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液压型号与设计

电液伺服系统设计的基本步骤

添加时间:2018-08-24

    大多数工业上应用的电液伺服系统属于单输入单输出系统,可以近似看成线性定常系,因此一般可采用频域法进行系统设计。系统设计的基本步骤如下:


    (1)明确设计要求;


    (2)拟定控制方案,绘制系统原理图;


    (3)静态计算,确定动力元件参数,选择系统组成元件;


    (4)动态计算,确定组成元件的动态特性,仿真系统稳定性和响应特性;


    (5)选择液压油源。


    以上设计步骤不是一成不变的,实际上可交叉和反复进行,直至获得满意的结果为止。


    1、明确设计要求


    电液伺服系统通常只是控制对象—主机中的一部分,它服务于主机,必须满足主机的作要求,主机的工作要求大致包括以下内容:


    (1)明确被控制的物理量,判断是位置控制、速度控制、力控制等哪一种或哪几种,确被控物理量的变化规律是恒值控制还是随动控制。


    (2)明确负载特性,包括控制对象的负载类型、大小及运动规律,确定负载最大位移、大速度、最大加速度等指标。


    (3)确定采用模拟式控制还是数字式控制,并确定控制系统的输入量。


    (4)确定系统的稳态品质,主要是确定给定负载工况下的最大稳态误差、由参数变化和件零漂引起的静差等。


    (5)确定系统的动态品质,频域响应指标可用开环系统的穿越频率或闭环系统的频宽来示,时域响应指标可用阶跃响应特性指标来表示。


    (6)环境条件要求,包括环境温度和湿度的变化、抗振及耐冲击要求、外形尺寸及总重等限制条件。


    (7)能源系统的要求,确定电源和液压油源。


    (8)成本要求,包括设计、制造和维护成本。


    电液伺服系统的设计需要具备电气、机械、液压和控制等方面的知识,应根据具体情况,确定几项主要的控制要求及其性能指标,因为过多的要求和过高的指标不仅难以实现,而且使成本大大提高。


    2、拟定控制方案


    控制方案主要是根据被试物理量类型、控制功率的大小、执行机构的运动方式、静动态性能指标以及环境条件和价格等因素考虑决定,应重点考虑以下因素。


    (1)开环控制还是闭环控制。要求结构简单、造价低、控制精度不高的场合适合采用开环控制;反之,控制精度要求高、对外界干扰敏感的场合适合采用闭环控制。


    (2)阀控方式还是泵控方式。凡是要求响应快、精度高、结构简单,且不计较效率低、发热量大、参数变化范围大的小功率系统可采用阀控方式;反之,追求效率高、发热小、温升有严格限制,且容许结构复杂、价格高、响应低的大功率系统可采用泵控方式。


    (3)执行元件是液压缸还是液压马达。在选择执行元件时,除了运动形式以外,还需要考虑行程和负载,例如,直线位移式伺服系统在行程短、出力大时可采用液压缸,而旋转运动或行程长、出力小时可采用液压马达。


    控制方案确定后,可以绘制控制系统职能框图,从原理上满足系统设计的要求。此时,还要考虑输入信号和反馈信号的形式,因为输入信号和反馈信号的形式不同,电气系统的设计也不同。


    3、静态计算


    系统静态计算的主要内容是确定系统中关键元件的参数与选型,主要包括系统供油压力、执行元件的主要规格尺寸、伺服阀的额定流量等。


    选择较高的供油压力可以减少液压动力元件、能源装置和连接管路的质量和尺寸,同时减小压缩性容积和油液空气含量,有利于提高液压固有频率,但是较高的供油压力对结构设计和密封性提出了更高的要求。选择较低的供油压力,可以降低成本和噪声,减小泄漏和温升情况,延长使用寿命。在一般工业用伺服系统中,供油压力可在2.5~14.0MPa内选择;


    而在军用伺服系统中,供油压力可在21~32MPa内选择。


军用伺服系统中供油压力选择


    除了流量规格外,选择伺服阀时还应考虑以下因素:位置控制系统要求伺服阀的流量增益线性好,压力灵敏度高,但是力控制系统要求伺服阀的压力灵敏度较低为好;伺服阀的分辨率要高,温度和压力零漂尽量小,内泄漏小;伺服阀的频宽应满足系统要求,应高出液压固有频率3~5倍。


    电液伺服系统中的电气元件包括电放大元件、反馈传感器等,选择时除了根据要求合理确定规格型号外,还要注意各元件的精度和零漂等。根据系统所允许的误差合理分配各个元件,在同一系统中的各个元件,其精度等级应尽可能相同。


    4、动态计算


    分析各组成元件的动态特性(传递函数和频率特性),绘制系统框图,求出系统整体的传递函数,画出开环波特图。伺服阀和一些控制元件的动态特性可以从样本中查到,传感器和放大器的动态特性通常可以忽略,将其视为比例环节。


    根据系统开环传递函数分析系统的稳定性,确定开环放大系数、放大器增益、稳定裕度、穿越频率等;分析系统的精度,计算稳态误差和静态误差;绘制闭环系统的波特图,计算闭环系统的频宽;分析时域响应特性,计算阶跃响应特性指标。


    5、选择液压油源


    电液伺服系统对液压油源的要求比较高,因为油液清洁度、空气含量等对系统工作性能有很大影响,能源压力波动的频率也必须远高于系统的谐振频率,否则将严重影响系统的动态特性。选择能源的主要依据是系统所需的供油压力和最大流量。液压油源的压力和流量应满足负载所需要的压力和流量,同时又不造成能量及设备的浪费。


    当液压油源的压力-流量特性曲线完全包围负载的压力-流量特性曲线并留有一定余量时,能源系统的选择就是合理的。恒压变量泵油源能够保证供油压力恒定,并根据负载需求调节输出流量,具有较高的能源效率,广泛应用在阀控式电液伺服系统中。