电液位置伺服控制系统实验讲解

电液伺服控制实验课程介绍1教学单位名称：机械科学与工程学院2 .实验中心名称：液压基础实验中心3 .课程名称：电液伺服控制4,课程代码：4124155,课程类别：专业课6 .课程性质：选修7 .课程学时：28学时，其中含实验4学时8 ,课程学分：1.59,面向专业：机械工程10 .实验课程的教学任务、要求和教学目的电液伺服控制系统实验课的开设是为了使学生将课堂上较为抽象的理论内容，如位置反馈、速度反馈、力反馈等各种闭环控制形式，伺服阀静态特性、动态特性等控制元件特性，阀控液压缸的频率响应特性、外特性等控制回路特性等，通过实物的形式获取直观概念。

要求学生能够识别电液伺服系统中主要控制和执行元件，根据控制要求用给定的液压元件和管路搭建控制回路，根据反馈形式合理安置和连接传感器，用计算机对伺服系统进行控制和实时数据采集。

其目的是使学生通过实验课熟悉基本的电液伺服系统的基本构成、使用及连接方式；熟悉各类实验的基本操作；培养制定、实施实验方案，实脸数据处理、分析，实验报告撰写等基本的科学研究能力。

通过实验课能够将抽象的控制理论与实际的系统输入输出规律、现象进行对照，反过来促进学生对控制理论的深入理解并思考导致理论与实际之间存在差异的因素，对学生工作后独立进行系统设计具有重要的指导意义。

11 .学生应掌握的实验技术及实验能力(1)掌握液压传动、液压伺服系统中常用元件的工作原理，能够利用所知的液压元件组成简单的液压传动、液压伺服系统；(2)了解液压的组成及液压元件、管路的连接形式，可以使用快速接头、焊接接头等进行管路连接；(3)了解液压伺服系统闭环的构成方式及电控系统的连接形式，可以按照系统原理图自行组装一套液压伺服系统；(4)了解计算机控制指令的输出方法及数据采集方法，可以进行简单的计算机控制程序编写并利用计算机读取实验数据；(5)掌握实验数据的处理和分析方法，能够根据采集数据分析液压伺服系统的控制特性。

第七章 电液伺服控制系统的应用实例 7.1 引例图7-1 阀控油缸闭环控制系统原理图此图为采用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环控制系统。

这一系统不仅使液压缸速度能任意调节，而且在外界干扰很大（如负载突变）的工况下，仍能使系统的实际输出速度与设定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的响应性能。

工作原理如下：在某一稳定状态下，液压缸速度由测速装置测得（齿条1、齿轮2和测速发电机3）并转换为电压。

这一电压与给定电位计4输入的电压信号进行比较。

其差值经积分放大器放大后，以电流输入给电液伺服阀6。

电液伺服阀按输入电流的大小和方向自动地调节其开口量的大小和移动方向，控制输出油液的流量大小和方向。

对应所输入的电流，电液伺服阀的开口量稳定地维持在相应大小，伺服阀的输出流量一定，液压缸速度保持为恒值。

如果由于干扰的存在引起液压缸速度增大，则测速装置的输出电压改变，而使放大器输出电流减小，电液伺服阀开口量相应减小，使液压缸速度降低，直到液压缸恢复原来的速度时，调节过程结束。

按照同样原理，当输入给定信号电压连续变化时，液压缸速度也随之连续地按同样规律变化，即输出自动跟踪输入。

通过分析上述伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下：（1）反馈系统：把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。

在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。

自动控制系统中大多数反馈是负反馈。

（2）靠偏差工作：要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。

执行元件运动的结果又试图消除这个误差。

但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。

（3）放大系统：执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。

其输出的能量是液压能源供给的。

7.2 车床液压仿形刀架图7-2 车床液压仿形刀架车削圆锥面时，触销沿样件的圆锥段滑动，使杠杆向上偏摆，从而带动阀芯上移，打开阀口，压力油进入液压缸上腔，推动缸体连同阀体和刀架轴向后退。

M A T L A B电液位置伺服控制系统设计及仿真数控机床工作台电液位置伺服控制系统设计及仿真姓名：雷小舟专业:机械电子工程子方向：机电一体化武汉工程大学机电液一体化实验室位置伺服系统是一种自动控制系统。

因此，在分析和设计这样的控制系统时，需要用自动控制原理作为其理论基础，来研究整个系统的动态性能，进而研究如何把各种元件组成稳定的和满足稳定性能指标的控制系统。

若原系统不稳定可通过调整比例参数和采用滞后校正使系统达到稳定，并选取合适的参数使系统满足设计要求。

1 位置伺服系统组成元件及工作原理数控机床工作台位置伺服系统有不同的形式，一般均可以由给定环节、比较环节、校正环节、执行机构、被控对象或调节对象和检测装置或传感器等基本元件组成[1]。

根据主机的要求知系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。

系统物理模型如图1所示。

图1 数控机床工作台位置伺服系统物理模型系统方框图如图2所示。

图2 数控机床工作台位置伺服系统方框图数控机床工作台位置伺服系统是指以数控机床工作台移动位移为控制对象的自动控制系统。

位置伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体。

数控机床的工作台位置伺服系统输出位移能自动地、快速而准确地复现输入位移的变化，是因为工作台输出端有位移检测装置（位移传感器）将位移信号转化为电信号反馈到输入端构成负反馈闭环控制系统。

反馈信号与输入信号比较得到差压信号，然后把差压信号通过伺服放大器转化为电流信号，送入电液伺服阀（电液转换、功率放大元件）转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，从而使液压马达的四通滑阀有开口量就有压力油输出到液压马达，驱动液压马达带动减速齿轮转动，从而带动滚珠丝杠运动。

因滚珠丝杠与工作台相连所以当滚珠丝杠 运动时，工作台也发生相应的位移。

2数控工作台的数学模型 2.1 工作台负载分析工作台负载主要由切削力c F ,摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成，则总负载力为:a f c L F F F F ++=2.2液压执行机构数学模型工作台由液压马达经减速器和滚珠丝杠驱动。

《电液伺服控制系统》（含实验内容）教学大纲课程编码：08241068课程名称：电液伺服控制系统英文名称：electro-hydraulic servo control system开课学期：1学时/学分：30 （其中实验学时：4 ）课程类型：专业课开课专业：机械电子工程专业本科生选用教材：《液压伺服控制系统》王春行主编主要参考书：执笔人：刘昕晖一、课程性质、目的与任务本课程为机械电子工程专业本科生专业选修课。

通过对本课程的学习使学生了解液压伺服控制的基本理论、液压伺服控制元件和液压伺服控制系统等知识，了解液压伺服控制元件和系统的作用原理、特性分析及设计计算等。

二、教学基本要求1．了解电液伺服系统的基本概念2．了解液压伺服控制的基本理论、基本方法。

3．了解液压伺服控制元件和液压伺服控制系统组成和基本原理。

4．了解液压伺服控制元件和系统的特性分析及初步设计计算方法。

三、各章节内容及学时分配第一章液压伺服控制系统概述（2学时）本章介绍液压伺服控制系统的工作原理、组成、分类、优缺点和应用。

通过本章的学习，可以对液压伺服控制系统有一个大致的了解。

1．1 液压伺服控制系统的工作原理和组成一、液压伺服控制系统的工作原理二、液压伺服控制系统举例三、液压伺服控制系统的组成1．2 液压伺服控制系统的分类一、按输入信号的变化规律分类二、按系统输出量的名称分类三、按驱动装置的控制方式和控制元件的类型分类四、按信号传递介质的形式分类五、按液压动力机构是否对称分类1．3 液压伺服控制系统的优缺点一、液压伺服控制系统的优点二、液压伺服控制系统的缺点1．4 液压伺服控制系统的发展和应用概况第二章液压放大元件（4学时）液压放大元件是液压伺服系统中的一种主要控制元件，它们的性能直接影响到液压伺服系统购工作品质，因此必须对它们的特性及设计淮则进行研究。

液压放大元件可以是液压伺服阀或伺服变量泵。

本章只讨论液压伺服阀，包括滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀。

电液伺服控制系统的研究与应用电液伺服控制系统是一种将电气和液压相结合的控制系统，其主要作用是调节和控制执行机构的位置、速度和力量。

在未来，电液伺服控制系统将广泛应用于工业自动化、机械制造、航空航天等领域。

电液伺服控制系统的研究在电液伺服控制系统的研究中，液压系统是至关重要的一部分。

电液伺服控制系统旨在通过控制液压系统的压力、流量、速度和方向来实现连续控制。

因此，在设计和优化电液伺服控制系统时，必须对液压系统的特性进行深入的研究。

在实际应用中，电液伺服控制系统的研究主要分为两个方面：一是控制算法的研究，二是系统的实验验证。

控制算法的研究主要关注系统的控制算法和控制器的设计和开发。

这一方面的研究包括PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。

现代电液伺服控制系统常使用的控制器主要有Proportional、Integral、Derivative（PID）控制器、模糊控制器和神经网络控制器等。

系统的实验验证是指在各种输入和负载条件下对电液伺服控制系统进行测试。

这一方面的研究需要设计、制造和测试各种现有的和新型的电液伺服控制系统。

通过实验测试，能够验证理论模型并进一步改进和优化控制系统。

电液伺服控制系统的应用现代工业生产越来越自动化，机械工业也呈现出快速发展的态势。

电液伺服控制系统正是其中的一个重要方面。

在工业应用中，电液伺服控制系统广泛用于各种机械装置中，如机床、数控机床、液压机、压力机、自动化生产线、起重设备、机械手、航空发动机控制等。

此外，在船舶制造、空气动力学、新能源技术等领域，电液伺服控制系统也得到了广泛应用。

在液压系统自动化升级过程中，电液伺服控制系统配合光电传感器、位移传感器、压力传感器、液压控制阀等设备，实现对各种机械量的精准控制。

与传统的液压控制系统相比，电液伺服控制系统具有更高的精度、更好的控制性能，能够更快地响应控制信号。

可以说，电液伺服控制系统的应用在工业制造中具有非常重要的地位。

电液比例伺服阀控实验台操作指导书电液比例伺服阀控实验台主要用于完成伺服阀、比例阀的静特性实验和电液位置控制系统实验，也可以完成电液比例伺服系统的研究型实验。

阀控实验台主要组成元件见图1。

实验台需要与液压泵站和测控系统配合使用，具体操作如下：一、实验前准备1、启动前首先检查线路，确保测控计算机、测控箱、通电正常，正常后启动测控计算机、同时为测控箱上电。

2、检查电液比例伺服阀控实验台接线和泵源连接的软管接头是否漏油，确保无线路断裂、接头松动，无液压漏油、管路开裂等现象。

3、检查油源的压力油出口和回油口的闸阀是否打开，液压油箱的液位是否在规定范围内。

确认正常后，方可开机进行试验。

4 、启动油源电机，交替调节比例溢流阀和电磁溢流阀，使系统压力调定到所需值；如试验完毕或短时不用，交替调节比例溢流阀和电磁溢流阀，使压力下降到最低压力，系统处于卸荷状态。

二、实验台控制油路操作按油源操作步骤，启动泵源并调定好系统压力，将压力油进油闸阀根据所使用的阀搬至相应位置。

压力油进油闸阀有3个，分别控制进入试验比例阀、试验伺服阀和加载伺服阀的压力油，在做不同的试验项目时，打开相应的进油闸阀。

根据选定的实验项目，参考油路图确定正确操作方法，将相关闸阀搬至相应工作位置。

注意，闸阀中心的红一字线与闸阀长边中心线一致时为接通，垂直时为切断。

具体的操作如下：三、实验操作步骤3.1 流量特性实验流量特性实验是通过控制伺服阀或比例阀线圈电流的变化，测量阀的流量大小的变化情况。

得出电液伺服阀或比例阀的空载流量与阀的线圈电流之间的关系，流量-电流曲线为阀的流量特性曲线。

操作步骤：1）调节阀供油压为额定供油压力，切换实验油路——关闭QF3、4、5、7，打开QF6、8、9，将两个节流阀开口调至最大开口。

2）选择通过测试程序，选择伺服阀或比例阀的“流量特性”检测项目，测控箱选择“仪控”工作方式（具体操作见测控箱使用说明书）。

3）通过计算机程序和多功能测控箱产生频率为0.01Hz至0.05Hz幅值为额定电流的三角波信号加给伺服阀或比例阀（详细操作见测控软件说明书）。

电液位置伺服控制系统设计方法电液位置伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统，如机床工作台的位置、板带轧机的板厚、带材跑偏控制、飞机和船舶的舵机控制、雷达和火炮控制系统以及振动试验台等。

在其它物理量的控制系统中，如速度控制和力控制等系统中，也常有位置控制小回路作为大回路中的一个环节电液位置伺服系统主要是用于解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过执行机构实现被控量对给定量的及时和准确跟踪，并要具有足够的控制精度。

电液伺服系统的动态特性是衡量一套电液伺服系统设计及调试水平的重要指标。

它由电信号处理装置和若干液压元件组成，元件的动态性能相互影响，相互制约及系统本身所包含的非线性，致使其动态性能复杂。

因此，电液伺服控制系统的设计及仿真受到越来越多的重视。

液压伺服系统的基本设计步骤○1分析整理所需的设计参数，明确设计要求；○2拟定控制方案，构成控制系统原理图；○3确定动力元件参数（如供油压力、执行元件规格、伺服阀容量）和其他组成元件；○4分析计算系统的静、动态特性，确定回路放大系数和设计校正措施等。

○5根据技术要求设计出系统以后，需要检查所设计的系统是否满足全部性能指标，如不满足，可通过调整参数或改变系统结构（即校正）等方法重复设计过程，直至满足要求为止。

因为设计是试探性的，所以设计方法具有很大的灵活性，在设计中结合MATLAB的SIMULINK软件进行仿真，对系统的参数进行调整和可靠性作进一步验证，最终可以得出比较可靠的电液伺服系统。

(一)组成控制系统原理图由于系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。

系统方块原理如图1（二）由静态计算确定动力元件参数，选择位移传感器和伺服放大器1．绘制负载轨迹图负载力由切削力c F ，摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成。

摩擦力具有“下降”特性，为了简化，可认为与速度无关，是定值，取最大值f F = 1500N 惯性力按最大加速度考虑a max F 800t m a N ==假定系统是在最恶劣的负载条件下工作(即所有负载力都在存在，且速度最大)下工作，则总负载力为max f F F F F =l c a =++400+1500+800=2700N2.选取供油压力 5s P 6310Pa =⨯3.求取液压马达排量设齿轮减速比'm i=/2m θθ=，丝杠导程21.210/t m r -=⨯，则所需液压马达力矩为22700 1.210 2.58222L L F t T N m i ππ-⨯⨯===⋅⨯ 取L s 2P =P 3，则液压马达弧度排量为-63L 5s 3T 3 2.58D ==0.610m /2P 26310m rad ⨯=⨯⨯⨯ 液压马达每转排量为-63-632D 20.610m / 3.710m /m m Q r r ππ==⨯⨯=⨯计算出的液压马达排量需标准化。

电液伺服系统动态特性的分析与控制随着现代工业的发展，越来越多的机械设备采用电液伺服系统进行控制，这是因为电液伺服系统具有响应快、精度高、可靠性好等优点。

但是，电液伺服系统也存在着一些缺陷，如稳定性差、跟随误差大等问题。

因此，对于电液伺服系统的动态特性分析和控制显得尤为重要。

一、电液伺服系统动态特性分析电液伺服系统动态特性的分析可以从以下几个方面入手。

1、电动机的动态特性分析电动机作为电液伺服系统的动力源，其动态特性直接影响到整个系统的性能。

一般来说，电动机的动态特性可以通过分析其电机模型和转子惯量等参数来确定。

2、液压系统的动态特性分析液压系统的动态特性主要由液体动态响应、油压脉动、液压缸的弹性变形等因素所决定。

液体动态响应可通过液体的压力传递特性来分析，油压脉动可通过优化液压系统结构来降低。

3、伺服阀的动态特性分析伺服阀作为电液伺服系统的关键元件之一，其动态特性直接影响到系统的动态性能。

伺服阀的动态特性主要包括阀芯位移-流量特性和阀座调节特性等。

二、电液伺服系统的控制策略了解电液伺服系统的动态特性之后，就需要采用适当的控制策略来改善其性能。

1、PID控制策略PID控制策略是目前最常用的控制策略之一，其具有简单易懂、适用范围广等优点。

在电液伺服系统中，PID控制策略可以根据系统响应速度和跟随误差等参数进行调节。

2、自适应控制策略自适应控制策略可根据系统的动态响应特性进行调节，具有较好的适应性和鲁棒性。

在电液伺服系统中，自适应控制策略可在不同工况下对系统进行自适应调节和优化。

3、模型预测控制策略模型预测控制策略可根据系统动态模型进行控制，具有良好的追踪性能和鲁棒性。

在电液伺服系统中，模型预测控制策略可根据系统的数学模型进行控制。

三、结论电液伺服系统是现代工业中广泛采用的一种控制系统。

要想提高电液伺服系统的性能，就必须对其动态特性进行深入分析，并采取适当的控制策略来改善其性能。

在实际应用中，应根据具体工况选择适合的控制策略，并通过参数调整和优化设计等方式来提高控制效果。

电液伺服系统的控制策略和性能分析电液伺服系统作为一种集机械、液压、电气等多种技术于一体的高科技产品，在工业生产中具有重要的应用价值。

电液伺服系统通过控制液压传动系统的液压阀和执行元件，实现对负载的精准控制，具有响应速度快、控制精度高、动态性能优越等特点。

然而，一直是研究的热点和难点之一。

电液伺服系统的控制策略主要包括位置控制、速度控制和力控制等几种基本控制方式。

其中，位置控制是电液伺服系统最常用的控制方式之一，通过控制伺服阀的开度，实现对执行元件位置的精确控制。

而速度控制则是通过控制伺服阀的流量，调节液压缸的运动速度。

而力控制则是通过控制液压缸施加的力，实现对负载力的精确控制。

不同的应用场景需要选择合适的控制策略，以满足工艺要求。

电液伺服系统的性能分析主要包括静态性能和动态性能两个方面。

静态性能是指在稳态工作条件下，电液伺服系统的输出与输入之间的关系。

静态性能分析主要包括静态误差、静态刚度和静态灵敏度等指标。

动态性能是指在动态工作条件下，电液伺服系统对输入信号的响应速度和稳定性。

动态性能分析主要包括系统的时间响应、频率响应和阻尼比等指标。

通过对电液伺服系统的性能分析，可以评估系统的稳定性和控制质量，为系统的优化设计提供依据。

在电液伺服系统的控制策略和性能分析中，影响系统性能的因素有很多。

首先是系统的结构设计，包括液压传动系统的结构、液压缸的结构和伺服阀的结构等。

合理的结构设计可以提高系统的控制精度和承载能力，从而提高系统的性能。

其次是系统的控制算法，不同的控制算法对系统的性能有着重要影响。

常用的控制算法包括比例积分微分（PID）控制、模糊控制和自适应控制等。

选择合适的控制算法对系统的性能提升至关重要。

另外，系统的传感器和执行元件的质量也会影响系统的性能，高精度的传感器和执行元件可以提高系统的控制精度和稳定性。

电液伺服系统的控制策略和性能分析是一个复杂而又具有挑战性的研究领域。

在实际应用中，需要综合考虑系统的工作环境、负载特性和控制要求等多方面因素，从而选择合适的控制策略和优化系统的性能。