對電液比例及伺服控制系統(tǒng)的綜述

1、摘 要本文詳盡闡述了電液比例控制系統(tǒng)構成、分類和特點，結合對液壓伺服控制系統(tǒng)的控制結構及其特點和基本要求的論述，分析了兩種控制系統(tǒng)目前的發(fā)展狀況。回顧電液控制系統(tǒng)發(fā)展歷史，展望電液控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。關鍵詞：比例控制 伺服控制 發(fā)展趨勢Abstract The paper expounded the composition, classification and the characteristics of the electro-hydraulic proportional control system. Combined with the discussion of the control

2、 structure, basic requirements and the characteristics of hydraulic servo control system, the paper analyzed the state of the development of the two kinds of control systems. Reviewing the development history of the electro-hydraulic control system, the paper elaborated the development trend of the

3、electro-hydraulic control system.Keywords: proportional control , servo control, development trend 目錄摘 要1Abstract.11、引言32、電液比例控制系統(tǒng)組成和分類42.1 電液比例控制系統(tǒng)的組成42.2電液比例控制系統(tǒng)的分類43、電液比例控制系統(tǒng)特點54、電液伺服控制系統(tǒng)的控制結構75、電液伺服控制系統(tǒng)的特點及要求85.1電液伺服系統(tǒng)的特點85.2對電液伺服系統(tǒng)的基本要求96、電液控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢107、結束語11參考文獻：121、引言現(xiàn)代微電子技術的發(fā)展,特別是計算機技術的普

4、及與發(fā)展,又為實現(xiàn)各類工藝過程的最佳控制提供了技術基礎。因此,工程控制理論的應用已逐步從航天、航空和軍事工程領域普及到民用工業(yè)部門。150年代左右,以反饋控制為主體的基于經典控制理論的電液伺服系統(tǒng)得到快速發(fā)展,為工程控制提供了精度高、響應快、大功率的技術手段。70年代末期,以可靠、價廉、節(jié)能、易維護并具有相當高精度和動態(tài)響應特點為標志的電液比例控制技術迅速崛起。電液比例控制技術作為連接現(xiàn)代微電子技術和大功率工程控制設備之間的橋梁,已經成為現(xiàn)代控制工程的基本技術構成之一,在近20年中得到了迅速發(fā)展。它與傳統(tǒng)的電液伺服技術相比,具有可靠、節(jié)能和廉價等明顯特點,已應用于相當廣泛的領域,形成了頗具特色

5、的技術分支。72、電液比例控制系統(tǒng)組成和分類2.1 電液比例控制系統(tǒng)的組成2液比例控制系統(tǒng)由電液比例控制單元（包括電-機械轉換器在內的比例電磁鐵、電液比例變量泵及變量馬達）、液壓執(zhí)行單元（通常為液壓缸或液壓馬達）及動力源、電子放大及校正單元、工程負載及信號檢測反饋處理單元等部分組成，如圖1 所示。電子放大元件將電信號輸出給電-機械轉換器內的比例電磁鐵，電磁鐵將此電信號轉換為作用于閥芯上的力,使工作閥閥芯產生位移，閥口尺寸發(fā)生改變。當電信號發(fā)生變化時，作用在閥芯上的力隨之改變,該力或位移作為輸入量施加給工作閥,工作閥上產生一個與輸入的電信號成比例的流量或壓力。系統(tǒng)中可以有各種反饋和校正裝置,用來

6、改善系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。2.2電液比例控制系統(tǒng)的分類6電液比例控制系統(tǒng)可以從不同的角度按很多方式來進行分類。如前所述,電液伺服控制系統(tǒng)是一種廣義上的比例控制系統(tǒng),因而比例控制可以參照伺服控制系統(tǒng)按代表系統(tǒng)一定特點的分類方式來進行分類。(1)按被控量是否被檢測和反饋來分類:可分為開環(huán)比例控制系統(tǒng)和閉環(huán)比例控制系統(tǒng)。由于比例閥是為適應較低精度的控制系統(tǒng)而開發(fā)的產品,目前的應用以開環(huán)控制為主。隨著整體閉環(huán)比例閥的出現(xiàn),其主要性能與伺服閥無異,因而采用閉環(huán)比例控制的場合也會越來越多。(2)按控制信號的形式來分類:可分為模擬控制和數字式控制。后者又分為脈寬調制、脈碼調制和脈通用的分類方式,由此電液比例控制

7、系統(tǒng)可以分為:比例流量控制系統(tǒng);比例壓力控制系統(tǒng);比例流量壓力控制系統(tǒng);比例速度控制系統(tǒng);比例位置控制系統(tǒng);比例力控制系統(tǒng);比例同步控制系統(tǒng)。3、電液比例控制系統(tǒng)特點5(1)可明顯地簡化液壓系統(tǒng),實現(xiàn)復雜程序控制,降低費用,提高了可靠性,可在電控制器中預設斜坡函數,實現(xiàn)精確而無沖擊的加速或減速,不但改善了控制過程品質,還可縮短工作循環(huán)時間。(2)利用電信號便于實現(xiàn)遠距離控制或遙控。將閥布置在最合適的位置,提高主機的設計柔性。(3)利用反饋提高控制精度或實現(xiàn)特定的控制目標。(4)能按比例控制液流的流量、壓力,從而對執(zhí)行器件實現(xiàn)方向、速度和力的連續(xù)控制,并易實現(xiàn)無級調速。電液比例控制系統(tǒng),由電子放

8、大及校正單元、電液比例控制單元(含機械轉換器在內的比例閥、電液比例變量泵及變量馬達)、動力執(zhí)行單元及動力源、工程負載及信號檢測反饋處理單元所組成。系統(tǒng)可通過設置液壓(壓力和流量)和機械參數中間變量檢測反饋閉環(huán)或動力執(zhí)行單元輸出參數檢測反饋閉環(huán),來改善其穩(wěn)態(tài)控制精度和動態(tài)品質。信號處理單元可采用模擬電子電路、數字式微處理芯片或微機來實現(xiàn)。數字式集成電路在精度、可靠性、穩(wěn)定性等項均占優(yōu)勢,其成本也越來越低廉,故應用日益廣泛。隨著電液比例技術的發(fā)展,對于常用的常規(guī)閥,一般都有相對應的比例閥。比例閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓閥。它可以接收電信號的指令,連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參

9、數,使之與輸入電信號成比例地變化。它可以用于開環(huán)系統(tǒng)中實現(xiàn)隨液壓參數的遙控,也可以作為信號轉換與放大元件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。與比例閥配套供應的電控制器,要具有斷電保持功能,控制信號中要迭加高頻小振幅的顫振信號,以克服摩擦力,保證控制靈活,要有斜坡信號發(fā)生器,以便控制壓力變化,速度或位移部件的加速度,有效防止慣性沖擊;要有函數發(fā)生器,以便補償死區(qū)特性。進入90年代以后,國外的比例閥(電反饋)的工作頻寬大多在10HZ以上。如德國REXROTH公司生產的力士樂4WRE10型/10系列電液比例方向流量閥,對不同的電信號可輸出不同的流量。下表為其特性參數。4、電液伺服控制系統(tǒng)的控制結構3基于DSP的電液伺

10、服控制系統(tǒng)主要由五個部分組成，:智能控制器、功率放大器、電液伺服閥、液壓缸、傳感器(反饋測量元件),系統(tǒng)控制結構如圖2所示。智能控制器是由TMS320LF2407及其外圍電路構成,通過從負載端采集的信號,進行A/D轉換,然后經過軟件控制算法實現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、力控制。功率放大器是由電子元件組成的電路板構成,起功率放大作用,用于直接驅動電液伺服閥。伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的核心元件,能夠對輸出的流量和壓力進行連續(xù)的雙向控制,具有快速的響應速度和良好的控制精度。液壓缸是液壓控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,將液壓能轉換為機械能。傳感器主要用來檢測執(zhí)行機構的壓力(或拉力)、位移、變形,并轉換為數字

11、量,然后作為變量輸入控制器算法程序,實現(xiàn)多種形式的閉環(huán)控制。5、電液伺服控制系統(tǒng)的特點及要求45.1電液伺服系統(tǒng)的特點1. 同是一個位置跟蹤系統(tǒng)。輸出位移自動地跟隨輸入位移的變化規(guī)律而變化，體現(xiàn)為位置跟隨運動。2. 伺服系統(tǒng)是一個功率放大系統(tǒng)。推動滑閥閥芯所需的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率卻可以很大，可帶動較大的負載運動。3. 伺服系統(tǒng)是一個負反饋系統(tǒng)。輸出位移之所以能夠精確地復現(xiàn)輸入位移的變化，是因為控制滑閥的閥體和液壓缸體固連在一起，構成了一個負反饋控制通路。液壓缸輸出位移，通過這個反饋通路回輸給滑閥閥體，并與輸入位移相比較，從而逐漸減小和消除輸出位移和輸入位移之間的偏差，直到兩者相同為止。

12、因此負反饋環(huán)節(jié)是液壓伺服系統(tǒng)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。負反饋也是自動控制系統(tǒng)具有的主要特征。液壓伺服系統(tǒng)是一個有誤差系統(tǒng)。液壓缸位移和閥芯位移之間不存在偏差時，系統(tǒng)就處于靜止狀態(tài)。由此可見，若使液壓缸克服工作阻力并以一定的速度運動，首先必須保證滑閥有一定的閥口開度，這就是液壓伺服系統(tǒng)工作的必要條件。液壓缸運動的結果總是力圖減少這個誤差，但在其工作的任何時刻也不可能完全消除這個誤差。沒有誤差，伺服系統(tǒng)就不能工作。由此可見，液壓伺服控制的基本原理是：利用反饋信號與輸入信號相比較得出偏差信號，該偏差信號控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，直至偏差等于零或足夠小，從而使系統(tǒng)的實際輸

13、出與希望值相符。圖3 液壓伺服系統(tǒng)的一般構成5.2對電液伺服系統(tǒng)的基本要求由于伺服系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)，它是按照偏差原理來進行工作的，因此在實際工作中，由于負載及系統(tǒng)各組成部分都有一定的慣性，油液有可壓縮性等原因，當輸入信號發(fā)生變化時，輸出量并不能立刻跟著發(fā)生相應的變化，而是需要一個過程。在這個過程中，系統(tǒng)的輸出量以及系統(tǒng)各組成部分的狀態(tài)隨時間的變化而變化，這就是通常所說的過度過程或動態(tài)過程。如果系統(tǒng)的動態(tài)過程結束后，又達到新的平衡狀態(tài)，則把這個平衡狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)。一般來說，系統(tǒng)在震蕩過程中，由于存在能量損失，震蕩將會越來越小，很快就會達到穩(wěn)態(tài)。但是，如果活塞負載的慣性很大，油液因混入了空氣

14、而壓縮較大，液壓缸和導管的剛性不足，或系統(tǒng)的結構及其元件的參數選擇不當，則震蕩遲遲不得消失，甚至還會加劇，導致系統(tǒng)不能工作。出現(xiàn)這種情況時，系統(tǒng)被認為是不穩(wěn)定的。因此，對液壓伺服系統(tǒng)的基本要求首先是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法工作。除此以外，還要從穩(wěn)、快、準三個指標來衡量系統(tǒng)性能的好壞：穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)過度過程的性能，既快又穩(wěn)，由控制過程中輸出量偏離希望值小，偏離的時間短，表明系統(tǒng)的動態(tài)精度高。另外系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差必須在允許范圍之內，控制系統(tǒng)才有實用價值，也就是所謂的準。所以說一個高質量的伺服系統(tǒng)在整個控制過程中應該是既穩(wěn)又快又準。6、電液控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 電液比例控制系統(tǒng)和電液

15、伺服控制系統(tǒng)基本構成可以歸納如下:系統(tǒng)的指令及放大單元多采用電氣控制,其中,電機械轉換器有動圈式、動鐵式電磁元件和伺服電動機、步進電動機等。8 電液比例控制系統(tǒng)采用電液比例壓力閥或比例流量閥來替代普通液壓系統(tǒng)中的多級調壓回路或多級調速回路,這樣不僅簡化了系統(tǒng),而且可實現(xiàn)復雜的程序控制及遠距離信號傳輸,便于計算機控制。電液控制系統(tǒng)可分為閉環(huán)和開環(huán)兩種,采用閉環(huán)控制系統(tǒng)可提高執(zhí)行元件輸出參數的控制精度,或實現(xiàn)特定的控制目標。通常電液伺服控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。由于電液比例控制系統(tǒng)對工作介質清潔度無特殊要求,制造成本低,能量損失低,穩(wěn)定和動態(tài)控制特性足以滿足大部分工程控制的要求,因此贏得了比電液伺服系

16、統(tǒng)更為廣泛的應用領域。電液控制技術已經開始向數字化發(fā)展, 液壓技術同電子技術、控制技術的結合日益緊密, 電液元件和系統(tǒng)的性能有了進一步的提高。電液控制技術將在電子設備、控制策略、軟件和材料方面取得更大的突破, 主要包括以下幾個方面。( 1) 與電子技術、計算機技術融為一體。隨著電子組件系統(tǒng)的集，相應的電 子組件接口和現(xiàn)場總線技術開始應用于電液系統(tǒng)的控制中，從而實現(xiàn)高水平的信 息系統(tǒng), 該系統(tǒng)簡化了控制環(huán)節(jié) 、易于維護,提高液壓系統(tǒng)的可控性能和診斷性能。( 2) 更加注重節(jié)能增效。負荷傳感系統(tǒng)和變頻技術等新技術 的應用將使效率大大提高。( 3) 新型電液元件和一體化敏感元件將得到廣泛研究和應用,

17、 如具有耐污染 、高精度 、高頻響的直動型電液控制閥, 液壓變換器及電子油泵等的研究。( 4) 計算機技術將廣泛應用于電液控制系統(tǒng)的設計、建模、仿真試驗和控制中。包含 CAD (計算機輔助設計) 、CAE (計算機輔助分析) 、CAPP (計算機輔 助工藝規(guī)劃) 、CAT (計算機輔助測試) 的 CIMS (計算機制造系統(tǒng)) 將會在電液元件及系統(tǒng)的全過程中發(fā)揮更大的作用。7、結束語電液技術的飛速發(fā)展 , 極大地推動液壓行業(yè)開辟了諸多新興的研究領域。為了實現(xiàn)液壓系統(tǒng)高可控性以及節(jié)能增效的目標, 將液壓技術與微電子技術、先進的控制技術以及傳感器技術相結合, 使得計算機直接或間接參與控制整個液壓系統(tǒng); 電液控制系統(tǒng)屬于本質非線性和不確定性系統(tǒng), 如電液伺服閥的壓力 - 流量特性、液壓動力機構的摩 擦特性和死區(qū)特性、負載特性等都是非線性，而不確定性因素則包括外來干擾力、溫度變化、油源壓力和流量脈動等。7現(xiàn)代控制策略的應用提高了電液控制系統(tǒng)的精確性和適應性。總之電液控制技術已經開始向數字化發(fā)展, 液壓技術同電子技術、控制技術的結合日益緊密, 電液元件和系統(tǒng)的性能有了進一步的提高。電液控制技術將在電子設備、控制策略、軟件和材料方面取得更大的突破。參考文獻： 1 牛占海 對電液比例控制系統(tǒng)的綜述J 機械研究與應用 2004-122 張欣 徐昆鵬 電液比例控制技術的發(fā)展及應用J