第 6 章 电液速度控制系统

1、第 6 章 电液速度控制系统主要介绍速度控制系统的构成及控制方式， 电液速度控制的特性分析及校正，要求熟练掌握速度控制的特性分析及其校正方法等速度控制回路6.1电液速度控制系统的构成及控制方式 液压速度控制系统通常有液压缸输出速度控制系统和液压马达转速控制系统两种 液压马达转速控制系统分为： 阀控液压马达速度控制系统、 泵控液压马达开环速度控制系统、 泵控液压马达闭环速度控制系统、 位置开环泵控液压马达闭环速度控制系统1、阀控液压马达速度控制系统控制信号偏差电压积分放大器伺服阀液压马达负载VVA3/ms/rad s流量角速度速度传感器控制电流阀控液压马达速度控制系统2、泵控液压马达开环速度控制

2、系统3、泵控液压马达闭环速度控制系统4、位置开环泵控液压马达闭环速度控制系统6.2电液速度控制系统的分析 6.2.1 速度控制系统的方块图及传递函数 在这里以阀控液压马达为例展开讨论，假定系统只有惯性负载，而弹性负载、粘性负载均为零 马达轴的转角速度对阀位移的传递函数为： 忽略伺服阀、伺服放大器等电器元件的动态时，阀控液压马达速度控制系统方块图。22/21qmmhvhhKDsXseaK221/2(1)mhhhDssmmsvKfKVVV伺服放大器伺服阀马达和负载速度传感器速度控制信号 开环传递函数为 速度系统开环增益 闭环传递函数为022( )21hhhKG sss01easvfmKK K KD

3、202220( )2hhhhhKsssK 6.2.2 速度控制系统的分析 由开环传递函数可知，该系统为零型有差系统，输出速度偏差随速度的增大而增大，这说明不能由位置系统简单地用速度反馈来实现速度控制，这不但存在速度偏差的问题，还可能使系统变为不稳定或稳定裕量较小。Frequency (rad/sec)-50050From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 917 Magnitude (dB): -0

4、.0146 101102103104-180-135-90-450Phase (deg) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 915 Phase (deg): -177 00.050.10.150.20.250.300.20.40.60.811.21.41.61.82Step Responset/ (sec)角速度/V6.2.3. 速度控制系统的校正 1、无源网络校正 最简单的校正方法是在伺服阀前面加入一个RC滞后无源网络，其工作原理图如图传递函数为0111iEsE111RCT 则经过R

5、C无源网络校正后的速度控制系统的开环传递函数为 若速度控制系统所需的剪切频率 已知，则 有：0221( )2(1)(1)hhhKG ssssc01lglglgcKT0cKT 设液压速度控制系统，其特征参数 ， ， 。所需的剪切频率为 ，试确定RC无源网络的时间常数 或转折频率 ，并求该速度控制系统的开环频率特性及阶跃响应曲线。 解：根据所需的剪切频率 及速度开环增益 ， 可得： 速度控制系统通过RC无源网络校正后的开环频率传递函数为200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)2002

6、00G ssss 设液压速度控制系统，其特征参数 ， ， 。所需的剪切频率为 ，试确定RC无源网络的时间常数 或转折频率 ，并求该速度控制系统的开环频率特性及阶跃响应曲线。 解：根据所需的剪切频率 及速度开环增益 ， 可得： 速度控制系统通过RC无源网络校正后的开环频率传递函数为200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 设液压速度控制系统，其特征参数 ， ， 。所需的剪切频率为 ，试确定RC无源网络的时间常数 或转折频率 ，并求该速度控制系统的开环频率特性

7、及阶跃响应曲线。 解：根据所需的剪切频率 及速度开环增益 ， 可得： 速度控制系统通过RC无源网络校正后的开环频率传递函数为200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 设液压速度控制系统，其特征参数 ， ， 。所需的剪切频率为 ，试确定RC无源网络的时间常数 或转折频率 ，并求该速度控制系统的开环频率特性及阶跃响应曲线。 解：根据所需的剪切频率 及速度开环增益 ， 可得： 速度控制系统通过RC无源网络校正后的开环频率传递函数为200rad/sh0.1h020

8、 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 设液压速度控制系统，其特征参数 ， ， 。所需的剪切频率为 ，试确定RC无源网络的时间常数 或转折频率 ，并求该速度控制系统的开环频率特性及阶跃响应曲线。 解：根据所需的剪切频率 及速度开环增益 ， 可得： 速度控制系统通过RC无源网络校正后的开环频率传递函数为200rad/sh0.1h020 1/secK 20/crad s20/crad s020 1/secK 1020120cK2220( )0.2(1)(1)200200G ssss 该速度

9、控制系统的SIMULINK仿真模型Frequency (rad/sec)-150-100-50050From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 20 Magnitude (dB): 0.0647 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 202 Magnitude (dB): -6.5 10-2

10、10-1100101102103104-270-180-900Phase (deg) System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 200 Phase (deg): -180 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 20 Phase (deg): -88.3 Step Responset/ (sec)角速度/V00.050.10.150.20.250.300.10.20.30.40.50.6

11、0.70.80.91From: Input Point To: Output Point2、有源网络校正 有源校正网络，它由高增益、高输入阻抗、宽频带的直流放大器与外加输入阻抗和反馈阻抗构成。 其输入输出之间的传递函数为 积分常数：1oiEETsTRC 通过积分放大器校正后的速度控制系统的开环传递函数为 根据传递函数的频率特性，可知 ，即积分放大器的时间常数为22( )2(1)hhhKG ssss0KKT0cKKT0cKT 设液压速度控制系统，其特征参数 ， ， 。所需的剪切频率为 ，试确定试确定积分放大器时间常数 ，并给出速度控制系统通过有源网络积分放大器校正后的开环频率特性及阶跃响应曲线。

12、 解：根据希望的剪切频率 可求得积分常数200rad/sh0.1h020 1/sK 20/crad s20/crad s020120cKT020201KKT 通过积分校正后的开环传递函数为2220( )0.2(1)200200G ssss-150-100-50050Magnitude (dB)101102103104-270-225-180-135-90Phase (deg)Gm = 6.02 dB (at 200 rad/sec) , Pm = 88.8 deg (at 20.2 rad/sec)Frequency (rad/sec)Step Responset/ (sec)角速度/V00.

13、050.10.150.20.250.300.20.40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point6.3电液速度控制系统的分析与设计举例 例6.3 设电液速度控制系统，试分析该系统的稳定性，并通过加入积分校正使系统具有剪切频率 20.21.41350350ssmm2伺服放大器伺服阀马达和负载速度传感器速度控制信号22400011576576ss0.05R齿轮传动1.25100/crad s 解：SIMULINK仿真模型如下图所示Frequency (rad/sec)-150-100-50050From: Input Point To: Outpu

14、t PointMagnitude (dB) System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 469 Magnitude (dB): 34.9 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 1.44e+003 Magnitude (dB): 0.133 101102103104105-360-270-180-900Phase (deg) System: untitled_1 I/O: Input Po

15、int to Output Point Frequency (rad/sec): 469 Phase (deg): -180 System: untitled_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 1.44e+003 Phase (deg): -314 Step Responset/ (sec)角速度/V00.511.522.533.5x 10-3012345678From: Input Point To: Output Point 为使系统具有一定的稳定裕度，采用积分放大器代替原来的比例放大器，根据系统快速性的要求，取

16、剪切频率 则可求得积分常数100/crad s01001100cKTFrequency (rad/sec)-300-200-1000100From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 243 Magnitude (dB): -7.91 System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 101 Magnitud

17、e (dB): 0.0177 101102103104105-540-360-1800Phase (deg) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 243 Phase (deg): -180 System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 101 Phase (deg): -124 Step Responset/ (sec)角速度/V00.010.020.030.040.050.0600.20.

18、40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point System: y616_1 I/O: Input Point to Output Point Time (sec): 0.0175 Amplitude: 1 例6.4 具有弹性负载的液压速度控制系统，如果忽略伺服放大器、伺服阀、位置传感器的动态，可用下图所示的方块图描述。试分析该系统当 、 、 、 时的动态特性，并加入适当的校正装置，使系统能稳定正常地工作并要求其稳态误差为零。0401/sK 10rad/sr0100rad/s00.1 解：其开环传递函数为 可画出当 时的SIMULINK仿真模型

19、2240( )0.2(1)(1)10100100sG ssssFrequency (rad/sec)-50050100From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 100 Magnitude (dB): 65.7 10-1100101102103-180-90090Phase (deg) System: LinearSys I/O: Input Point to Output Point Freque

20、ncy (rad/sec): 100 Phase (deg): -84.1 Step Responset/ (sec)速度/V05010015020025000.20.40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point 系统阶跃响应随时间的加大很快衰减为零，系统不能正常工作。为使系统能稳定正常地工作，可以在伺服阀前加入两个积分放大器进行校正，加入积分校正后的速度控制系统的仿真模型Frequency (rad/sec)-200-150-100-50050100From: Input Point To: Output PointMagnitude (d

21、B) System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 19.2 Magnitude (dB): -0.05 System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 58.5 Magnitude (dB): -15.2 10-1100101102103-360-270-180-90Phase (deg) System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad

22、/sec): 58.3 Phase (deg): -180 System: y618_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 19.1 Phase (deg): -155 Step Responset/ (sec)速度/V00.511.522.500.511.5From: Input Point To: Output Point 例6.5 设有阀控液压马达速度控制系统，其工作原理图如图所示。该系统的结构参数为；负载转动惯量 ，最大负载扭矩 ，马达转速范围为 ，供油压力为 ，速度传感器系数 ，试设计该速度控制系统，使系统跟踪

23、误差小于 ，系统过渡过程时间 。 20.5Kg mJ 60N mLT 188.41256/minnrad560 10 Pasp 0.2V s/radTK 1%0.9secst 解：取最大负载压力为 马达排量为 选取已有的马达，其排量为 伺服阀流量为 阀压降5240 10 Pa3Lspp5353526.28 609.42 10 m /r1.5 10 m /rad40 10LmLTDp531.63 10 m /radmD533max1256 1.63 1020.4 10 m /minmQnD5120 10 Pa3svsLspppp 选择QDY1_C63型伺服阀，该阀额定电流为0.03A，当供油压力

24、 时，其空载流量为 ，阀的固有频率为340rad/s ，阻尼比为 0.7。伺服阀增益为 伺服阀的传递函数为5137 10 Pasp 331.05 10 m /s3301.05 100.035m /(s A)0.03svRQKI22220.03521.411340340svsvsvsvKQssIss 设有效容积为 则阀控液压马达动力机构固有频率为 则阀控液压马达动力机构传递函数为 积分放大器的传递函数为6350 10 mtV86.9 10e28210744 6.9 101.6310171.2rad/s5 100.5emhtDV J5222210.6135 1020.411171.2171.2mm

25、hhhDssQssaKIus 于是可得该速度控制系统方块图Frequency (rad/sec)-200-150-100-50050From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 146 Magnitude (dB): -6.67 System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 30.9 Magnitude (dB):

26、0.0324 100101102103104-450-360-270-180-90Phase (deg) System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 147 Phase (deg): -180 System: y624_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 30.8 Phase (deg): -102 Step Responset/ (sec)角速度/V00.020.040.060.080.10.120.140.1600.20.

27、40.60.811.21.4From: Input Point To: Output Point 例6.6 设有泵控液压马达速度控制系统，系统给定参数为负载转动惯量 ，转速范围 ，最大负载扭矩 ，供油压力 。系统精度要求转速偏差1%，上升时间 。235Kg.mJ 12.56753.6/ minnrad450N mLT 9.8MPasp 1.0secrt 解： 1、马达的确定 取最大负载压力 则马达排量为选择BM3-63摆线马达，其参数如下： 2、液压泵的确定 选取ZBY-75液控变量泵，其主要参数为0.6666670.6666667 9.86.533MPaLspp4364500.68888 1

28、0/6.533 10LmLTDmradp6399 10 m /radmD 其主要参数为：排量 供油压力 液控时间 液控压力 控制油缸直径 行程 面积630119 10/pDmrad20.6MPasp 0.6sec2.94MPaLpp345 10 md324 10 mL 4215.9 10 mA 3、控制液压泵伺服阀的确定 设液压泵流量从零到最大流量之间所用的时间为 0.9sec，则所需调整的最大流量为 取供油压力为 则阀压降为 选QDY2D16伺服阀，其参数为额定电流为0.01A ，额定压力为13.7Mpa ，空载流量为 ，则实际空载流量为3453/24 1015.9 10/0.94.3 10

29、 m /secQLA t5.88spMPa5.882.942.94Mpasvp53010 10 m /secQ430.5.880.655 10 m /sec13.7QQ 4、泵斜盘角位置控制系统方块图及其传递函数4230.655 100.655 10 m /sec/A0.01svK1000rad/secsv 阀控液压缸传递函数由下述确定 斜盘转动部分的转动惯量折算到活塞杆的质量与活塞质量之和为 反馈系数为2411628.93 1/m15.9 10A43431.141.14 15.9 1024 100.435 10tVALm25.56Kgm 2828444 6.9 1015.9102505rad

30、/s0.435 1025.56ehtAVm1V/mfKFrequency (rad/sec)-200-150-100-50050100From: Input Point To: Output PointMagnitude (dB) System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 949 Magnitude (dB): -10.9 System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 274 Magnitude (dB): 0.0627 101102103104105-540-360-1800Phase (deg) System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency (rad/sec): 950 Phase (deg): -180 System: y629_1 I/O: Input Point to Output Point Frequency