對(duì)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(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)和根本要求的論述，分析了兩種控制系統(tǒng)目前的開展?fàn)顩r?；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(shì)。關(guān)鍵詞：比例控制伺服控制開展趨勢(shì)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(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)的根本要求96、電液控制系統(tǒng)開展現(xiàn)狀與開展趨勢(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)的開展,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與開展,又為實(shí)現(xiàn)各類工藝過(guò)程的最正確控制提供了技術(shù)根底。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。[1]50年代左右,以反應(yīng)控制為主體的基于經(jīng)典控制理論的電液伺服系統(tǒng)得到快速開展,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)代控制工程的根本技術(shù)構(gòu)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(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,形成了頗具特色的技術(shù)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(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)反應(yīng)處理單元等局部組成，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)中可以有各種反應(yīng)和校正裝置,用來(lái)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)和反應(yīng)來(lái)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(yīng)較低精度的控制系統(tǒng)而開發(fā)的產(chǎn)品,目前的應(yīng)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(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(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。將閥布置在最適宜的位置,提高主機(jī)的設(shè)計(jì)柔性。(3)利用反應(yīng)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)反應(yīng)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)反應(yīng)閉環(huán)或動(dòng)力執(zhí)行單元輸出參數(shù)檢測(cè)反應(yīng)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),其本錢也越來(lái)越低廉,故應(yīng)用日益廣泛。隨著電液比例技術(shù)的開展,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、流量等參數(shù),使之與輸入電信號(hào)成比例地變化。它可以用于開環(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)。與比例閥配套供給的電控制器,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(電反應(yīng))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的電液伺服控制系統(tǒng)主要由五個(gè)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(yīng)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[4]5.1電液伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)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，表達(dá)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)反應(yīng)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)反應(yīng)控制通路。液壓缸輸出位移，通過(guò)這個(gè)反應(yīng)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(fù)反應(yīng)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)反應(yīng)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，假設(shè)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，液壓伺服控制的根本原理是：利用反應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)相比擬得出偏差信號(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)的根本要求由于伺服系統(tǒng)是反應(yīng)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)各組成局部都有一定的慣性，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)各組成局部的狀態(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，又到達(dá)新的平衡狀態(tài)，那么把這個(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)到達(dá)穩(wěn)態(tài)。但是，如果活塞—負(fù)載的慣性很大，油液因混入了空氣而壓縮較大，液壓缸和導(dǎo)管的剛性缺乏，或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其元件的參數(shù)選擇不當(dāng)，那么震蕩遲遲不得消失，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(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，說(shuō)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)開展現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)電液比例控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)根本構(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,制造本錢低,能量損失低,穩(wěn)定和動(dòng)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(yīng)用領(lǐng)域。電液控制技術(shù)已經(jīng)開始向數(shù)字化開展,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,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)的飛速開展,極大地推動(dòng)液壓行業(yè)開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，而不確定性因素那么包括外來(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)開始向數(shù)字化開展,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2004-12[2]張欣徐昆鵬電液比例控制技術(shù)的開展及應(yīng)用[J]工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)2023[3]