對(duì)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(gòu)成、分類和特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)液壓伺服控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)和基本要求的論述，分析了兩種控制系統(tǒng)目前的發(fā)展?fàn)顩r?；仡欕娨嚎刂葡到y(tǒng)發(fā)展歷史，展望電液控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：比例控制 伺服控制 發(fā)展趨勢(shì)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(diǎn)54、電液伺服控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)75、電液伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及要求85.1電液伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)85.2對(duì)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(shì)107、結(jié)束語(yǔ)11參考文獻(xiàn)：121、引言現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的普

4、及與發(fā)展,又為實(shí)現(xiàn)各類工藝過(guò)程的最佳控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。因此,工程控制理論的應(yīng)用已逐步從航天、航空和軍事工程領(lǐng)域普及到民用工業(yè)部門(mén)。150年代左右,以反饋控制為主體的基于經(jīng)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(yīng)快、大功率的技術(shù)手段。70年代末期,以可靠、價(jià)廉、節(jié)能、易維護(hù)并具有相當(dāng)高精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)為標(biāo)志的電液比例控制技術(shù)迅速崛起。電液比例控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率工程控制設(shè)備之間的橋梁,已經(jīng)成為現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)構(gòu)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(shù)相比,具有可靠、節(jié)能和廉價(jià)等明顯特點(diǎn),已應(yīng)用于相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域,形成了頗具特色

5、的技術(shù)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(jī)械轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的比例電磁鐵、電液比例變量泵及變量馬達(dá)）、液壓執(zhí)行單元（通常為液壓缸或液壓馬達(dá)）及動(dòng)力源、電子放大及校正單元、工程負(fù)載及信號(hào)檢測(cè)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(hào)輸出給電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器內(nèi)的比例電磁鐵，電磁鐵將此電信號(hào)轉(zhuǎn)換為作用于閥芯上的力,使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變。當(dāng)電信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，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(chǎn)生一個(gè)與輸入的電信號(hào)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(lái)

6、改善系統(tǒng)的動(dòng)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(lái)進(jìn)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(diǎn)的分類方式來(lái)進(jìn)行分類。(1)按被控量是否被檢測(cè)和反饋來(lái)分類:可分為開(kāi)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(yīng)較低精度的控制系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品,目前的應(yīng)用以開(kāi)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(wú)異,因而采用閉環(huán)比例控制的場(chǎng)合也會(huì)越來(lái)越多。(2)按控制信號(hào)的形式來(lái)分類:可分為模擬控制和數(shù)字式控制。后者又分為脈寬調(diào)制、脈碼調(diào)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(diǎn)5(1)可明顯地簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程序控制,降低費(fèi)用,提高了可靠性,可在電控制器中預(yù)設(shè)斜坡函數(shù),實(shí)現(xiàn)精確而無(wú)沖擊的加速或減速,不但改善了控制過(guò)程品質(zhì),還可縮短工作循環(huán)時(shí)間。(2)利用電信號(hào)便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制或遙控。將閥布置在最合適的位置,提高主機(jī)的設(shè)計(jì)柔性。(3)利用反饋提高控制精度或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標(biāo)。(4)能按比例控制液流的流量、壓力,從而對(duì)執(zhí)行器件實(shí)現(xiàn)方向、速度和力的連續(xù)控制,并易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)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(jī)械轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的比例閥、電液比例變量泵及變量馬達(dá))、動(dòng)力執(zhí)行單元及動(dòng)力源、工程負(fù)載及信號(hào)檢測(cè)反饋處理單元所組成。系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)置液壓(壓力和流量)和機(jī)械參數(shù)中間變量檢測(cè)反饋閉環(huán)或動(dòng)力執(zhí)行單元輸出參數(shù)檢測(cè)反饋閉環(huán),來(lái)改善其穩(wěn)態(tài)控制精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。信號(hào)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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字式集成電路在精度、可靠性、穩(wěn)定性等項(xiàng)均占優(yōu)勢(shì),其成本也越來(lái)越低廉,故應(yīng)用日益廣泛。隨著電液比例技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于常用的常規(guī)閥,一般都有相對(duì)應(yīng)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(hào)的指令,連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參

9、數(shù),使之與輸入電信號(hào)成比例地變化。它可以用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)隨液壓參數(shù)的遙控,也可以作為信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大元件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。與比例閥配套供應(yīng)的電控制器,要具有斷電保持功能,控制信號(hào)中要迭加高頻小振幅的顫振信號(hào),以克服摩擦力,保證控制靈活,要有斜坡信號(hào)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(bǔ)償死區(qū)特性。進(jìn)入90年代以后,國(guó)外的比例閥(電反饋)的工作頻寬大多在10HZ以上。如德國(guó)REXROTH公司生產(chǎn)的力士樂(lè)4WRE10型/10系列電液比例方向流量閥,對(duì)不同的電信號(hào)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(jié)構(gòu)3基于DSP的電液伺

10、服控制系統(tǒng)主要由五個(gè)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(cè)量元件),系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能控制器是由TMS320LF2407及其外圍電路構(gòu)成,通過(guò)從負(fù)載端采集的信號(hào),進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后經(jīng)過(guò)軟件控制算法實(shí)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(gòu)成,起功率放大作用,用于直接驅(qū)動(dòng)電液伺服閥。伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的核心元件,能夠?qū)敵龅牧髁亢蛪毫M(jìn)行連續(xù)的雙向控制,具有快速的響應(yīng)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(zhuǎn)換為機(jī)械能。傳感器主要用來(lái)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力(或拉力)、位移、變形,并轉(zhuǎn)換為數(shù)字

11、量,然后作為變量輸入控制器算法程序,實(shí)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(diǎn)及要求45.1電液伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)1. 同是一個(gè)位置跟蹤系統(tǒng)。輸出位移自動(dòng)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(yùn)動(dòng)。2. 伺服系統(tǒng)是一個(gè)功率放大系統(tǒng)。推動(dòng)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(dòng)較大的負(fù)載運(yùn)動(dòng)。3. 伺服系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。輸出位移之所以能夠精確地復(fù)現(xiàn)輸入位移的變化，是因?yàn)榭刂苹y的閥體和液壓缸體固連在一起，構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋控制通路。液壓缸輸出位移，通過(guò)這個(gè)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(fù)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(fù)反饋也是自動(dòng)控制系統(tǒng)具有的主要特征。液壓伺服系統(tǒng)是一個(gè)有誤差系統(tǒng)。液壓缸位移和閥芯位移之間不存在偏差時(shí)，系統(tǒng)就處于靜止?fàn)顟B(tài)。由此可見(jiàn)，若使液壓缸克服工作阻力并以一定的速度運(yùn)動(dòng)，首先必須保證滑閥有一定的閥口開(kāi)度，這就是液壓伺服系統(tǒng)工作的必要條件。液壓缸運(yùn)動(dòng)的結(jié)果總是力圖減少這個(gè)誤差，但在其工作的任何時(shí)刻也不可能完全消除這個(gè)誤差。沒(méi)有誤差，伺服系統(tǒng)就不能工作。由此可見(jiàn)，液壓伺服控制的基本原理是：利用反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相比較得出偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)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(shí)際輸

13、出與希望值相符。圖3 液壓伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)成5.2對(duì)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(lái)進(jìn)行工作的，因此在實(shí)際工作中，由于負(fù)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(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，輸出量并不能立刻跟著發(fā)生相應(yīng)的變化，而是需要一個(gè)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)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(shí)間的變化而變化，這就是通常所說(shuō)的過(guò)度過(guò)程或動(dòng)態(tài)過(guò)程。如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后，又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，則把這個(gè)平衡狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)在震蕩過(guò)程中，由于存在能量損失，震蕩將會(huì)越來(lái)越小，很快就會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但是，如果活塞負(fù)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(dǎo)管的剛性不足，或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其元件的參數(shù)選擇不當(dāng)，則震蕩遲遲不得消失，甚至還會(huì)加劇，導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作。出現(xiàn)這種情況時(shí)，系統(tǒng)被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。因此，對(duì)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(wú)法工作。除此以外，還要從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)性能的好壞：穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)過(guò)度過(guò)程的性能，既快又穩(wěn)，由控制過(guò)程中輸出量偏離希望值小，偏離的時(shí)間短，表明系統(tǒng)的動(dòng)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(nèi)，控制系統(tǒng)才有實(shí)用價(jià)值，也就是所謂的準(zhǔn)。所以說(shuō)一個(gè)高質(zhì)量的伺服系統(tǒng)在整個(gè)控制過(guò)程中應(yīng)該是既穩(wěn)又快又準(zhǔn)。6、電液控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 電液比例控制系統(tǒng)和電液

15、伺服控制系統(tǒng)基本構(gòu)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(jī)械轉(zhuǎn)換器有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式電磁元件和伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(lái)替代普通液壓系統(tǒng)中的多級(jí)調(diào)壓回路或多級(jí)調(diào)速回路,這樣不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng),而且可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序控制及遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸,便于計(jì)算機(jī)控制。電液控制系統(tǒng)可分為閉環(huán)和開(kāi)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?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標(biāo)。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(duì)工作介質(zhì)清潔度無(wú)特殊要求,制造成本低,能量損失低,穩(wěn)定和動(dòng)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(yīng)用領(lǐng)域。電液控制技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始向數(shù)字化發(fā)展, 液壓技術(shù)同電子技術(shù)、控制技術(shù)的結(jié)合日益緊密, 電液元件和系統(tǒng)的性能有了進(jìn)一步的提高。電液控制技術(shù)將在電子設(shè)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(gè)方面。( 1) 與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)融為一體。隨著電子組件系統(tǒng)的集，相應(yīng)的電 子組件接口和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于電液系統(tǒng)的控制中，從而實(shí)現(xiàn)高水平的信 息系統(tǒng), 該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了控制環(huán)節(jié) 、易于維護(hù),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(fù)荷傳感系統(tǒng)和變頻技術(shù)等新技術(shù) 的應(yīng)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(yīng)用,

17、 如具有耐污染 、高精度 、高頻響的直動(dòng)型電液控制閥, 液壓變換器及電子油泵等的研究。( 4) 計(jì)算機(jī)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模、仿真試驗(yàn)和控制中。包含 CAD (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)) 、CAE (計(jì)算機(jī)輔助分析) 、CAPP (計(jì)算機(jī)輔 助工藝規(guī)劃) 、CAT (計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試) 的 CIMS (計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng)) 將會(huì)在電液元件及系統(tǒng)的全過(guò)程中發(fā)揮更大的作用。7、結(jié)束語(yǔ)電液技術(shù)的飛速發(fā)展 , 極大地推動(dòng)液壓行業(yè)開(kāi)辟了諸多新興的研究領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)高可控性以及節(jié)能增效的目標(biāo), 將液壓技術(shù)與微電子技術(shù)、先進(jìn)的控制技術(shù)以及傳感器技術(shù)相結(jié)合, 使得計(jì)算機(jī)直接或間接參與控制整個(gè)液壓系統(tǒng); 電液控制系統(tǒng)屬于本質(zhì)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(dòng)力機(jī)構(gòu)的摩 擦特性和死區(qū)特性、負(fù)載特性等都是非線性，而不確定性因素則包括外來(lái)干擾力、溫度變化、油源壓力和流量脈動(dòng)等。7現(xiàn)代控制策略的應(yīng)用提高了電液控制系統(tǒng)的精確性和適應(yīng)性?？傊娨嚎刂萍夹g(shù)已經(jīng)開(kāi)始向數(shù)字化發(fā)展, 液壓技術(shù)同電子技術(shù)、控制技術(shù)的結(jié)合日益緊密, 電液元件和系統(tǒng)的性能有了進(jìn)一步的提高。電液控制技術(shù)將在電子設(shè)備、控制策略、軟件和材料方面取得更大的突破。參考文獻(xiàn)： 1 牛占海 對(duì)電液比例控制系統(tǒng)的綜述J 機(jī)械研究與應(yīng)用 2004-122 張欣 徐昆鵬 電液比例控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用J