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汽车悬挂架减振器性能试验台的电液伺服控制系统

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一、电液伺服控制概述

液压伺服系统是一种闭环控制系统,其控制技术是反馈控制技术、电子技术与液压技术相结合而产生的。它是一种执行元件能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。液压伺服控制系统除了具有液压传动的各种优点外,还具有体积小、响应速度快、系统刚度大和控制精度高等优点,因此广泛应用于机床、重型机械、起重机械、汽车、飞机、船舶和军事装备等方面。

1.液压伺服系统的工作原理及基本特点

(1)液压伺服系统的工作原理图I所示为一简单液压传动系统,用一个四通滑阀控制液压缸去推动负载运动。当向右给阀芯一个输入位移量xi时,则滑阀移动某一开口量xv,此时,压力油进入液压缸右腔,液压缸左腔回油,在压力油的作用下缸体向右运动,输出位移xp。

著将滑阀和液压缸组合成一个整体,上述系统就变成一个简单的液压伺服系统,如图J所示。由于阀体与缸体制成一个整体,从而构成反馈控制。它的反馈控制过程是:当控制滑阀处于中间位置(零位,即没有信号输入,xi=0)时,阀芯凸肩恰好遮住通往液压缸的两个油口,阀没有流量输出,缸体不动,系统的输出量xp =0,系统处于静止平衡状态。

若给控制滑阀一个输入位移xi(如图J中向右),阀芯将偏离其中间位置,则节流窗口a、b便有一个相应的开口量xv= xi,压力油经a口进入液压缸右腔,左腔油液经b口回油,缸体右移xp,由于阀体与缸体是固连在一体的,因此阀体也右移xp,因阀芯受输入端制约,则阀的开口量减小,即xv-xi-xp,直到xp-xi(xv=0)时,阀的输出流量等于零,缸体停止运动,处在一个新的平衡位置,完成了液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。如果控制滑阀反向运动,液压缸也反向跟随运动。这种系统,移动滑阀所需要的信号功率很小,而系统的输出功率却很大。因此,这是一个功率放大系统(功率放大所需要的能量由液压能源供给,供给能量的控制是根据系统偏差的大小而自动地进行)。控制滑阀作为转换、放大元件,把输入的机械信号(位移或速度)转换并放大成液压信号(流量或压力)输出至液压缸。

在这个系统中,输出位移xp之所以能够精确地复现输入位移xi的变化,是因为缸体和阀体是一个整体,构成了负反馈控制。缸体的输出信号(位移xp)反馈至阀体。并与滑阀输入信号(位移xi)进行比较,有偏差(即有开口量)缸体就继续移动,直到偏差消除为止。

由此可见,在此系统中滑阀阀芯不动,液压缸也不动;阀芯移动多少距离,液压缸也移动多少距离;阀芯移动速度快,液压缸移动速度也快;阀芯向哪个方向移动,液压缸也向那个方向移动。只要给控制滑阀以某一规律的输入信号,则执行元件(系统输出)就自动地、准确地跟随控制滑阀,按照这个规律运动。

在这个系统中,反馈介质是机械连接,称为机械反馈。一般说来,反馈介质可以是机械的、电气的、气动的、液压的或它们的组合形式。

综上所述,液压伺服系统的工作原理就是利用反馈得到偏差信号,控制液压能源输入系统的能量(流量和压力),使系统向着减小偏差的方向变化,从而使系统的实际输出与期望值相符。这一原理也可用图K所示的方块图表示。

(2)液压伺服系统的基本特点  通过上述分析,可以看出液压伺服系统具有下列基本特点。

①液压伺服系统是一个自动跟踪系统(或随动系统),输出量能够自动地跟随输入量变化规律而变化。

②液压伺服系统是一个有差系统。系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件,也可以说液压伺服系统是靠偏差信号进行工作的。

③液压伺服系统必须具有负反馈环节。

④液压伺服系统是一个功率放大装置(系统),执行元件输出的功率远大于输入信号的功率,多达几百倍,甚至几千倍。伺服控制过程的物理本质是利用偏差信号去控制液压能源输入到系统的能量,所以液压伺服装置一般也称为液压伺服放大器。

2.液压伺服系统的类型及组成

(1)液压伺服系统的类型液压伺服系统可以从不同的角度加以分类。

(2)液压伺服系统的组成实际的液压伺服系统无论多么复杂,也都是由以下一些功能相同的基本元件组成(可用图L方块图表示)的。

③比较元件:将反馈信号与输入信号进行比较,给出偏差信号。反馈信号与输入信号应是相同的物理量,以便进行比较。比较元件有时不单独存在,而是与输入元件、反馈测量元件或放大元件一起组合为同一结构元件。如上例中伺服阀同时构成比较和放大两种功能。

二、汽车悬挂减振器性能试验台主机功能结构

汽车悬挂减振器性能试验台是减振器研发、生产的必要试验设备,主要用于减振示功特性、速度特性试验。该试验台由主机、液压伺服激振系统和微机测控系统等组成。采用电液伺服和微机测控技术,模拟减振器实际工况,采用试验过程的实时监测和自适应闭环控制。

图M所示为试验台主机结构示意。工作台3、立柱5和横梁6组成试件的装夹框架,装夹框架支撑在机架总成2上;伺服自激装置固定在工作台下,其活塞杆穿过工作台,通过螺纹、过渡件和夹具与减振器下端相连;位移传感器9和速度传感器1与活塞杆固连在一起;力传感器4固定在调整螺杆7上,调整螺杆由螺母固定在横粱上。调整螺杆可以根据不同规格减振器所需的运动空间上下调整。

三、汽车悬挂减振器性能试验台电液伺服系统及微机测控系统的I作原理

图N所示为该试验台电液伺服控制系统的液压原理图。系统的油源为CY-C系列电动机组合泵5,其工作压力和卸荷由电磁溢流阀6设定和控制,压力由表8显示。系统的执行元件为液压缸13,通过电液伺服阀12的控制,液压缸的活塞杆按要求的方向和速度运动并带动减振器运动;伺服阀12前设有精过滤器10,系统还有液位计3、温度调节器4、吸油和回油过滤器1和2、蓄能器7。该系统和微机测控系统一起对试验台进行闭环反馈控制。

图O为微机测控系统原理图。主测控机为IBM-PC微机,通过PIC-6042E型数据采集卡对试验系统进行测控;试验台动作指令由微机发出,通过D/A接口进入伺服阀的控制器进行信号的放大和调节;输出电流信号,使液压缸按要求运动,同时带动减振器运动,并通过位移传感器、速度传感器和力传感器监测位移、速度和阻尼力,这三组信号通过适当调理,分别进入数据采集卡的三路A/D中;计算机通过数据处理得到减振器特性曲线。由于系统采用位置反馈控制,因此位移信号通过适当处理转化为调整指令发送到伺服控制器。

四、汽车悬挂减振器性能试验台技术特点

①该试验台主机结构简单,采用电液伺服控制和微机测控技术,使用方便,人机界面友好,测试精度和效率高。

②液压系统采用电动机组合泵供油,简化了泵组结构设计;通过伺服阀前设精过滤器,回油设过滤器和设置温控调节装置,提高了系统的可靠性。