对电液比例及伺服控制系统的综述

摘要本文详尽阐述了电液比例控制系统构成、分类和特点，结合对液压伺服控制系统的控制结构及其特点和根本要求的论述，分析了两种控制系统目前的开展状况。回忆电液控制系统开展历史，展望电液控制系统的开展趋势。关键词：比例控制伺服控制开展趋势AbstractThepaperexpoundedthecomposition,classificationandthecharacteristicsoftheelectro-hydraulicproportionalcontrolsystem.Combinedwiththediscussionofthecontrolstructure,basicrequirementsandthecharacteristicsofhydraulicservocontrolsystem,thepaperanalyzedthestateofthedevelopmentofthetwokindsofcontrolsystems.Reviewingthedevelopmenthistoryoftheelectro-hydrauliccontrolsystem,thepaperelaboratedthedevelopmenttrendoftheelectro-hydrauliccontrolsystem.Keywords:proportionalcontrol,servocontrol,developmenttrend目录TOC\o"1-2"\u摘要1Abstract…………………………….11、引言32、电液比例控制系统组成和分类42.1电液比例控制系统的组成42.2电液比例控制系统的分类43、电液比例控制系统特点54、电液伺服控制系统的控制结构75、电液伺服控制系统的特点及要求85.1电液伺服系统的特点85.2对电液伺服系统的根本要求96、电液控制系统开展现状与开展趋势107、结束语11参考文献：121、引言现代微电子技术的开展,特别是计算机技术的普及与开展,又为实现各类工艺过程的最正确控制提供了技术根底。因此,工程控制理论的应用已逐步从航天、航空和军事工程领域普及到民用工业部门。[1]50年代左右,以反应控制为主体的基于经典控制理论的电液伺服系统得到快速开展,为工程控制提供了精度高、响应快、大功率的技术手段。70年代末期,以可靠、价廉、节能、易维护并具有相当高精度和动态响应特点为标志的电液比例控制技术迅速崛起。电液比例控制技术作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁,已经成为现代控制工程的根本技术构成之一,在近20年中得到了迅速开展。它与传统的电液伺服技术相比,具有可靠、节能和廉价等明显特点,已应用于相当广泛的领域,形成了颇具特色的技术分支。[7]2、电液比例控制系统组成和分类2.1电液比例控制系统的组成[2]液比例控制系统由电液比例控制单元〔包括电-机械转换器在内的比例电磁铁、电液比例变量泵及变量马达〕、液压执行单元〔通常为液压缸或液压马达〕及动力源、电子放大及校正单元、工程负载及信号检测反应处理单元等局部组成，如图1所示。电子放大元件将电信号输出给电-机械转换器内的比例电磁铁，电磁铁将此电信号转换为作用于阀芯上的力,使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变。当电信号发生变化时，作用在阀芯上的力随之改变,该力或位移作为输入量施加给工作阀,工作阀上产生一个与输入的电信号成比例的流量或压力。系统中可以有各种反应和校正装置,用来改善系统的动静态特性。2.2电液比例控制系统的分类[6]电液比例控制系统可以从不同的角度按很多方式来进行分类。如前所述,电液伺服控制系统是一种广义上的比例控制系统,因而比例控制可以参照伺服控制系统按代表系统一定特点的分类方式来进行分类。(1)按被控量是否被检测和反应来分类:可分为开环比例控制系统和闭环比例控制系统。由于比例阀是为适应较低精度的控制系统而开发的产品,目前的应用以开环控制为主。随着整体闭环比例阀的出现,其主要性能与伺服阀无异,因而采用闭环比例控制的场合也会越来越多。(2)按控制信号的形式来分类:可分为模拟控制和数字式控制。后者又分为脉宽调制、脉码调制和脉通用的分类方式,由此电液比例控制系统可以分为:①比例流量控制系统;②比例压力控制系统;③比例流量压力控制系统;④比例速度控制系统;⑤比例位置控制系统;⑥比例力控制系统;⑦比例同步控制系统。3、电液比例控制系统特点[5](1)可明显地简化液压系统,实现复杂程序控制,降低费用,提高了可靠性,可在电控制器中预设斜坡函数,实现精确而无冲击的加速或减速,不但改善了控制过程品质,还可缩短工作循环时间。(2)利用电信号便于实现远距离控制或遥控。将阀布置在最适宜的位置,提高主机的设计柔性。(3)利用反应提高控制精度或实现特定的控制目标。(4)能按比例控制液流的流量、压力,从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控制,并易实现无级调速。电液比例控制系统,由电子放大及校正单元、电液比例控制单元(含机械转换器在内的比例阀、电液比例变量泵及变量马达)、动力执行单元及动力源、工程负载及信号检测反应处理单元所组成。系统可通过设置液压(压力和流量)和机械参数中间变量检测反应闭环或动力执行单元输出参数检测反应闭环,来改善其稳态控制精度和动态品质。信号处理单元可采用模拟电子电路、数字式微处理芯片或微机来实现。数字式集成电路在精度、可靠性、稳定性等项均占优势,其本钱也越来越低廉,故应用日益广泛。随着电液比例技术的开展,对于常用的常规阀,一般都有相对应的比例阀。比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。它可以接收电信号的指令,连续地控制液压系统的压力、流量等参数,使之与输入电信号成比例地变化。它可以用于开环系统中实现随液压参数的遥控,也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。与比例阀配套供给的电控制器,要具有断电保持功能,控制信号中要迭加高频小振幅的颤振信号,以克服摩擦力,保证控制灵活,要有斜坡信号发生器,以便控制压力变化,速度或位移部件的加速度,有效防止惯性冲击;要有函数发生器,以便补偿死区特性。进入90年代以后,国外的比例阀(电反应)的工作频宽大多在10HZ以上。如德国REXROTH公司生产的力士乐4WRE10型/10系列电液比例方向流量阀,对不同的电信号可输出不同的流量。下表为其特性参数。4、电液伺服控制系统的控制结构[3]基于DSP的电液伺服控制系统主要由五个局部组成，:智能控制器、功率放大器、电液伺服阀、液压缸、传感器(反应测量元件),系统控制结构如图2所示。智能控制器是由TMS320LF2407及其外围电路构成,通过从负载端采集的信号,进行A/D转换,然后经过软件控制算法实现电液伺服系统的位置控制、速度控制、力控制。功率放大器是由电子元件组成的电路板构成,起功率放大作用,用于直接驱动电液伺服阀。伺服阀是电液伺服系统的核心元件,能够对输出的流量和压力进行连续的双向控制,具有快速的响应速度和良好的控制精度。液压缸是液压控制系统中的执行元件,将液压能转换为机械能。传感器主要用来检测执行机构的压力(或拉力)、位移、变形,并转换为数字量,然后作为变量输入控制器算法程序,实现多种形式的闭环控制。5、电液伺服控制系统的特点及要求[4]5.1电液伺服系统的特点同是一个位置跟踪系统。输出位移自动地跟随输入位移的变化规律而变化，表达为位置跟随运动。2.伺服系统是一个功率放大系统。推动滑阀阀芯所需的功率很小，而系统的输出功率却可以很大，可带动较大的负载运动。3.伺服系统是一个负反应系统。输出位移之所以能够精确地复现输入位移的变化，是因为控制滑阀的阀体和液压缸体固连在一起，构成了一个负反应控制通路。液压缸输出位移，通过这个反应通路回输给滑阀阀体，并与输入位移相比拟，从而逐渐减小和消除输出位移和输入位移之间的偏差，直到两者相同为止。因此负反应环节是液压伺服系统中必不可少的重要环节。负反应也是自动控制系统具有的主要特征。液压伺服系统是一个有误差系统。液压缸位移和阀芯位移之间不存在偏差时，系统就处于静止状态。由此可见，假设使液压缸克服工作阻力并以一定的速度运动，首先必须保证滑阀有一定的阀口开度，这就是液压伺服系统工作的必要条件。液压缸运动的结果总是力图减少这个误差，但在其工作的任何时刻也不可能完全消除这个误差。没有误差，伺服系统就不能工作。由此可见，液压伺服控制的根本原理是：利用反应信号与输入信号相比拟得出偏差信号，该偏差信号控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着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符。图3液压伺服系统的一般构成5.2对电液伺服系统的根本要求由于伺服系统是反应控制系统，它是按照偏差原理来进行工作的，因此在实际工作中，由于负载及系统各组成局部都有一定的惯性，油液有可压缩性等原因，当输入信号发生变化时，输出量并不能立刻跟着发生相应的变化，而是需要一个过程。在这个过程中，系统的输出量以及系统各组成局部的状态随时间的变化而变化，这就是通常所说的过度过程或动态过程。如果系统的动态过程结束后，又到达新的平衡状态，那么把这个平衡状态称为稳态或静态。一般来说，系统在震荡过程中，由于存在能量损失，震荡将会越来越小，很快就会到达稳态。但是，如果活塞—负载的惯性很大，油液因混入了空气而压缩较大，液压缸和导管的刚性缺乏，或系统的结构及其元件的参数选择不当，那么震荡迟迟不得消失，甚至还会加剧，导致系统不能工作。出现这种情况时，系统被认为是不稳定的。因此，对液压伺服系统的根本要求首先是系统的稳定性。不稳定的系统根本无法工作。除此以外，还要从稳、快、准三个指标来衡量系统性能的好坏：稳和快反映了系统过度过程的性能，既快又稳，由控制过程中输出量偏离希望值小，偏离的时间短，说明系统的动态精度高。另外系统的稳态误差必须在允许范围之内，控制系统才有实用价值，也就是所谓的准。所以说一个高质量的伺服系统在整个控制过程中应该是既稳又快又准。6、电液控制系统开展现状与开展趋势电液比例控制系统和电液伺服控制系统根本构成可以归纳如下:系统的指令及放大单元多采用电气控制,其中,电—机械转换器有动圈式、动铁式电磁元件和伺服电动机、步进电动机等。[8]电液比例控制系统采用电液比例压力阀或比例流量阀来替代普通液压系统中的多级调压回路或多级调速回路,这样不仅简化了系统,而且可实现复杂的程序控制及远距离信号传输,便于计算机控制。电液控制系统可分为闭环和开环两种,采用闭环控制系统可提高执行元件输出参数的控制精度,或实现特定的控制目标。通常电液伺服控制系统采用闭环控制。由于电液比例控制系统对工作介质清洁度无特殊要求,制造本钱低,能量损失低,稳定和动态控制特性足以满足大局部工程控制的要求,因此赢得了比电液伺服系统更为广泛的应用领域。电液控制技术已经开始向数字化开展,液压技术同电子技术、控制技术的结合日益紧密,电液元件和系统的性能有了进一步的提高。电液控制技术将在电子设备、控制策略、软件和材料方面取得更大的突破,主要包括以下几个方面。(1)与电子技术、计算机技术融为一体。随着电子组件系统的集，相应的电子组件接口和现场总线技术开始应用于电液系统的控制中，从而实现高水平的信息系统,该系统简化了控制环节、易于维护,提高液压系统的可控性能和诊断性能。(2)更加注重节能增效。负荷传感系统和变频技术等新技术的应用将使效率大大提高。(3)新型电液元件和一体化敏感元件将得到广泛研究和应用,如具有耐污染、高精度、高频响的直动型电液控制阀,液压变换器及电子油泵等的研究。(4)计算机技术将广泛应用于电液控制系统的设计、建模、仿真试验和控制中。包含CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助分析)、CAPP(计算机辅助工艺规划)、CAT(计算机辅助测试)的CIMS(计算机制造系统)将会在电液元件及系统的全过程中发挥更大的作用。7、结束语电液技术的飞速开展,极大地推动液压行业开辟了诸多新兴的研究领域。为了实现液压系统高可控性以及节能增效的目标,将液压技术与微电子技术、先进的控制技术以及传感器技术相结合,使得计算机直接或间接参与控制整个液压系统;电液控制系统属于本质非线性和不确定性系统,如电液伺服阀的压力-流量特性、液压动力机构的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性，而不确定性因素那么包括外来干扰力、温度变化、油源压力和流量脉动等。[7]现代控制策略的应用提高了电液控制系统的精确性和适应性。总之电液控制技术已经开始向数字化开展,液压技术同电子技术、控制技术的结合日益紧密,电液元件和系统的性能有了进一步的提高。电液控制技术将在电子设备、控制策略、软件和材料方面取得更大的突破。参考文献：[1]牛占海对电液比例控制系统的综述[J]机械研究与应用2004-12[2]张欣徐昆鹏电液比例控制技术的开展及应用[J]工程技术与产业经济2023[3]