對電液比例及伺服控制系統(tǒng)的綜述

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根本要求的論述，分析了兩種控制系統(tǒng)目前的開展狀況?；貞涬娨嚎刂葡到y(tǒng)開展歷史，展望電液控制系統(tǒng)的開展趨勢。關鍵詞：比例控制伺服控制開展趨勢AbstractThepaperexpoundedthecomposition,classificationandthecharacteristicsoftheelectro-hydraulicproportionalcontrolsystem.Combinedwiththediscussionofthecontrolstructure,basicrequirementsandthecharacteristicsofhydraulicservocontrolsystem,thepaperanalyzedthestateofthedevelopmentofthetwokindsofcontrolsystems.Reviewingthedevelopmenthistoryoftheelectro-hydrauliccontrolsystem,thepaperelaboratedthedevelopmenttrendoftheelectro-hydrauliccontrolsystem.Keywords:proportionalcontrol,servocontrol,developmenttrend目錄TOC\o"1-2"\u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)的根本要求96、電液控制系統(tǒng)開展現(xiàn)狀與開展趨勢107、結束語11參考文獻：121、引言現(xiàn)代微電子技術的開展,特別是計算機技術的普及與開展,又為實現(xiàn)各類工藝過程的最正確控制提供了技術根底。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。[1]50年代左右,以反應控制為主體的基于經典控制理論的電液伺服系統(tǒng)得到快速開展,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)代控制工程的根本技術構成之一,在近20年中得到了迅速開展。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,形成了頗具特色的技術分支。[7]2、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應處理單元等局部組成，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)中可以有各種反應和校正裝置,用來改善系統(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應來分類: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(shù)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,由此電液比例控制系統(tǒng)可以分為:①比例流量控制系統(tǒng);②比例壓力控制系統(tǒng);③比例流量壓力控制系統(tǒng);④比例速度控制系統(tǒng);⑤比例位置控制系統(tǒng);⑥比例力控制系統(tǒng);⑦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(shù),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。將閥布置在最適宜的位置,提高主機的設計柔性。(3)利用反應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應處理單元所組成。系統(tǒng)可通過設置液壓(壓力和流量)和機械參數(shù)中間變量檢測反應閉環(huán)或動力執(zhí)行單元輸出參數(shù)檢測反應閉環(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(shù)字式微處理芯片或微機來實現(xiàn)。數(shù)字式集成電路在精度、可靠性、穩(wěn)定性等項均占優(yōu)勢,其本錢也越來越低廉,故應用日益廣泛。隨著電液比例技術的開展,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、流量等參數(shù),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(shù)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)。與比例閥配套供給的電控制器,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(shù)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(電反應)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(shù)。4、電液伺服控制系統(tǒng)的控制結構[3]基于DSP的電液伺服控制系統(tǒng)主要由五個局部組成，:智能控制器、功率放大器、電液伺服閥、液壓缸、傳感器(反應測量元件),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(shù)字量,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[4]5.1電液伺服系統(tǒng)的特點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，表達為位置跟隨運動。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)是一個負反應系統(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，構成了一個負反應控制通路。液壓缸輸出位移，通過這個反應通路回輸給滑閥閥體，并與輸入位移相比擬，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。因此負反應環(huán)節(jié)是液壓伺服系統(tǒng)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。負反應也是自動控制系統(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，假設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，液壓伺服控制的根本原理是：利用反應信號與輸入信號相比擬得出偏差信號，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)的根本要求由于伺服系統(tǒng)是反應控制系統(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)各組成局部都有一定的慣性，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)各組成局部的狀態(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，又到達新的平衡狀態(tài)，那么把這個平衡狀態(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，很快就會到達穩(wěn)態(tài)。但是，如果活塞—負載的慣性很大，油液因混入了空氣而壓縮較大，液壓缸和導管的剛性缺乏，或系統(tǒng)的結構及其元件的參數(shù)選擇不當，那么震蕩遲遲不得消失，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)的根本要求首先是系統(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，說明系統(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)開展現(xiàn)狀與開展趨勢電液比例控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)根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(shù)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,制造本錢低,能量損失低,穩(wěn)定和動態(tài)控制特性足以滿足大局部工程控制的要求,因此贏得了比電液伺服系統(tǒng)更為廣泛的應用領域。電液控制技術已經開始向數(shù)字化開展,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,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開展,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，而不確定性因素那么包括外來干擾力、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(shù)字化開展,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2004-12[2]張欣徐昆鵬電液比例控制技術的開展及應用[J]工程技術與產業(yè)經濟2023[3]