液压伺服系统概述

液压伺服系统概述

液压伺服控制技术是液压技术中的一个分支，又是控制领域中的一个重要组成部分。

一、名词解释及定义

1.1 名词

“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系统。

1.2 定义

（1）伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化的自动控制系统。

（2）在自动控制系统中，能够以一定的准确度响应控制信号的系统称为随动系统，亦称伺服系统。

伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。

1.3 伺服系统的组成

伺服系统可分为开环、半闭环、闭环控制系统。

具有反馈的闭环自动控制系统由位置检测部分、偏差放大部分、执行部分及被控对象组成。

1.4 伺服系统的性能要求

伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转; 稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降; 速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。

二、液压伺服系统的发展历史

在第一次世界大战前，液压伺服系统作为海军舰船的操舵装置已开始应用。

在第二次世界大战期间及以后，由于军事需要，特别是武器和飞行器控制系统的需要，以及液压伺服系统本身具有响应快、精度高、功率一重量比大等优点，液压伺服系统的理论研究和实际应用取得了很大的进展，40年代开始了滑阀特性和液压伺服理论的研究，1940年底，首先在飞机上出现了电液伺服系统。但该系统中的滑阀由伺服电机驱动，只作为电液转换器。由于伺服电机惯量大, 使电液转换器成为系统中耗时最大的环节，限制了电液伺服系统的响应速度。到50年代初，出现了快速响应的永磁力矩马达，形成了电液伺服阀的雏形。到50年代末，又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀，进一步提高了伺服阀的快速性。60年代，各种结构的电液伺服阀相继出现，特别是干式力矩马达的出现，使得电液伺服阀的性能日趋完善。由于电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到了迅速的发展。

随着加工能力的提高和液压伺服阀工艺性的改善，使液压伺服阀性能提高、价格降低。使液压伺服系统由军事向一般工业领域推广。目前，液压伺服控制系统，特别是电液伺服系统已成了武器自动化和工业自动化的一个重要方面。

三、液压伺服系统的工作原理

液压伺服控制系统是以液压伺服阀和液压执行元件为主要元件组

成的控制系统，是一种高精度的自动控制系统。

如图所示，系统由滑阀1和液压缸2组成，阀体与缸体固定，液压

泵以恒定的压力P 向系统供油。

当阀心处于中间时，阀口关闭，缸不动，系统静止。

当阀心右移x ，则a 、b 处有开口x v =x,压力油进入缸右腔，左腔回

油，缸体右移。由于缸体与阀体刚性固连，阀体也随缸体一起右移，结

果使阀的开口x v 减小。当缸体位移y 等于阀心位移x 时，缸不动。如果

阀心不断右移，缸拖动负载不停右移。如果阀心反向运动，液压缸也反

向运动。

由上分析可知液压伺服系统的特点：

1．跟踪：系统输出量能自动、快速、准确复现输入量的变化规律。

2．放大：移动阀心力很小，液压缸输出力很大。

3

．反馈：把输出量部分或全部按一定方式回送到输入端，和输入

信号比较，这就是反馈。若反馈信号不断抵消输入信号作用，则称为负反馈，负反馈是自动控制系统的主要特征。（本例中阀体与缸体刚性连接是负反馈，是一种机械反馈）

4．偏差：输入信号与反馈信号的差值称为偏差。（图中x v ，x v =x-y）只要有偏差x v ，系统便向减小偏差方向移动，直至消除偏差。

综上所述，液压伺服控制系统的基本原理：利用反馈信号与输入信号相比较得出偏差信号，该偏差信号控制液压能源输入到系统的能量，使系统向减小偏差的方向变化，直至偏差等于零或足够小，从而使系统的实际输出与希望值相等。

换句话说，系统是这样工作的，在输入作用（阀芯位移x ）的开始阶段，输出元件（液压缸）还没有运动，输入和输出间有“差”，这个“差” 使输出元件运动，运动反过来使“差”减小，直至“差”为零（或接近于零）为止。

四、液压伺服系统的组成和类型

（一）液压伺服系统的组成

1． 输入元件：也称指令元件，它将输入信号加于系统输入端。如阀心移动。

2． 检测反馈元件：测量系统的输出量，并转换成反馈信号。如缸体与阀体机械连接。

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。如图中伺服阀同时完成比较和放大两种功能。

4． 放大转换元件：将偏差放大并进行能量形式转换。上图中伺服阀不需放大偏差信号，只使偏差转换成液压输出量。

5． 执行元件：产生调节动作加于控制对象上。与一般液压系统相同，执行元件可以是液压缸或液压马达。

6． 控制对象：被控制的机器设备，即负载。

液压伺服系统的组成如下所示：

（二） 液压伺服系统的类型

1． 按控制信号

机液伺服系统：信号给定、反馈和比较环节均采用机械构件实现。

电液伺服系统：误差信号检测、校正和初始放大均采用电气元件实现。

气压伺服系统：误差信号检测、校正和初始放大均采用气动元件实现。

2． 按输出物理量

位置伺服系统、速度伺服系统、力伺服系统

3． 按控制元件

阀控系统和泵控系统

五、液压伺服阀简介

液压伺服阀是液压伺服系统中的核心控制元件，下面简介

几种常用液压伺服阀。

1． 滑阀

通常有单边滑阀、双边滑阀和四边滑阀。它们的作用相同，都起换向和节流作用。

如图示双边滑阀。压力油一路直接进入液压缸有杆腔，使p s =p2，另一路经滑阀左控制边开口x v1和液压缸无杆腔相通，并经滑阀右控制边的开口x v2流回油箱，显然，液压缸无杆腔压力p 1

2． 喷嘴挡板阀

如图双喷嘴式挡板阀。喷嘴与挡板间的间隙δ1和δ2构成两个可变

节流口，当挡板处于中间位置时，δ1=δ2，液阻相等，p 1= p2，液压缸

不动，压力油经小孔4和5，缝隙δ1和δ2流回油箱。挡板左偏摆，δ1

减小，δ2增大，p 1上升， p下降，液压缸左移。因喷嘴和缸体连在一

起，喷嘴左移，形成负反馈，当喷嘴跟随缸体移动到挡板两边对称位置

时，液压缸停止运动。挡板反向，液压缸也反向。

3． 电液伺服阀

图示是一种典型的电液伺服阀结构原理图。由力矩马达、双喷嘴挡

扳阀、四边滑阀组成。当无电流信号输入时，力矩马达无输出，与衔铁

5固定在一起的档板9处于中位，主滑阀心处于中位。液压油进入主滑

阀口，不能进入A 、B 口，但经固定节流孔10和13分别引到喷嘴8和7，

经喷射后流回油箱。由于档板处于中位，液阻相等，喷嘴前的压力 p1、

p 2相等，主阀心处于中位。若线圈输入电流，控制线圈中将产生磁通，

使衔铁产生磁力矩。当磁力矩顺时针时，衔铁连同档板一起绕弹簧管中

的支点顺时针偏转，左喷嘴8间隙减小，右喷嘴7间隙增大， p1增大、

p 2减小，滑阀心右移， ps与B 相通，A 与T 相通。在主阀心右移时，通过挡板下端弹簧杆11反馈作用使档板逆时针偏转，使左喷嘴8间隙增大，右喷嘴7间隙减小，于是压力p 1减小、 p2增大。当反馈弹簧杆上的液压力、弹簧管反力矩与力马达电磁力矩相等时，主阀芯稳定在一定开口下工作。输入电流越大，滑阀心位移越大。当控制电流反向时，滑心左移，输出液压油也反向流动。

六、液压伺服系统应用

液压伺服控制系统在国防工业中，用于飞机的操纵系统、导弹的自动控制系统、火炮操纵系统、坦克火炮稳定装置、雷达跟踪系统和舰艇的操舵装置等。在民用工业中，用于仿形机床、数控机床、电火花加工机床；船舶上的舵机操纵和消摆系统；试验装置方面的材料试验机、轮胎试验机等；轧制设备中的轧机液压压下、带材连续生产机的跑偏控制、张力控制；燃气轮机及水轮机转速自调系统等。

下面举几个典型例子说明：

（一） 机械手伸缩液压伺服系统

机械手应能按要求完成一系列动作，包括伸

缩、回转、升降、手腕动作等。现仅以伸缩运动

伺服系统为例，介绍其工作原理，其它动作原理

均相同。

图示系统主要由电放大器1、电液伺服阀2、

液压缸3、机械手手臂4、齿轮齿条机构5、电位

器6和步进电动机7等元件组成。指令信号由步进

电动机发出。步进电动机将数控装置发出的脉冲

信号转换成角位移，其输出转角与输入脉冲数成

正比，输出转速与输入脉冲频率成正比。步进电

动机的输出轴与电位器的动触头连接。电位器输

出的微弱电压经放大器放大后，产生相应的信号

电流控制电液伺服阀，从而推动液压缸产生相应

的位移。其位移又通过齿条带动齿轮转动。由于

电位器固定在齿轮上，因此，最终又使触头回到中位，从而控制机械手的伸缩运动。其工作过程如下：

当数控装置发出一定数量的脉冲时，步进电机就带动电位器的动触头转动，假定顺时针转过一定的角度θ，这时，电位器输出电压为u ，经放大器放大后输出电流I ，使电液伺服阀产生一定的开口量。这时，电液伺服阀处于左位，压力油进入液压缸左腔，推动活塞带动机械手手臂右移，液压缸右腔回油经伺服阀流回油箱。此时，机械手手传上的齿条带动齿轮也作顺时针转动，当转到θf =θ时，动触头回到电位器中位，电位器输出电压为零，放大器输出电流也为零，电液伺服阀回到零位，没有流量输出，手臂即停止运动。当数控装置发出反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，机械手手臂缩回。

（二） 汽车转向液压助力器

大型载重卡车广泛采用液压助力器，以减轻司

机的体力劳动。这种液压助力器是一种位置控制的

液压伺服机构。

图示是转向液压助力器简图，它主要由液压缸

和控制滑阀两部分组成。液压缸活塞1的右端通过

铰销固定在汽车底盘上，液压缸缸体2和控制滑阀

阀体连在一起形成负反馈，由方向盘5通过摆杆4控

制滑阀阀芯3的移动。当缸体2前后移动时，通过转

向连杆机构6等控制车轮偏转，从而操纵汽车转向。

当阀芯3处于图示位置时，各阀口均关闭，缸体2固

定不动，汽车保持直线运动。当旋转方向盘，假设

使阀芯3向右移动时，液压缸中压力p1减小,p2增

大，缸体也向右移动，带动转向连杆6向逆时针方

向摆动，使车轮向左偏转。实现左转弯；反之，缸

体若问左移就可实现右转弯。

实际操作上，驾驶员的方向盘的旋转方向和汽

车转弯的方向上是相应的。为使驾驶员在操纵万向

盘时能感觉到转向的阻力，可以在控制滑阀端部增

加两个油腔，分别与液压缸前后腔相通，这时移动控制阀阀芯时所需的力就和液压缸的两腔压力差(Δp=p1-p2)成正比，因而具有真实感.

（三） 数控机床液压伺服系统

图示是常见的开环数控机床液压伺服系统简图。图中

元件3和6是电液步进马达，它是由步进电动机和液压扭矩

放大器组合而成。步进电动机也称脉冲电动机，它能把数

控装置发出的脉冲信号转变成机械角位移。它每接收一个

脉冲信号，输出轴就转一个角度 (称为步距角) 。其输出

轴直接或通过齿轮与伺服阀芯连接，带动阀芯旋转。

电子计算机根据程序指令发出一定频率的脉冲信号

给电液步迸马达3、6，这两个电液步进马达就配合转动，

通过各自的滚珠丝杠副带动工作台z 和床鞍1同时运动，这

两个运动合成的结果，使铣刀4在工件5的表面上铣出所要

求的外廓形状来。

七、主要优缺点

1．液压伺服系统的优点

液压伺服系统除具有液压传动所固有的一系列优点外，如下优点：

（1） 承载能力大。电气元件的力一质量比小，优质电磁铁每平方厘米能产生的最大力约为175N ，而液压缸的最大工

52作压力达320×10N/m。由此可见，同样尺寸的液压元件比电气元件产生的力要大得多。

（2） 响应速度快。由于常温常压下，液压油压缩性很小，相当于一个刚度很大的液压弹簧，因此液压固有频率很高，从而使液压执行元件的响应速度快，能高速起动、制动与反向。与液压系统具有相同压力和负载的气动系统，其响应速度只有液压系统的1/50。一般来说，电气系统的响应速度也不如液压系统。

（3） 控制精度高。因为液压执行元件的液压弹簧刚度很大，而泄漏又很小，故速度刚度和位置刚度都很大。

综上所述，液压伺服控制系统体积小、重量轻、响应速度快、控制精度高。除此而外，还有一些优点，如元件的润滑性好、寿命长；调速范围宽、低速稳定性好；借助油管，动力的传输比较方便；过载保护容易等。

2．液压伺服控制系统的缺点

(1) 液压元件，特别是精密的控制元件 (如电液伺服阀) 抗油污能力差，对工作油液的清洁度要求高。污染的抽液会使阀磨损而降低其性能，甚至可能被堵塞粘住而不能工作。因此液压控制系统必须采用精细的过滤器。

(2) 液体的体积弹性模量随温度和混入油中的空气含量而变。当温度变化时对系统性能有显著影响。

(3) 使用不当，容易引起外漏，造成环境污染。

(4) 液压元件制造精度要求高，成本较高。

随着科学技术的发展，液压伺服系统的缺点将不断得到克服。在自动化控制技术领域，液压伺服控制有着广泛的应用前景。

八. 国内较大型伺服系统生产厂家

就市场部前期的市场调查摸底，在国内较知名的伺服系统企业有：中航609研究所、北京航空航天电液伺服技术中心、南京科远自动化集团股份有限公司、北京四达合道液压技术有限公司（系统代理商）、北京和利时集团、上海科星自动化技术有限公司、上海茂晟电站机械有限公司、上海迈迪液压机电有限公司、烟台伟航电液设备有限公司等。