比例系统的设计以及元件选择.ppt

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1、东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,1,第七章 比例系统的设计以及元件选择,71 电液比例控制系统的组成 72 电液比例控制系统的控制形式和选择 73 电液比例控制系统的设计步骤 74 电液比例往复运动的定性分析 75 比例元件的选择原则,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,2,71 电液比例控制系统的组成,一个典型的电液比例控制系统的结构框图如下图所示：,第七章 比例系统的设计及元件选择,比例 电磁铁,比例 放大器,液压阀,液压 执行器,控制 电源,编程器,传感器,传感器,液压源,比例元件,u,I,xv,P，Q,y,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,3,71

2、电液比例控制系统的组成,由图可见，一个比例控制系统包括以下各部分： 1）编程器 编程器是指控制信号的产生和处理单元，其作用是产生给定值，在开环控制下，给给定值与实际反馈值比较后得出差值，作为系统的真正控制信号，然后送到放大器处理。有时它也是比例放大器的内电路的一部分。 2）比例放大器； 3）液压比例元件； 4）液压执行器； 5）检测反馈传感器； 6）控制电源； 7）液压油源。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,4,71 电液比例控制系统的组成,由图可见，虚线示为两种可能存在的检测反馈，一种是阀内引出的反馈，构成小闭环；另一种是输出量的实际值反馈，构

3、成大闭环。一般称为闭环控制系统的是后者。前者由阀内引出的内反馈中，最常见的是行程控制型电磁铁驱动的比例阀，这种比例阀带有阀芯位置反馈。另外还有一些称为全程电反馈类型的比例阀，也可能构成小闭环。这类系统一般也只称为开环系统。是否带内闭环控制，所选用的比例放大器是不同的。 在比例系统设计中，需要进行设计的部分，通常是编程器、控制电源、液压源三个部分，其它部分可以通过设计计算选择通用部件。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,5,72 电液比例控制系统的控制形式和选择,电液比例系统按实际控制信号产生的方式不同，即采用的编程器的编程方式不同而分成三种控制形式

4、。设计一个比例系统时首先考虑的问题就是控制形式的选择。 1.手动编程控制方式 这种方式也可称为手动比例控制，可以通过手调电位器或者称为操纵杆的电子先导控制元件，人为调节。优点是（1）可以实现遥控；（2）利用比例放大器的自动斜坡发生器的作用，操作变得简单。 2.预编程的过程控制方式 利用预编程的方式，寻求一条理想的过程控制特性曲线，曲线上的每一稳态值对应一个可调电阻值，其过渡过程是通过斜坡发生器。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,6,72 电液比例控制系统的控制形式和选择,对不同的过程控制，只在信号处理的编程器部分有所不同，而比例电控器的基本组成是

5、相似的。通过电阻来设参数变化，故体积小，简单方便，简化了液压回路，虽然控制精度不很高，但满足大多数工业应用要求。 3.自编程控制方式 自编程控制是指带实际值反馈的闭环控制，利用闭环控制，使系统对外界干扰变得不敏感，故控制精度得到提高。在这种控制方式中，传感器的选用和电子线路对系统工作质量起到关键作用。目前这类系统的设计主要参照伺服系统的设计理论来进行，或者通过数字仿真来准确的计算。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,7,73 电液比例控制系统的设计步骤,手动编程控制系统设计比较简单，其性能与手动操纵的方式由直接关系。下面主要介绍预编程控制方式下的比

6、例系统的设计。 电液比例控制系统介乎常规的液压传动系统与电液伺服系统之间，从控制特性看与伺服控制系统相近，但由于比例元件的固有特性，例如死区，往往在大信号的输入下工作，抗污染性方面又与开关系统相近。因此，比例系统的设计应针对不同的工况进行。对精度要求较高的系统，可以参照伺服系统的设计方法。对一般精度的系统，可以在考虑到动态性能的基础上按传动系统的设计方法设计。对动态系统没有特殊要求的比例系统，其动态性性能可以不做特别考虑，在实际调试过程中可以通过斜坡时间来调整，从而获得较满意的动态特性。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,8,72 电液比例控制系统

7、的控制形式和选择,电液比例控制系统的设计步骤如下： （1）进行工矿分析，明确设计依据。准确地对设计任务进行分析和描述，对比例系统的设计师十分重要的，若能预先准确地提出任务，才能在设计开始时就能确定最佳方案。 （2）确定传动与控制系统的方案； （3）进行设计计算，确定系统的性能参数及元件性能参数； （4）根据设计计算结果选择比例元件，并对重要的技术性能和参数验算； （5）绘制工作图。 要设计好一个比例控制回路，除了要掌握元件性能方面的知识外，还应注意到系统设计方面的一些原则问题，如：,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,9,72 电液比例控制系统的控制

8、形式和选择,（1）快速往返运动时要尽量提高系统的固有频率； （2）系统的速度控制范围，以及与时间相关的制动极限。质量、速度、压力、黏度变化对系统性能参数的影响。 （3）是否采用压力补偿，是采用进口还是出口压力补偿方式，采用压力补偿后对总压力的影响问题，以及对单出杆缸的增压问题。 （4）根据负载的形式考虑是否需要采用制动阀或支撑阀； （5）根据控制精度要求考虑是否采用开环控制方式，还是必须采用闭环控制方式； （6）选择有相应动态性能的阀，特别是对闭环控制系统，以满足系统对动态特性的要求。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,10,73 电液比例往复运动

9、的定性分析,采用四通电液比例方向阀作往复运动的换向和调速控制元件是常见的，设计这类系统时应考虑两个重要问题：第一是考虑液压动力机构的固有频率及其能实现的最大加速度、减速度。这对于驱动大惯性负载作快速往复运动时尤为重要。其次是阀的总压降，阀的总压降是选择比例方向阀通径的依据，同时也可以通过阀压降来判断可能出现空穴的情况。 （1）稳定性分析 一个液压动力机构用于驱动纯惯性负载的运动，类似于一个弹簧质量系统的运动。在其加速、减速期间，液压作用力分成三部分： 一部分用于对质量加速和减速上； 一部分用于压缩弹簧； 一部分用于克服各种摩擦力和阻尼力或外负载。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械

10、工程与自动化学院液压与气动研究所,11,73 电液比例往复运动的定性分析,第七章 比例系统的设计及元件选择,该动力机构的力平衡方程式为：,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,12,73 电液比例往复运动的定性分析,当作用力较小时，加速度也较小，这时产生的惯性力远比弹簧压缩力为小。在这种情况下，系统的末速度是可以预测的。当我们不断的增加输入力时，加速度增大，惯性力也随之增大。最后达到某一点时，弹簧力将无法传递这个力。换句话说，随着输入力的增加，它将大部分作用于压缩弹簧，只有很小一部分用于加速负载。开始时表现为相位滞后少许，并逐渐可能会变为相位差180,这时便会出现不稳定的震动，称共振现

11、象，系统呈现不稳定运动。 对这样的系统，要得到最大的工作循环次数，我们必须提供足够的力用于加速、减速，但同时又不至于提供额外的力形成共振，显然当弹簧吸收的能量能被阻尼力迅速吸收，便可获得理想的最大加速度。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,13,73 电液比例往复运动的定性分析,（2）频宽和最大加速度 由于该系统为型系统，通过分析其幅频特性，可以求出时间常数T，即在最高工作频率下一个周期所需要的时间。系统的最小加速时间，或者说系统所能实现的最大加速度是以这个时间常数为基础的。由上一节的分析中可以知道，系统的稳定性与频宽和最大加速度都有关系。对最大加

12、速度的分析表明，不论末速度为多少，用于加速的最小时间应为时间常数T的（2/31）倍，通常取1倍。如果提供的加速时间为t b ，我们可以得到以指数形式增加的末速度；如果只用2 t b/3 的时间去加速，则在到达末速度之前出现较强的震动，常达到不容忽视的程度。 在实际设计中，这些分析的实际意义仅是用来确定系统的工作压力，同时对确定泵的最大流量也是重要的。而实际的最大加速度是靠调节最大斜坡时间来设定或改变的。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,14,73 电液比例往复运动的定性分析,第七章 比例系统的设计及元件选择,比例液压系统的幅频特性,东北大学机械工

13、程与自动化学院液压与气动研究所,15,73 电液比例往复运动的定性分析,第七章 比例系统的设计及元件选择,最大加速度分析图,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,16,73 电液比例往复运动的定性分析,（3）最大加速度的调节方法 一般的比例放大器的斜坡时间调解范围是0.03 5 s，这对大多数工程应用已经足够。在机器运行期间，开始时先把放大器内的斜坡时间放在最大位置，然后渐减，直到将要出现不稳定现象为止，这时的斜坡时间约为时间常数 t b ，这样便可得到无冲击的最大加速、减速度转换，从而提高了生产效率。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,1

14、7,74 比例元件的选择,通常比例元件的选择是在设计计算之后进行的，这时系统的主要性能参数：系统压力，流量，工作循环，最大加速度等都已经基本确定下来，这些性能参数是选择比例元件的依据。元件的选择应包括各种比例阀、电控器及编程器的选择或设计。下面分述几种主要元件选择时应遵循的原则。 7.4.1 比例压力阀的选择 比例压力阀用于系统的压力需要在工作过程中连续升降或多级压力调节的场合。压力阀的选择应满足系统在不同的工况下对压力范围的要求，通常考虑以下几个原则：,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,18,74 比例元件的选择,1. 压力等级的选择 比例压力阀

15、的各油口的最高工作压力都按31.5MPa设计，压力等级改变靠改变先导阀的阀座孔径来实现。选择比例压力阀的压力等级大于或者等于系统要求的最高工作压力，最好在11.2倍之间，以便得到最好的分辨率。如果压力等级过大，则控制性能变差。 2. 最低设定压力 比例压力阀都有一个最低设定压力，最低设定压力与通过溢流阀的流量有关。如果选择阀的通径过小，则最低设定压力升高。当最低设定压力不能满足系统的最低压力要求时，就应采取其他的措施使系统卸荷或得到较低的压力。先导溢流阀的最低设定压力为0.60.7MPa。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,19,74 比例元件的选

16、择,3. 通径的选择 通径选择的原则应该考虑两个方面。一方面考虑尽量减小调压偏差，另一方面要考虑最低设定压力，以便扩大调压范围。两方面的考虑都要求有足够大的通径。这里推荐比例压力阀的额定流量为系统最大流量的 1.22 倍，据此在样本中查找对应的通径。这样可以获得较平直的流量-压力曲线，以及较小的最低设定压力。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,20,74 比例元件的选择,4. 结构选择 如果是单压工作系统可以选择比例溢流阀；如果是双压或者多压工作系统应选择比例减压阀 在结构上，应选择带限压阀的较好，以便在必要时提供压力保护。压力保护有两种方式可供选

17、择，一种是带限压阀的整体式比例阀，另一种则是由普通先导式压力阀加一个小型直动式比例溢流阀构成。前者一般响应时间较快，后者可以随意选择通径，并利用原有的先导阀作压力保护。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,21,74 比例元件的选择,5. 动态特性的考虑 样本中通常都给出比例压力阀的切换时间，即压力从最小到最大或相反时所需要的阶跃响应时间。对一般调压系统，可以不考虑该项指标，但对要求较高的压力系统，还必须注意选择较小的转换时间来满足系统设计要求。 7.4.2 比例流量元件的选择 比例流量控制元件应用在需要对系统的速度进行遥控或在工作过程中速度不断变换

18、的液压系统。选择时应主要考虑：,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,22,74 比例元件的选择,1压力等级的选择 选择的压力等级应大于或等于系统最高工作压力，以避免阀的密封损坏，或增大泄漏量。 2通径选择 通过流量控制元件的流量与阀压降和通径都有关系，选择另时应同时考虑这两个因素，通常以阀压降为1 MPa 所对应的流量曲线作为选择依据，因此要求 1MPa 阀压降下的额定流量为系统最大流量的11. 2倍。这样可以获得较小的阀压降，以减小能量损失，同时使控制信号范围尽量接近100，从而提高分辨牢。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动

19、化学院液压与气动研究所,23,74 比例元件的选择,3节流口形式的选择 有些比例节流阀的节流口的形式有三种，见由图示。图中曲线1为线性递增型，曲线2为一般递增型，曲线3为二级递增型。它们可分别适用于不同的场合。线性型的在整个控制范围内，控制电流与流量之间有较好的线性关系，用在要求与控制信号严格成比例的场合。如果要求在低速控制范围内有较高的分辨率和较好的线性，可以选用二级递增型的节流形式。 4动态特性的考虑 当用于高性能的速度跟踪控制时，有必要考虑比例流量阀的频率响应和阶跃响应。一般比例流量阀的阶跃响应时间为80110 ms，频宽为 5 Hz 左右。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机

20、械工程与自动化学院液压与气动研究所,24,74 比例元件的选择,第七章 比例系统的设计及元件选择,不同节流口的性能曲线 1 - 线性 2 - 普通递增 3 - 二级递增,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,25,74 比例元件的选择,5结构形式选择 结构选择有比例节流、比例流量及比例节流加压力补偿三种。流量阀中又有二通和三通流量阀之分。稳流特性要求较高时应选用比例流量阀；三通流量阀较二通流量阀节能，其缺点是系统压力处在追随负载变化当中，由泄漏引起的动特性可能会引起问题，流量调节精度也不如二通阀。大流量时，可选用比例节流加压力补偿阀构成比例调速阀。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东

21、北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,26,74 比例元件的选择,7.4.3 比例方向阀的选择 比例方向阀是流量与方向控制复合控制阀。用作速度控制时，其特点是进出口同时节流因此选择时应注意到这个特点。因为它作方向控制时是用两只比例电磁铁来实现，所以配用的比例放大器需要是双通道的，这点与前述的两种比例元件不相同。 1. 压力等级选择 选择的压力等级应大于或等于系统最高工作压力。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,27,74 比例元件的选择,2通径选择 比例方向阀的过流量与阀压降密切相关，且比例方向阀有两个节流口，当用于控制差动缸时，两个节流口的

22、过流量并不相同。一般以进口节流口所通过的流量作为选择的依据。另一方面阀压降定义为两个节流口的压降之和作为阀的总压降。比例方向同的选择正是以上述的阀压降和通过流量作为选择的依据。 阀压降的计算根据不同的负载类型和阀结构类型的不同，分别按有关公式计算出来，必要时应按照两个方向分别计算。计算的结果必须符合不产生空穴或真空的条件，否则就应重新考虑。总的原则是要满足阀压降的前提下，尽量扩大控制电流的输人范围。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,28,74 比例元件的选择,3. 中位机能的选择 由于比例方向阀的双向节流特殊性，中位机能的选择方式与普通方向阀的有

23、所不向。为了获得较好的控制性能，不同机能的比例方向闯必须与适当的执行器配用。实际应用中常见的中位机能及内部流通状况见附表所示，推荐的中位机能与液压执行器的配用按表选用。 4. 动态性能的考虑 只有在比例方向阀用于闭环控制，或用于驱动快速往复运动时，或快速起动和创动的场合，才需要对比例方向阀的动态特性作认真的考虑。首先应尽可能提高液压动力机构的液压固有频率，这样才能提高快速性和频宽。,第七章 比例系统的设计及元件选择,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,29,74 比例元件的选择,这要求比例方向阀与执行元件之间的连接管路尽可能短，以便使系统的时间常数减小。另一方面应考虑比例方向阀的流量增益系数，如果流量增益系数过大，则难以满足稳定条件式：,第七章 比例系统的设计及元件选择,这时就有可能不能选用全用开口的阀芯。典型的比例方向阀的频宽约为10Hz，阶跃响应时间约为5060ms。如果在比例放大器电路中，采用使阀芯快跳的措施，可以进一步提高其阶跃响应时间。,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,30,74 比例元件的选择,第七章 比例系统的设计及元件选择,附表：,东北大学机械工程与自动化学院液压与气动研究所,31,74 比例元件的选择,第七章 比例系统的设计及元件选择,