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基本要求的论述，分析了两种控制系统目前的发展状况。回顾电液控制系统发展历史，展望电液控制系统的发展趋势。关键词：比例控制伺服控制发展趋势AbstractThepaperexpoundedthecomposition,classificationandthecharacteristicsoftheelectro-hydraulicproportionalcontrolsystem.Combinedwiththediscussionofthecontrolstructure,basicrequirementsandthecharacteristicsofhydraulicservocontrolsystem,thepaperanalyzedthestateofthedevelopmentofthetwokindsofcontrolsystems.Reviewingthedevelopmenthistoryoftheelectro-hydrauliccontrolsystem,thepaperelaboratedthedevelopmenttrendoftheelectro-hydrauliccontrolsystem.Keywords:proportionalcontrol,servocontrol,developmenttrend1目录摘要...........................................................................................................................0Abstract…………………………………………………………………………………………………………….11、引言.......................................................................................................................22、电液比例控制系统组成和分类............................................................................32.1电液比例控制系统的组成................................................................................32.2电液比例控制系统的分类.................................................................................33、电液比例控制系统特点........................................................................................44、电液伺服控制系统的控制结构............................................................................65、电液伺服控制系统的特点及要求........................................................................75.1电液伺服系统的特点.........................................................................................75.2对电液伺服系统的基本要求.............................................................................86、电液控制系统发展现状与发展趋势....................................................................97、结束语.................................................................................................................10参考文献：...............................................................................................................1121、引言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。[1]50年代左右,以反馈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发展,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,形成了颇具特色的技术分支。[7]32、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馈处理单元等部分组成，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馈和校正装置,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4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馈来分类: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。将阀布置在最合适的位置,提高主机的设计柔性。(3)利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标。(4)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5程负载及信号检测反馈处理单元所组成。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馈闭环或动力执行单元输出参数检测反馈闭环,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,其成本也越来越低廉,故应用日益广泛。随着电液比例技术的发展,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,以便补偿死区特性。进入90年代以后,国外的比例阀(电反馈)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。64、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部分组成，:智能控制器、功率放大器、电液伺服阀、液压缸、传感器(反馈测量元件),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。7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1.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，体现为位置跟随运动。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馈系统。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，构成了一个负反馈控制通路。液压缸输出位移，通过这个反馈通路回输给滑阀阀体，并与输入位移相比较，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。因此负反馈环节是液压伺服系统中必不可少的重要环节。负反馈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，若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8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，液压伺服控制的基本原理是：利用反馈信号与输入信号相比较得出偏差信号，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对电液伺服系统的基本要求由于伺服系统是反馈控制系统，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部分都有一定的惯性，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部分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，又达到新的平衡状态，则把这个平衡状态称为稳态或静态。一般来说，系统在震