电液控制(第6章 电液伺服控制系统)

电液伺服系统电液伺服系统是一种将电气信号转换为液压能量的控制系统。

它通过控制液压阀的开启和关闭来调节液压执行器的工作状态，从而实现对机械装置的精确控制。

本文档将详细介绍电液伺服系统的结构、工作原理、常见问题及解决方案等内容。

一、系统结构1.1 主机部分主机部分是电液伺服系统的核心组成部分，包括电液转换器、伺服阀、传感器等。

其中，电液转换器将电信号转换为液压能量，伺服阀通过控制液压流量来控制液压执行器的运动，传感器用于监测执行器的位置和速度。

1.2 液压执行器液压执行器是电液伺服系统中的重要组成部分，主要包括液压缸和液压马达两种。

液压缸可将液压能量转换为机械能，实现直线运动；液压马达则可将液压能量转换为机械能，实现旋转运动。

1.3 控制部分控制部分由控制器和信号处理器组成，用于接收、处理和传输控制信号。

控制器可根据输入信号的变化调节伺服阀的开启度，从而实现对电液伺服系统的精确控制。

二、工作原理2.1 系统工作流程电液伺服系统的工作流程一般包括输入信号采样、信号处理、控制指令、伺服阀控制和液压执行器动作等步骤。

具体流程如下：（1）输入信号采样：传感器将液压执行器的位置和速度等信息转换为电信号，并传输给信号处理器。

（2）信号处理：信号处理器对输入信号进行滤波、放大等处理，将其转换为控制系统可识别的信号。

（3）控制指令：控制器根据输入信号的变化相应的控制指令。

（4）伺服阀控制：控制器根据控制指令调节伺服阀的开启度，控制液压系统的流量大小。

（5）液压执行器动作：伺服阀的控制信号作用于液压执行器，使其按照要求的位置和速度进行运动。

2.2 系统控制策略电液伺服系统可采用位置控制、速度控制和力控制等不同的控制策略。

其中，位置控制可实现对执行器位置的精确控制；速度控制可实现对执行器速度的精确控制；力控制可实现对执行器施加的力或扭矩的精确控制。

三、常见问题及解决方案3.1 液压系统压力不稳定可能原因：（1）供油系统压力不稳定。

1电液伺服控制系统1.1电液控制系统的发展历史概述液压控制技术的历史最早可以追溯到公元前240年,一位古埃及人发明的液压伺服机构———水钟。

而液压控制技术的快速发展则是在18世纪欧洲工业革命时期,在此期间,许多非常实用的发明涌现出来,多种液压机械装置特别是液压阀得到开发和利用,使液压技术的影响力大增。

18世纪出现了泵、水压机及水压缸等。

19世纪初液压技术取得了一些重大的进展,其中包括采用油作为工作流体及首次用电来驱动方向控制阀等。

第二次世界大战期间及战后,电液技术的发展加快。

出现了两级电液伺服阀、喷嘴挡板元件以及反馈装置等。

20世纪50～60年代则是电液元件和技术发展的高峰期,电液伺服阀控制技术在军事应用中大显身手,特别是在航空航天上的应用。

这些应用最初包括雷达驱动、制导平台驱动及导弹发射架控制等,后来又扩展到导弹的飞行控制、雷达天线的定位、飞机飞行控制系统的增强稳定性、雷达磁控管腔的动态调节以及飞行器的推力矢量控制等。

电液伺服驱动器也被用于空间运载火箭的导航和控制。

电液控制技术在非军事工业上的应用也越来越多,最主要的是机床工业。

在早些时候,数控机床的工作台定位伺服装置中多采用电液系统(通常是液压伺服马达)来代替人工操作,其次是工程机械。

在以后的几十年中,电液控制技术的工业应用又进一步扩展到工业机器人控制、塑料加工、地质和矿藏探测、燃气或蒸汽涡轮控制及可移动设备的自动化等领域。

电液比例控制技术及比例阀在20世纪60年代末70年代初出现。

70年代,随着集成电路的问世及其后微处理器的诞生,基于集成电路的控制电子器件和装置广泛应用于电液控制技术领域。

现代飞机上的操纵系统。

如驼机、助力器、人感系统，发动机与电源系统的恒速与恒频调节，火力系统中的雷达与炮塔的跟踪控制等大都采用了电液伺服控制系统。

飞行器的地面模拟设备，包括飞行模拟台、负载模拟器大功率模拟振动台、大功率材料实验加载等大多采用了电液控制，因此电液伺服控制的发展关系到航空与宇航事业的发展，在其他的国防工业中如机器人也大量使用了电液控制系统。

电液伺服系统原理
电液伺服系统是一种通过控制液压油流来实现位置、速度和力的精确控制的系统。

它由液压系统、电气系统和机械执行部分组成。

液压系统是电液伺服系统的核心部分，它包括液压泵、液压缸、液压阀和液压油箱。

液压泵通过压力油将液压油推送给液压缸，从而产生力或运动。

液压阀用于控制液压油的流动方向和流量。

液压油箱用于储存液压油，并保持其温度和清洁度。

电气系统通过控制电信号来控制液压系统。

它包括传感器、控制器和执行器。

传感器用于检测被控对象的位置、速度和力，并将其转化为电信号。

控制器接收传感器反馈的电信号，经过计算和处理后，输出控制信号给执行器。

执行器接收控制信号，并控制液压阀的开关状态，从而控制液压系统的运动和力。

机械执行部分将液压系统的力和运动传递给被控对象。

它包括液压缸、阀门、连接杆等元件。

液压缸接收液压油的力，并将其转化为线性运动。

阀门用于控制液压油流的方向和流量。

连接杆将液压缸的运动传递给被控对象，实现位置、速度和力的控制。

总之，电液伺服系统通过控制液压油流来实现位置、速度和力的精确控制。

液压系统、电气系统和机械执行部分相互配合，完成对被控对象的精确控制。

6-1 怎样区分一个系统是位置、速度或力电-液伺服控制系统。

按系统被控制的物理量的性质来区分，如果是要实现位置控制，当然就是位置电液伺服系统。

6-2 试比较电-液伺服系统与机-液伺服系统的主要优缺点和性能特点。

机液伺服系统的指令给定、反馈和比较都是采用机械构件，优点是简单可靠，价格低廉，环境适应性好，缺点是偏差信号的校正及系统增益的调整不如电气方便，难以实现远距离操作，另外，反馈机构的摩擦和间隙都会对系统的性能产生不利影响。

机液伺服系统一般用于响应速度和控制精度要求不是很高的场合，绝大多数是位置控制系统。

电液伺服系统的信号检测、校正和放大等都较为方便，易于实现远距离操作，易于和响应速度快、抗负载刚度大的液压动力元件实现整合，具有很大的灵活性和广泛的适应性。

特别是电液伺服系统与计算机的结合，可以充分运用计算机快速运算和高效信息处理的能力，可实现一般模拟控制难以完成的复杂控制规律，因而功能更强，适应性更广。

电液伺服系统是液压控制领域的主流系统。

6-3 为什么说电-液伺服系统一般都要加以校正。

当电液位置伺服控制系统的某些性能指标不甚满意时，简单的方法可通过增大系统的开环增益来提高响应速度和控制精度，但提高开环增益受系统稳定性条件的制约，也就是受液压固有频率和阻尼比的限制。

全面改善系统的性能仅仅靠调整开环增益是远远不够的，通过对电液伺服系统进行针对性的校正，往往能够获得更高性能的电液伺服系统，并且不同的校正方法，会得到不同的改善效果。

6-4 怎样才能简化位置电-液伺服控制系统。

当电液伺服阀的频宽与液压固有频率相近时，电液伺服阀的传递函数可用二阶环节来表示；当电液伺服阀的频宽大于液压固有频率（3~5倍）时，电液伺服阀的传递函数可用一阶环节来表示。

又因为电液伺服阀的响应速度较快，与液压动力元件相比，其动态特性可以忽略不计，而把它看成比例环节。

一般的液压位置伺服系统往往都能够简化成以下的这种形式。

()()V2h h h 21K G s H s s s s ζωω=⎛⎫++ ⎪⎝⎭6-5 怎样理解系统刚度高，误差小。

电液伺服控制系统概述摘要：电液伺服控制是液压领域的重要分支。

多年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率——重量比和大功率液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。

特别是控制理论在液压系统中的应用、计算及电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在原件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门学科。

目前液压技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门及飞机、船舶部门等。

关键词：电液伺服控制液压执行机构伺服系统又称随机系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。

在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。

液压伺服系统是以液压为动力的自动控制系统，由液压控制和执行机构所组成。

一、电液控制系统的发展历史液压控制技术的历史最早可以追溯到公元前240年,一位古埃及人发明的液压伺服机构——水钟。

而液压控制技术的快速发展则是在18世纪欧洲工业革命时期,在此期间,许多非常实用的发明涌现出来,多种液压机械装置特别是液压阀得到开发和利用,使液压技术的影响力大增。

18世纪出现了泵、水压机及水压缸等。

19世纪初液压技术取得了一些重大的进展,其中包括采用油作为工作流体及首次用电来驱动方向控制阀等。

第二次世界大战期间及战后,电液技术的发展加快。

出现了两级电液伺服阀、喷嘴挡板元件以及反馈装置等。

20世纪50～60年代则是电液元件和技术发展的高峰期,电液伺服阀控制技术在军事应用中大显身手,特别是在航空航天上的应用。

这些应用最初包括雷达驱动、制导平台驱动及导弹发射架控制等,后来又扩展到导弹的飞行控制、雷达天线的定位、飞机飞行控制系统的增强稳定性、雷达磁控管腔的动态调节以及飞行器的推力矢量控制等。

电液伺服驱动器也被用于空间运载火箭的导航和控制。

电液控制技术在非军事工业上的应用也越来越多,最主要的是机床工业。

在早些时候,数控机床的工作台定位伺服装置中多采用电液系统(通常是液压伺服马达)来代替人工操作,其次是工程机械。

电液伺服系统电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。

根据输入信号的形式不同，又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。

下面对模拟伺服系统和数字伺服系统作一简单的说明。

模拟伺服系统在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，如图1所示。

在此系统中，输入信号、反馈信号、偏差信号以及其放大、校正都是连续的模拟量。

电信号可以是直流量，也可以是交流量。

直流量和交流量相互转换可以通过调制器或解调器完成。

模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低(绝对精度低)。

伺服系统的精度在很大程度上取决于检测装置的精度，而模拟式检测装置的精度一般低于数字式检测装置，所以模拟伺服系统分辨能力低于数字伺服系统。

另外模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响，因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行有效的控制了。

图1 模拟伺服系统方块图数字伺服系统在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。

因此数字伺服系统又分为数字伺服系统和数字—模拟伺服系统两种。

在全数字伺服系统中，动力元件必须能够接收数字信号，可采用数字阀或电液步进马达。

数字模拟混合式伺服系统如2所示。

数控装置发出的指令脉冲与反馈脉冲相比较后产生数字偏差，经数模转化器把信号变为模拟偏差电压，后面的动力部分不变，仍是模拟元件。

系统输出通过数字检测器(即模数转换器)变为反馈脉冲信号。

图2 数字伺服系统方块图数字伺服系统有很高的绝对精度，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。

当要求较高的绝对精度，而不是重复精度时，常采用数字模拟系统。

从经济性可靠性方面来看，简单的伺服系统采用采用模拟型控制为宜。

系统特点及使用场合电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。

因此，在负载质量大又要求响应速度快的场合最为适合，其应用已遍及国民经济的各个领域，比如飞机与船舶舵机的控制、雷达与火炮的控制、机床工作台的位置控制、板带轧机的板厚控制、电炉冶炼的电极位置控制、各种飞机车里的模拟台的控制、发电机转速的控制、材料试验机及其他实验机的压力控制等等。

电液伺服控制技术及应用电液伺服系统是一种采用电液伺服机构，根据液压传动原理建立起来的自动控制系统。

在这种系统中，执行元件的运动随着控制信号的改变而改变。

2.1 电液伺服阀伺服阀通过改变输入信号，连续的、成比例地控制液压系统的流量或压力。

电液伺服阀输入信号功率很小(通常仅有几十毫瓦)，功率放大系数高；能够对输出流量和压力进行连续双向控制。

其突出特点是：体积小、结构紧凑、直线性好、动态响应好、死区小、精度高，符合高精度伺服控制系统的要求。

电液伺服阀是现代电液控制系统中的关键部件，它能用于诸如位置控制、速度控制、加速度控制、力控制等各方面。

因此，伺服阀在各种工业自动控制系统中得到了越来越多的应用。

2.1.1 工作原理及组成1 基本组成与控制机理电液伺服阀是一种自动控制阀，它既是电液转换组件，又是功率放大组件，其功用是将小功率的模拟量电信号输入转换为随电信号大小和极性变化、且快速响应的大功率液压能[流量(或)和压力]输出，从而实现对液压执行器位移(或转速)、速度(或角速度)、加速度(或角加速度)和力(或转矩)的控制。

电液伺服阀通常是由电气一机械转换器、液压放大器(先导级阀和功率级主阀)和检测反馈机构组成的(见图2-1)。

图2-1 电液伺服阀的组成2 电气—机械转换器电气—机械转换器包括电流—力转换和力—位移转换两个功能。

典型的电气—机械转换器为力马达或力矩马达。

力马达是一种直线运动电气一机械转换器，而力矩马达则是旋转运动的电气—机械转换器。

力马达和力矩马达的功用是将输入的控制电流信号转换为与电流成比例的输出力或力矩，再经弹性组件(弹簧管、弹簧片等)转换为驱动先导级阀运动的直线位移或转角，使先导级阀定位、回零。

通常力马达的输入电流为150～300mA，输出力为3～5N。

力矩马达的输入电流为10~30mA，输出力矩为0.02～0.06N·m。

伺服阀中所用的电气一机械转换器有动圈式和动铁式两种结构。

电液伺服系统工作原理
电液伺服系统是一种通过电气信号控制液压执行机构的系统。

它利用电液转换装置将电能转换为液压能，并通过液压传动将能量传递到执行机构上，从而实现机械装置的运动控制。

电液伺服系统具有快速、准确、可靠的特点，在工业自动化控制领域得到广泛应用。

电液伺服系统的工作原理主要包括信号处理、电液转换、液压传动和执行机构四个部分。

信号处理部分将控制信号转换为电压或电流信号，经过调节后送至电液转换部分。

电液转换部分由电液转换器和液压放大器组成，其主要功能是将电信号转换为液压信号，并放大转换后的液压信号，以便驱动液压执行机构。

液压传动部分是电液伺服系统的核心部分，通过液压传动装置将液压能量传递到执行机构上。

液压传动装置通常由液压泵、液压阀、液压缸等组成。

液压泵负责产生压力油液，液压阀用于控制液压油液的流动方向和流量，液压缸则是执行机构的核心部件，它根据液压信号产生的压力油液推动活塞运动，从而实现机械装置的运动控制。

执行机构接收液压信号并进行相应的动作。

执行机构通常由液压马达、液压缸或液压伺服阀等组成，它们根据液压信号产生的力或位移来控制机械装置的运动。

总的来说，电液伺服系统的工作原理是通过将控制信号转换为液压信号，并通过液压传动装置将液压能量传递到执行机构上，从而实现对机械装置的运动控制。

这种系统具有快速、准确、可靠的特点，广泛应用于工业自动化控制领域。

电液伺服系统的建模与控制电液伺服系统是一种利用电液转换器将电气信号转化为液压驱动力控制机械系统的方法。

它在机械系统精密控制中具有非常重要的地位。

本文将介绍电液伺服系统的建模和控制方法。

1. 电液伺服系统的模型建立电液伺服系统的建模是在液压部分和电气部分的模型之上进行的。

液压部分的模型通常包括油液系统和液压执行元件，如液压缸、液压马达等。

电气部分则包括电气控制器、电机和传感器。

1.1 液压系统的模型液压系统的模型可以包括两级建模，即液体动力学和液压执行元件建模。

液体动力学建模通常根据爬升法或容积法，对压力、流量、速度等参数进行建模分析。

其中，爬升法可用于建立高精度弱非线性的流体动力学模型，容积法适用于建立低精度强非线性的流体动力学模型。

液压执行元件建模是通过分析液压执行元件的工作原理，对其液压特性进行数学建模。

例如，液压缸的模型可以根据柱塞面积、活塞活动范围、缸筒面积等参数构建。

1.2 电气系统的模型电气系统的模型涵盖了电气控制器、电机和传感器等部分。

电气控制器以闭环控制方式实现伺服控制。

在此基础上，我们通常将电动机哈密顿模型建立为一阶两端静差模型。

同时也可以采用Pade逼近方法将电机模型转换为有理分式模型，从而更加准确的描述电机动态。

传感器的模型建立依据其工作原理，例如，位置传感器的模型可以建立为位移与输出电压的函数关系。

在系统建模中，通常采用理想模型、一阶惯性模型等来建立传感器的模型。

2. 电液伺服系统的控制方法在电液伺服系统中，我们通常采用PID控制算法进行伺服控制。

PID控制是一种基于传统控制方法的强建模控制方法，对于线性和线性近似系统有较好的控制效果。

控制系统的目标是通过反馈控制实现输出结果的精确控制。

在反馈信号的加入后，控制信号将通过电液转换器驱动液压执行元件实现力、运动的控制。

在此基础上，我们可以采用自适应控制方法、模糊控制方法、神经网络控制方法等先进控制技术对电液伺服系统进行改进和优化，以适应不同的控制要求。