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第八章液压伺服作动器
8.1组成与运作
液压伺服执行机构(HSAs)被广泛用于各种设备的位移精确控制。液压伺服执行机构一般是由一个液压执行机构组成，液压执行机构由一个位置无限多的方向控制阀控制，并配有反馈装置。图8.1至8.3为液压伺服执行机构的典型结构和符号。
当阀芯(2)向右偏移z距离时(见图8.1)，阀芯将高压管路(P)与左活塞腔(B)连接，油液从高压管路流向左活塞腔，增加压力PB。右活塞腔(A)与回流管(T)同时连接，压力PA减小，压差(PBminus;PA)作用，使活塞(6)向右运动。方向控制阀(4)的阀体与活塞杆刚性连接，它们作为一个整体运动. 这种位移导致阀瓣开启距离、节流面积、进口流量和活塞速度逐渐减小。最后，当活塞的总位移等于阀芯的位移时，阀芯端口几乎关闭。活塞腔内的压差产生与加载力相等的力。流向气缸室的流体被切断，活塞停止工作。
HSA是通过相对于套筒(或相对于阀体)替换阀芯来操作的。在稳定状态下，为了使活塞停止运动，阀芯应处于空档位置。因此，当活塞位移到要求的位置时，反馈作用使阀芯到中性位置。这种反馈行动可以通过以下任何一种方式实现:
bull;通过将DCV的套筒(取决于活塞杆的位移)按与阀芯相同的运动方向移动(见图8.1)。
bull;通过将阀芯移回其中性位置(见图8.4和8.6)。
图8.1
- 线轴3.线轴位移限制器4.方向控制机5.液压缸6.活塞7.z=阀芯位移y=活塞位移x=阀门开启距离
图8.2
bull;通过同时移动套筒和阀芯，直到它们到达中性位置(见图8.3和8.5)。
在实际工作条件下，所需要的力量，以取代阀芯是微不足道的，而压力的作用下，活塞是足够高的推动活塞对负载
- 控制手柄2.线轴3.线轴位移限制器4.方向控制器5.液压缸6.活塞7.反馈手柄
图8.3机械反馈连杆式高速加速度计的典型设计
8.2液压伺服执行机构的应用
液压伺服执行机构在不同领域有着广泛的应用如:
bull;移动设备的转向系统
bull;机床，如复印机
bull;变量泵的控制
在航空航天和海洋应用中，HSA被用来控制旋转叶片的俯仰角、推力偏转器以及不同控制面(如舵、副翼等)的位移电梯
8.2.1移动设备的转向系统
图8.4为液压伺服执行机构在移动设备转向系统中的应用。它由一个液压发电机，一个4/3方向控制阀，一个旋转执行机构和一个机械反馈机构组成。图中显示了右转时的系统操作。方向盘由操作者顺时针方向转动。阀芯的一端与蜗杆啮合，从螺母中挤出。然后将阀芯移到左边，将高压油导向转向缸的(B)口。
转向油缸(A口)的另一侧通过滑阀与油箱连接。活塞和齿条向右移动，转动小齿轮使前轴或车轮向右转动。只要方向盘还在转动，轮子就会继续转动。当方向盘停止转动时，受压的油将继续流向转向缸，转向缸带动活塞和齿条，并使车轮向右轻微转动。齿条的这种运动引起进一步的小齿轮转动，反馈的向前运动.连接，并拉动螺母和阀芯，直到阀芯达到中性位置.
图8.4液压伺服执行机构在移动转向系统中的应用移动设备
8.2.2机床应用
图8.5为液压伺服执行机构在车削仿形加工中的应用。模型的形状由手写笔决定。带工具的缸体，随着唱针的位移垂直移动。数字.只有当反馈杆处于水平位置，气缸达到与触针相同的位移:大小和方向时，系统才会稳定。考虑到液压伺服执行机构的稳定时间，进给速度不宜太快。
图8.5 HSA在复印机上的应用
8.2.3应用在排量泵控制
在闭合液压回路的情况下，图7A。12和7。液压马达的速度是通过控制液压泵和/或液压马达的位移来设定的。泵的排量可以通过多种控制器进行控制，其中包括液压伺服执行器。图8.6为液压伺服执行机构(HSA)在轴向柱塞泵斜盘角度控制中的应用。该系统由一个方向控制阀(1)、两个液压缸(a和B)和一个机械反馈系统组成.该系统由充液泵提供液压动力。通过控制杆(3)进行控制。当该控制杆处于垂直位置时，反馈杆(4)变为垂直，阀芯处于中性位置。这个初始位置对应于斜板的零偏转角。当控制杆偏转到右边时，杠杆机构将阀芯(5)拉到左边。气缸室(A和B)分别与压力(P)和回流管(T)相连。活塞开始移动，使斜盘逆时针方向旋转。同时，反馈杆(4)顺时针旋转，将阀芯向右位移。当阀芯(5)恢复到中性位置时，系统达到一个新的稳态位置。
图8.6使用液压伺服执行机构控制斜盘角度
8.3 HSA的数学模型
图8.7显示了带有机械反馈的HSA的功能示意图。建立了描述该结构动态行为的数学模型。
通过DCV限制区域的流量
该HSA配备了一个零搭接绕线式定向控制阀。忽略内液压传输线的影响，通过阀门限制(a、b、c、d)的流量如下式所示:
（8.1）
（8.2）
(8.3)
(8.4)
=流量
=供应压力
=回流压力
=节流面积
=液压油密度
=流量系数
=滑阀开启距离
HSA的换向阀通常为零研磨匹配对称型。匹配阀Aa(x) = Ac(x)， Ab(x) = Ad(x)，对称阀Aa(minus;x) = Ab(x)， Ac(minus;x) = Ad(x)。阀的限制面积由下式给出(图8.8)。
图8.8阀门在不同阀芯位置的节流区域a、b、c和d
==
== （8.5）
==
== （8.6）
=港口的宽度
=阀芯径向间隙
=阀门开启距离
=径向间隙面积
连续方程应用于气缸室
实际上，与油的可压缩性引起的油体积变化相比，缸壁材料的变形是可以忽略不计的。然后，忽略内部管道的作用，假设活塞最初在中间位置，将连续性方程应用于气缸室，得到如下方程:
(8.7)
(8.8)
假设泄漏流量与流量成线性正比压差、泄漏流量由下式给出关系:
(8.9)
(8.10)
(8.11)
=活塞面积
=外漏流量
=内部泄漏流量
=抗外漏
=抗内漏
=充油量的一半
反馈机制方程
图8.9为反馈机构的运动学示意图。控制杆位移(z)反馈杆旋转计数器周围 点 (2) 导致 线轴(1)指向按距离移动(d1)在左边。阀体取代活塞向右的距离(y)位移旋转反馈杠杆顺时针围绕点(3)，导致阀芯位移向右移动距离(d2)。假设有一个理想的零研磨阀阀芯开启(x)等于阀芯相对于的净位移阀门住房。8.4.1 HSA传递函数的推导，基于阶跃响应对HSA的动态行为进行了数学描述方程式。(8.1)(8.18)。可以开发一个仿真程序对推导出的数学模型进行了分析。可用的模拟程序，如SIMULINK，使仿真高度非线性系统。仿真程序可用于这两方面的研究HSA的静态和动态行为。此外，转移利用仿真结果可以推导出HSA的功能。这是通过计算阶跃响应，然后确定通过简单的传递函数得到响应。
（8.12）
（8.13）
或者
（8.14）
（8.15）
或者
这里（8.16）
（8.17）
活塞运动方程
（8.18）
=运动部件的相对质量
=摩擦系数
=外载荷力
=活塞位移，m
图8.9反馈机构的运动学示意图
8.4 HSA的传递函数
推导了液压伺服执行机构的传递函数在两个方面:
bull;通过阶跃响应计算
bull;通过数学处理的数学模型
8.4.1 HSA传递函数的推导
基于阶跃响应对HSA的动态行为进行了数学描述方程式。(8.1)(8.18)。可以开发一个仿真程序对推导出的数学模型进行了分析。可用的模拟程序，如SIMULINK，使仿真高度非线性系统。仿真程序可用于这两方面的研究HSA的静态和动态行为。此外，转移利用仿真结果可以推导出HSA的功能。这是通过计算阶跃响应，然后确定通过简单的传递函数得到响应。
8.4.2对HSA传递函数进行解析推导
所研究的液压伺服执行机构(见图8.7和8.8)为用一组非线性隐式微分和代数关系进行数学描述。(8.1)(8.18)]。保险公司可以只有当传递函数的数学模型为时，才能用传递函数来描述线性的，初始条件为0。因此，有必要进位提出一个线性化过程，并假设下面的简化过程假设并考虑到HSA是由小激发的干扰:
- DCV是对称匹配的。
- DCV的阀芯是理想的，零磨损。
- 阀芯径向间隙泄漏是可以忽略不计的进气口和回气口的流量相等。
对于x gt; 0 Q = Qb = Qd, Qa = Qc = 0
对于x lt; 0 Q = Qa = Qc, Qb = Qd = 0
4. 返回压力为0: Pt = 0。
5. 的DCV限制区域是线性比例的短管阀打开。(8.19)
6. 活塞最初在气缸的中间。
7. 加载力FL与活塞成正比位移和载荷压力PL定义为如下:
(8.20)
=(8.21)
将HSA的传递函数数学推导为遵循。
流量方程
(8.22)
(8.23)
(8.24)
因此以下关系可以通过方程式得
(8.22)和(8.23)带入式(8.24)
（8.25）
或者
(8.26）
（8.27）
通过线性化非线性方程可以得到以下关系
(8.28)
这里
(8.29)
（8.30）
连续性方程
以下是适用于两腔的连续性方程液压缸的:
（8.31）
（8.32）
对于小位移，可以忽略不计关于气缸腔内的油量。由式(8.32)减去式(8.31)，得到:
（8.33）
这里
（8.34）
活塞的运动方程
活塞是由液压的压差驱动的气缸腔。假设加载力是线性的与活塞位移成比例，=活塞运动如下:
（8.35）
假设泄漏流量与压差成线性正比，泄漏流量由以下关系式给出:活塞的运动方程活塞是由液压的压差驱动的气缸腔。
在系统的线性化数学模型系统中，变量被看作是这些变量与它们的偏差 然后,Delta;xDelta;Q,Delta;P取而代之的是Q, x, P和Eq。(8.28)
（8.36）
反馈方程
（8.37）
将拉普拉斯变换应用于方程(8.33)和方程(Eqs)。通过(8.37),(8.35)然后，经过重新排列，得到如下传递函数:
HSA的动态行为可以根据推导出的线性化模型，只考虑小扰动在考虑的稳态工作点附近。的系数当初始条件为时，应重新计算传递函数改变了。
(8.38)
这里
(8.39)
(8.40)
(8.41)
（8.42）
8.5阀控致动器
8.5.1流动特性
在HSA的情况下，阀芯的最大位移相对于阀体，DCV受到机械位置的限制限幅器，通常在plusmn;1毫米内。当需要更大的位移时，控制棒应通过施加压力而不断位移需要的力，直到活塞达到要求的位置。在在此期间，阀芯是全开的，阀芯是连续的位移，活塞杆跟随这个位移。因此,它有必要研究系统在这些条件下的行为。
图8.10阀门控制执行机构
在这种工作模式下，HSA充当一个简单的阀门控制装置致动器。图8.10显示了一个对称的液压缸控制通过一个理想的(零研磨)4/3方向控制阀。流通过阀门的流量限制是通过以下方法计算的方程:
（8.43）
（8.44）
（8.45）
（8.46）
对该系统的流动特性进行了研究稳态运行，考虑以下几点假设:
- 所述阀门对称匹配;
= , =和 =, =。
- 液压缸理想;无摩擦，无泄漏。
-
阀芯的节流面积与阀芯位移呈
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