江西电信网上大学重庆大学研究生 电液伺服液压作业

2020年11月27日发(作者：冉景文)

研究生课程考核试卷

科

目：

电液伺服控制

教

师

于

今

姓

名：

汶

睿

学

号：

2t

专

业：

机械工程领域

类

别：

专业硕士

上课时间：

2014

年

11

月至

20 15

年

1

月

考

生

成

绩：

卷面成绩

平时成绩

课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师

(

签名

)

重庆大学研究生院制

关于数控机床工作台位置伺服系统研究

摘

要

本文以数控机床工作台位置液压伺服系统为主要研究对象，

以电液伺服阀和液压马达为 主要

原件对液压伺服装置进行了设计，

推导出了整个系统的数学模型，< /p>

并在

MATLAB

中对电液伺

服控制系统进 行了仿真，

对系统进行了校正，

改善系统性能。

改正后同时运用频 响法对系统

的稳定性、

快速性、

准确性进行了分析，

分析结果满足设计要求，

验证了设计方案的可行性，

为下一步 运行调试提供了理论依据。

关键词：

液压；伺服控制； 仿真；

MATLAB

；

Abstract

This

paper

designs

a

CNC

machine

tool

table

positioning

servo

electro-hydraulic

control

device,

and

introduces

the

math

ematical

models

and

the

establishment

of

transfer

function

in

detail,

takes

the

simulation

of

electro- hydraulic

servo

control

system

under

the

circumstances

of

MATLAB

to

determine

the

stability

of

the

system

mission

open-loop

gain.

The

result

of

error

based

on

single

interfere

import-load

capacity

was

analyzed,

which

could

meet

the

requirements

and validates the design. The work provides guidance for the debugging

later.

Key

words

:

hydraulic

；

electro-hydraulic

servo

control

；

simulati on

；

MATLAB

I

目录

摘

要

...... .................................................. .................................................. .............................. I

Abstract .............................. .................................................. .................................................. .... I

1

数控机床工作台位置伺服系统组成及原理

................. .................................................. .... 1

2

电液伺服控制系统建模

......................... .................................................. ............................ 2

3 MATLAB

工具对系统进行特性分析

..... .................................................. .............................. 5

4

结论

.

..... .................................................. .................................................. ............................. 8

参考文献

........................... .................................................. .................................................. .... 9

II

作为控制技术的重要组成部分，液 压伺服系统是液压领域的重要分支

,

其基础为液压流

体力 学、电工电子技术、控制理论及液压传动知识等

.

近年来，由于液压伺服系统与其 他类

型的伺服系统相比，

具有液压元件的功率—质量比和力矩—惯量比< /p>

(

或力—质量比

)

大、

快速

性好、

系统响应快以及液压伺服系统抗负载的刚度大等优点，

广泛 应用于军事和工业生产中。

如机床工作台的位置、带材跑偏控制、板带轧机的板厚、

雷达和火炮控制系统、飞机和船舶

的舵机控制等等。

本文研究 的是一个数控机床工作台位置控制系统，

该系统是电一液位置伺

[1-3 ]

服系统，其功能是使输出位移自动跟踪指定数据，实现整个系统的工作要求

< p>。

1

数控机床工作台位置伺服系统组成及原理

本题所采用的 是阀控液压马达系统，因为系统的控制功率比较小，工作台行程比较大。

阀控液压马达是 一种常用的液压动力元件，

为了分析计算方便，

需要将负载惯性、

负载阻尼、

负载刚度等折算到液压执行元件的输出端，

或相反将液压执行 元件的惯量、

阻尼等折算到负

[3][8]

载端

。本题所采用的是前一种处理方法，折算等效后的阀控液压马达的原理图如图

1< /p>

所

示：

图

1

阀控液压马达原理图

< p>
该数控机床工作台位置控制系统主要是由伺服放大器、

电液伺服阀、

液压马达、

减速齿

轮、

滚珠丝杠和位置传感器组成。

其工作原理是：

当指令装置发出的指令电压信号作用于系

统时 ，

工作台便有输出位移，

该位移由传感器检测并转换为反馈电压信号，

< p>使之与指令电压

信号相比较得出偏差电压信号，

此偏差电压信号经伺 服放大器放大后输入到伺服阀，

使伺服

阀产生负载压差作用于液压马达上 ，

使输出力向减小误差的方向变化，

直到输出位移经过传

感器后等于指令信号所规定的值为止，

在稳态情况下，

输出位移与偏差信号成比例 。

数控机

床工作台位置控制系统其主要组成与原理如图

2

所示：

1

图

2

数控机床工作台位置系统方框原理图

2

电液伺服控制系统建模

2.1

数学模型推导

2.1.1

电液伺服阀

a

．电液伺服阀传递函数

< /p>

其中

:X

v

为伺服阀阀芯 位移，

K

sv

为伺服阀增益，

G

sv

为

K

sv

=1

时伺服阀的传递函数。

b

．电液伺服阀的输出方程

采 用四通滑阀，设输入电流为

i

，则电液伺服阀的数学输出方程为

:

其中

:X

v

为电液伺服阀阀芯位移，

K

sc

为电液伺服阀增益，

则

K

sv

= K

sc

xK

q

，

且

K

q

为电液伺服

< p>
阀的流量增益。

c

．电液伺服阀的压力一流量方程

理想零开口阀，

也就是指径向的间隙为零并且工作边是光滑的滑阀。

在讨论这 种滑阀时，

可以不考虑这两方面的影响。

所以当阀芯的位置是阀套的中间 位置时，

相当于关闭了

4

个控

制节流口。

当阀芯左移

X

v

时，

X

v

>0

，此时

当阀芯右移

X

v

时，

X

v

<0

，此时

其中，

q

L

为负载流量，

C

d

为滑阀流量系数，

C

d

< br>=0.62

，

W

为节流口面积梯度，

W=2 *l0

-2

m

，

?

为油液密度，

p

s

为液压源压，

p

L

为负载压。

< br>电液伺服阀的压力一流量方程式线性化

[8]

，可以得到 ，

2

2.1.2

液压马达

液压马达的流量连续方程为

可以化简为

其中< /p>

D

m

为液压马达的排量，

θ

m

为液压马达的转角；

β

e< /p>

为油液有效体积弹性模型，

V

1

< br>V

2

分别为液压马达进油腔、回油腔容积。

式子中，

推动液压马达运动所需要的流量就是等式右边第一项，

总泄漏的流量就是第二

项，总的压缩流量就是第三项。

2.1.3

液压马达和负载的力平衡方程

负载特性将会影 响液压动力元件的动态特性。

其中此系统中的负载力包括弹性力、

惯性

< p>
力、弹性阻尼力和其它的任意外负载力。

液压缸的输出力与负载力的平衡方程为

:

< /p>

J

t

为液压马达和负载折算到马达轴上的 总惯性，

B

m

为液压马达及负载的勃性阻尼系数 ，

G

为负载扭转弹簧刚度，

T

L

为作用在马达轴上的任意外负载力矩。

2.1.4

其他环节

a.

伺服变大器

因动态放大系 数很大，可将伺服变压器看成比例环节

[4]

，其输出电流为< /p>

:

其中：

K

< br>a

为伺服变压器增益。

b.

减速齿轮与滚珠丝杠

液压 执行元件有时通过机械传动装置与负载相连，

如齿轮传动装置、

滚珠丝杠等。

即减

速齿轮与滚珠丝杠是一个机械传动装置，

它们的动态特性 可以忽略，

其传递函数可以用它们

的增益表示

[ 5]

。所以，传动齿轮与丝杠的传递函数为

c.

反馈传感器

位置传感器的 动态特性可以加以忽略，

它的传递函数可以用其增益表示，

所以传感器的

方程为：

其中：

< p>K

fF

为传感器增益；

X

< br>p

为系统输出位移。

3