液壓伺服控制系統
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-26
液壓伺服控制系統的視頻教程
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液壓伺服控制系統的實例教程
指令裝置發出相應的指令，由D/A轉換器轉換成電壓信號；檢測反饋裝置采用位移傳感器來檢測輸出位置并轉換為電壓信號，該電壓信號作為反饋信號與指令信號加以比較，給出偏差信號，構成閉環控制結構；電液伺服閥為液壓控制元件，執行機構采用閥控缸。液壓伺服控制系統的職能圖和原理圖如圖2和圖3所示。
圖2 液壓伺服控制系統的職能圖
圖3 液壓伺服控制系統基本原理圖
1.液壓主泵 2.溢流閥 3.主控閥 4、7.限壓閥 5、6.工作機構液壓缸 8.背壓閥
3 MATLAB環境下的液壓伺服控制系統的仿真研究
MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的1套高性能的數值計算可視化軟件，廣泛應用于自動控制、圖像信號處理與分析、振動理論、時序分析與建模、優化設計等領域，并表現出一般高級語言難以比擬的優勢。
MATLAB提供的動態系統仿真工具箱Simulink，是眾多仿真軟件中功能最強大、最優秀的1種。它可以對動態系統進行建模、仿真和分析，從而在設計系統的時候先對系統進行仿真和分析，然后及時進行必要的修正，以實現高效的系統開發。Simulink支持線性和非線性系統、連續和離散系統以及多進程系統。Simulink包含有Continuous(連續量)、Discrete(離散量)、Functions＆Table、Math、Nonlinear、Signals systems、Sinks)、Source、Subsystems等子模型庫。并且在每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，用戶也可以制定和創建適合自己需要的模塊。Simulink工具箱具有有2個明顯的功能：仿真(Simu)與連接(Link)，它可以利用鼠標器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統模型，然后利用該軟件對系統直接進行仿真。
展開 5倍時間常數的時間過長，液壓系統設計者就需要考慮提高自然頻率，或者通過增加摩擦提高阻尼。增加摩擦浪費能源。提高自然頻率需要增加液壓缸缸徑，而且也會增大閥通徑，蓄能器容積，泵能力以及增加的元件成本。
采用帶PLC的簡單的比例控制液壓系統似乎容易得多，但是PLC編程人員對很多重要的參數并沒有去控制。這種約束并不是編程人員的能力問題，而是液壓和機械設計方面的原因。不幸的是，PLC編程人員通常是最后一個接觸到液壓系統的人，他被寄希望于“機械和液壓問題，讓電氣和軟件來解決”，然而，這種事實，不會總是發生。系統的特性行為在設計和制造階段已經定性了。
設備的性能可以通過使用精密的液壓伺服控制系統得到提高。初始的成本會很高，但是其性能也提升了。設備也變得易于維護，需要的維護頻率也不高了。
下面是僅僅采用比例控制的簡單運動的三種仿真。它們基于標準的線性化運動仿真模塊，用于伺服液壓缸和負載。
H(s) = (K ? ω2n)/[s ? (s2 + 2 ? ζ ? ωn ? s + ω2n)]
K,- 開環增益，假定為10 (mm/s)/%的控制輸出，
s, - 拉普拉斯算子，是一個頻率，弧度/s，
ζ - 阻尼系數，假定為0.33333，無量綱，
ωn - 自然頻率，弧度/s。示例中自然頻率為10Hz。
這些仿真給你提出了一些問題，譬如：如何提高響應時間？這些問題將會在后續的討論中進行回答。
展開 英文作者：Peter Nachtwey / Delta Computer Systems
中文校譯：騰益登
*本文約4500字，建議閱讀時間15mins*
引言
最好的控制器和軟件也無法克服設計拙劣的液壓系統。
本文要點
典型的伺服液壓運動控制系統，伺服閥都是盡可能的靠近油缸安裝。一些專家也推薦對此類液壓應用采用特殊設計的控制器。
對油缸缸徑的仿真也驗證了，油缸缸徑越大，壓力也越相對穩定。
典型的伯德圖顯示了閥芯的幅值響應和相位滯后相對于控制信號頻率的函數。
閥的測試特性曲線顯示了不同閥的工作特性。只要經過閥的壓差穩定，具有伺服閥品質閥芯的線性閥可以提供比例于控制信號的流量。
正文
全球化競爭要求我們的工廠運營者面臨著永無止境的讓設備更高效運行的任務之中。這常常要求我們的運動控制系統更高速，更精確。但是在一個閉環控制系統，更高的速度和精度必須始于良好的元件設計。無論你是多么在意控制器和軟件，如果流體控制系統中的油缸和閥沒有得到很好的設計選型或者正確的安裝，系統的性能就會大打折扣。
油缸設計選型
對于線性執行器，系統應用要求通常側重于設定行程和循環周期。設計者決定油缸規格尺寸以及油壓大小。現實中的一個共性問題就是試圖通過降低油缸尺寸來達到提升執行器速度的目的。工程師常常假定，對于給定的流量，油缸越小，加速更迅速，運行更快。然而，這只適用于輕載。對于中、重載使用的執行器，其提供的力而不是流量限制了加速、勻速以及減速。因為活塞直徑決定輸出力，太小的油缸就永遠無法得到所需的速度和循環周期。
設計者首先考慮到的就是使用非常簡單的公式V = Q/A，但是這只有當質量m=0的時候才是計算精確的。當計算流量時，只使用公式Q = VA。
展開 液壓伺服系統是使系統的輸出量，如位移、速度或力等，能自動地、快速而準確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統的工作原理可由圖1來說明 液壓伺服系統以其響應速度快、負載剛度大、控制功率大等獨特的優點在工業控制中得到了廣泛的應用。
液壓伺服控制是復雜的液壓控制方式。液壓伺服系統是一種閉環液壓控制系統。
一、簡介
電液伺服系統通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉換為大功率的液壓動力，從而實現了一些重型機械設備的伺服控制。
二、原理
圖所示為一個對管道流量進行連續控制的電液伺服系統。在大口徑流體管道1中，閥板2的轉角θ變化會產生節流作用而起到調節流量qT的作用。閥板轉動由液壓缸帶動齒輪、齒條來實現。這個系統的輸入量是電位器5的給定值xi。對應給定值xi，有一定的電壓輸給放大器7，放大器將電壓信號轉換為電流信號加到伺服閥的電磁線圈上，使閥芯相應地產生一定的開口量xv。閥開口xv使液壓油進入液壓缸上腔，推動液壓缸向下移動。液壓缸下腔的油液則經伺服閥流回油箱。液壓缸的向下移動，使齒輪、齒條帶動閥板產生偏轉。同時，液壓缸活塞桿也帶動電位器6的觸點下移xp。當xp所對應的電壓與xi所對應的電壓相等時，兩電壓之差為零。這時，放大器的輸出電流亦為零，伺服閥關閉，液壓缸帶動的閥板停在相應的qT位置。
三、控制系統
液壓傳動中具有隨動作用的液壓自動控制系統。在這種系統中，大功率的液壓元件（包括液壓伺服閥和液壓執行元件） 跟隨小功率的指令信號元件動作。執行元件所控制的通常是位置、速度等機械量。指令信號元件又稱參考信號元件，它發出代表位置、速度或其他量的指令信號。大功率與小功率之比可以達幾百萬倍以上。液壓伺服系統是反饋控制系統，反饋回來代表實際狀態的信號與指令信號比較，得到誤差信號，如果誤差不是零，便進行調節。
展開 用數學術語來說：
fmax < ps ×(lesser of fv or fn)（fv 或fn中的較小者），
其中
fmax 是最大系統閉環帶寬
ps 是分離率，并且
fv 和 fn是閥和油缸負載共振頻率，單位為Hz。
當HMRF占主導地位（<fv）時，分離比完全由液壓機械系統的阻尼比控制：
ps =2Zn
其中
Zn是阻尼比，是振動減弱趨勢的度量。
造成阻尼的因素有兩個：從執行器一側到另一側的內部泄漏（無論是從執行器內部還是從控制閥內部泄漏）和摩擦（是否來自執行器或其負載）。由于制造商努力減少內部泄漏和摩擦，因此大多數液壓機械系統的阻尼度可能會非常低，這不足為奇。實際上，當負載可以以可忽略的摩擦力移動時（如由循環線性球軸承支撐時），阻尼比可能低至0.03或0.05。誠然，系統摩擦和阻尼比是要在系統中評估的最難以捉摸的量。但是，它們與頻率一起絕對控制著系統的性能極限。
計算示例
考慮一個示例來演示此討論。假設已計算出系統的油缸機械共振頻率，發現其為18 Hz。進一步假設其伺服閥的90°相位滯后頻率為65 Hz，并且由于摩擦和內部閥門泄漏，我們估計液壓機械阻尼比約為0.05。我們可以計算出最大可能的閉環系統帶寬：
fmax < ps x( fv 或 fn的小者)
fmax <2 x 0.05 x 18
fmax <1.8 Hz
最大閉環帶寬fmax 只有1.8 Hz，僅為HMRF的十分之一！在啟動時，我們通過增加伺服放大器增益來增加系統帶寬。如果我們增加增益直到帶寬達到1.8 Hz，然后再嘗試進一步增加，則伺服回路將陷入持續的振蕩狀態，從而變得毫無價值。必須降低增益以重新建立穩定性。
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