对电液比例控制系统的综述

Vol 17 No 6机械研究与应用第17卷 第6期

               

2004212MECHANICAL RESEARCH &APPL ICATION 2004年12月

对电液比例控制系统的综述

牛占海, 王宏武, 刘 榛

(甘肃工业大学机械工厂, 甘肃兰州

730050)

Ξ

摘要:综合论述了电液比例控制系统的构成、分类和特点, 回顾国内外电液比例控制系统发展历史, 展望电液比例控制系统的未来

发展趋势。

关键词:控制系统; 电液比例; 频宽; 线性度; 应用

中图分类号:TM76      文献标识码:A      文章编号:1007-4414(2004) 06-0016-02

  现代微电子技术的发展, 特别是计算机技术的普及与发展, 又为实现各类工艺过程的最佳控制提供了技术基础。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。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基本技术构成之一, 在近20年中得到了迅速发展。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, 支。目前,

, 例控制技术将获得更新比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大(0~80mA ) 而偏差控制(信号) 电流较小, 不足以推动电磁铁工作; 且偏差信号的类, 所以要使用电、整形, -。

(4)  , 即电-机械。-, 它是电液的接口组件。它把经过放大后的。这个输出量改变了液压放大级的控制液阻, 经过液压放大作用, 把不大的电气控制信号放大成足以驱动系统负载液压能。这是整个系统的功率放大部分。

  (5) 液压执行器 通常指液压缸或液压马达, 它是系统的输出装置, 用于驱动负载。

  (6) 检测反馈组件 对于闭环控制需要加入检测反馈组件。它检测被控量或中间变量的实际值, 得出系统的反馈信号。检测组件有位移传感器、测速发电机等。检测组件往往又是信号转换器(例如机电/机液转换) , 用于满足比较的要求。从图1中可见, 检测组件有内环、外环之分。内环检测组件通常包含在比例阀内, 用于改善阀的动、静特性。外环检测组件直接检测输出量, 用于提高整个系统的性能和控制精度。

1 [1]

  , , 功能也不尽相同, 但都可归纳为由功能相同的基本单元组成的系统。如图1所示, 图中的虚线为可能实现的检测与反馈。包含外反馈回路的控制系统才称为闭环控制系统, 不包含外反馈的称为开环系统, 如果存在比例阀本身的内反馈, 也可以构成实际的局部小闭环控制。但一般也不会称为闭环系统。

2 电液比例控制系统的分类[3~5]

  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。电液伺服控制系统是一种广义上的比例控制系统。因

图1 电液比例控制系统的构成

  组成电液比例控制的基本组件有:

(1) 指令组件 它是给定控制信号的产生与输入的组

而比例控制可以参照伺服控制按代表系统一定特点的分类方式进行分类。

  按被控量是否被检测和反馈来分类, 可分为开环比例控制和闭环比例控制系统。由于比例阀是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。

  按控制信号的形式来进行分类, 可分为模拟控制和数字式控制。后者又分为脉宽调制、脉码调制和脉数调制等。  按比例组件的类型来分类, 可分为比例节流阀控制和比例容积控制两大类。比例节流控制适用于功率较小的系统, 而比例容积控制用在功率较大的场合。

件。可以是信号发生装置或过程控制器。在有反馈信号的情况下, 它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。  (2) 比较组件 它的作用是把给定信号与反馈信号进行比较, 得出偏差信号作为电控器的输入。进行比较的信号必须是同类型的, 比例控制器的输入量为电学量, 因此反馈量也应当转换为同类型的电学量。如遇不同类型的量作比较, 在比较前要进行信号类型转换, 例如A/D 、D/A 转换、机-电转换等。  (3) 电控器 电控器通常被称为比例放大器。由于含在

Ξ收稿日期:2004-07-15

作者简介:牛占海, 男, 工程师, 现从事舞台机械设计工作。

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第17卷 第6期机械研究与应用Vol 17 No 6

               

2004年12月MECHANICAL RESEARCH &APPL ICATION 2004212

  目前, 最通用的分类方式是按被控对象(量或参数) 来进行分类。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比例流量比例力控制系统; ⑦比例同步控制系统。

减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合, 构成电反馈比例方向流量复合阀, 可进一步取得与负载协调和节能效果。这种高性能的电反馈比例液压元件将在高精度、快响应的比例控制系统补偿型比例方向流量阀, 被控制量是输出流量, 与输入控制电流成正比, 可连续比例地控制液压缸, 而与供油压力、负载压力、回油压力变化无关, 它与压力阀组合在一起, 就构成了可同

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中获得广泛应用。由比例方向节流阀和定差减压阀组成压力

3 电液比例控制系统的特点

  电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种

流量多参数控制的比例复合阀。电液比例复液压组件。与电液伺服阀相比, 其优点是价廉、抗污染能力强。时实现液流方向、

除了在控制精度及相应快速性不如伺服阀外, 其它方面的性能合阀我国生产的品种少, 而国外很多, 如德国力士乐产品系列和控制水平与伺服阀相当, 其动、静态性能足以满足大多数工业应用的要求。因此, 比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应等高技术领域传统上是伺服阀的市场。但现在闭环比例技术也是一种新的选择。电液比例阀与传统的液压控制阀比较, 虽然价格较贵, 但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂, 特别是要求有高质量控制水平的地方, 传统开关阀就逐渐由比例阀或数字阀来代替。

  此外, 比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能。这使得比例控制系统较之开关阀控制系统, 不但控制性能得以提高, 而且使系统更为简化。  电液比例控制系统主要有以下特点:①系统, 实现复杂程序控制, 降低费用, , 器中预设斜坡函数, , 不但改善了控制过程品质, ; ②利用电信号便于实, 提高主机的

的控制特性、抗污染性、可靠性和经济性, 已成液控技术发展趋势, 具有广阔的市场前景。其稳态性能的滞环、重复精度、分辨率、非线性等与一般工业用电液伺服阀几乎相当, 但动态响应比伺服阀稍低, 在较大的参数调节范围内运行, 故控制回路中的非线性因素不能忽略。

  。  (1) 。提高, 。并。

() , 形成了比例, 特点是结构简单, 性能可靠, 流动阻力小, 通油能力大, 易于集成; 此外出现比例容积控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。

  (3) 由于传感器和电子器件的小型化, 出现了传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件, 极大地提高了

高频响、低功设计柔性; ③利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标; ④比例阀(电反馈) 的工作频宽。其主要表现有:①能按比例控制液流的流量、压力, 从而对执行器件实现方向、速耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制, 1986年西德度和力的连续控制, 并易实现自动无级调速。

BOSCH 公司提出高性能闭环控制比例阀, 由于采用了高响应

4 电液比例控制系统发展的历史

  液压工业已成为全球性的工业, 国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司、德国的力士乐和博世公司等居世界领先地位, 我国液压工业和国外还有一定的差距。

  比例控制系统是电液控制技术的一项新发展, 是微电子技术与液压技术间的接口。德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统, 引入了比例阀、可编程序控制器和数据总线技术, 使其电控系统功能更加完善, 成本显著降低, 迅速占领了欧美各种拖拉机的应用市场。

直流比例电磁铁和相应的放大器, 并含有位置反馈闭环, 其流量输出稳态调节特性无中位死区, 滞环仅0. 3%, 零区压力增益达3%额定控制电压, 负载腔达80%供油压力, 工作频宽和性能已达高水平伺服阀, 而成本仅为后者的1/3。②带集成式放大器的位移传感器(200Hz ) 的开发, 为电反馈比例阀小型化, 集成化创造良好的条件。③伺服比例阀(闭环比例阀) 内装放大器, 具有伺服阀的各种特性:零遮盖、高精度、高频响, 但其对油液的清洁度要求比伺服阀低, 具有更高的工作可靠性。④PID 调节技术的应用, 改善系统的稳态性, 使之有较好的动态响应指标, 可利用计算机对PID 参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路PID 参数的优良匹配。

5 电液比例控制系统的未来发展趋势

  随着电液比例技术的发展, 对于常用的常规阀, 一般都有对应的比例阀。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。与比例阀配套供应的电控制器, 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, 还可补偿死区特性。

  比例阀分为压力、流量、方向控制三大类, 近年来出现了复合化趋势, 极大地提高了比例阀(电反馈) 的工作频宽。在基础阀的基础上, 发展出先导式电反馈比例方向阀系列, 它与定差

6 结束语

  总之, 由于电液比例控制系统具有可靠、易控、节能、廉价

、精度高、工作平稳等明显而独特的优点, 其将会在各个工程领域得到越来越广泛、深入的应用和发展。

参考文献:

[1] 路甬祥1电液比例控制技术[M ].北京:机械工业出版社,1988. [2] 林建亚, 何存兴. 液压元件[M ].北京:机械工业出版社,1988. [3] 王春行. 液压伺服控制系统[M ].北京:机械工业出版社. 1989. [4] 李壮云. 葛宜远. 液压元件与系统[M ].北京:机械工业出版社,

1999.

[5] 王春行. 液压控制系统[M ].北京:机械工业出版社, 2000.

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2004212MECHANICAL RESEARCH &APPL ICATION 2004年12月

对电液比例控制系统的综述

牛占海, 王宏武, 刘 榛

(甘肃工业大学机械工厂, 甘肃兰州

730050)

Ξ

摘要:综合论述了电液比例控制系统的构成、分类和特点, 回顾国内外电液比例控制系统发展历史, 展望电液比例控制系统的未来

发展趋势。

关键词:控制系统; 电液比例; 频宽; 线性度; 应用

中图分类号:TM76      文献标识码:A      文章编号:1007-4414(2004) 06-0016-02

  现代微电子技术的发展, 特别是计算机技术的普及与发展, 又为实现各类工艺过程的最佳控制提供了技术基础。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。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基本技术构成之一, 在近20年中得到了迅速发展。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, 支。目前,

, 例控制技术将获得更新比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大(0~80mA ) 而偏差控制(信号) 电流较小, 不足以推动电磁铁工作; 且偏差信号的类, 所以要使用电、整形, -。

(4)  , 即电-机械。-, 它是电液的接口组件。它把经过放大后的。这个输出量改变了液压放大级的控制液阻, 经过液压放大作用, 把不大的电气控制信号放大成足以驱动系统负载液压能。这是整个系统的功率放大部分。

  (5) 液压执行器 通常指液压缸或液压马达, 它是系统的输出装置, 用于驱动负载。

  (6) 检测反馈组件 对于闭环控制需要加入检测反馈组件。它检测被控量或中间变量的实际值, 得出系统的反馈信号。检测组件有位移传感器、测速发电机等。检测组件往往又是信号转换器(例如机电/机液转换) , 用于满足比较的要求。从图1中可见, 检测组件有内环、外环之分。内环检测组件通常包含在比例阀内, 用于改善阀的动、静特性。外环检测组件直接检测输出量, 用于提高整个系统的性能和控制精度。

1 [1]

  , , 功能也不尽相同, 但都可归纳为由功能相同的基本单元组成的系统。如图1所示, 图中的虚线为可能实现的检测与反馈。包含外反馈回路的控制系统才称为闭环控制系统, 不包含外反馈的称为开环系统, 如果存在比例阀本身的内反馈, 也可以构成实际的局部小闭环控制。但一般也不会称为闭环系统。

2 电液比例控制系统的分类[3~5]

  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。电液伺服控制系统是一种广义上的比例控制系统。因

图1 电液比例控制系统的构成

  组成电液比例控制的基本组件有:

(1) 指令组件 它是给定控制信号的产生与输入的组

而比例控制可以参照伺服控制按代表系统一定特点的分类方式进行分类。

  按被控量是否被检测和反馈来分类, 可分为开环比例控制和闭环比例控制系统。由于比例阀是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。

  按控制信号的形式来进行分类, 可分为模拟控制和数字式控制。后者又分为脉宽调制、脉码调制和脉数调制等。  按比例组件的类型来分类, 可分为比例节流阀控制和比例容积控制两大类。比例节流控制适用于功率较小的系统, 而比例容积控制用在功率较大的场合。

件。可以是信号发生装置或过程控制器。在有反馈信号的情况下, 它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。  (2) 比较组件 它的作用是把给定信号与反馈信号进行比较, 得出偏差信号作为电控器的输入。进行比较的信号必须是同类型的, 比例控制器的输入量为电学量, 因此反馈量也应当转换为同类型的电学量。如遇不同类型的量作比较, 在比较前要进行信号类型转换, 例如A/D 、D/A 转换、机-电转换等。  (3) 电控器 电控器通常被称为比例放大器。由于含在

Ξ收稿日期:2004-07-15

作者简介:牛占海, 男, 工程师, 现从事舞台机械设计工作。

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第17卷 第6期机械研究与应用Vol 17 No 6

               

2004年12月MECHANICAL RESEARCH &APPL ICATION 2004212

  目前, 最通用的分类方式是按被控对象(量或参数) 来进行分类。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比例流量比例力控制系统; ⑦比例同步控制系统。

减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合, 构成电反馈比例方向流量复合阀, 可进一步取得与负载协调和节能效果。这种高性能的电反馈比例液压元件将在高精度、快响应的比例控制系统补偿型比例方向流量阀, 被控制量是输出流量, 与输入控制电流成正比, 可连续比例地控制液压缸, 而与供油压力、负载压力、回油压力变化无关, 它与压力阀组合在一起, 就构成了可同

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中获得广泛应用。由比例方向节流阀和定差减压阀组成压力

3 电液比例控制系统的特点

  电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种

流量多参数控制的比例复合阀。电液比例复液压组件。与电液伺服阀相比, 其优点是价廉、抗污染能力强。时实现液流方向、

除了在控制精度及相应快速性不如伺服阀外, 其它方面的性能合阀我国生产的品种少, 而国外很多, 如德国力士乐产品系列和控制水平与伺服阀相当, 其动、静态性能足以满足大多数工业应用的要求。因此, 比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应等高技术领域传统上是伺服阀的市场。但现在闭环比例技术也是一种新的选择。电液比例阀与传统的液压控制阀比较, 虽然价格较贵, 但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂, 特别是要求有高质量控制水平的地方, 传统开关阀就逐渐由比例阀或数字阀来代替。

  此外, 比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能。这使得比例控制系统较之开关阀控制系统, 不但控制性能得以提高, 而且使系统更为简化。  电液比例控制系统主要有以下特点:①系统, 实现复杂程序控制, 降低费用, , 器中预设斜坡函数, , 不但改善了控制过程品质, ; ②利用电信号便于实, 提高主机的

的控制特性、抗污染性、可靠性和经济性, 已成液控技术发展趋势, 具有广阔的市场前景。其稳态性能的滞环、重复精度、分辨率、非线性等与一般工业用电液伺服阀几乎相当, 但动态响应比伺服阀稍低, 在较大的参数调节范围内运行, 故控制回路中的非线性因素不能忽略。

  。  (1) 。提高, 。并。

() , 形成了比例, 特点是结构简单, 性能可靠, 流动阻力小, 通油能力大, 易于集成; 此外出现比例容积控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。

  (3) 由于传感器和电子器件的小型化, 出现了传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件, 极大地提高了

高频响、低功设计柔性; ③利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标; ④比例阀(电反馈) 的工作频宽。其主要表现有:①能按比例控制液流的流量、压力, 从而对执行器件实现方向、速耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制, 1986年西德度和力的连续控制, 并易实现自动无级调速。

BOSCH 公司提出高性能闭环控制比例阀, 由于采用了高响应

4 电液比例控制系统发展的历史

  液压工业已成为全球性的工业, 国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司、德国的力士乐和博世公司等居世界领先地位, 我国液压工业和国外还有一定的差距。

  比例控制系统是电液控制技术的一项新发展, 是微电子技术与液压技术间的接口。德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统, 引入了比例阀、可编程序控制器和数据总线技术, 使其电控系统功能更加完善, 成本显著降低, 迅速占领了欧美各种拖拉机的应用市场。

直流比例电磁铁和相应的放大器, 并含有位置反馈闭环, 其流量输出稳态调节特性无中位死区, 滞环仅0. 3%, 零区压力增益达3%额定控制电压, 负载腔达80%供油压力, 工作频宽和性能已达高水平伺服阀, 而成本仅为后者的1/3。②带集成式放大器的位移传感器(200Hz ) 的开发, 为电反馈比例阀小型化, 集成化创造良好的条件。③伺服比例阀(闭环比例阀) 内装放大器, 具有伺服阀的各种特性:零遮盖、高精度、高频响, 但其对油液的清洁度要求比伺服阀低, 具有更高的工作可靠性。④PID 调节技术的应用, 改善系统的稳态性, 使之有较好的动态响应指标, 可利用计算机对PID 参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路PID 参数的优良匹配。

5 电液比例控制系统的未来发展趋势

  随着电液比例技术的发展, 对于常用的常规阀, 一般都有对应的比例阀。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。与比例阀配套供应的电控制器, 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, 还可补偿死区特性。

  比例阀分为压力、流量、方向控制三大类, 近年来出现了复合化趋势, 极大地提高了比例阀(电反馈) 的工作频宽。在基础阀的基础上, 发展出先导式电反馈比例方向阀系列, 它与定差

6 结束语

  总之, 由于电液比例控制系统具有可靠、易控、节能、廉价

、精度高、工作平稳等明显而独特的优点, 其将会在各个工程领域得到越来越广泛、深入的应用和发展。

参考文献:

[1] 路甬祥1电液比例控制技术[M ].北京:机械工业出版社,1988. [2] 林建亚, 何存兴. 液压元件[M ].北京:机械工业出版社,1988. [3] 王春行. 液压伺服控制系统[M ].北京:机械工业出版社. 1989. [4] 李壮云. 葛宜远. 液压元件与系统[M ].北京:机械工业出版社,

1999.

[5] 王春行. 液压控制系统[M ].北京:机械工业出版社, 2000.

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