電液比例控制概述及設(shè)計的主要任務(wù)

1、第1章電液比例控制概述及設(shè)計的主要任務(wù)1.1比例控制技術(shù)的含義習慣上，把使用比例控制元件（含比例閥、比例控制泵及比例放大器）的液壓系統(tǒng)稱為 電液比例控制系統(tǒng).嚴格的講，比例控制是實現(xiàn)元件或系統(tǒng)的被控制量（輸出）與控制量（輸入或指令）之 間線性關(guān)系的技術(shù)手段，依靠這一手段要保證輸出量的大小按確定的比例隨著輸入量的變化 而變化.絕對的線性關(guān)系是不存在的，工程上認為，將線性偏差值控制在允許的誤差范圉內(nèi)的比 例關(guān)系就是線性關(guān)系.電液比例控制技術(shù)是以開環(huán)傳動為主要特征的傳統(tǒng)液壓傳動技術(shù)和以閉環(huán)控制為特征的 電液伺服控制技術(shù)基礎(chǔ)上，為適應(yīng)一般工程系統(tǒng)對傳動與控制特性提出的更高的要求，從上 個世紀六七十年代

2、開始逐步發(fā)展起來的的流體傳動與控制領(lǐng)域中一個具有旺盛生命力的新分 支.現(xiàn)今，電液比例技術(shù)已成為工業(yè)機械、工程機械及國防尖端產(chǎn)品不可或缺的重要手段，得 到了相關(guān)工業(yè)界、技術(shù)界的格外重視.但III于其所具有的一些特點，對這種技術(shù)的了解、掌握 和運用，不論理論上，還是實踐上，都有很多問題需要研究、探討、總結(jié)、提高，使其逐步 像電液伺服技術(shù)那樣，形成相應(yīng)的科學體系，以更好的推動技術(shù)的發(fā)展.實現(xiàn)輸出量和輸入量的線性關(guān)系，是線性控制理論的要求.因此，從控制原理的角度看， 電業(yè)比例控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)（也要求是線性系統(tǒng)）沒有區(qū)別，但山于二者產(chǎn)生的 歷史背景不同，釆用的技術(shù)手段不一樣，應(yīng)用場合有所側(cè)重，

3、使得在液壓技術(shù)控制領(lǐng)域，人 們總是習慣于嚴格的將比例技術(shù)和液壓技術(shù)區(qū)分開.剛開始接觸比例技術(shù)和伺服技術(shù)的工程技術(shù)人員很容易提岀：比例和伺服究竟有什么關(guān) 系？用什么標準加以區(qū)別呢?1.2比例技術(shù)和伺服技術(shù)的比較一般來說，比例技術(shù)和伺服技術(shù)的主要區(qū)別是液壓控制系統(tǒng)中采用的控制元件不同.電液 比例控制系統(tǒng)（含開環(huán)控制和閉環(huán)控制）采用的控制元件為比例閥和比例泵，液壓伺服控制 系統(tǒng)（只有閉環(huán)流控制）采用的控制元件為伺服閥表1-1為電液技術(shù)發(fā)展史.表1-1電液控制技術(shù)發(fā)展簡史表電液伺服技術(shù)1940年第二次世界 大戰(zhàn)期間由于武器和飛 行器自動控制需要而出 現(xiàn)至1960年日臻成熟但由于對流體介質(zhì) 的清潔度要求

4、十分苛 刻，制造成本和維修費 用比較高，系統(tǒng)耗能也 比較大，難以為各用戶 所接受電 液 比 例 閥 技 術(shù)1960年后期，各類民用工程對電液控制技術(shù)的需求顯得迫切與廣泛，因 此，人們希望開發(fā)一種可靠、廉價、控制精度和響應(yīng)特性均能滿足工業(yè)控 制系統(tǒng)實際需要的電液控制系統(tǒng)，1960年出現(xiàn)了工業(yè)伺服技術(shù)與電液比例 技術(shù)（在傳統(tǒng)開關(guān)閥的基礎(chǔ)上）工業(yè)伺服閥1960年后期出現(xiàn)伺服閥基礎(chǔ)上，增大電 機械轉(zhuǎn)換器功率，適當 簡化伺服閥結(jié)構(gòu)，降低 制造成本.應(yīng)用面不廣早期比例閥1960年后期出現(xiàn)僅將比例電磁鐵用于控 制閥，控制閥原理未 變，性能較差，滯環(huán)形 4-7%,用于開環(huán)比例閥1980年初期出現(xiàn)完善控制閥設(shè)計

5、原理， 采用各種內(nèi)外反饋、電 校正，耐高壓比例電磁 鐵、電控器特性大幅提 高，穩(wěn)態(tài)特性接近伺服閥，頻響5-30hz,但有 零位死區(qū)；及用于開 環(huán)，也用于閉環(huán)伺服比例閥1990年中后期出現(xiàn)制造精度、過濾精度矛 盾淡化，首級閥口零遮 蓋無零位死區(qū)，用比例 電磁鐵為電機械轉(zhuǎn)換 器，2級閥主級閥口小壓 差，頻響30-100hz,用 于閉環(huán)傳統(tǒng)的電液開關(guān)技術(shù)不能滿足高質(zhì)量控制系 統(tǒng)的要求二者的區(qū)別與聯(lián)系表現(xiàn)在以下兒個方面：（1）元件的應(yīng)用范圉不同比例控制元件的控制參數(shù)包括單方向的壓力、單方向的流量、方向+流量、壓力+流量.對 應(yīng)不同的控制參數(shù)，比例控制元件包括比例壓力閥（比例溢流閥、比例減壓閥、（含兩通

6、和 三通）、）比例流量閥（只單方向控制液流的比例節(jié)流閥和比例流量閥）、比例方向閥（采 用節(jié)流原理和流量控制原理在兩個方向上控制液流）、復(fù)合比例控制閥.伺服控制元件控制的參數(shù)包括流量+方向、流量+方向+壓力、壓力+方向、對應(yīng)的有流量 伺服閥、壓力伺服閥、壓力伺服閥和壓力流量復(fù)合控制閥.這類元件的功率級均采用節(jié)流原理 實現(xiàn)對流量（含方向）和壓力（含方向）的比例控制閥.控制元件的上述差別導(dǎo)致比例技術(shù)與伺服技術(shù)的應(yīng)用范圉不同.比例系統(tǒng)可代替普通的液 壓系統(tǒng)和部分伺服系統(tǒng)，其中，比例壓力閥和比例流量閥可分別代替普通的手調(diào)壓力閥和手 調(diào)流量閥，采用比例壓力閥的比例壓力控制系統(tǒng)和采用比例流量閥的比例流量控制

7、系統(tǒng)與伺 服系統(tǒng)沒有可比性，這兩類系統(tǒng)的特征主要與普通的液壓系統(tǒng)相比較.比例方向閥既可代替山普通電磁換向閥（開關(guān)型）和手調(diào)節(jié)流閥組成的流量與方向控制單元，乂與電液伺服閥十分 相似，故比例技術(shù)與伺服技術(shù)的比較主要在釆用比例方向閥的系統(tǒng)與釆用伺服閥的系統(tǒng)中進 行(2) 控制元件釆用的驅(qū)動裝置(電一一機械)轉(zhuǎn)換器不同比例控制元件釆用的驅(qū)動裝置為比例電磁鐵(動鉄式電一一機械轉(zhuǎn)換器)，其輸入電信 號一般為十至兒白毫安，相對于比例閥而言，其電一一機械轉(zhuǎn)換器的輸出功率較小，感抗 小，驅(qū)動力小，但響應(yīng)快.不同的驅(qū)動器采用不同的電放大器有不同的稱呼：驅(qū)動比例電磁鐵 的控制器稱為比例放大器，而驅(qū)動馬達和驅(qū)動馬達力

8、矩的控制器稱為伺服放大器.二者的信號 調(diào)整部分是相似的，主要是功率級的輸出電流大小不同.伺服放大器輸出級的功率電流為十毫 安至兒白毫安，比例放大器功率級輸出電流為兒十毫安到數(shù)安培.(3) 控制元件的性能參數(shù)不同比例閥與伺服閥的性能比較，如表1-2所示表1-2比例閥與伺服閥的性能比較特、別 性伺服閥比例閥滯環(huán)(%)0. 1 -0. 50. 2-0. 53-70. 3-1中位死區(qū)(%)理論上為0理論上為0+5-20 或-5-20+5-20 或-5-20頻寬hz100-50050-15010-5010-70過濾精度 (iso4406)13/9-15/1116/13-18/1416/13-18/141

9、6/13-18/14應(yīng)用場合閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)及閉環(huán)速度控制系統(tǒng)山表1-2不難看出，伺服閥的性能最優(yōu)，伺服比例閥的靜態(tài)特性與伺服閥基本相同，但 相應(yīng)偏低(介于普通比例閥與伺服閥之間)，普通比例閥(含無電反饋比例閥和帶電反饋比 例閥)的死區(qū)大，滯環(huán)大，動態(tài)響應(yīng)低.山于這一原因，對含有普通比例閥的系統(tǒng)進行分析和 仿真時，不能像對伺服閥那樣，采用在零位附近簡單地進行線性化的原則.而應(yīng)該充分考慮大死區(qū)及滯環(huán)等非線性因素響.（4）比例方向閥與伺服閥的性能差異導(dǎo)致二者的應(yīng)用各有側(cè)重.電液伺服閥兒乎沒有零位死區(qū)，通常工作在零位附近，特別強調(diào)零位特性只應(yīng)用在閉環(huán) 控制系統(tǒng)（含位置控制系統(tǒng)、速

10、度控制系統(tǒng)、力或壓力控制系統(tǒng)）.這類系統(tǒng)對控制精度和響 應(yīng)速度要求高，在對系統(tǒng)快速性有要求的場合（如軍事裝備），伺服控制仍然是理想的解決 方案.伺服比例閥基本沒有死區(qū)，基本可以在零位附近工作，也可以在大流量大開口的情形下 工作.因此，伺服比例閥要考慮整個閥芯整個工作行程內(nèi)的特性.伺服比例閥主要用于對性能 要求不高的閉環(huán)系統(tǒng)普通的比例方向閥（喊比例流量閥）對于零位特性沒有特殊要求，它主要工作與開環(huán)系 統(tǒng)，以及閉環(huán)速度控制系統(tǒng).當應(yīng)用于速度控制系統(tǒng)（有差控制時）必須在比例放大器中釆取 快速越過死區(qū)的措施來減小死區(qū)的影響，并使之工作在大開口的狀態(tài).（5）閥芯結(jié)構(gòu)及加工精度不同普通比例換向閥閥芯采用閥

11、芯+閥體結(jié)構(gòu)，閥體兼做閥套.山于死區(qū)大，閥芯與閥套配合 間隙較大，閥口臺階之間的尺寸公差也較大，一般具有互換性.伺服閥和伺服比例閥釆用閥芯 +閥套的結(jié)構(gòu)，二者配做成組件，加工精度要求極高，不具備互換性.比例閥與伺服閥在結(jié)構(gòu) 和加工上這些區(qū)別，直接而導(dǎo)致價格的上的差異，也是對油液過濾精度要求不同的原因.而過 濾精度要求不同，導(dǎo)致系統(tǒng)維護的難易程度和維護成本不同（6）中位機能種類不同比例換向閥具有與普通換向閥極為相似的中位機能，這有利于比例閥適應(yīng)于更多的設(shè)備 工況而伺服閥的中位機能只有。型，適應(yīng)工況單一.（7）閥的額定壓降不同閥的額定壓降定義為通過額定流量時閥上形成的壓力差是閥中兩個閥口（P到a,

12、 b到 t）的壓降之和.為保持電液伺服閥的比例特性，伺服閥需要很高的閥口壓降，一般以三分之一設(shè)汁（通 常為7mpa,單口壓力為3. 5mpa）,它的性能指標也是在這種工況下給定的.伺服比例閥對閥口沒有特殊要求，既能工作于大壓差工況，也能在小壓差下工作，但性 能會有所下降一般情況下，表征單級伺服比例閥額定流量的單閥口壓差與伺服閥一樣，為 3. 5mpa,表征多級伺服比例閥額定流量的單閥口壓差與一般比例閥相同，為0. 5mpa或1. 5mpa.普通電液比例方向閥對閥口壓差也沒有嚴格要求，既能在大壓差工作，也能在小壓差下 工作，表征其額定流量的單口壓差為0. 5mpa或1. 5mpa.伺服閥和比例方

13、向閥對額定壓降的不同要求，導(dǎo)致比例系統(tǒng)的效率較高，伺服系統(tǒng)的效 率較低，兩種系統(tǒng)的運行成本也不同.值得指出的是，盡管比例技術(shù)與伺服技術(shù)各具特點，但隨著技術(shù)的進步，科研和設(shè)計人 員更注重將比例和伺服技術(shù)結(jié)合起來，二者相互滲透，相互融合例如，在三級比例方向閥 中，就釆用噴嘴擋板型伺服閥作為先導(dǎo)閥（二級閥）控制第三級閥的方案，之所以稱之為比 例方向閥，是因為這種形式的比例方向閥的笫三級閥（功率級滑閥）沒有釆用伺服閥的閥芯+ 閥套結(jié)構(gòu)，而是釆用比例閥的閥芯+閥體結(jié)構(gòu).另外，伺服比例閥是釆用比例電磁鐵作為電一 機械轉(zhuǎn)換器而功率級滑閥乂采用伺服閥的加工工藝的方案.這些都是比例和伺服技術(shù)緊密結(jié)合 的結(jié)果.工

14、程設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的具體要求來選擇合適的控制元件（閥和泵），制定合 理方案，充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢保證系統(tǒng)獲得最好的性價比.當采用比例閥或伺服比例閥構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)時，它與伺服系統(tǒng)在控制原理、設(shè)計內(nèi) 容、調(diào)試方法等方面沒有區(qū)別.1. 3比例控制技術(shù)的形成與發(fā)展電液比例控制技術(shù)從形成至今，大致上可劃分4個階段：（1）1967年瑞士 beringer公司生產(chǎn)kl比例復(fù)合閥，到70年代初日本油研公司申請壓 力和流量亮相比例閥專利，標志著比例技術(shù)的誕生時期.此間，比例技術(shù)開始在液壓控制領(lǐng)域 中作為獨立的分支，并以開環(huán)控制應(yīng)用為主.這一階段的比例控制閥僅僅是將新型的電一機械 轉(zhuǎn)換器（比例電磁鐵）用

15、于工業(yè)液壓閥，以替代開關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè) 計方法兒乎沒變化，閥內(nèi)不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在l-5hz之間，滯環(huán)在%4- 7%之間.（2）1975年都1980年，比例技術(shù)的發(fā)展進入第二階段.這是比例技術(shù)發(fā)展最快的階段. 此間，采用各種內(nèi)部反饋原理的比例元件相繼問世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù) 上已經(jīng)成熟.比例元件的工作頻寬已達5-L5hz,滯環(huán)減小到3%左右，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大.20 世紀80年代后期比例變量泵和比例執(zhí)行器相繼出現(xiàn)，偉大功率系統(tǒng)的節(jié)能奠定了基礎(chǔ).應(yīng)用 領(lǐng)域擴大到閉環(huán)控制.（3）20世紀80年代，比例技術(shù)的發(fā)展進入到第三階段.這一階段，比例元件

16、的設(shè)計原 理進一步完善，釆用了壓力、流量、位移反饋和動壓反饋及電校正等手段，使閥的穩(wěn)態(tài)精 度、動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進一步的提高.除了制造成本的的原因，比例閥在中位仍保留死 區(qū)外，他的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性已和工業(yè)伺服閥相當.這一階段的另一項重大進展是比例技術(shù)開始 和插裝閥結(jié)合，開發(fā)出各種不同功能和規(guī)格的二通、三通型比例插裝閥，形成了電液比插裝 技術(shù).此外，曲于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了帶集成放大器的電液一體化比例元件.（4）1990年至今，是比例技術(shù)進一步完善的階段.這一階段有兩項重要的新產(chǎn)品問世. 其一是推出了伺服比例閥（乂稱高性能的電液比例方向閥、比例伺服閥、閉環(huán)比例閥、高頻 響比例閥）這種閥的電-機械轉(zhuǎn)換器釆用比例電磁鐵，功率級閥芯伺服閥的結(jié)構(gòu)和加工工藝（零遮蓋閥口，閥芯與閥套之間的配合精度與伺服閥相當），解決了閉環(huán)控制要求死區(qū)小的 問題.它的性能與價格介于伺服閥與普通比例方向閥之間，但它對油液