對電液比例控制技術(shù)的綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上對電液比例控制技術(shù)的綜述Xxxxxxx (xxxxxxxxxxxxxxxxxxx)摘要：介紹電液比例控制技術(shù)的發(fā)展概況，闡述電液比例技術(shù)的工作原理，分析了其基本組成和分類，并將電液比例技術(shù)與電液伺服技術(shù)和傳統(tǒng)液壓閥技術(shù)進(jìn)行對比，突出了電液比例技術(shù)的優(yōu)點。結(jié)合電液比例技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，預(yù)測電液比例技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞： 中圖分類號：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AThe Summarize of Electro-hydraulic Proportional Control TechnologySHEN Jingyu (College of Mechanical Engin

2、eering， Shenyang Ligong University， Shenyang ， China)Abstract：Give a description of overview of the electro-hydraulic proportional control technology， describe the working principle of the electro-hydraulic proportional technology， and analyze its basic composition and classification and compare the

3、 electro-hydraulic proportional technology with electric hydraulic servo technology and traditional hydraulic valve technology， get the advantages of electro-hydraulic proportional technology. Combine with electro-hydraulic proportional technology in the industrial application， forecast the trend of

4、 development of the electro-hydraulic proportional technology.Key words： 專心-專注-專業(yè)0 引言作者簡介： 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各學(xué)科進(jìn)一步融合，使現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備成為集光、電、機(jī)、液、氣等多門技術(shù)的復(fù)合體，綜合性能有了極大改善。在某些位移和動作精度要求高，響應(yīng)速度快的場合液壓驅(qū)動系統(tǒng)必須采用電-液伺服驅(qū)動。由于電液伺服器件的價格過于昂貴，對油液污染十分敏感，控制損失較大，使伺服技術(shù)難以被更廣泛的工業(yè)應(yīng)用所接受；而傳統(tǒng)的電液開關(guān)控制又不能滿足高質(zhì)量控制要求。電液比例控制技術(shù)性能介于伺服控制和開關(guān)控制之間。憑借其成本低

5、、抗污染能力強(qiáng)、節(jié)能、維護(hù)方便等特點，電液比例閥在許多場合逐漸取代了伺服閥。電液比例技術(shù)集中了電氣和微電子技術(shù)在信號檢測、放大、處理和傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢，并結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)計算機(jī)，實現(xiàn)機(jī)電一體化、遠(yuǎn)距離控制和按復(fù)雜程序動態(tài)響應(yīng)，使之成為聯(lián)系電子技術(shù)與工程功率系統(tǒng)的接口，并越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。1 電液比例控制技術(shù)的起源與發(fā)展20世紀(jì)60年代后期瑞士Beringer公司研制出KL型比例復(fù)合閥及20世紀(jì)70年代初日本油研公司申請了壓力和流量兩項比例閥專利，標(biāo)志著比例技術(shù)的誕生。這一階段的比例閥僅僅是將比例型電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器用于工業(yè)液壓閥，以代替開關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄。閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計準(zhǔn)則幾乎沒有變化

6、，大多不含反饋閉環(huán)【1】。20世紀(jì)70年代后期，人們將控制原理中的反饋校正原理引入到比例元件的設(shè)計當(dāng)中，相關(guān)產(chǎn)品相繼問世，先后出現(xiàn)直接位置反饋比例換向閥、位置-力反饋比例換向閥、流量-壓差反饋閥、壓力反饋比例換向閥、壓力閥等。耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上也日趨成熟。反饋控制原理的引入使得比例閥的控制性能有了很大的提高，其頻寬已能達(dá)到515Hz，滯環(huán)也基本控制在3%左右【2】，比例閥產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益擴(kuò)大。20世紀(jì)80年代后期，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們更加關(guān)注電反饋在比例控制上的應(yīng)用：位移、壓力、流量等閥輸出參數(shù)開始采用電氣閉環(huán)校正手段，使得閥的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)特性得到了進(jìn)一

7、步的提高，電液比例控制原理日漸完善【3】。同時，這一時期的電液比例技術(shù)開始與插裝閥相結(jié)合，逐步朝集成化的方向發(fā)展。20世紀(jì)90年代中后期開始，比例技術(shù)在固定工程設(shè)備上不斷得到廣泛應(yīng)用的同時，開始大量進(jìn)入行走機(jī)械領(lǐng)域，各種節(jié)能的負(fù)載敏感控制、負(fù)載適應(yīng)控制等節(jié)能器件與系統(tǒng)日益增多。電液比例技術(shù)發(fā)展至今，幾乎所有的普通壓力閥、換向閥都可以找到相應(yīng)的比例閥產(chǎn)品，部分比例閥的控制性能已基本能達(dá)到與伺服閥相當(dāng)?shù)乃?，可以大膽地預(yù)測在未來相當(dāng)一段時間里電液比例控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。2 電液比例系統(tǒng)的工作原理及組成2.1 電液比例系統(tǒng)的工作原理電液比例控制系統(tǒng)常用的有兩種回路。一種是能實現(xiàn)正反向

8、無級調(diào)速的開環(huán)比例調(diào)速系統(tǒng)，它由比例調(diào)速閥、比例放大器以及給定電位器組成，比例調(diào)速閥的輸出流量與給定輸入電壓成正比，方向則取決于哪一個電磁鐵通電，通過改變給定信號的大小可以方便地實現(xiàn)無級調(diào)速。與開關(guān)控制相比，系統(tǒng)功能增加了，性能也更好，但結(jié)構(gòu)卻大為簡化。另外一種回路為閉環(huán)比例調(diào)速系統(tǒng)，由速度傳感器、雙通道比例放大器、比例方向閥、溢流閥以及限壓閥組成，它是在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了速度反饋元件而構(gòu)成的，速度傳感器產(chǎn)生與速度成正比的電信號【4】。經(jīng)匹配放大器放大后，與給定的控制信號比較得出偏差信號，偏差信號經(jīng)功率放大后用于控制比例電磁鐵A或B，控制閥的開口量及方向，從而達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。比較上述兩

9、個系統(tǒng)，開環(huán)系統(tǒng)由于不對被控量進(jìn)行檢測和反饋，因而當(dāng)出現(xiàn)被控量與期望值的偏差時無法修正，這類系統(tǒng)一般控制精度不高。但與開關(guān)式液壓控制相比，控制質(zhì)量和方式都有了改進(jìn)和簡化，它可使被控量復(fù)現(xiàn)控制信號的變化規(guī)律，而且這類開環(huán)系統(tǒng)由于不存在信號和能量的反饋，因而系統(tǒng)穩(wěn)定性好，容易設(shè)計，是目前最常見的比例控制系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)引入了反饋回路，它用被控量與輸入量(給定)的偏差信號作為真正的控制信號，最后使輸出量與輸入量相一致，在受到干擾時仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度內(nèi)，系統(tǒng)的輸出較能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律【5】；但由于有反饋的存在，其穩(wěn)定性成為設(shè)計時需要考慮的主要問題，特別是比例閥工作在較大范圍

10、時，非線性是其工作的最大問題。2.2 電液比例系統(tǒng)的組成電液比例系統(tǒng)，盡管其結(jié)構(gòu)各異，功能也不盡相同，但都可歸納為由功能相同的基本單元組成的系統(tǒng)。如圖1所示，圖中的虛線為可能實現(xiàn)的檢測與反饋。包含外反饋回路的控制系統(tǒng)才稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，不包含外反饋的稱為開環(huán)系統(tǒng)，如果存在比例閥本身的內(nèi)反饋，也可以構(gòu)成實際的局部小閉環(huán)控制。但一般也不會稱為閉環(huán)系統(tǒng)。圖1 電液比例控制系統(tǒng)的組成（Fig. 1 Constitution of electro-hydraulic proportional control system）組成電液比例控制的基本組件有:(1)指令組件它是給定控制信號的產(chǎn)生與輸入的組件。可

11、以是信號發(fā)生裝置或過程控制器。在有反饋信號的情況下，它給出與反饋信號有相同形式和量級的控制信號。(2)比較組件它的作用是把給定信號與反饋信號進(jìn)行比較，得出偏差信號作為電控器的輸入。進(jìn)行比較的信號必須是同類型的，比例控制器的輸入量為電學(xué)量，因此反饋量也應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換為同類型的電學(xué)量。如遇不同類型的量作比較，在比較前要進(jìn)行信號類型轉(zhuǎn)換，例如A/D、D/A轉(zhuǎn)換、機(jī)-電轉(zhuǎn)換等。(3)電控器電控器通常被稱為比例放大器。由于含在比例閥內(nèi)的電磁鐵需要的控制電流較大(080mA)而偏差控制(信號)電流較小，不足以推動電磁鐵工作;且偏差信號的類型或形狀都不一定能滿足高性能控制的要求，所以要使用電控器對控制信號進(jìn)行功率

12、放大和對輸入的信號進(jìn)行加工、整形，使其達(dá)到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置的控制要求【6】。(4)比例閥比例閥內(nèi)部又分為兩大部分，即電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及液壓放大組件，還可能帶有閥內(nèi)的檢測反饋組件。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，它是電液的接口組件。它把經(jīng)過放大后的電信號轉(zhuǎn)換成與其電學(xué)量呈正比的力或位移。這個輸出量改變了液壓放大級的控制液阻，經(jīng)過液壓放大作用，把不大的電氣控制信號放大成足以驅(qū)動系統(tǒng)負(fù)載液壓能。這是整個系統(tǒng)的功率放大部分。(5)液壓執(zhí)行器通常指液壓缸或液壓馬達(dá)，它是系統(tǒng)的輸出裝置，用于驅(qū)動負(fù)載。(6)檢測反饋組件對于閉環(huán)控制需要加入檢測反饋組件。它檢測被控量或中間變量的實際值，得出系統(tǒng)的反饋信號。檢測組件有位移傳感器

13、、測速發(fā)電機(jī)等。檢測組件往往又是信號轉(zhuǎn)換器(例如機(jī)電/機(jī)液轉(zhuǎn)換)，用于滿足比較的要求。從圖1中可見，檢測組件有內(nèi)環(huán)、外環(huán)之分。內(nèi)環(huán)檢測組件通常包含在比例閥內(nèi)，用于改善閥的動、靜特性。外環(huán)檢測組件直接檢測輸出量，用于提高整個系統(tǒng)的性能和控制精度。2.3 電液比例系統(tǒng)的分類電液比例控制系統(tǒng)可以從不同的角度按很多方式來進(jìn)行分類。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按代表系統(tǒng)一定特點的分類方式進(jìn)行分類。按被控量是否被檢測和反饋來分類，可分為開環(huán)比例控制和閉環(huán)比例控制系統(tǒng)。由于比例閥是適應(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

14、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。按控制信號的形式來進(jìn)行分類，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)制和脈數(shù)調(diào)制等【7】。按比例組件的類型來分類，可分為比例節(jié)流閥控制和比例容積控制兩大類。比例節(jié)流控制適用于功率較小的系統(tǒng)，而比例容積控制用在功率較大的場合。目前，最通用的分類方式是按被控對象(量或參數(shù))來進(jìn)行分類。由此電液比例控制系統(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)的特點電液比例閥是介于開關(guān)型的液壓閥與伺服閥之間的一種液壓

15、組件。與電液伺服閥相比，其優(yōu)點是價廉、抗污染能力強(qiáng)。除了在控制精度及相應(yīng)快速性不如伺服閥外，其它方面的性能和控制水平與伺服閥相當(dāng)，其動、靜態(tài)性能足以滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的要求。因此，比例閥更為廣泛地獲得應(yīng)用。在高精度、快速響應(yīng)等高技術(shù)領(lǐng)域傳統(tǒng)上是伺服閥的市場。但現(xiàn)在閉環(huán)比例技術(shù)也是一種新的選擇。電液比例閥與傳統(tǒng)的液壓控制閥比較，雖然價格較貴，但由于其良好的控制水平而得到補(bǔ)償。因此在控制較復(fù)雜，特別是要求有高質(zhì)量控制水平的地方，傳統(tǒng)開關(guān)閥就逐漸由比例閥或數(shù)字閥來代替。此外，比例控制閥還可以具有流量、壓力與方向三者之間的多種復(fù)合控制功能。這使得比例控制系統(tǒng)較之開關(guān)閥控制系統(tǒng)，不但控制性能得以提高，而

16、且使系統(tǒng)更為簡化。電液比例控制系統(tǒng)主要有以下特點:可明顯地簡化液壓系統(tǒng)，實現(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(zhì)，還可縮短工作循環(huán)時間;利用電信號便于實現(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)計柔性;利用反饋提高控制精度或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標(biāo);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)自動無級調(diào)速【8】。4 電液比例控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著電液比例技術(shù)的發(fā)展，對于常用的常規(guī)閥，一般都有對應(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

17、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(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，還可補(bǔ)償死區(qū)特性。比例閥分為壓力、流量、方向控制三大類，近年來出現(xiàn)了復(fù)合化趨勢，極大地提高了比例閥(電反饋)的工作頻寬。在基礎(chǔ)閥的基礎(chǔ)上，發(fā)展出先導(dǎo)式電反饋比例方向閥系列，它與定差減壓閥或溢流閥的壓力補(bǔ)償功能塊組合，構(gòu)成電

18、反饋比例方向流量復(fù)合閥，可進(jìn)一步取得與負(fù)載協(xié)調(diào)和節(jié)能效果【9】。這種高性能的電反饋比例液壓元件將在高精度、快響應(yīng)的比例控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。由比例方向節(jié)流閥和定差減壓閥組成壓力補(bǔ)償型比例方向流量閥，被控制量是輸出流量，與輸入控制電流成正比，可連續(xù)比例地控制液壓缸，而與供油壓力、負(fù)載壓力、回油壓力變化無關(guān)，它與壓力閥組合在一起，就構(gòu)成了可同時實現(xiàn)液流方向、流量多參數(shù)控制的比例復(fù)合閥。電液比例復(fù)合閥我國生產(chǎn)的品種少，而國外很多，如德國力士樂產(chǎn)品系列的控制特性、抗污染性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，已成液控技術(shù)發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。其穩(wěn)態(tài)性能的滯環(huán)、重復(fù)精度、分辨率、非線性等與一般工業(yè)用電液伺服閥幾乎

19、相當(dāng)，但動態(tài)響應(yīng)比伺服閥稍低，在較大的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)運(yùn)行，故控制回路中的非線性因素不能忽略。電液比例控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾點：(1)提高控制性能，適應(yīng)機(jī)電液一體化主機(jī)的發(fā)展。提高電液比例閥及遠(yuǎn)控多路閥的性能，使之適應(yīng)野外工作條件。并發(fā)展低成本比例閥，其主要零件與標(biāo)準(zhǔn)閥通用。(2)比例技術(shù)與二通和三通插裝技術(shù)相結(jié)合，形成了比例插裝技術(shù)，特點是結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，流動阻力小，通油能力大，易于集成;此外出現(xiàn)比例容積控制為中、大功率控制系統(tǒng)節(jié)能提供新手段。(3)由于傳感器和電子器件的小型化，出現(xiàn)了傳感器、測量放大器、控制放大器和閥復(fù)合一體化的元件，極大地提高了比例閥(電反饋)的工作頻寬。 其主

20、要表現(xiàn)有:高頻響、低功耗比例放大器及高頻響比例電磁鐵的研制，1986年西德BOSCH公司提出高性能閉環(huán)控制比例閥，由于采用了高響應(yīng)直流比例電磁鐵和相應(yīng)的放大器，并含有位置反饋閉環(huán)，其流量輸出穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性無中位死區(qū)，滯環(huán)僅0.3%，零區(qū)壓力增益達(dá)3%額定控制電壓，負(fù)載腔達(dá)80%供油壓力，工作頻寬和性能已達(dá)高水平伺服閥，而成本僅為后者的1/3。帶集成式放大器的位移傳感器(200Hz)的開發(fā)，為電反饋比例閥小型化，集成化創(chuàng)造良好的條件。伺服比例閥(閉環(huán)比例閥)內(nèi)裝放大器，具有伺服閥的各種特性:零遮蓋、高精度、高頻響，但其對油液的清潔度要求比伺服閥低，具有更高的工作可靠性。PID調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性，使之有較好的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，可利用計算機(jī)對PID參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化數(shù)字化或利用