CHAPTER7

MEASURING CONTROL DYNAMIC CHARACTERISTICS

When control system components are available, it may be desirable to determine the dynamic response characteristics of the components either individually or working together in the system. The results of this dynamic testing will provide information for determining the component#39;s or the system#39;s transfer function equation. However, the results usually indicate only the larger time constants.

There are several basic methods for conducting dynamic tests. These methods differ according to the type of input transient imposed on the control unit, such as a step or a sinusoidal function, and also as to whether the phase-angle relationship between the input signal and the resulting output signal is measured. The method used generally depends on the availability of certain types of dynamic measuring equipment and on the requirements of accuracy of the resulting dynamic test information.

There are several reasons for measuring the dynamic response charac-teristics of control units. The measured characteristics not only serve to check the preliminary dynamic analysis and the final design of the unit, but the information can also be used to determine whether the actual component is performing satisfactorily. Certain components and control circuits may be very difficult to analyze or may have unknown design characteristics; therefore, by measuring the response characteristics of these units, the remainder of the control system may be designed or adjusted to provide the required over-all system stability and performance characteristics.

7.1. INSTRUMENTATION

In dynamic testing, instrumentation becomes very important and somewhat difficult because the variations of the measured variable must be recorded as a function of time. The normal methods of recording and measuring signals which vary as a function of time are by oscilloscope or oscillograph. However, these instruments require that the variable to be measured be converted into a proportional electrical signal of voltage or current. This requirement to convert all mechanical-hydraulic variables to electrical signals has led to the development of many types of transducers. These transducers must not only be accurate but also very fast, so as not to introduce additional time delays between the measured variable and the eleetrical sigaal output that is to be recorded.

At the present time there are many types of electrical transducers commercially available. These units vary in operating principle such as using variations in capacitance, reluctance, and resistance as the means of providing the proportional electrical output signal. These transducers may be classed as to the type of variable that may be measured, such as pressure, flow, position, force, velocity, or acceleration. Of all the parameters that need to be measured, it is probably most difficult to obtain fast response measurements of flow. This is because flow cannot be directly measured but must be converted into some other form of signal before conversion by a transducer into an electrical signal.

Because of the tremendous growth in the field of control systems during the last several years, instrumentation has become a major field ofendeavor. Not only are all types of transducers necessary for the measurement of control system transients, but they are also required as means of obtaining feedback signals and as control components in the system.

The testing for control dynamic characteristics also requires meang for introducing controlled input signals or disturbances to the system as weill as the measurement of the parameters of interest and the recording of all transients in relationship to the input disturbance.

The following sectiong illustrate a few of the methods of determining the dynamic characteristics of control components as well as of control systems.

7.2.STEP INPUTS

Probably the first method of determining a system#39;s dynamic characteristic was to impose a step input on a system aind to observe the response of the system to this input. By analyzing the aystem#39;s transient as a function of time, certain dynamic characteristics could be established as to the system#39;s stability and relative stability. By equation and curve fitting the major system time constants could be established for use in additional control system analysis and system performance. information. At a later date certain approximations were established which aided in the direct reading of the control time constants from the syatem transients resulting from this step input.

Figure 7.1 illustrates afew typical responses to a step input signal.The eorresponding system transfer functions are given. As. may be naticed this method for determining a system#39;s dynamic characteristic may be perfectly adequate if there is only one predominant time constant or predominant system resonance. However, if there are several time constants present, or if the system has multiple feedback circuits, the output transient may be very difficult to analyze.

It is important that the step function that is to be applied to the system be as pure a step as possible. With mechanical-hydraulic types of control systems this may be very difficult, especially if there is mass present at the system input. There may also be limitations as to recording means if the major system time constants are very small. The magnitude of the step input must not be so large as to saturate any part of the system; or likewise if there are relatively large nonlincarities, the output transient would have little meaning and could provide erroneous information.

The primary advantage of this method of determining system dynamic characteristics is its simplicity and low requirement for instrumentation and recording equipment.

7.3.SINUSOIDAL INPUTS

With the advent of the solution of system equations and

第七章测量控制动态特性

当控制系统组件可用时，可能需要单独地或在系统中一起确定组件的动态响应特性。此动态测试的结果将提供用于确定组件或系统传递函数方程的信息。但是，结果通常只表示较大的时间常数。

有几种进行动态测试的基本方法。这些方法根据施加在控制单元上的输入瞬态的类型（例如阶梯或正弦函数）以及输入信号和所得输出信号之间的相角关系是否被测量而不同。所使用的方法通常取决于某些类型的动态测量设备的可用性以及所得动态测试信息的准确性要求。

测量控制单元的动态响应特性有几个益处。测量的特征不仅用于检查初步动态分析和单元的最终设计，而且该信息还可用于确定实际部件是否令人满意地运行。某些组件和控制电路可能非常难以分析，或者可能具有未知的设计特征；因此，通过测量这些单元的响应特性，可以设计或调整控制系统的其余部分，以提供所需的整体系统稳定性和性能特性。

7.1仪器

在动态测试中，仪器变得非常重要并且有些重要，因为测量变量的变化必须记录为时间的函数。记录和测量随时间变化的信号的常规方法是通过示波管或示波器。然而，这些仪器要求将待测量的变量转换成电压或电流的比例电信号。将所有机械液压变量转换成电信号的这种要求引导了许多类型的换能器的发展。这些传感器不仅必须准确而且速度非常快，以免在测量变量和要记录的电子信号输出之间引入额外的时间延迟。

目前，市场上有许多类型的电传感器。这些单元的工作原理各不相同，例如使用电容，磁阻和电阻的变化作为提供比例电输出信号的手段。这些换能器可以归类为可以测量的变量的类型，例如压力，流量，位置，力，速度或加速度。在需要测量的所有参数中，可能最难获得流量的快速响应测量。这是因为流量不能直接测量，但可以在换能器转换成电信号之前转换成其他形式的信号。

由于过去几年控制系统领域的巨大发展，仪器已成为一个主要的努力领域。不仅传感器的所有类型都是测量控制系统瞬态所必需的，而且它们也被要求作为获得反馈信号和作为系统中的控制部件的手段。

控制动态特性的测试还需要用于将受控输入信号或干扰引入系统以及测量感兴趣的参数和记录与输入干扰相关的所有瞬态的装置。

7.2步骤输入

确定系统动态特性的第一种方法可能是在系统上施加阶跃输入并观察系统对该输入的响应。通过分析系统的瞬态作为时间的函数，可以建立关于系统稳定性和相对稳定性的某些动态特性。通过方程和曲线拟合，可以建立主要系统时间常数，以用于附加控制系统分析和系统性能信息。在之后，建立某些近似值，这有助于直接读取由该步骤输入产生的系统瞬变的控制时间常数。

图7.1说明了对阶跃输入信号的一些典型响应。给出了相应的系统传递函数。如，可以注意到，如果只有一个主要的时间常数或主要的系统共振，这种确定系统动态特性的这种方法可能是完全合适的。但是，如果存在多个时间常数，或者如果系统具有多个反馈电路，则输出瞬态可能非常难以分析。

重要的是要应用于系统的阶梯函数尽可能纯粹。对于机械液压类型的控制系统，这可能非常困难，尤其是在系统输入处存在质量的情况下。如果主要系统时间常数是非常小的，则对记录装置也可能存在限制。阶跃输入的幅度不能大到使系统的任何部分饱和;或者同样，如果存在相对较大的非线性，则输出瞬态将没有多大意义并且可能提供错误信息。

这种确定系统动态特性的方法的主要优点是其简单性和对仪器和记录设备的低要求。

7.3.正弦输入

随着系统方程的解决方案和基于正弦输入的稳定性标准的出现，意味着系统的实际测试的装置将被建立，用于扫描重要频谱的正弦波输入信号。

开发出正弦波信号发生器，可以向系统提供输入驱动信号。然后很容易就可以调整这些单元以提供正弦波的各种频率。通过记录系统的输入和输出信号的幅度，可以确定系统动态特性。如果相对于频率绘制输出信号的幅度与输入信号的比率，则可以为系统提供频率响应曲线。此外，如果幅度比率转换为分贝（对数输出/输入）并绘制为每秒弧度的频率对数的函数，得到的曲线将是系统的伯德图。然后可以通过将波德图分成几条直线来近似建立系统的时间常数。直线的交点将给出中断频率或系统时间常数的倒数。

图7.2以框图形式表示使用正弦输入进行动态测试的方法连接设备。根据所使用的控制系统的类型，输入正弦驱动信号可以是电压或电流，而对于机械液压系统，可能需要机械运动。然后可以使用示波器记录器记录系统的输入和输出信号的幅度，用于不同的输入驱动频率，如图7.3所示。通过绘制输出的磁场比率与不同频率的输入信号，可以确定系统的频率响应曲线（图7.4）。如果幅度比即以分贝绘制，如图7.5所示，结果将是系统的波特图，然后可以通过使用如前所述的波特图的直线近似来确定系统的时间常数。

尽管用于确定系统动态特性的正弦输入方法提供了关于系统时间常数的更详细信息，但是它仍然提供关于在更复杂类型的系统中期望的相位角关系的非常准确的信息。

7.4.转移功能分析仪

传递函数分析仪是一种应用于一般伺服机构测试设备的名称，它不仅提供可变频率的正弦输入驱动信号，而且还具有直接读取所应用的输入信号与所得输入信号之间的相角和衰减关系的装置，测试系统的输出。

由于这些分析仪提供相位角信息，因此它们在系统分析和测试工作中极具价值。他们可能会用于评估最复杂的控制系统，因为在重要频谱上测量的相位角也将包括可能在给定的频率范围之外的时间常数的影响。

目前，市场上有几种类型的传递函数分析器或伺服测试器。尽管它们使用不同的方法来建立和显示相角和衰减读数，但通常都使用相同的基本操作模式。

图7.6表示块形式的一般布置，分析器由变频正弦波发生器组成，校准衰减器电路，用于相移的电路，归零电路，以及用于检测归零的装置，例如示波镜或示波器。

为了操作测试仪，将频率调整到所需频谱内的低频正弦波信号。通过移相器和衰减器电路连接应用于头部下的伺服器。然后通过归零电路和零点检测器将来自电路的最终输出与来自待测伺服输出的信号进行比较。为了确定该频率下的衰减和相移，调节衰减器和移相器以提供正好180°异相但与伺服输出的信号大小相同的正弦波信号。这由内部检测器产生的零信号确定。现在可以直接在测试仪刻度盘上读取衰减和相位角偏移，一旦记录了读数，输入驱动信号的频率就可以随着衰减和相移读数的调整而改变到更高的频率等等，直到覆盖了显着的频谱。现在可以相对于频率绘制结果数据，给出正在测试的伺服单元的衰减和相位角曲线。

如果被测系统具有多个串联组件，则可首先获得整体系统衰减和相角曲线。还可以通过获取任何一个或任何组件组合的输出信号并将该信号应用于伺服测试器零检测器电路来获得各种组件的贡献。由于每个分量的衰减和相移的贡献增加了系统曲线，因此它们同样可以从系统曲线中减去，以提供单独的分量相移和衰减曲线。

大多数传递函数分析仪提供低功率电压信号，以驱动伺服系统，因此通常需要放大器。然而，该驱动信号可以是机械的，只要还为衰减和相移电路提供电压信号，以与电压信号进行比较，该电压信号与被测伺服的输出成比例。图7.7显示了机械输入型分析仪的示例。测试仪可以连接到液压阀 - 活塞伺服系统，如图7.8所示。图7.9给出的相角和衰减曲线是用这种类型的传递函数分析仪可获得的信息的一个例子。

7.5.控制非线性的影响

通过前述测量控制系统动态特性的方法获得的结果取决于被测对照的线性度。类似于大多数伺服机构理论，这些方法基于线性系统微分方程的解决方案，通过使用阶跃或正弦输入作为确定相对稳定性的手段。因此，为了在动态测试结果和计算的控制系统方程之间获得合理的相关性，控制系统必须在动态测试期间在其线性操作范围内尽可能地操作。如果非线性或非线性组合与动态测试所涵盖的总工作范围相比为10％或更低，则测试结果的相关性将非常好。

系统内的非线性效应是在响应测试期间扭曲系统的输出信号。这种失真将使分析步进输入法获得的测试结果变得非常困难。尽管控制输出信号失真，传递函数分析器方法仍然非常有效。由于获得了衰减和相位角信息，因此可以确定非线性对附加相移和衰减的影响。

在非线性控制系统的动态测试中，通常在输入信号的不同幅度下进行测试是很重要的。然后，非线性对系统稳定性和性能的影响可以通过衰减和相移特性的变化来确定，作为施加到系统的输入信号的幅度的函数。在非常小的和非常大的干扰期间，该过程也可能是期望的，以确保系统的令人满意的性能特征。

翻译2：

摘要：完整的液压系统由五部分组成，即动力部件，执行器，控制部件，辅助部件（附件）和液压油。液压系统的功能是帮助人类工作，主要是通过执行元件进入旋转压力或往复运动。液压系统的其他优点包括双向运动，过载保护和变速控制。在任何现有的动力系统中，液压系统还具有最大的单位质量功率比。密封件和密封件是液压设备的重要组成部分。其可靠性和使用寿命是衡量液压系统质量的重要指标。

关键词：功率元件；致动元件；控制元件；辅助元件；液压流体。

通常，只有三种传输功率的基本方式：电气，机械和液压。大多数应用程序实际上将这三种方法组合成最有效和最全面的系统。为了合理地确定采用哪种方法，理解各种方法的显着特征是很重要的。例如，液压系统比机械系统在更长的距离内更经济地传输动力。然而，液压系统具有比电气系统更短的传动距离。

液压传动有许多突出的优点，它被广泛应用，如塑料加工机械，压力机械，工程机械，机床等机械设备的一般工业用途；工程机械，农业机械，汽车和其他冶金机械的应用；钢铁工业，起重机械，滚筒调节装置；水利工程中的控制闸门装置，河床升降装置，桥梁等操作机构；核电站等高速涡轮发电厂设备；船用甲板用起重机（绞车），弓门，舱壁阀门船尾推进器；特殊技术巨型天线带控制装置测量浮标运动，如旋转台；军用工业控制装置用于炮兵防滚装置飞机模拟飞机伸缩式起落架和舵控装置装置。特殊天线技术控制装置，测量浮标，升降和旋转台；军用炮兵部队，船舶防抱装置，飞行模拟装置及其他用于起落架和转向装置舵控制的装备。

液压系统的功能是通过改变压力来增加力。液压系统的质量取决于系统设计的合理性，系统组件的性能，系统的污染防治和处理，最后一点尤为重要。近年来，中国的国内液压技术有了很大的提高，不再仅仅采用国外液压技术进行加工。

完整的液压系统由五部分组成，即动力部件，执行器，控制部件，辅助部件（附件）和液压油。

功率元件的功能是将原动机的机械能转换为液体的压力能，液压系统中的油泵为整个液压系统提供动力。液压泵的结构通常包括齿轮泵，叶片泵和活塞泵。

执行元件（如液压缸和液压马达）

用于将流体的压力能转换成机械能并以线性往复运动或回转运动驱动负载。

控制元件（即液压阀）控制和调节液压系统中液体的压力，流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀，流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀分为益流阀（安全法），减压阀，顺序阀，压力继电器等；流量控制阀包括节流阀，调节阀，导流阀；方向控制阀包括单向阀单向流体控制阀，梭阀，换向阀等。根据不同的控制方式，液压阀可分为开关控制阀，定值控制阀和比例控制阀。

辅助部件包括油箱，机油滤清器，油管和管接头，密封圈，快换接头，高压球阀，软管总成，压力测量接头，压力表，油位，油温表等。

液压油是液压系统中能量传递的媒介。

矿物油，乳液和合成液压油有几种。

液压系统的功能是帮助人类工作，主要是通过执行元件进入旋转压力或往复运动。液压原理：它由两种不同尺寸的气缸组成，充满水或油。充满水，称为“液压机”，充满油称为“液压机”。两个液压缸中的每一个都有可动活塞，如果放在小活塞上的压力，根据帕斯卡定律，小活塞压力通过液体压力活塞到活塞，活塞顶部将移动很长的距离。基本小活塞的横截面积为S1，加上一个向下力F1的小活塞。因此，液体上的压力小活塞，P = F1 / S1，可以在所有方向上均匀传递。通过大活塞的压力也是P。如果活塞的横截面积是S2，压力F2 = P * S2 P压力活塞向上，小活塞的横截面积是几倍，除了小活塞小活塞力外，还会有很大的压力，液压机用于压制胶合板，机油，起重，锻钢。

液压系统成功与多功能的秘诀在于其多功能性和易操作性。液压动力传动不会受到限制，机器的几何形状作为一个机械系统，此外，液压系统不受电气系统等物质的物理性质的限制，它几乎没有任何动力传递限制。例如，电磁铁的性能受钢磁饱和极限的限制，相反，液压系统的功率仅受材料强度的限制。

为了提高生产率，企业将越来越依赖自动化，包括远程和直接控制生产操作，加工和材料处理。液压动力已成为自动化的重要组成部分，因为它具有以下四个主要优点：

1。操控方便，操作杆和简单按钮操作准确，液压系统操作员可立即启动，停止，调速并可提供任意动力，位置精度为1/10000英寸的位置控制。导致驾驶员的液压系统升降起落架。当先导阀在一个方向上移动控制阀时，压力油流入液压缸的空腔中并因此下降。

2。力，液压系统无需使用重型齿轮，滑轮杠杆可以简单有效地小于一盎司的力放大，产生数百吨的力输出。

3。恒力或恒扭矩，只有液压系统能提供不随速度变化而变化的恒力或恒扭矩，它可以驱动对象从每小时移动几英寸到每分钟几百英寸。从每小时几转到每分钟几千转。

简单，安全，经济，一般而言，液压系统比机械或电气系统使用更少的运动部件，因此易于运行和维护。这使得系统紧凑，安全可靠。例如，用于车辆的新型动力转向装置已经从其他类型的转向动力单元中逐步淘汰，其包括手动控制。

方向控制阀和分配器。由于转向部件是全液压的，因此没有万向节，轴承，齿轮减速器和其他机械连接，这使得系统简单紧凑。此外，只有非常小的输入扭矩才能产生满足极端恶劣工作条件所需的控制力。对于空间限制的操作非常重要，并且需要一个小的方向盘，这是减少操作员疲劳的场合所必需的。

液压系统的其他优点包括双向运动，过载保护和变速控制。在任何现有的动力系统中，液压系统还具有最

资料编号：[4380]