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对电液比例控制技术的综述精品文档对电液比例控制技术的综述Xxxxxxx (xxxxxxxxxxxxxxxxxxx)摘要：介绍电液比例控制技术的发展概况，阐述电液比例技术的工作原理，分析了其基本组成和分类，并将电液比例技术与电液伺服技术和传统液压阀技术进行对比，突出了电液比例技术的优点。结合电液比例技术在工业中的应用，预测电液比例技术的发展趋势。关键词： 中图分类号：TH137 文献标识码：AThe Summarize of Electro-hydraulic Proportional Control TechnologySHEN Jingyu (College of Mechanical Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， 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 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 development of the electro-hydraulic proportional technology.Key words： 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 0 引言作者简介： 随着现代工业技术的不断发展，各学科进一步融合，使现代工业设备成为集光、电、机、液、气等多门技术的复合体，综合性能有了极大改善。在某些位移和动作精度要求高，响应速度快的场合液压驱动系统必须采用电-液伺服驱动。由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油液污染十分敏感，控制损失较大，使伺服技术难以被更广泛的工业应用所接受；而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制要求。电液比例控制技术性能介于伺服控制和开关控制之间。凭借其成本低、抗污染能力强、节能、维护方便等特点，电液比例阀在许多场合逐渐取代了伺服阀。电液比例技术集中了电气和微电子技术在信号检测、放大、处理和传输等方面的优势，并结合现代工业计算机，实现机电一体化、远距离控制和按复杂程序动态响应，使之成为联系电子技术与工程功率系统的接口，并越来越广泛地应用于各个领域。1 电液比例控制技术的起源与发展20世纪60年代后期瑞士Beringer公司研制出KL型比例复合阀及20世纪70年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生。这一阶段的比例阀仅仅是将比例型电-机械转换器用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含反馈闭环【1】。20世纪70年代后期，人们将控制原理中的反馈校正原理引入到比例元件的设计当中，相关产品相继问世，先后出现直接位置反馈比例换向阀、位置-力反馈比例换向阀、流量-压差反馈阀、压力反馈比例换向阀、压力阀等。耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。反馈控制原理的引入使得比例阀的控制性能有了很大的提高，其频宽已能达到515Hz，滞环也基本控制在3%左右【2】，比例阀产品在工业生产中的应用日益扩大。20世纪80年代后期，随着微电子技术的发展，人们更加关注电反馈在比例控制上的应用：位移、压力、流量等阀输出参数开始采用电气闭环校正手段，使得阀的稳态精度、动态响应特性得到了进一步的提高，电液比例控制原理日渐完善【3】。同时，这一时期的电液比例技术开始与插装阀相结合，逐步朝集成化的方向发展。20世纪90年代中后期开始，比例技术在固定工程设备上不断得到广泛应用的同时，开始大量进入行走机械领域，各种节能的负载敏感控制、负载适应控制等节能器件与系统日益增多。电液比例技术发展至今，几乎所有的普通压力阀、换向阀都可以找到相应的比例阀产品，部分比例阀的控制性能已基本能达到与伺服阀相当的水平，可以大胆地预测在未来相当一段时间里电液比例控制技术在工业领域的应用将更加广泛。2 电液比例系统的工作原理及组成2.1 电液比例系统的工作原理电液比例控制系统常用的有两种回路。一种是能实现正反向无级调速的开环比例调速系统，它由比例调速阀、比例放大器以及给定电位器组成，比例调速阀的输出流量与给定输入电压成正比，方向则取决于哪一个电磁铁通电，通过改变给定信号的大小可以方便地实现无级调速。与开关控制相比，系统功能增加了，性能也更好，但结构却大为简化。另外一种回路为闭环比例调速系统，由速度传感器、双通道比例放大器、比例方向阀、溢流阀以及限压阀组成，它是在开环控制的基础上增加了速度反馈元件而构成的，速度传感器产生与速度成正比的电信号【4】。经匹配放大器放大后，与给定的控制信号比较得出偏差信号，偏差信号经功率放大后用于控制比例电磁铁A或B，控制阀的开口量及方向，从而达到速度调节的目的。比较上述两个系统，开环系统由于不对被控量进行检测和反馈，因而当出现被控量与期望值的偏差时无法修正，这类系统一般控制精度不高。但与开关式液压控制相比，控制质量和方式都有了改进和简化，它可使被控量复现控制信号的变化规律，而且这类开环系统由于不存在信号和能量的反馈，因而系统稳定性好，容易设计，是目前最常见的比例控制系统。闭环系统引入了反馈回路，它用被控量与输入量(给定)的偏差信号作为真正的控制信号，最后使输出量与输入量相一致，在受到干扰时仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度内，系统的输出较能准确地复现输入信号的变化规律【5】；但由于有反馈的存在，其稳定性成为设计时需要考虑的主要问题，特别是比例阀工作在较大范围时，非线性是其工作的最大问题。2.2 电液比例系统的组成电液比例系统，尽管其结构各异，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。图1 电液比例控制系统的组成（Fig. 1 Constitution of electro-hydraulic proportional control system）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。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大(080mA)而偏差控制(信号)电流较小，不足以推动电磁铁工作;且偏差信号的类型或形状都不一定能满足高性能控制的要求，所以要使用电控器对控制信号进行功率放大和对输入的信号进行加工、整形，使其达到电-机械转换装置的控制要求【6】。(4)比例阀比例阀内部又分为两大部分，即电-机械转换器及液压放大组件，还可能带有阀内的检测反馈组件。电-机械转换器，它是电液的接口组件。它把经过放大后的电信号转换成与其电学量呈正比的力或位移。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。2.3 电液比例系统的分类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【7】。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。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:比例流量控制系统;比例压力控制系统;比例流量压力控制系统;比例速度控制系统;比例位置控制系统;比例力控制系统;比例同步控制系统。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液压组件。与电液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。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: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;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;利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标;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，并易实现自动无级调速【8】。4 电液比例控制系统的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【9】。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，就构成了可同时实现液流方向、流量多参数控制的比例复合阀。电液比例复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。电液比例控制系统的发展趋势主要有以下几点：(1)提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准阀通用。(2)比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，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，极大地提高了比例阀(电反馈)的工作频宽。 其主要表现有:高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1986年西德BOSCH公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应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。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。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。PID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【10】。5 结论现在的比例阀是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化元件，使得其结构更紧凑，性能进一步提高;未来可能还会带有存储器，具有自动检测和报警功能，只要接受简单的指令，阀就能完成一系列的工作。由于比例阀具有上述众多优点，因此电液比例技术与价格昂贵、对油质要求严格的电液伺服技术相比，有着更广阔的应用空间。参 考 文 献1 李军，张爱玲. 电液比例技术在工业领域的应用J.机械工程与自动化，2008(4)：177-181.2 胡海洪. 电液比例控制技术在电解机组的应用J.铜业工程,2007(3):68-78.3 吴张永，黄太祥，钱强，袁锐波.电解阳极板铣耳机电液比例伺服控制系统设计J.机床与液压,2007(8).4 吴根茂. 新编实用电液比例技术 M.杭州:浙江大学出版社,2006.5 许振保，赵春娥. 电液比例控制技术的研究J.机械制造与自动化，2010,39(1):52-54.6 纪云锋. 汽轮机 DEH 控制系统中两种常用电液伺服阀的分析比较J.液压气动与密封,2007(3).7 黄勇. 新型电液比例阀的设计及其控制方法的研究D.长沙:湖南大学,2007.8 杨尔庄，李晓亚，孙庆军等. 比例/伺服阀使机器更聪明J.现代制造,2006,(14):26-30.9 吴伟辉. 高压大流量电液比例调速阀的设计与研究D.长沙:中南大学,2004.9.10 汪国胜，凌云，樊庆华. 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