液压比例与伺服控制系统(2013)

关于液压伺服控制系统的振荡解析作者：刘宝刚来源：《数字技术与应用》2013年第03期关键词：目前的轧钢系统中，对位置控制要求精度高时，普遍采用伺服液压传动。

例如轧机、夹送辊、助卷辊的辊缝控制。

伺服控制有很多电气传动无法比拟的优点，例如：（1）控制精度高，可以达到微米级别。

（2）响应速度快，可以达到毫秒级别。

（3）对设备的冲击小。

所以伺服控制在轧钢领域得到了广泛的应用。

但是，伺服系统也会出现问题，我厂的伺服系统在生产中出现了系统震荡的故障。

以下就震荡的产生和消除进行一下分析。

关键词：液压伺服控制中图分类号：TH137.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0013-011 伺服系统的工作原理讲到伺服系统，首先要了解伺服阀。

伺服阀是电磁阀的一种。

仍然是动圈式阀门，但在主阀芯内（或外部）有先导阀门，由电磁线圈推动先导阀门动作，主阀芯跟随先导阀芯动作，产生和电磁线圈成比例的阀芯位移，以控制液压管道中液压油的流量。

从而达到控制液压缸的移动速度和距离以及方向。

下面以MOOG阀为例简单介绍伺服阀的结构和工作原理。

如下图，可以看到当电流通过线圈时，首先先导阀芯先动作，（动作的行程和电流成比例）导通控制油路，带动下面的主阀芯，导通主油路。

当然主油路的行程和先导阀芯的行程也成比例关系。

因此可以通过控制阀芯的电流（或电压）来控制伺服阀的通断和流量，从而达到控制液压缸的动作和行程（图1）。

可以看到：整个伺服系统是一个双闭环调节系统，内环由放大器和伺服阀的先导阀芯位置反馈构成。

外环由PLC、CPC单元，磁尺（液压缸的实际行程）反馈构成。

内环完成高速的自适应调节。

外环完成上位机的参考值给定调节。

2 伺服系统震荡的产生原因（1）由于伺服阀在工作时，先导阀芯即使在没有给定的时候也是运动的，通常来说保持高频正弦波震荡，以保证快速响应。

我厂的伺服阀在没有给定的时候处于2000Hz的正弦震荡。

因此，当先导阀芯的芯套边缘部分由于磨损有损伤时，当出现漏油的时候，伺服阀就会出现周期性的震荡。

液压伺服与比例控制系统”课程体系建设与改革摘要：结合“构思—设计—执行—运作”工程教育模式对新型工程人员在知识、技能和实践方面提出的要求，对国家精品课程“液压伺服与比例控制系统”的教学进行改革，分别从课堂教学单元、实践教学单元，课程设计单元，融入新的教学手段，重在加深学生对理论知识的理解深度，培养学生的工程实践能力，增强学生的团队意识。

关键词：“构思—设计—执行—运作”工程教育模式；案例教学法；讨论教学法；工程实践教学法；项目教学国内工科院校培养的本科毕业生，普遍存在重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而忽视开拓创新精神的培养等问题。

从2005年起，国内多所高校结合我国高等教育的实际情况，积极参与“构思—设计—执行—运作”(Conceive—Design—Implement—Operate，以下简称CDIO)工程教育模式的实践和探索。

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。

国内外教学实践表明，其理念和方法是先进可行的，适合工程教育教学过程各个环节。

迄今为止，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，取得了良好效果，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业的欢迎。

“液压伺服与比例控制系统”是国内液压专业非常重要的一门专业课，特点是专业性强、综合性强、理论性强。

多年来，燕山大学机电控制工程专业一直重视该课程教学的改革工作，取得了显著效果，为国家培养了大量优秀工程技术人才。

但是，近几年来，随着社会对该专业学生素质要求的不断提高，仍然暴露出一些问题，比如教学手段相对较为落后，教学过程中理论与实践脱节，忽视学生创新能力和团队意识的培养等。

因此，逐渐出现了学生学习积极性不高、创新能力和团队意识不足等问题。

从2008年开始，该专业开始按CDIO工程教育模式培养学生。

以此为前提，结合“液压伺服与比例控制系统”国家精品课程的建设，课程建设小组通过改革传统教学方法和手段，加强过程管理，实施考核手段和方式的多样化，强化创新与实践能力培养，探索出一套更为完善的课程教学体系。

伺服系统组成与普通液压系统的区别
伺服系统与普通液压系统的组成区别是：伺服控制系统（伺服驱动系统）、伺服电机系统、先进的油泵。

伺服控制系统其实就是伺服控制器，又叫伺服驱动器。

伺服电机系统的实质就是伺服电机。

（莱普乐注塑机节能改造网提供）
伺服运行系统能够达到什么样的效果？电机反映迅速，像注塑机伺服系统就能实现压力和流量的双控制，控制程度更高，注塑机的冷却和保压阶段几乎不要消耗电能，直接降低注塑机电机的耗能（电机耗能占注塑机的60%-80%），实现节能40%-80%，注塑机电机的耗能根据注塑机的需要实现供给，从根本上节能。

伺服系统的最大特点就是电机，伺服电机采用永磁稀土，永磁电机反映更迅速，瞬间达到高转速，像注塑机伺服电机能够达到1500转，所需的时间不到0.03s，剪短了电机的反映时间和生产的时间。

由于伺服电机对油泵的要求比较高，普通液压系统的油泵不能达到这个要求，所以在注塑机节能改造中会把油泵换成齿轮泵。

伺服驱动器是根据伺服电机等配置的。

液压比例伺服阀的工作原理
液压比例伺服阀是一种用于控制液压系统中液压执行元件的阀门。

它的工作原理是通过改变阀芯的位置来调节液压流量和压力，从而控制液压执行元件的运动。

液压比例伺服阀由阀体、阀芯、驱动电磁铁、反馈电位器和控制电路组成。

驱动电磁铁通过控制电路产生电流，电流的大小决定了驱动电磁铁的磁场强度。

当驱动电磁铁通电时，产生的磁场将阀芯吸引或推动，使阀芯的位置发生变化。

阀芯的位置变化会改变阀体内的流道连接情况，从而调节液压流量和压力。

当阀芯向一侧移动时，阀体的流道与液压源连接，液压油通过阀体流道进入液压执行元件，从而产生相应的运动。

当阀芯向另一侧移动时，阀体的流道与液压油回油口连接，液压执行元件的液压油通过回油口排出。

反馈电位器用于检测阀芯的位置，并将位置信息反馈给控制电路。

控制电路根据反馈信息调整驱动电磁铁的电流，使阀芯的位置保持在设定的位置，从而实现对液压执行元件的精确控制。

总的来说，液压比例伺服阀通过改变阀芯的位置，调节液压流量和压力，从而控制液压执行元件的运动。

它具有快速响应、高精度和稳定性好等特点，广泛应用于工程机械、冶金设备、航空航天等领域。

液压伺服系统工作原理1.1 液压伺服系统工作原理液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。

电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。

液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。

液压伺服系统的工作原理可由图1来说明。

图1所示为一个对管道流量进行连续控制的电液伺服系统。

在大口径流体管道1中，阀板2的转角θ变化会产生节流作用而起到调节流量qT的作用。

阀板转动由液压缸带动齿轮、齿条来实现。

这个系统的输入量是电位器5的给定值x i。

对应给定值x i，有一定的电压输给放大器7，放大器将电压信号转换为电流信号加到伺服阀的电磁线圈上，使阀芯相应地产生一定的开口量x v。

阀开口x v使液压油进入液压缸上腔，推动液压缸向下移动。

液压缸下腔的油液则经伺服阀流回油箱。

液压缸的向下移动，使齿轮、齿条带动阀板产生偏转。

同时，液压缸活塞杆也带动电位器6的触点下移x p。

当x p所对应的电压与x i 所对应的电压相等时，两电压之差为零。

这时，放大器的输出电流亦为零，伺服阀关闭，液压缸带动的阀板停在相应的qT位置。

图1 管道流量（或静压力）的电液伺服系统1—流体管道；2—阀板；3—齿轮、齿条；4—液压缸；5—给定电位器；6—流量传感电位器；7—放大器；8—电液伺服阀在控制系统中，将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端，并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用，这种控制形式称之为反馈控制。

反馈信号与给定信号符号相反，即总是形成差值，这种反馈称之为负反馈。

用负反馈产生的偏差信号进行调节，是反馈控制的基本特征。

而对图1所示的实例中，电位器6就是反馈装置，偏差信号就是给定信号电压与反馈信号电压在放大器输入端产生的△u。

以下为液压伺服阀和比例阀的区别，一起来看看：区别一：伺服阀中位没有死区，比例阀有中位死区；伺服阀的频响（响应频率）更高，可以高达200Hz左右，比例阀一般最高几十Hz；伺服阀对液压油液的要求更高，需要精过滤才行，否则容易堵塞，比例阀要求低一些；阀芯结构及加工精度不同，比例阀采用阀芯+阀体结构，阀体兼作阀套；伺服阀和伺服比例阀采用阀芯+阀套的结构，中位机能种类不同，比例换向阀具有与普通换向阀相似的中位机能，而伺服阀中位机能只有O型；阀的额定压降不同，而比例伺服阀性能介于伺服阀和比例阀之间，比例换向阀属于比例阀的一种，用来控制流量和流向。

区别二：电液比例阀与伺服控制系统中的伺服阀相比，性能在某些方面还有一些差距。

但是电液比例阀抗污染能力强，减少了由于污染而造成的工作故障，可以提高液压系统的工作稳定性和可靠性，更适用于工业过程。

区别三：驱动装置不同。

比例阀的驱动装置是比例电磁铁；伺服阀的驱动装置是力马达或力矩马达；性能参数不同。

滞环、中位死区、频宽、过滤精度等特性不同，因此应用场合不同，伺服阀和伺服比例阀主要应用在闭环控制系统，其它结构的比例阀主要应用在开环控系统及闭环速度控制系统。

液压比例阀：液压比例阀是一种新型的液压控制装置。

在普通压力阀、流量阀和方向阀上，用比例电磁铁替代原有的控制部分，按输入的电气信号连续地、按比例地对油流的压力、流量或方向进行远距离控制。

比例阀一般都具有压力补偿性能，输出压力和流量可以不受负载变化的影响。

伺服阀：液控伺服阀主要是指电液伺服阀，它在接受电气模拟信号后，相应输出调制的流量和压力。

它既是电液转换元件，也是功率放大元件，它能够将小功率的微弱电气输入信号转换为大功率的液压能（流量和压力）输出。

在电液伺服系统中，它将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与液压放大。

电液伺服阀是电液伺服系统控制的核心。

1、已知Ps=5MPa，负载力F=1000N，移动速度为v=0.1m/s，活塞直径D=70mm，活塞杆直径d=50mm，流量系数Cd=0.7，采用零开口滑阀，矩形全周开口，阀芯台肩直径dv=2mm，阀芯最大位移Xvm=1mm，油液密度为883kg/m3，试确定此阀控对称缸系统能否正常工作？2、控制双出杆油缸的零开口四通滑阀，全周开口，阀芯直径d=12mm，供油压力Ps=4Mpa，动力粘度µ=1.4×102-Pa.s,径向间隙r=5×106-m，流量系数Cd=0.62，油液密度ρ=900kg/m3。

（1）计算阀的三个零位阀系数（其中压力增益K0p和压力流量系数K0c按经验公式计算）；（2）如果负载压力P L=2.6MPa，负载流量Q L=16L/min，计算三个阀系数。

3、阀控液压缸系统，液压缸面积Ap=150×104-m2，活塞行程L=0.8m，阀至液压缸的连接管道长度l=2m，管道截面积a=1.77×104-m2，负载质量mt=2000kg，阀的流量—压力系数K c=5.2×1012-m3/s.Pa。

试求液压固有频率ωh和液压阻尼比ζh。

计算时取βe=700MPa，ρ=870kg/m3。

4、有一阀控液压马达系统，已知：液压马达的排量Dm=6×106-m3/rad，马达容积效率为95%，额定流量为qn =6.66×104-m3/s，额定压力为pn=140×105Pa，高低压腔总容积Vt=3×104-m3。

拖动纯惯性负载，负载转动惯量Jt=0.2Kg.m2，阀的流量增益Kq=4m2/s，流量―压力系数Kc=1.5×1016-m3/s.Pa，液压等效容积弹性模量βe=7×108Pa。

试求出以阀芯位移为输入，液压马达转角为输出的传递函数。

5、有一四边阀控制的双作用缸，直接拖动负载做简谐运动。