电液伺服系统

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电液伺服系统

电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。根据输入信号的

形式不同，又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。下面对模拟伺服系统和数字伺服系统作一

简单的说明。

模拟伺服系统

在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，如图1所示。在此系统中，输入信号、反馈

信号、偏差信号以及其放大、校正都是连续的模拟量。电信号可以是直流量，也可以是交流量。直

流量和交流量相互转换可以通过调制器或解调器完成。模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低

(绝对精度低)。伺服系统的精度在很大程度上取决于检测装置的精度，而模拟式检测装置的精度一

般低于数字式检测装置，所以模拟伺服系统分辨能力低于数字伺服系统。另外模拟伺服系统中微小

信号容易受到噪声和零漂的影响，因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行

有效的控制了。

图1 模拟伺服系统方块图

数字伺服系统

在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。因此数字伺服系统又分为数字伺服系统

和数字—模拟伺服系统两种。在全数字伺服系统中，动力元件必须能够接收数字信号，可采用数字

阀或电液步进马达。数字模拟混合式伺服系统如2所示。数控装置发出的指令脉冲与反馈脉冲相比

较后产生数字偏差，经数模转化器把信号变为模拟偏差电压，后面的动力部分不变，仍是模拟元件。

系统输出通过数字检测器(即模数转换器)变为反馈脉冲信号。

图2 数字伺服系统方块图

数字伺服系统有很高的绝对精度，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。当要求较高的绝对精度，而

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不是重复精度时，常采用数字模拟系统。从经济性可靠性方面来看，简单的伺服系统采用采用模拟

型控制为宜。

系统特点及使用场合

电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、

信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。因此，在负载质量大又要求响应速度快的场合最

为适合，其应用已遍及国民经济的各个领域，比如飞机与船舶舵机的控制、雷达与火炮的控制、机

床工作台的位置控制、板带轧机的板厚控制、电炉冶炼的电极位置控制、各种飞机车里的模拟台的

控制、发电机转速的控制、材料试验机及其他实验机的压力控制等等。

电液位置伺服系统分析

电液位置伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统。当采用电位器作为指令装置和反馈

测量装置，就可以构成直流电液位置伺服系统。采用自整角机或旋转变压器作为质量装置和反馈测

量装置，就可以构成交流电液位置伺服系统。图3是一个典型的电液位置伺服控制系统。图中反馈

电位器与指令电位器接成桥式电路。反馈电位器滑臂与控制对象相连，其作用是把控制对象位置的

变化转换成电压的变化。反馈电位器与指令电位器滑臂间的电位差（反映控制对象位置与指令位置

的偏差）经放大器放大后，加于电液伺服阀转换为液压信号，以推动液压缸活塞，驱动控制对象向

消除偏差方向运动。当偏差为零时，停止驱动，因而使控制对象的位置总是按指令电位器给定的规

律变化。

图3 电液位置伺服系统图

电液伺服系统中常用的位置检测元件有自整角机、旋转变压器、感应同步器和差动变压器等。

伺服放大器为伺服阀提供所需要的驱动电流。电液伺服阀的作用是将小功率的电信号转换为阀的运

动，以控制流向液压动力机构的流量和压力。因此，电液伺服阀既是电液转换元件又是功率放大元

件，它的性能对系统的特性影响很大，是电液伺服系统中的关键元件。液压动力机构由液压控制元

件、执行机构和控制对象组成。液压控制元件常采用液压控制阀或伺服变量泵。常用的液压执行机

构有液压缸和液压马达。液压动力机构的动态特性在很大程度上决定了电液伺服系统的性能。

(1)油液流量的控制,由图4可知，在平衡位置（i=0，ΔP=0，q=0）附近的比例阀线性化流量方

程:

q=KiKΔP

12

q——流入油缸的油液流量（L/min）

i——直流力矩马达电枢电流（mA）

ΔP——活塞左右两边的压力差（Pa）

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图4 油液流量图

(2)伺服油缸流量连续性方程：

q=q0+qL+qc

q0=Ady/dt——推动活塞移动的有效流量；A——活塞的有效面积；y——活塞位移

qL=LΔP——活塞与油缸内壁缝隙间的泄露流量；L——泄露系数

qc=[V/(4)]dΔP/dt——油液的压缩量；V——液压油缸的等效压缩体积； ——系统有效容积

弹性模量

首先分析伺服阀-油缸组合模型，其方块图如下：

图5 伺服阀-油缸组合方块图

(3) 电液伺服阀的传递函数

传递函数为:

W ( s) = Q ( s) /I ( s) =Ks /( S^2 /+ 2 ξs /+ 1)



2

S



s

或 W ( s) = Q ( s) /I ( s) =Ks /(TS+ 1)

S

式中:

Ks 为电液伺服阀增益, Q 为输出流量, I 为输入电流, Ws 为伺服阀固有频率, ε为

伺服阀的阻尼比,Ts 为伺服阀的时间常数

(4)由电液平衡方程：



LKPKiAyV4P

21





(5)活塞受力平衡方程:

pl

进而求出：



myByKyAPf



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k

q

k

p



s

2

2



k

ss1



2



w

w

k

k



负载F=0时：

L

X

P



X

R

考虑弹性负载，传递函数可以表达为：

kA

q

X

P



X

R

k

p



s

2



k



ss1



w

2

w

k

k



2

考虑弹性负载，传递函数可以表达为：

kA

qp

X

P

X

R



kK

ce



ss



1s1



ww

r0





2

2



0





w

2



0

式中：

--液压阻尼比



h

--滞后频率

w

1

--转折频率

w

r

--综合阻尼比



0

--液压阻尼系数



h

--缸漏后压力增益

k

pe

（6）位置伺服系统的开环传递函数

图6 电液位置伺服系统方块图

可以得到系统的开环传递函数：

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电液伺服控制系统的仿真模型

(1) 电液伺服阀的传递函数

从样本上查得：

Ks=0.0707， Ws=600hz, ξ=0.7

则：

ws



0.0707

s1.4s

1

600600

2

2

根据上述传递函数，在matlab中编程，做单位阶跃响应时域分析：

根据上述传递函数，在matlab/simulink，做单位阶跃响应分析：

（2）伺服阀-油缸的传递函数：

为了简化计算，取=0

Fs

d



Nv

M

,=0.2, 已知：=0.0628m,k=0.65*=1000,=0.0707,=



r

K

sf

A

P

2

10

9

kV

ce0v

=2.58*10m,2.2*10，=7*10，=0.425，，=1066，，

5338

m

kk

sva

1

700

M

3



Er

N

M

2



11

ss



代入式得：

X37.45

P



X

R



ss0.4

2





s11





2

0.4251066





1066

根据上述传递函数，在matlab/simulink，做单位阶跃响应分析：

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（3）电液位置伺服系统的开环传递函数：

w(s)

3.7857



sss1.40.4

22





s1S11



22



1066600

10660.425600





根据闭环传递函数，在matlab/simulink，做单位阶跃响应分析：

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