。 五、实训步骤。 1、画出控制系统的原理图并接线。 （1）系统控制主电路（如图2-1）。 (2)系统控制回路(如图2-2). 2.设置参数. 首先将设置参数 NO.19=000E,然后再设置下表2-1中的参数，设置完毕后，把系统断电，重新启动，则参数有效。 表2-1 速度控制模式要设置的参数
NO.11 加速时间常数0 1000 1000ms NO.12 减速时间常数0 1000 1000ms NO.25 模拟量速度指令 最大速度0 4000 模拟量输入为10V时对 应速度是4000r/min NO.41 用于设定SON、 LSP、LSN的自动 置ON 0000 0111 SON、LSP、LSN内部自动 置ON. NO.43 输入信号选择2 0111 0AA1 在速度模式、转矩模式 下把CN1B-5改成SP3 NO.72 内部速度4 200 2000 速度是2000r/min NO.73 内部速度5 300 3000 速度是3000r/min NO.74 内部速度6 500 2500 速度是2500r/min NO.75 内部速度7 800 1800 速度是1800r/min 图2-1 系统控制主电路
伺服系统中伺服系统中阀阀流量流量的确定的确定 葛声宏 一 从油缸开始设计 假设规定伺服阀额定流量时的阀压降为7Mpa,则每个通路的压降为3.5MPa 。液压系统的设计是从执行元件（油缸活马达）开始，也就是说根据负载来设计系统，确定伺服阀的规格的。 对于差动液压缸，必须分别考虑外伸行程和回缩行程如图1。 图1 阀控单作用缸系统 程序设计参数见图2：
图2 各变量参数值 程序设计窗体见图3： 图3 程序设计窗体界面 理论与算法： 总作用力F=Ma+Fc+F E+Fs 式中M——负载质量,kg; a ——加速度，m/s2; Fc——负载摩擦力，N,Fc=M*g*f; F E——外力,N; Fs——密封摩擦力,N，可从样本数据查出或假定为总作用力的10%。 力平衡方程式为 P1*A1=P2*A2+F; (1) 对于不等面积的缸，通过伺服阀俩流路的流量不同：Q1=Q2*R, R=A1/A2。由于阀上的压降与流量的平方成正比，即：Ps-P1=(P2-P T)*R2 (2) 合并（1）和（2）式，求得P1和P2为 P1=(Ps*A2+R2*(F+P T*A2)/(A2*(1+R2)) (3) P2=P T+(Ps-P1)/R2 (4) 所需流量Q L根据最高速度来确定，即Q L=Vmax*A1(5) 式中Vmax——执行元件的最大速度，m/s; A1——活塞面积，m2 由于阀流量额定值是假定在每个支路的压降为3.5MPa,实际压降是Ps-P1。阀额定流量QR 为: Q R=Q L*sqr(3.5/(Ps-P1)) (6) 对于内缩行程进行类似分析，得 P1=P T+(Ps-P2)*R2 (7) P2=(P S*A2*R3+F+P T*A2*R)/(A2*(1+R3)) 可按（5），（6）方法确定所需阀的额定流量值，所需伺服阀的额定流量值可根据外伸或内缩时较大的Q R值来确定。应使所选阀的最定额定流量等于或大于Q R.。对双作用缸或带负载的
液压平衡阀的作用 拉动2006年价格明显攀升的有色金属、石油及其制品等产品价格已从历史高位纷纷回落，这一变化及未来走向，将会对今年的生产资料市场价格走势产生影响。 我国水、电、石油、天然气、煤炭等资源性产品的价格改革正加快推进；钢铁、氧化铝、焦炭等行业投资过快增长及产能集中释放的情况正得到有效调整和改善。这些将会增大未来生产资料价格的 上行因素，对价格走低将起到抑制作用。 一、产品[丝口平衡阀]的详细资料： 产品型号：JP11F 产品名称：丝口平衡阀 产品特点：工洲牌平衡阀是一种具有特殊功能的阀门。通过安装平衡阀可以将系统的总水量控制在合理的范围内,从而克服＂流量大，小温差＂的不合理运行工况。还可以有效地解决供热(空调)系统中存在的室温冷热不均问题。
二、外型尺寸和连接尺寸： 型号 Type G(DN) L H D0 重量 Weight(kg) JP11F-16 1/2 110 140 75 1.53 3/4 120 140 75 1.65 1 130 160 75 2.08 11/4 140 220 100 3.71 11/2 170 245 120 5.18 2 200 290 120 8.4 一、产品[截止式流量平衡阀]的详细资料： 产品型号：KPF 产品名称：截止式流量平衡阀 产品特点：工洲牌平衡阀是一种具有特殊功能的阀门。通过安装平衡阀可以将系统的总水量控制在合理的范围内,从而克服＂流量大，小温差＂的不合理运行工况。还可以有效地解决供热(空调) 系统中存在的室温冷热不均问题。
二、性能规范： 公称压力( M pa ) 试验压 力 (Mpa) 工作压力(Mpa) 工作介质 介质温度 (℃) 壳 体 密 封 P20 P12 1. 6 2 . 4 1. 76 1.5 1.6 水，蒸汽 三、工洲牌截止式流量平衡阀主要尺寸： 公称压力(PN) 公称通径 (DN) 主要连接尺寸 L H H 1 D0 1.6Mpa 15 1 3 1 5 1 6 80 20 1 5 1 6 1 7 80 25 1 6 1 8 2 1 9 7 80 32 1 8 1 9 2 2 7 90 40 2 2 5 2 7 100 50 2 3 2 6 4 2 8 4 120 65 2 9 3 8 4 1 200 80 3 1 4 1 3 4 4 8 200 100 3 5 4 6 6 5 6 240 125 455240
液压平衡阀的工作原理 标签:平衡阀动态流量平衡阀阀门系数水力平衡 平衡阀是一种特殊功能的阀门，它具有良好的流量特性，有阀门开启度指示，开度锁定装置及用于流量测定的测压小阀。利用专用智能仪表，输入阀门型号和开度值，根据测得的压差信号就可直接显示出流经该平衡阀的流量值，只要在各支路及用户入口装上适当规格的平衡阀，并用专用智能仪表进行一次性调试，就可使各用户的流量达到设定值。平衡阀是在水力工况下，起到动态、静态平衡调节的阀门。如：静态平衡阀，动态平衡阀。静态平衡阀亦称平衡阀、手动平衡阀、数字锁定平衡阀、双位调节阀等，它是通过改变阀芯与阀座的间隙（开度），来改变流经阀门的流动阻力以达到调节流量的目的，其作用对象是系统的阻力，能够将新的水量按照设计计算的比例平衡分配，各支路同时按比例增减，仍然满足当前气候需要下的部份负荷的流量需求，起到热平衡的作用。动态平衡阀分为动态流量平衡阀，动态压差平衡阀，自力式自身压差控制阀等.平衡阀属于调节阀范畴，它的工作原理是通过改变阀芯与阀座的间隙（即开度），改变流体流经阀门的流通阻力，达到调节流量的目的。平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件，对不可压缩流体，由流量方程式可得。与其它阀门相比，平衡阀主要有以下特点： (1)直线型流量特性，即在阀门前后压差不变情况下，流量与开度大体上成线性关系； (2)有精确的开度指示； (3)有开度锁定装置，非管理人员不能随便改变开度；表连接，可方便地显示阀门前后的压差及流经阀门的流量。尽管平衡阀具有很多优点，但它在空调水系统的应用还存在不少问题。如果这些问题解决不好，平衡阀的特点并不能充分显现出来。平衡阀的作用是为了调节系统内，各个分配点的（如每一个楼座）的预定流量。每一座楼的入口处都安装平衡阀，可以使供暖系统的总流量得到合理分配。 平衡阀的原理是阀体内的反调节，当入口处压力加大时，自动减小通径，减少流量的变化，反之亦然。如果反接，这套调节系统就不起作用。而且起调节作用的阀片，是有方向性的，反向的压力甚至可以减少甚至封闭流量。既然安装平衡阀是为了更好的供暖，就不存在反装的问题。如果是反装，就是人为的错误，当然就会纠正。平衡阀属于调节阀范畴，它的工作原理是通过改变阀芯与阀座的间隙（即开度），改变流体流经阀门的流通阻力，达到调节流量的目的。平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件，对不可压缩流体，由流量方程式可得。 Kv为平衡阀的阀门系数。它的定义是：当平衡阀前后差压为1bar（约1kgf/cm2）时，流经平衡阀的流量值（m3/h）。平衡阀全开时的阀门系数相当于普通阀门的流通能力。如
第1、2章 1. 液压伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统. 2. 按液压动力元件的控制方式，液压伺服系统可分为节流式控制、容积式控制两类。 3.阀控系统的优点是响应速度快、控制精度高、结构简单；缺点是效率低。 4. 泵控伺服系统的优点是效率高，缺点是响应速度慢、结构复杂。 5. 液压伺服系统体积小、重量轻、控制精度高、响应速度快。 6. 液压执行元件有直线位移式和旋转式两种，增加了它的适应性。 7. 滑阀按预开口型式划分，可分为正开口、零开口和负开口三种。 8．滑阀是靠节流原理工作的，借助于阀芯与阀套间的相对运动改变节流口面积的大小，对流体流量或压力进行控制。 9. 四通阀有两个控制口，可用来控制双作用液压缸或液压马达。三通阀只有一个控制口，故只能用来控制差动液压缸。 10. 滑阀的静态特性即压力-流量特性，是指稳态情况下，阀的负载流量、负载压力和阀芯位移三者之间的关系。 11．液动力分为稳态液动力和瞬态液动力。稳态液动力与滑阀的开口量成正比，瞬态液动力与滑阀开口量的变化率成正比。 12．在P L =2/3P s 时，整个液压伺服系统的效率最高，同时阀的输出功率也最大。 13．全周开口的滑阀不产生流量饱和的条件是W/x vm 〉67。 第3章 1．液压动力元件由液压放大元件和液压执行元件组成. 2．液压放大元件可以是液压控制阀，也可以是伺服变量泵。 3．液压执行元件是液压缸或液压马达。 4．四种基本形式的液压动力元件为： 阀控液压缸，阀控液压马达，泵空液压缸，泵控液压马达. 5．阀控液压缸系统中，A p P L 代表的物理量为：液压缸的总输出力。 6．没有弹性负载时，四通阀控制液压缸系统从输入信号X v 到输出信号X p 的传递函数为： 7．计算四通阀控制液压缸系统的液压固有频率时，通常取活塞活塞处于液压缸中位时的值，因为此时液压固有频率最低，系统稳定性最差。 8．负载特性即为负载力与负载速度之间的关系。 9．将系统一部份惯量、粘性阻尼系数和刚度折算到转速高i 倍的另一部分时，只需将它们除以i 2即可。相反地，将惯量、粘性阻尼系数和刚度折算到转速低i 倍的另一部分时，只需将它们乘以i 2即可。 10．如果动力元件的输出特性曲线不但包围负载轨迹，而且动力元件的最大输出功率点与负载的最大功率点相重合，就认为动力元件与负载是最佳匹配。 11．若最大功率点的负载力为*L F ，在供油压力P s 选定的 情况下，则液压缸的活塞面积A p =s L 23P F * 12．泵控液压马达与阀控液压马达相比较，其阻尼比较小，但较恒定。 第4章 1．由机械反馈装置和液压动力元件所组成的反馈控制系统称为机械液压伺服控制系统。 2．在机液伺服系统中，输入信号给定、反馈测量和比较均用机械构件实现。其优点是结构简单，工作可靠，维护简便；缺点是系统校正及系统增益的调整都不如电气系统方便。 3．若机械液压伺服系统的开环传递函数为 ) 12( h h 2 h 2 v ++= ωζωs s s K GH ，其中，K v 是开环放大系数 或速度放大系数，系统稳定的条件为：h h v 2ζω