7.2伺服阀与伺服控制系统 伺服控制系统是种执行元件能够以一定的精度自动地按照输λ信号旳变化规律而动作的自动控制系统,也称 随动系统。液压伺服(随动)系统指的是采用液压控制元件,根据液压传动原理建立起来的伺服系统。它是一种由 输入信号可以连续地、按比例地控制执行元件的速度、力矩或力、位置,有较高的控制精度和调节性能的控制系 统。 液压伺服控制系统的组成梱图姬图7-2所示。 被量 h令装 问射放人器 米控元件 扒行有 检装置 图7-2液压电液伺服控制系统组成框图 液压伺服系统有许多种类,按照不同的分类方法会得出不同的结果 按照液压功率放大器的类型分 (1)阀控系统:由伺服阀按照节流原理,控制输入执行元件的流量和压力大小的系统,也称节流式控制系 统 (2)泵控系统:利用伺服变量泵改变排量的做法,控制输入执行元件的流量和压力大小的系统,也称容积式 控制系统 按照控制信号的类别和伺服阀的类型:机液伺服系统、电液伺服系统和气液伺服系统。 按照负载运动性质及输岀的物理量分:液压位置伺服系统、液压压力伺服系统、液压速度伺服系统和液压加速 度伺服系统 按照检测元件的输岀量形式及信号处理手段分:模拟式液压伺服系统和数字式液压伺服系统。 液压伺服控制系统除了具有一般液压传动所固有的优点外,还有系统刚度大、控制精度高、响应谏度快、可以 快速启动、停止和反向的优点。所以,可以组成体积小、重量轻、加速能力强、动作迅速和控制精度高的大功率和 大负载的伺服系统。但同样也存在一些缺点,比如除了普通液压系统所具有的缺点外,它的控制元件(主要是各类 伺服阀)和执行元件因为加工精度高,所以价格贵、怕污染,对液压油的要求高。 由于液压伺服系统的优点明显突出,因此使得它在国民经济和国防建设等方面的应用非常广泛 7.2.1伺服阀 上世纪四十年代,为了满足伺服系统快速响应和精密控制的需要,在液压系统中出现了一种以小的电气信号去 控制系统内液体压力或流量的伺服元件—伺服阀。伺服阀是伺服控制系统的核心,它可以按照给定的输入信号连续 成比例地控制流体的压力、流量和方向,使被控对象按照输入信号的规律变化。 伺服阀按照输岀特性有流量控制阀、压力控制阀、压力流量控制阀;按结枃形式有滑阀、喷嘴挡板阀和射流 管阀等。 1.滑阀 1)滑阀的工作原理和结构特性 滑阀是最常用的结构形式,它常用作工业伺服阀的前置级和所有伺服阀的功率级。滑阀按照外接油口的多少不 同分为二通、三通、四通等;按照控制边数的不同分为单边、双边和四边滑阀,其工作原理如图7-3所示。其中图 7-3a为二通单边滑阀,图7-3b为三通双边滑阀,图7-3c为四通四边滑阀。阀芯的位移不同于液压传动中开关式换向 阀,而是双向连续变化的。基本功能是连续改变控制棱边(节流口)的流通面积,以改变进入液压缸(或执行件) 两腔的压力和流量,达到控制液压缸输出运动和动力的目的
7.2伺服阀与伺服控制系统 伺服控制系统是一种执行元件能够以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律而动作的自动控制系统，也称 随动系统。液压伺服（随动）系统指的是采用液压控制元件，根据液压传动原理建立起来的伺服系统。它是一种由 输入信号可以连续地、按比例地控制执行元件的速度、力矩或力、位置，有较高的控制精度和调节性能的控制系 统。 液压伺服控制系统的组成框图如图7-2所示。 图7-2 液压电液伺服控制系统组成框图 液压伺服系统有许多种类，按照不同的分类方法会得出不同的结果。 按照液压功率放大器的类型分： （1）阀控系统：由伺服阀按照节流原理，控制输入执行元件的流量和压力大小的系统，也称节流式控制系 统； （2）泵控系统：利用伺服变量泵改变排量的做法，控制输入执行元件的流量和压力大小的系统，也称容积式 控制系统。 按照控制信号的类别和伺服阀的类型：机液伺服系统、电液伺服系统和气液伺服系统。 按照负载运动性质及输出的物理量分：液压位置伺服系统、液压压力伺服系统、液压速度伺服系统和液压加速 度伺服系统。 按照检测元件的输出量形式及信号处理手段分：模拟式液压伺服系统和数字式液压伺服系统。 液压伺服控制系统除了具有一般液压传动所固有的优点外，还有系统刚度大、控制精度高、响应速度快、可以 快速启动、停止和反向的优点。所以，可以组成体积小、重量轻、加速能力强、动作迅速和控制精度高的大功率和 大负载的伺服系统。但同样也存在一些缺点，比如除了普通液压系统所具有的缺点外，它的控制元件（主要是各类 伺服阀）和执行元件因为加工精度高，所以价格贵、怕污染，对液压油的要求高。 由于液压伺服系统的优点明显突出，因此使得它在国民经济和国防建设等方面的应用非常广泛。 7.2.1伺服阀 上世纪四十年代，为了满足伺服系统快速响应和精密控制的需要，在液压系统中出现了一种以小的电气信号去 控制系统内液体压力或流量的伺服元件—伺服阀。伺服阀是伺服控制系统的核心，它可以按照给定的输入信号连续 成比例地控制流体的压力、流量和方向，使被控对象按照输入信号的规律变化。 伺服阀按照输出特性有流量控制阀、压力控制阀、压力—流量控制阀；按结构形式有滑阀、喷嘴挡板阀和射流 管阀等。 1.滑阀 1）滑阀的工作原理和结构特性 滑阀是最常用的结构形式，它常用作工业伺服阀的前置级和所有伺服阀的功率级。滑阀按照外接油口的多少不 同分为二通、三通、四通等；按照控制边数的不同分为单边、双边和四边滑阀，其工作原理如图7-3所示。其中图 7-3a为二通单边滑阀，图7-3b为三通双边滑阀，图7-3c为四通四边滑阀。阀芯的位移不同于液压传动中开关式换向 阀，而是双向连续变化的。基本功能是连续改变控制棱边（节流口）的流通面积，以改变进入液压缸（或执行件） 两腔的压力和流量，达到控制液压缸输出运动和动力的目的
图7-3滑阀工作原理图 (a)二通单边滑阀(b)三通双边滑阀(c四通四边滑阀 根据阀在中间平衡位置时控制棱边的不同初始开口量,滑阀又可以分为正开口、零开口和负开口。如图7-4所 示。 图7-4滑阀的开口形式 负开口(b)零开口(c)正开口 当阀芯移动时,不同初始开口量的阀将有不同的流量输出特性,图7-5为三种不同开口形式滑阀的位置-流量 特性曲线。 图7-5滑阀不同开口形式的位移流量特性 (1)负开口(2)零开口(3)正开口 阀的开口形式对其控制性能影响很大,尤其是在零位附近的特性。从图7-4a可以看出,负开口滑阀在中间平衡 位置时,四个节流口完全被遮盖,彻底切断了油源和执行件之间的通路。阀芯需要左、右移动x的距离后,才能 将相应的节流口打开,才会有油液输给执行件。所以在滑阀的位置ˉ流量特性曲线上形成-段没有油液输出的非线 性死区,灵敏度低,对于高精度的伺服阀控制系统是不应该使用这类结构的伺服阀。但这种结构的伺服阀制造容 易,成本低,可以在工作过程的任何位置上可靠地停止,所以在手动伺服阀或比例控制系统中还选用这种阀。图7- 4b是零开口阀,其位置-流量特性曲线是线形的,控制性能好,灵敏度高。实际上阀总存在径向间隙,节流工作边 有圆角,有一定的泄漏,要求零位泄漏越小越好,但制造工艺复杂,成本高。图7-4c是正开口阀,结构简单,但是 液体无功损耗比较大
图7-3滑阀工作原理图 (a)二通单边滑阀 (b)三通双边滑阀 (c)四通四边滑阀 根据阀在中间平衡位置时控制棱边的不同初始开口量，滑阀又可以分为正开口、零开口和负开口。如图7-4所 示。 图7-4滑阀的开口形式 (a)负开口 (b)零开口 (c)正开口 当阀芯移动时，不同初始开口量的阀将有不同的流量输出特性，图7-5为三种不同开口形式滑阀的位置－流量 特性曲线。 图7-5 滑阀不同开口形式的位移—流量特性 (1)负开口 (2)零开口 (3)正开口 阀的开口形式对其控制性能影响很大，尤其是在零位附近的特性。从图7-4a可以看出，负开口滑阀在中间平衡 位置时，四个节流口完全被遮盖，彻底切断了油源和执行件之间的通路。阀芯需要左、右移动 的距离后，才能 将相应的节流口打开，才会有油液输给执行件。所以在滑阀的位置－流量特性曲线上形成一段没有油液输出的非线 性死区，灵敏度低，对于高精度的伺服阀控制系统是不应该使用这类结构的伺服阀。但这种结构的伺服阀制造容 易，成本低，可以在工作过程的任何位置上可靠地停止，所以在手动伺服阀或比例控制系统中还选用这种阀。图7- 4b是零开口阀，其位置－流量特性曲线是线形的，控制性能好，灵敏度高。实际上阀总存在径向间隙，节流工作边 有圆角，有一定的泄漏，要求零位泄漏越小越好，但制造工艺复杂，成本高。图7-4c是正开口阀，结构简单，但是 液体无功损耗比较大
2)滑阀的流量-压力特性 滑阀的流量-压力特性反映了在静态情况下滑阀的负载流量qz与阀芯位移xv、负载压力Pz之间的函数关 系,即 qr=f(pr, xy) 下面以理想的零开口四边滑阀为例分析阀的静态特性,首先假定阀的节流口边为锐边,各阀口匹配均匀对称 开口开度相等,油源压力稳定,油液是理想液体,管道无变形,无泄漏,忽略其他一切压力损失。 图7-6零开口四边滑阀计算简图 图7-6为零开口四边滑阀计算简图,当阀芯从零位右移矿时,根据节流口的流量公式(设回油压力为零),进 入液压缸的液体流量是 P-n1) 流出液压缸的液体流量为 q 在稳态时1=42=qz 油源供油压力=P1+p2 (7-4) 负载产生的压力PL=P-P2 (7-5) 由式(7-4)、(7-5)得 P1=-(P+Pz) P2 Pr) (7-7) 将式(7-6)、(7-7)代入(7-1)或(7-2)得 41=93=4 (P-p2) (7-8) 式中阀只的面积梯度; x阀口的流通面积。 式(7-8)就是理想零开口四边滑阀的流量ˉ压力特性方程。为了便于清楚对比,将式(7-8)通过处理可以得 到无量纲流量-压力特性方程为 P
2）滑阀的流量－压力特性 滑阀的流量－压力特性反映了在静态情况下滑阀的负载流量 与阀芯位移 、负载压力 之间的函数关 系，即 下面以理想的零开口四边滑阀为例分析阀的静态特性，首先假定阀的节流口边为锐边，各阀口匹配均匀对称， 开口开度相等，油源压力稳定，油液是理想液体，管道无变形，无泄漏，忽略其他一切压力损失。 图7-6零开口四边滑阀计算简图 图7-6为零开口四边滑阀计算简图，当阀芯从零位右移 时，根据节流口的流量公式（设回油压力为零），进 入液压缸的液体流量是 （7-1） 流出液压缸的液体流量为 （7-2） 在稳态时 （7-3） 油源供油压力 （7- 4） 负载产生的压力 （7-5） 由式（7-4）、（7-5）得 （7-6） （7-7） 将式（7-6）、（7-7）代入（7-1）或（7-2）得 （7-8） 式中 阀口的面积梯度； 阀口的几何流通面积。 式（7-8）就是理想零开口四边滑阀的流量－压力特性方程。为了便于清楚对比，将式（7-8）通过处理可以得 到无量纲流量－压力特性方程为 （7-9）
式中9x=9z1mw;xv=x/xn;Pz=PPm 以x为变参数,以为纵坐标、P为横坐标可以绘制出许多条无量纲流量-压力特性曲线族,如图7所 小。 .8 1,2 -1.0-0.8-0.6-0.40,200.20.40.60.81.0 图7-7零开口四边滑阀流量-压力曲线 曲线表现出非线性关系,基本呈现抛物线形状,这个现象主要是由节流口的非线性特 p>=p 性造成的,当 时,非线性关系严重,歹愈大,非线性关系愈严重,当 P较小时,曲线可以近似当作 直线对待;如果P为常量时,增加,负载流量也增加;由于滑阀的节流口是匹配对称的,阀在两个方向上的控 制性能是一样的,所以流量-压力特性曲线对称于原点。 滑阀的静态特性系数: (1)流量放大系数(流量增益) k kady 表示了在负载压力一定时,滑阀单位输入位移导致的负载流量变化的大小R q愈大,滑阀对负载流量的控制 就愈灵敏 (2)压力放大系数(压力增益6 表示了在负载流量一定时,滑阀单位输入位移所导致的负载压力变化的大小。KP愈大,滑阀对负载压力的控 制就愈灵敏。 (3)流量压力系数 ag !L 表示在滑阀开口一定时,负载单位压力变化所导致的负载流量变化的大小。愈大,说明负载压力很小的 变化就能对滑阀流量产生大的变化 滑阀的三个静态特性系数之间的关系是
式中 ； ； 。 以 为变参数，以 为纵坐标、 为横坐标可以绘制出许多条无量纲流量－压力特性曲线族，如图7-7所 示。 图7-7零开口四边滑阀流量－压力曲线 曲线表现出非线性关系，基本呈现抛物线形状，这个现象主要是由节流口的非线性特 性造成的，当 时，非线性关系严重， 愈大，非线性关系愈严重，当 较小时，曲线可以近似当作 直线对待；如果 为常量时， 增加，负载流量也增加；由于滑阀的节流口是匹配对称的，阀在两个方向上的控 制性能是一样的，所以流量－压力特性曲线对称于原点。 滑阀的静态特性系数： （1）流量放大系数（流量增益） （7-10） 表示了在负载压力一定时，滑阀单位输入位移导致的负载流量变化的大小。 愈大，滑阀对负载流量的控制 就愈灵敏。 （2）压力放大系数（压力增益） （7-11） 表示了在负载流量一定时，滑阀单位输入位移所导致的负载压力变化的大小。 愈大，滑阀对负载压力的控 制就愈灵敏。 （3）流量压力系数 （7-12） 表示在滑阀开口 一定时，负载单位压力变化所导致的负载流量变化的大小。 愈大，说明负载压力很小的 变化就能对滑阀流量产生大的变化。 滑阀的三个静态特性系数之间的关系是
L"5 k。 或kq=kk 滑阀的三个特性系数在确定系统的稳定性、响应特性和稳态误差时非常重要。流量増益直接影响系统的开环増 益,因而对系统的稳定性有直接的影响;流量压力系数直接影响阀控液压马达、液压缸系统的阻压比;压力增益表 明液压动力机构启动大惯性和大摩擦负载的能力。 需要说明的是滑阀的特性系数是随工作点的变化而变化的。流量-压力曲线在原点处的阀系数称零点阀系数, 也称零位工作点,因为阀经常在原点附近工作,因此是滑阀重要的工作点。此处阀的流量增益最大,系统的开环增 益最高;压力-流量系数最小,系统的阻尼最低。如果系统在该点是稳定的,在其它点必然是稳定的 滑阀的优点是压力增益可以很髙,通过的流量可以很大,特性易于计算和控制,抗污染性能较好。缺点是配合 公差要求严格,制造成本高,作用在阀芯上的力较多、较大且变化,要求较大的控制力。做前置级时,动态响应较 低。 2.喷嘴挡板阀 喷嘴挡板阀的工作原理如图η-8所示。喷嘴挡板阀主要由节流口1、喷嘴λ、挡板3组成。具体结构可分为单喷嘴 挡板阀和双喷嘴挡板阀,喷嘴和挡板之间形成一个可变的节流口,挡板的位置由输λ信号控制,由于挡板的位移较 小,挡板的转角也非常小,可以近似地按照平移的方式处理挡板与喷嘴之间的位移 在图7-8a中,压力一定的液体一部分流入液压缸的有杆腔,另一部分经过固定节流口后,其中一部分流入液压 缸的无杄腔,其余经过喷嘴喷岀,流回油箱。当信号改变挡板的偏转位置时,改变了可变的节流口的大小,也就改 变了流经节流口的流量,从而改变了液压缸两腔的压力,使液压缸活塞产生运动 图7-8喷嘴挡板阀工作原理图 (a)单喷喘挡板阀(b双喷挡板阀 节流口;2—喷 动画演示 双喷嘴挡板阀如图η-8b所示,它相当于两个单喷嘴挡板阀的并联结构,其工作原理基本与单喷嘴挡板阀相同 但其所控制的负载形式有所不同,常用于对称结构,如双出杄液压缸。双喷嘴挡板阀由于结构对称而具有的优点 是:温度和供油压力变化导致的零漂小,即零位点的工作漂移小;挡板所受的液动力小,在零位时的液动力平衡; 压力-流量曲线的对称性和线性度好,压力控制敏感度比单喷嘴挡板阀大-倍。 喷嘴挡板阀的优点是结构简单、公差较大;特性可预测;无死区、无摩擦副,灵敏度髙;挡板惯性很小,所需 的控制力小,动态响应高。其缺点是抗污染性能差,要求很髙的过滤精度;零位泄露量大,功率损耗大,效率低, 通常作伺服阀的前置放大级 3.射流管阀 射流管阀工作原理如图η-9所示,它由射流管接收器组成。射流管阀不是采用节流的方式,而是靠能量分配和 转换实现控制的,能量的分配是靠改变射流管与接收器的相对位置实现的。射流管一般做成收缩形或拉瓦尔管形 当流体流经射流管时,将压力转换成动能射入接收器,接收器是—个扩张管,液流流经后减速扩压,使进入的流体 恢复其压力能。当射流管位于接收器的两个接收通道之间时,两个接收通道内压力相等,液压缸两腔压力相等,活 塞保持位置不变;假如当射流管向左偏移时,左侧接收孔道内的压力大于右侧接收孔道内的压力,使液压缸左移, 同时接收器也和液压缸一起移动,直到射流管又位于两个接收孔道中间位置为止;反之亦如此。液压缸的移动方向 由控制信号的方向决定,液压缸移动速度的快慢由控制信号的大小决定
或 （7-13） 滑阀的三个特性系数在确定系统的稳定性、响应特性和稳态误差时非常重要。流量增益直接影响系统的开环增 益，因而对系统的稳定性有直接的影响；流量压力系数直接影响阀控液压马达、液压缸系统的阻压比；压力增益表 明液压动力机构启动大惯性和大摩擦负载的能力。 需要说明的是滑阀的特性系数是随工作点的变化而变化的。流量－压力曲线在原点处的阀系数称零点阀系数， 也称零位工作点，因为阀经常在原点附近工作，因此是滑阀重要的工作点。此处阀的流量增益最大，系统的开环增 益最高；压力－流量系数最小，系统的阻尼最低。如果系统在该点是稳定的，在其它点必然是稳定的。 滑阀的优点是压力增益可以很高，通过的流量可以很大，特性易于计算和控制，抗污染性能较好。缺点是配合 公差要求严格，制造成本高，作用在阀芯上的力较多、较大且变化，要求较大的控制力。做前置级时，动态响应较 低。 2.喷嘴挡板阀 喷嘴挡板阀的工作原理如图7-8所示。喷嘴挡板阀主要由节流口1、喷嘴2、挡板3组成。具体结构可分为单喷嘴 挡板阀和双喷嘴挡板阀，喷嘴和挡板之间形成一个可变的节流口，挡板的位置由输入信号控制，由于挡板的位移较 小，挡板的转角也非常小，可以近似地按照平移的方式处理挡板与喷嘴之间的位移。 在图7-8a中，压力一定的液体一部分流入液压缸的有杆腔，另一部分经过固定节流口后，其中一部分流入液压 缸的无杆腔，其余经过喷嘴喷出，流回油箱。当信号改变挡板的偏转位置时，改变了可变的节流口的大小，也就改 变了流经节流口的流量，从而改变了液压缸两腔的压力，使液压缸活塞产生运动。 图7-8 喷嘴挡板阀工作原理图 (a)单喷嘴挡板阀 (b)双喷嘴挡板阀 1—节流口； 2—喷嘴； 3—挡板。 动 画 演 示 动画演示 双喷嘴挡板阀如图7-8b所示，它相当于两个单喷嘴挡板阀的并联结构，其工作原理基本与单喷嘴挡板阀相同， 但其所控制的负载形式有所不同，常用于对称结构，如双出杆液压缸。双喷嘴挡板阀由于结构对称而具有的优点 是：温度和供油压力变化导致的零漂小，即零位点的工作漂移小；挡板所受的液动力小，在零位时的液动力平衡； 压力－流量曲线的对称性和线性度好，压力控制敏感度比单喷嘴挡板阀大一倍。 喷嘴挡板阀的优点是结构简单、公差较大；特性可预测；无死区、无摩擦副，灵敏度高；挡板惯性很小，所需 的控制力小，动态响应高。其缺点是抗污染性能差，要求很高的过滤精度；零位泄露量大，功率损耗大，效率低， 通常作伺服阀的前置放大级。 3.射流管阀 射流管阀工作原理如图7-9所示，它由射流管接收器组成。射流管阀不是采用节流的方式，而是靠能量分配和 转换实现控制的，能量的分配是靠改变射流管与接收器的相对位置实现的。射流管一般做成收缩形或拉瓦尔管形， 当流体流经射流管时，将压力转换成动能射入接收器，接收器是一个扩张管，液流流经后减速扩压，使进入的流体 恢复其压力能。当射流管位于接收器的两个接收通道之间时，两个接收通道内压力相等，液压缸两腔压力相等，活 塞保持位置不变；假如当射流管向左偏移时，左侧接收孔道内的压力大于右侧接收孔道内的压力，使液压缸左移， 同时接收器也和液压缸一起移动，直到射流管又位于两个接收孔道中间位置为止；反之亦如此。液压缸的移动方向 由控制信号的方向决定，液压缸移动速度的快慢由控制信号的大小决定