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1、液压伺服系统液压伺服系统 第第1章章 绪论绪论 1.1 液压伺服控制系统的工作原理及组成液压伺服控制系统的工作原理及组成1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理 在这种系统中，输出量在这种系统中，输出量(位移、速度、力等位移、速度、力等)能够自动地、能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时。还对输入信快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时。还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。液压泵是系统的能源，它以恒定的压力向系统供油供液压泵是系统的能源，它以恒定的压力向系统供油供油压力由溢流阀调定。液压动力元
2、件由四边滑阀和液压缸组成。油压力由溢流阀调定。液压动力元件由四边滑阀和液压缸组成。滑阀是转换放大元件，它将输入的机械信号滑阀是转换放大元件，它将输入的机械信号(阀芯位移阀芯位移)转换成转换成液压信号液压信号(流量、压力流量、压力)输出，并加以功率放大。液压缸是执行输出，并加以功率放大。液压缸是执行元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度(或伙移或伙移)。滑阀。滑阀阀体与液压缸体刚性连结在一起，构成反馈回路。因此，这是阀体与液压缸体刚性连结在一起，构成反馈回路。因此，这是个闭环控制系统。个闭环控制系统。如图是一个机液位置如图是一个机液位置伺服系统的原理图。
3、伺服系统的原理图。液压缸的运动（输出液压缸的运动（输出量）自动而准确地复量）自动而准确地复现了阀芯的运动（输现了阀芯的运动（输入量）变化规律。入量）变化规律。1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理1.1.1 液压伺服控制系统的工作原理液压伺服控制系统的工作原理电液伺服系统：有电液伺服阀存在控制系统。电液伺服系统：有电液伺服阀存在控制系统。阀控系统：系统主控流量和压力元件是阀。阀控系统：系统主控流量和压力元件是阀。泵控系统：系统主控流量和压力元件是泵。泵控系统：系统主控流量和压力元件是泵。恒压源：系统能源装置输出压力为恒值。恒压源：系统能源装置输出压力为恒值。恒流源：系
4、统能源装置输出流量为恒值。恒流源：系统能源装置输出流量为恒值。1.1.2液压伺服和比例控制系统的组成液压伺服和比例控制系统的组成 输入元件：也称指令元件，给出输入信号输入元件：也称指令元件，给出输入信号(指令信号指令信号)加于系加于系 统的输入端统的输入端 。如靠。如靠模、指令电位器或计算机等。模、指令电位器或计算机等。反馈测量元件：反馈测量元件：测量系统的输出并转换为反馈信号。测量系统的输出并转换为反馈信号。如各种传感器如各种传感器 。比较元件：比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。多为减法器。将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。多为减法器。放大转换元件：放大转换元件
5、：将偏差信号故大、转换成液压信号。如将偏差信号故大、转换成液压信号。如 机液伺服阀、电液伺服机液伺服阀、电液伺服阀等。阀等。执行元件执行元件 产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸和液压马达产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸和液压马达等。等。控制对象控制对象 被控制的机器设备或物体，即负载。被控制的机器设备或物体，即负载。此外，还可能有各种校正装只，以及不包含在控制回路内的液压能源装置。此外，还可能有各种校正装只，以及不包含在控制回路内的液压能源装置。1.2 液压伺服控制系统的分类液压伺服控制系统的分类 1、按输入信号介质分：有机液伺服系统、气 液伺服系统、电液伺服
6、系统等。2、按输出物理量分：有位置伺服系统、速度伺服系统、力(或压力)伺服系统等。3、按控制元件分：有阀控系统和泵控系统两类。1.3 介绍液压伺服控制系统的优缺点介绍液压伺服控制系统的优缺点 液压伺服系统与电气伺服系统相比有三个优点液压伺服系统与电气伺服系统相比有三个优点（1 1）体积小）体积小 重量轻重量轻 惯性小惯性小 可靠性好可靠性好 输出功输出功率大率大（2 2）快速性好）快速性好（3 3）刚度大）刚度大(即输出位移受外负载影响小即输出位移受外负载影响小)定位准定位准确。确。缺点是加工难度高缺点是加工难度高 抗污染能力差抗污染能力差 维护不易维护不易 成成本较高。本较高。习题和思考题习
7、题和思考题 1、阀控系统和泵控系统的基本工作原理是 什么?它们各有什么优缺点？2、什么是恒压系统？什么是恒流系统？各有什么特点？3、机液伺服系统和电液伺服系统的组成有什么不同？4、为什么液压伺服控制系统的响应速度 快、控制精度高？按滑阀零位时开口型式：负开口（正遮盖或正重叠）、零按滑阀零位时开口型式：负开口（正遮盖或正重叠）、零开口（零遮盖或零重叠）和正开口（负遮盖或负重叠）。开口（零遮盖或零重叠）和正开口（负遮盖或负重叠）。第第2章章 液压放大元件液压放大元件2.1圆柱滑阀的结构型式及分类圆柱滑阀的结构型式及分类 滑阀按工作边数滑阀按工作边数(起控制作用的阀口数起控制作用的阀口数)可分为：单
8、边滑阀、可分为：单边滑阀、双边滑阀和四边滑阀。双边滑阀和四边滑阀。另外按进、出阀的通道数：三通阀，四通阀，例如另外按进、出阀的通道数：三通阀，四通阀，例如b b为三通阀；为三通阀；按阀芯的凸肩数目划分：按阀芯的凸肩数目划分：a a，b b为两凸肩阀，为两凸肩阀，c c为三凸肩阀为三凸肩阀2.2滑阀静态持性的一般分析滑阀静态持性的一般分析一、滑阀压力一、滑阀压力一、滑阀压力一、滑阀压力流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式QQL L为负载流量；为负载流量；P PL L为负载压降；为负载压降；PsPs为供油压力；为供油压力；QQs s为供油流量为供油流量;
9、P Po o为回油压力；为回油压力；x xv v为阀芯位移；为阀芯位移；U U为开口量；为开口量；一、滑阀压力一、滑阀压力一、滑阀压力一、滑阀压力流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式以零开口为例以零开口为例U=0U=0假设条件：假设条件：1 1、液压能源是理想的。对恒压源、液压能源是理想的。对恒压源供油压力供油压力PsPs为常数为常数;对恒流源供对恒流源供油流量油流量QsQs为常数。回油压力为常数。回油压力PoPo为零，如果不为零，则把为零，如果不为零，则把PsPs看看成供回油压力差。成供回油压力差。2 2、忽略管道和阀腔内的压力损失。、忽略管道和阀
10、腔内的压力损失。3 3、液体是不可压缩的。、液体是不可压缩的。4 4、阀各节流口的流量系数相等，、阀各节流口的流量系数相等，即即Cd1=Cd2=Cd3=Cd4=Cd1=Cd2=Cd3=Cd4=CdCd则有：则有：一、滑阀压力一、滑阀压力一、滑阀压力一、滑阀压力流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式P PL L 称为负载压力；称为负载压力；QQL L称为负载流量。称为负载流量。在大多数情况下，阀的窗口都是匹配的和对称在大多数情况下，阀的窗口都是匹配的和对称的，则有的，则有:A:A1 1=A=A3 3；A A2 2=A=A4 4；而且；而且QQ1 1=Q=
11、Q3 3；QQ2 2=Q=Q4 4；一、滑阀压力一、滑阀压力流量方程的一般表达式流量方程的一般表达式二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线1 1、流量特性曲线：是指负载压降等于常数时，负载流量与、流量特性曲线：是指负载压降等于常数时，负载流量与阀的开度之间的关系，阀的开度之间的关系，当负载压降当负载压降PL=0PL=0时的流量特性称时的流量特性称为空载流量特性为空载流量特性 。二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线2.2.压力特性曲线：是指负载流量等于常数时，负载压降与阀压力特性曲线：是指负载流
12、量等于常数时，负载压降与阀的开度之间的关系，重要的是负载流量的开度之间的关系，重要的是负载流量QL=0QL=0时的压力特时的压力特性，性，通常所讲的压力特性即指此而言。通常所讲的压力特性即指此而言。二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线二、滑阀的静态特性曲线3.3.压力一流量特性曲线：是指阀的开度一定时，负载流量与压力一流量特性曲线：是指阀的开度一定时，负载流量与负载压力间的关系，负载压力间的关系，压力一流量特性曲线族。压力一流量特性曲线族。三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数 阀的压力一流
13、量特性是非线性的。采用线性化理论对系统阀的压力一流量特性是非线性的。采用线性化理论对系统i i行动态分析行动态分析时，必须把这个方程线性化。在某点（时，必须把这个方程线性化。在某点（P PL0L0,X,XV0V0)附近展成台劳级数，通附近展成台劳级数，通常为零点。常为零点。三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数阀系数：阀系数：1 1、流量增益、流量增益K Kq q：它是流量曲线在某一：它是流量曲线在某一点的切线斜率。流量增益表示负载点的切线斜率。流量增益表示负载压降一定时，阀单位输入位移所引压降一定时，阀单位输入位移所引
14、起的负载流量变化大小。起的负载流量变化大小。2 2、流量一压力系数、流量一压力系数K Kc c：它是压力一流：它是压力一流量曲线的切线斜率冠以负号。流量量曲线的切线斜率冠以负号。流量一压力系数表示阀开度一定时，负一压力系数表示阀开度一定时，负载压降变化所引起的负载流量变化载压降变化所引起的负载流量变化大小。大小。3 3、压力增益、压力增益(压力灵敏度压力灵敏度)K Kp p：它是压：它是压力特性曲线的切线斜率。力特性曲线的切线斜率。三、阀的线性化分析和阀的系数三、阀的线性化分析和阀的系数应当指出以下几点应当指出以下几点:(1)(1)阀的三个系数是表征阀静态特性的三个性能参数，这些系阀的三个系数
15、是表征阀静态特性的三个性能参数，这些系数在确定系统的稳定性、响应特性时是非常重要的。流量数在确定系统的稳定性、响应特性时是非常重要的。流量增益直接影响系统的开环放大系数，因而对系统的稳定增益直接影响系统的开环放大系数，因而对系统的稳定 性、响应特性和稳态误差有直接的影响。流量性、响应特性和稳态误差有直接的影响。流量-压力系数压力系数直接影响阀一液压马达组合的阻尼系数和速度刚性。压力直接影响阀一液压马达组合的阻尼系数和速度刚性。压力增益标志着阀增益标志着阀-液压马达组合起动大惯量或大摩擦负载的液压马达组合起动大惯量或大摩擦负载的能力，这个参数可达到很高数值，这正是伺服系统所希望能力，这个参数可达
16、到很高数值，这正是伺服系统所希望的特性。的特性。(2)(2)阀的系数的数位随工作点的变化而变化。最重要的工作阀的系数的数位随工作点的变化而变化。最重要的工作点是压力一流量曲线的原点，因为系统点是压力一流量曲线的原点，因为系统(位置控制系统位置控制系统)经经常在原点附近工作，而此处阀的流量增益最大，因而系统常在原点附近工作，而此处阀的流量增益最大，因而系统的增益最高，但流量一压力系数最小，所以阻尼最低。因的增益最高，但流量一压力系数最小，所以阻尼最低。因此，从稳定性的观点看，这一点是最关键的。此，从稳定性的观点看，这一点是最关键的。(3)(3)线性化方程式的精确度和适用范围与变量的变化范围和线性
17、化方程式的精确度和适用范围与变量的变化范围和阀特性的线性度有关。阀特性的线性度高，变量的变化范阀特性的线性度有关。阀特性的线性度高，变量的变化范围小，线性化的精确性就高，阀特性的线性度高，所允许围小，线性化的精确性就高，阀特性的线性度高，所允许的变量变化范围就大。的变量变化范围就大。2-32-3零开口四边滑阀的静态特性零开口四边滑阀的静态特性零开口四边滑阀的静态特性零开口四边滑阀的静态特性一、理想零开口因边滑阀的静态特性 理想滑阀是指径向间隙为零、工作边锐利的滑阀。理想滑阀的静态特性可以不考虑径向间隙和工作边圆角的影响。1、理想零开口四边滑阀的压力一流量方程 理想零开口四边滑阀当阀芯离开中间位
18、置时，只有两个节流口通流，其余两个节流口完全关闭。设定阀芯左移为正，Q1=Q3=0；Q1=Q3：当阀芯右移时：零开口四边滑阀的无量纲压力一流量曲线零开口四边滑阀的无量纲压力一流量曲线零开口四边滑阀的无量纲压力一流量曲线零开口四边滑阀的无量纲压力一流量曲线 如图所示。因为阀如图所示。因为阀窗孔是匹配和对称的，窗孔是匹配和对称的，所以压力一流量曲线所以压力一流量曲线对称于原点。图中的对称于原点。图中的，象限是马达工象限是马达工况区，况区，、象限、象限是泵工况区，只有在是泵工况区，只有在瞬态过程中才可能出瞬态过程中才可能出现。例如现。例如x xV V突然减小，突然减小，液压缸对负载进行制液压缸对负载
19、进行制动时，负载压力突然动时，负载压力突然改变符号，但是由于改变符号，但是由于液流和负载惯性的影液流和负载惯性的影响，在一定时间内，响，在一定时间内，负载和液流仍将保持负载和液流仍将保持原来的运动方向。原来的运动方向。2 2、理想零开口四边滑阀的阀系数、理想零开口四边滑阀的阀系数、理想零开口四边滑阀的阀系数、理想零开口四边滑阀的阀系数流量增益为流量-压力系数增益为压力增益为零位阀系数（PL=0，xV=0）理想零开口四边滑阀的零位流量增益决定于供油压力P.和面积梯度，在Ps为常数时，唯一的由面积梯度所决定，因此是阀的最重要的参数。Ps和面积梯度是很容易测量和控制的量，从而零位流量增益也就比较容易
20、准确计算和控制。试验也证明由式计算的 值与实际零开口阀的试验值是相符的，故可以放心地使用。但Kp和 Kc值和实际零开口阀的试验故相差很大，故需寻求其他计算方法二、实际零开口四边滑阀的零区特性二、实际零开口四边滑阀的零区特性二、实际零开口四边滑阀的零区特性二、实际零开口四边滑阀的零区特性 实际的与理想的零开口滑阀之间的差别就在于零位泄漏特性。理想的阀具有精确的几何形状，因而零位泄漏量为零，造成阀系数计算不准确的结果。实际阀具有径向间隙，往往还有小于0.025 mm的正的或负的微小重叠量，这种阀的零位存在着泄漏量。这种泄漏特性决定了阀在零区的压力一流量特性。在零区以外，由于径向间隙等影响可以忽略，
21、实际阀的特性和理想阀的特性是一致的。实际阀的零区特性可以通过试验确定。将其负载通道关闭(QL=0)，在负载通道和供油口分别俊上压力表，在回油口接流量计或量杯。在供油压力Ps一定时，改变阀的开度XV，测出相应的负载压力PL.如果使阀处于几何零位不动，改变供油压力Ps，可以测量相应的零位泄漏流量。二、实际零开口四边滑阀的零区特性二、实际零开口四边滑阀的零区特性二、实际零开口四边滑阀的零区特性二、实际零开口四边滑阀的零区特性 实际零开口四边滑阀阀系数的近似计算J方法。对于间隙为b，周长为的环形锐边节流孔来说，在层流状态其流量可用下式计算：（在零位时各个节流口流量为总流量一半，压降也为总压力一半。）式
22、说明，实际阀的KC0值与阀的面积沸度和径向间隙有关，并且随着其增加而增加。通常可取b=0.005mm作为典型值来估算。零位压力增益主要取决于阀的径向间隙道，而与阀的面积梯度无关。为了对零位压力增益有一个数量概念，我们作一个典型计算。取=1.4*10-6Pa.S,=870Kg/m3，Cd=0.62,b=0.005mm则：当Ps=70MPa时，Kpo=3.375*1011Pa/m，实践证明，此数值很容易达到，但值得注意的是无论如何此阀系数不易取得准确数据，且其变化较大是个“软量”。2-4、正开口四边滑阀的静态特性如图当阀在几何零位 时，四个节流窗口有相等的正开口U，并规定阀是在正开口范围内工作的，
23、假定阀口是匹配且对称的，则有：正开口四边滑阀的零位系数为2-4、正开口四边滑阀的静态特性关于零位阀系数的说明：1、正开口四边阀的流量增益是理想零开口四边滑阀的两倍，这是因为负载流量同时 受两个节流窗口的控制。2、正开口阀可以提高零位流量增益并改善压力一流量曲线的线性度。3、流量-压力系数取决于面积梯度。4、压力增益 与面积无关。5、这种阀由于零位泄漏流量比较大，所以不适合大功串控制的场合。3,4说明前面的分析的正确性。在零位附近，实际零开口阀很类似于正开口阀。2-52-5滑阀受力分析滑阀受力分析滑阀受力分析滑阀受力分析一、轴向液动力：稳态液动力（好力利于稳定，但加重驱动力）；瞬态液动力（时好时
24、坏）。二、阀芯与阀套间的摩擦力力三、滑阅的驱动力2-62-6、滑阀的功率输出及效率、滑阀的功率输出及效率、滑阀的功率输出及效率、滑阀的功率输出及效率阀输出或负载功率为：阀输出或负载功率为：NNo o=P=PL L*Q*QL L阀的输入功率为：阀的输入功率为：NNi i=P=Ps s*Q*Qs s阀的效率为：阀的效率为：=P=PL L*Q*QL L/P/Ps s*Q*Qs s1 1、仅考虑阀：阀在最大开度和负载压力为、仅考虑阀：阀在最大开度和负载压力为2/3 Ps2/3 Ps时，能够输出的最大功时，能够输出的最大功率，效率为率，效率为66.7%66.7%2 2、若考虑阀的空载流量为定量泵额定流量
25、，则阀在最大开度和负载压力、若考虑阀的空载流量为定量泵额定流量，则阀在最大开度和负载压力为为2/3 Ps2/3 Ps时，能够输出的最大功率，效率为时，能够输出的最大功率，效率为38%38%。3 3、若采用恒压变量泵作为能源，泵的输出流量正好满足所要求的负载流、若采用恒压变量泵作为能源，泵的输出流量正好满足所要求的负载流量量 ，系统的供油效率，系统的供油效率100%100%，则系统的效率就近似等子阀的效率。，则系统的效率就近似等子阀的效率。4 4、伺服系统中效率不是主要考虑的因素，更重要的是首先满足系统的控、伺服系统中效率不是主要考虑的因素，更重要的是首先满足系统的控制性能，如稳定性、响应速度、
26、精度等。制性能，如稳定性、响应速度、精度等。5 5、在以后的设计中，我们还是经常取，、在以后的设计中，我们还是经常取，2/3Ps2/3Ps设计为负载压力，因为此设计为负载压力，因为此时系统效率最阀的输出功率最大。时系统效率最阀的输出功率最大。2-7喷嘴挡板阀的分析与设计 喷嘴挡板阀有以下优点，(1)结构简单，公差要求比较宽，故制造容易、价格低。(2)其压力一流量特性曲线的线性度比较好，特性容易预测，对油液污染不太敏感，工作十分可靠。(3)运动部分(挡板):5惯如位移量小，故动态响应速度高，灵敏度高。(4)但存在泄漏损失，流量增益小。大多数两级电液伺服阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。2-7喷嘴挡板阀
27、的分析 与滑阀相比，喷嘴挡板阀有以下优点：(1)结构简单，公差要求比较宽，故制造容易、价格低。(2)其压力一流量特性曲线的线性度比较好，特性容易预测，对油液污染不太敏感，工作十分可靠。(3)运动部分(挡板惯性小，位移量小，故动态响应速度高，灵敏度高。但存在泄漏损失，流量增益小，因此这种阀在低功率系统中很受欢迎，大多数两级电液伺服阀的第一级都采用喷嘴挡板阀。双喷嘴挡板阀的原理图所示。它由固定节流孔、喷嘴及挡板组成。喷嘴与挡板间的环形面积构成了可变节流口，用来控制固定节流孔与可变节流孔之间的压力P1和P2，该压力差P1-P2与负载腔相连，用来控制如液压缸。当上边挡板与喷嘴端面之间的间隙减小时，由于
28、可变液阻增大，使流量减小，在固定节流孔处的压力P1增大；下边挡板与喷嘴端面之间的间隙增大时，由于可变液阻减小，使流量增大，在固定节流孔处的压力P2减小。因此控制压力差增大，推动负载运动。2-82-8射流管阀射流管阀滑喷嘴挡板阀特点：滑喷嘴挡板阀特点：抗污染能力强，结构抗污染能力强，结构简单，要求加工精度低；简单，要求加工精度低；缺点是惯性大，相应速度缺点是惯性大，相应速度慢，功耗大；用于小功慢，功耗大；用于小功率和低压场合。率和低压场合。习题和思考题习题和思考题习题和思考题习题和思考题1、什么是理想滑阀?什么是实际滑阀。2、阀的静态特性是什么？说明阀的三个系数的定义和它们对系统性能的影响。3、
29、比较零开口阀、正开口阀 的三个阀系数有什么异同?为什么?4、已知一正开量U=0.05mm的四通阀，在供油压力Ps=7MPa下测得泄漏量为5L/min求阀的三个零位阀系数。第三章液压动力元件第三章液压动力元件 液压动力元件或称液压动力机构是由液压放大元件和液压执行元件(包括负载)组成的。液压放大元件可以是何服阀或伺服变量泵;液压执行机构是掖压马达或液压油缸。可组成：阀控液压马达、阀控液压缸、泵控液压马达和泵控液压缸。前两种动力元件可以构成阀控系统，后两种动力元件可构成泵控制系统。在液压伺服系统中，液压动力元件是一个关键性的部件，它直接影响到系统的动、静态品质。本章将建立儿种基本的液压动力元件的传
30、递函数，分析它们的动态特性和主要的性能参数，讨论动力元件与负载的匹配，这些是分析和设计液压伺服系统的基础。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件 假设：阀与马达的连接管道对称且短而粗，可以忽略管道内的摩擦报失和管路动态；在管道和马达腔内不会出现饱和或空穴现象，在每个管道和马达腔内各点压力相等，温度和密度均为常数;液压马达内、外泄漏均为层流流动。根据流量的连续性，可写出每个马达腔的连续性方程为：一、基本方程与方块图3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动
31、力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件 假定阀为零开口四边滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，由于阀腔的容积很小，所以不考虑液体在阀腔里的压缩性；阀具有理想的响应能力，即阀芯位移和负载压力变化立即引起流量的相应变化，这个假定在几百Hz的范围内是适用的。则：零开口四边滑阀的线性化流量方程为：3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件 上式是所有液压执行元件流量连续方程的基本形式。右边第一顶是推动液压马达运动所需的流量，第二项是泄漏流量，第三项是压缩流量。由于液压马达所包含的总压缩性容积比较大，同时负载压力
32、PL的变化率也比较大，所以通常都要考虑压缩性流量的影响，动态连续性方程与静态连续性方程的差别也就在于此。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件液压马达与负载的转矩平衡方程可写为：做拉氏变换后：3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件系统方块图：3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件二、传递函数与传递函数的简化 分子中的
33、第一项可以看成是无负载时的速度，而第二项则是因负载转矩作用而造成的速度降低。分母中第一项表示惯性转矩变化引起的压缩性流量所产生的马达速度变化，第二项表示惯性转矩引起的泄漏流量所产生的马达速度变化，第三项表示粘性转矩变化引起的压缩流量所产生的马达速度变化，第四项发示马达运动速度的变化，第五项表示表示粘性转矩变化引起的泄漏流量所产生的马达速度变化，第六项表示弹性转矩变化引起的压缩性流量所产生的马达速度变化，第七项表示弹性转矩引起的泄漏流量所产生的马达速度变化。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件传递函数
34、的简化 在动态方程式中，考虑了惯性负载、粘性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素，是一个十分通用的形式。实际系统的负载往往比较简单，而且根据具体使用悄况有些影响因素可以忽略，这样传递函数就可以大为简化。没有弹性负载G=0的情况：伺服系统的负载在很多情况下是以惯性负载为主，而没有弹性负载或弹性负载很小可以忽略。在液压马达作执行元件的伺服系统中，弹性负载更是少见。所以没有弹性负载的情况是比较典型的，也是比较普遍的情况。另外，粘性摩擦系数Bm一般很小，可以忽略不计。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件
35、第三章液压动力元件传递函数的简化3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件传递函数的简化 在动态方程式中，考虑了惯性负载、粘性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素，是一个十分通用的形式。实际系统的负载往往比较简单，而且根据具体使用悄况有些影响因素可以忽略，这样传递函数就可以大为简化。有弹性负载G0的情况：在阀控液压马达中弹性负载虽然十分少见，但在阀控液压缸中弹性负载还是比较常见的，例如在两级液压放大器中，当功率级滑阀带对中弹簧时，就属于这种情况。另外，粘性摩擦系数Bm一般很小，可以忽
36、略不计。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件传递函数的简化3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件简化条件3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件三、动态特性分析（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析速度放大系数Kq/Dm：对慢输入信号来说，液压马达的输出速度与阀的输入位移成比例，比例即
37、为速度放大系数。它表示系统速度控制的灵敏度。此系数直接影响闭环系统的稳定性、响应速度和静态精度。提高此系数可以提高系统的响应速度和静态精度，但使稳定性变坏。因为液压马达排量Dm主要由系统的负载特性决定，所以速度放大系数主要由阀的流量增益Kq决定。随工作点变化，在零位时Kq最大，随负载增大减小。在计算稳定性时，应该采用空载流量增益。而在计算静态特性时应取最小流量增益。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件三、动态特性分析（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析液压固有频率n
38、 液压固有频率是负载惯性与液压马达腔中油液压缩性相互作用的结果。由于液体具有压缩性，当液压马达受外转矩作用时，马达轴可转动一个微小的角度m，使一个腔的压力升高，另一个腔压力降低。液压固有频率常常是系统中最低的频率，其大小也就决定了系统响应的快速性。影响液压固有频率的因素有:负载惯量和管道中油液的惯量JL，但JL是由负载决定的，故减小JL，是有限度的。可以在负载与液压马达之间采用适当的齿轮减速装置来减小负载惯量的影响。可得管道中液体质量折算到液压马达处的等效惯量。管道中油液的惯量在管道比较细长时，这个等效惯量是相当可观的。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力
39、元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件三、动态特性分析（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析影响液压固有频率的因素有:总压缩容积Vt，为了提高n，应尽量减小Vt，包括液压马达的工作容积、无效容积和连接管道容积。工作容积由液压马达排量决定，而马达排量主要是由负载决定的，所以减小Vt，主要是减小液压马达的无效容积和连接管道的容积。使阀靠近液压马达，采用短而直的管道，也可以将阀和液压马达装在一起，使价减到最低程度。液压马达排量Dm。增大Dm可以提高n。但与Dm并不成比例关系，因为随着Dm增大，液压马达惯量和总压缩容积也有所增大。另外，增大Dm还有以
40、下缺点，为了满足同样的负载速度，需要的负载流量增大了，因而需要选用较大的阀、液压能源装置和连接管道，使动力机构本身的尺寸重量也随之增大。有效体积弹性模数e。是最难确定的。受油液的压缩性、管道及液压马达工作腔的柔性和油液中所含空气的影响，其中以混入油中的空气的影响最为严重。采用高压系统是影响小。避免使用软管。无空气的油液，其体积弹性模数大约为1400-2000MPa，混入空气是不可避免的。另外，还要考虑马达腔和连接管道的结构柔性的影响，在实际计算时，取为700MPa。液压固有频率和速度放大系数是比较容易确定的量，其变化范围也不大。3-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章
41、液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件三、动态特性分析（一）没有弹性负载时的动态特性分析1.对给定输入信号的动态响应特性分析液压阻尼比n:此值几乎是系统所有参数的函数。但其中除Kce和Bm外，其它参数是由别的因系确定的，通常负载阻尼系数Bm的影响很小。而液压马达的泄漏系数通常都比阀系数Kc小得多，所以n主要取决于Kc。此值随工作点不同会有很大的变化在零位时最小，阻尼比最小。在计算系统的稳定性时，应取零位时的Kc值，因为此时系统稳定性最差。计算得到的零位阻尼比是很小的，而实际测得的零位阻尼比总是比计算值大，至少为0.10.2，经常还要更高一些，这是由于库仑摩擦的影响所
42、至。综上所述，液压阻尼比随工况变化会发生很大变化，在零位附近最小，在马达速度和负载较大时可大于1，其变化范围达20-30倍，是难以准确确定量。提高液庄阻尼比的方法有：设置旁路泄漏通道以增加泄漏系数，其缺点是增大了功率损失，降低了系统的刚度，系统性能受温度变化的影响也比较大。采用正开口阀增大Kc。但也要使系统的刚度降低，而且零位泄漏量引起的功率损失比第一种办法还要大，另外正开口阀还要带来非线性增益、稳态液动力变化等间题。用旁路泄漏比采用正开口阀要好些。除了上述办法外，还可以采用压力反馈、动压反馈和加速度反馈等办法来提高系统的阻尼。液压固有频率和速度放大系数是比较容易确定的量，其变化范围也不大。3
43、-13-1阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达阀控液压马达第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件三、动态特性分析(二)有弹性负载时的动态特性分析液压固有频率和速度放大系数是比较容易确定的量，其变化范围也不大。在有弹性负载时，系统参数的变化对系统动态特性的影响较为复杂，这里仅给出结论：总流量一压力系数Kce对开环增益和惯性环节的转折频率都有影响，但对穿越频率没有影响。Kce值增加时，使开环增益降低，使转折频率增高，总之，在有弹性负载时，Kce变化不但要影响到频率特性的高频段，而且还要影响到低频段，但对中频段没有影响。所以Kce变化只影响系统的稳态误差，而对动态特
44、性影响不大。3-23-2四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件基本方程基本方程基本方程基本方程做类似处理，的拉氏变化：做类似处理，的拉氏变化：做类似处理，的拉氏变化：做类似处理，的拉氏变化：3-23-2四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件传递函数（传递函数（传递函数（传递函数（K=0K=0）3-23-2四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀
45、控制对称液压缸第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件传递函数（传递函数（传递函数（传递函数（K K 0 0）四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：1 1、前者、前者、前者、前者A A为定值，而后者为定值，而后者为定值，而后者为定值，而后者DmDm有一定的变化。有一定的变化。有一定的变化。有一定的变化。2 2、前者泄漏系数、前者泄漏系数、前者泄漏系
46、数、前者泄漏系数KceKce为定值，后者有变化。为定值，后者有变化。为定值，后者有变化。为定值，后者有变化。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。3-23-2四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸四通阀控制对称液压缸第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件传递函数（传递函数（传递函数（传递函数（K K 0 0）四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的
47、变化，不同的为：四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：四通阀控制对称液压缸与阀控马达相比几乎没有形式的变化，不同的为：1 1、前者、前者、前者、前者A A为定值，而后者为定值，而后者为定值，而后者为定值，而后者DmDm有一定的变化。有一定的变化。有一定的变化。有一定的变化。2 2、前者泄漏系数、前者泄漏系数、前者泄漏系数、前者泄漏系数KceKce为定值，后者有变化。为定值，后者有变化。为定值，后者有变化。为定值，后者有变化。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。另外还有三通阀控液压缸和泵
48、控马达系统，见参考。方法类似。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。另外还有三通阀控液压缸和泵控马达系统，见参考。方法类似。3-3 3-3 结构柔度的影响结构柔度的影响结构柔度的影响结构柔度的影响第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件第三章液压动力元件 理想状态是液压执行元件与负载之间的机械连接完全是刚性的。实际上机械连接总理想状态是液压执行元件与负载之间的机械连接完全是刚性的。实际上机械连接总理想状态是液压执行元件与负载之间的机械连接完全是刚性的。实际上机械连接总理想状态是液压执行元件与负载之间的机械连接完全是刚性的。实际上机械连接总有一定的弹性变形。在一般
49、情况下，传动机构的刚度设计得比较充裕，弹性变形的影有一定的弹性变形。在一般情况下，传动机构的刚度设计得比较充裕，弹性变形的影有一定的弹性变形。在一般情况下，传动机构的刚度设计得比较充裕，弹性变形的影有一定的弹性变形。在一般情况下，传动机构的刚度设计得比较充裕，弹性变形的影响可以忽略不计。这样就可以把负载看成是集中参数表示的单弹簧一单质量系统。但响可以忽略不计。这样就可以把负载看成是集中参数表示的单弹簧一单质量系统。但响可以忽略不计。这样就可以把负载看成是集中参数表示的单弹簧一单质量系统。但响可以忽略不计。这样就可以把负载看成是集中参数表示的单弹簧一单质量系统。但是在某些特殊情况下必须考虑传动机
50、构结构柔度的影响，这时，负载为二自由度系统是在某些特殊情况下必须考虑传动机构结构柔度的影响，这时，负载为二自由度系统是在某些特殊情况下必须考虑传动机构结构柔度的影响，这时，负载为二自由度系统是在某些特殊情况下必须考虑传动机构结构柔度的影响，这时，负载为二自由度系统;在更复杂的情况下，负载为几个集中质量以柔性结构相连的多自由度系统。当伺服在更复杂的情况下，负载为几个集中质量以柔性结构相连的多自由度系统。当伺服在更复杂的情况下，负载为几个集中质量以柔性结构相连的多自由度系统。当伺服在更复杂的情况下，负载为几个集中质量以柔性结构相连的多自由度系统。当伺服系统对快速性要求较高时，负载系统的结构谐振频率