液压伺服系统的发展和应用

液压技术主要是由于武器装备对高质量控制装置的需要而发展起来的。随着控制理论的出现和控制系统的发展，液压技术与待腻子技术的结合日趋完善，从而产生了广泛应用于武器装备的高质量电液控制系统。同时，液压技术也广泛地应用于许多工业部门。在这个发展过程中，控制装置的需要反过来迫使液压元器件、液压控制系统不断更新，不断发展提高。本文结合课堂所学，简要讲述液压技术的发展和应用。

1.液压传动

将源动力的能量按一定方式和规律传递给工作机构的作用叫传动。在机器中起传动作用的机构叫传动机构。目前传动有五种型式：机械传动、电气传动、气体传动、流体传动和复合传动。在液体传动中，有一种以液体为传动介质，主要靠受压液体的压力能来实现运动和能量传递的叫液压才传动。图1为一个简单的连通器，可以用来传递能量。

图1.连通器简图

当右边小活塞在外力Fo作用下，向下推压右边腔室的液体时，该处的液体通过两腔室间连通的通道被挤压到左边大腔室中，使重物G运动，这样就起到了传动能量的作用。但这种简单的连通器不能连续工作，下面以一个简单的例子来分析液压传动系统。如图2所示，小活塞及其活塞缸为主动缸，在单向阀配合下不断从邮箱吸油，排左边大缸腔，被称为液压泵。左边大活塞及其缸腔为工作缸，不断得到压力油，不断推举重物做功，被称为液压缸。从图中知道，液压泵、液动机（液压缸和液压马达）和控制阀为组成液压系统的三个主要部分，加上辅助装置和液压油，这五个部分是实际液压机构所必须的。

图2.千斤顶的原理图

2.液压元件

根据各个元件在液压系统中的作用，主要分为动力元件(液压能源)—液压泵，执行元件(液动机)—液压马达(输出旋转运动)和液压缸(输出直线运动)，以及各种控制阀。

2.1.液压控制元件

液压阀是液压系统的控制元件，通过它改变系统中流体的运动方向、压力和流量。在节流式伺服系统中，它直接控制执行元件动作；在容积式伺服系统中，它直接控制着泵的变量机构，改变其输出流量，从而间接的对执行元件的动作进行控制。按其功能可分为方向阀、压力阀、流量阀三大类。在液压伺服系统中它是一个机械—液压转换装置，如图3所示。

图3(a).一级阀 图3(b).二级阀

在节流式液压控制系统中，液压控制阀的输出功率要直接操纵执行元件动作，往往是较大的值，而输入阀的功率则通常是很小的，故液压控制阀也是一种功率放大装置。如果放大系数太大，单级阀难以实现，可以用二级阀或者多级阀，二级阀的机构如图3(b)所示。

液压阀随着技术的发展而不断的发展更新。现代液压控制元件不指上面提到

液压控制系统

的液压传动中的三类阀：压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀，而是指用于闭环伺服控制系统的各类阀，主要指各类伺服阀（DDV直动阀）、电液比例阀、高速开关阀、数字阀等。其中，电液比例阀是一种可以根据输入电气信号，按比例对工作油液的压力、流量和方向进行控制的液压控制阀。且电液比例技术作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一。

比例阀根据作用不同可分为比例压力阀、比例流量阀、比例方向阀等。电液比例阀与电液伺服阀相比，比例阀有下述优点：

1）除存在中位死区外，性能与伺服阀相当； 2）系统频宽能够满足大部分工业控制要求； 3）介质过滤精度要求低； 4）价格低，与开关阀相当

正是由于上述优点，比例阀在液压系统中广泛应用。

2.2 液压动力元件

液压动力元件包括液压缸和液压马达，如图4所示：

图4(a).常用液压缸符号

图4(b).叶片式液压马达工作原理图

四通阀控制液压缸的的原理图如图5所示，是由正开口四边滑阀和对称液压

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缸组成的。它是最常用的一种液压动力元件。下面简要分析一下阀控液压缸的动态特性。

图5.四通阀控制液压缸原理图

阀控液压缸的动态特性不但取决于阀和液压缸，也和负载有关。对系统进行线性化可得系统的基本方程如下：

1）滑阀的流量方程： (1)

2）液压缸流量连续性方程：流入液压缸进油腔的流量 为

从液压缸回油腔流出的流量q2为

根据

，线性化简以后可得

(2)

3）液压缸和负载的力平衡方程为：

(3)

根据上述三个基本方程可以推导系统的传递函数，分析系统的动态性能。 由于伺服阀的非线性、液压缸容积的时变性以及阀口加工误差等的影响，很多系统不能保证阀控对称缸的性能，研究阀控非对称缸很有必要而且有现实意义。

3.液压伺服控制

众所周知，液压伺服控制是一门新兴的技术，起源于上世纪50年代。远在

液压控制系统

第一次世界大战前，液压伺服控制曾用于海军舰艇中作为操舵设备。近几十年来，由于整个工业技术的发展，尤其是在军事上和航空与宇航技术上所应用的伺服控制系统逐步向快速、大功率、高精度的方向发展，液压伺服控制所具有的反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚性大等优点，特别受到了重视，因此，液压伺服控制作为一种新兴的技术学科迅速地发展起来。现在，液压伺服控制已在自动化领域占有重要位置，凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都已经采用了液压伺服控制。

现代飞机上的操纵系统，如舵机、助力器、变臂器、人感系统，发动机与电源系统的恒速与恒频调节，火力系统中的雷达与炮塔的跟踪控制等大都采用了液压伺服控制。导弹的作动舵面，摆动发动机燃烧室，发射台的操纵以及人造卫星与宇宙飞船的飞行控制也用到了液压伺服控制系统。飞行器的地面模拟设备，包括飞行模拟台、负载模拟器、大功率模拟振动台、疲劳强度试验的协调加载、大功率材料试验加载等大多采用了液压控制。因此液压伺服控制的发展关系到航空与宇航事业的发展。

液压伺服控制也存在着诸如液压油易污染，液体流动复杂，理论上的描述不如电气成熟，以及管路传输也不如电气方便等缺点。但液压系统特有的大功率、高输出等特点使其在航空宇航、军事、工业等领域有长期生存和有力的竞争地位。

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