3、液压控制系统基础（1）

分类：舞台机械设备控制技术

3.1 液压控制系统概论

为了实现对某一机器或装置的工作要求，将若干液压元件连接或符合而成的总体称为液压系统。液压系统种类繁多，然而按工作特征不同，液压系统可划分为液压传动系统和液压控制系统两大类。

液压传动系统一般为不带反馈的开环系统，这类系统以传递动力为主，以信息传递为辅，追求传动特性的完善，系统的工作特性由各组成液压元件的特性和他们的相互作用来确定，其工作质量受工作条件变化的影响较大。有关液压传动系统的组成、动力传递原理、系统性能分析和设计计算方法等，请参见相关教材或著作。液压控制系统多采用伺服阀等电液控制组成的带反馈的闭环系统，以传递信息为主，以传递动力为辅，追求控制特性的完善。由于加入了检测反馈，故系统可用一般元件组成精确的控制系统，其控制质量受工作条件变化的影响较小。

液压伺服控制是第二次世界大战期间及以后，由于误期和飞行器等军事装备对高精度、反应快的自动控制系统的需要而发展起来的，它与现代微电子和计算机技术相结合发展的电液比例控制和电液数字控制技术构成了现代液压控制技术的完整体系。与电动控制胸膛呢等其他控制系统相比，液压控制系统具有能容量大、响应速度快、系统刚度大和控制精度高等突出优点，因此在舞台机械设备等领域获得了广泛应用。

3.1.1 液压控制系统的原理与组成

液压控制系统能够根据机械装备的要求，对位置、速度、加速度、力等被控制量按一定的精度进行控制，并且能在有外部干扰的情况下，稳定、准确的工作，实现既定的工艺目的。

液压控制系统按使用的控制元件的不同，可分为伺服控制系统、比例控制系统和数字系统三大类。本节以液压伺服控制系统（简称液压伺服系统）为例，说明液压控制系统的原理，最后归纳出液压控制系统的组成，

1. 液压控制系统的原理

液压伺服系统（也称液压随动系统）是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统，其输出量（机械位移、速度、加速度或力）能以一定的精度，自动按照输入信号的变化规律运动。与此同时，还起到功率放大作用，故又是一个功率放大装置。

2. 液压控制系统的组成

液压控制系统的类型和应用场合相当广泛，然而，一个实际的液压控制系统不论如何复杂，都是由一些基本元件构成的。这些基本元件包括输入元件、检测反馈元件、比较元件及转换放大装置（含能源）、执行器和受控对象等部分。

3.1.2 液压控制系统的类型及适用场合

控制系统的类型繁杂，可按不同方式进行分类。各种类型液压控孩子系统的特点、实例及应用场合如下所述。

1. 位置、速度、加速度、力与压力控制系统

液压控制系统的被控制两有位置（或转角）、速度（或转速）、加速度（或交加速度）、力（或力矩）、压力（或压差）及其他物理量。一个具体的液压控制系统，其被控物理量对象及系统的用途和工艺要求有关，有的系统可能存在可切换的两个控制量。

2. 闭环控制系统和开环控制系统

采用反馈的闭环控制系统，由于加入了检测反馈，具有抗干扰能力，对系统参数变化不太敏感，控制精度高，响应速度快，但要考虑稳定性问题，且成本较高，多用于系统性能要求高的场合（如舞台升降台）。不采用反馈的开环控制系统，不存在稳定性问题，但不具有抗干扰能力，控制精度和响应速度由各组成元件的特性和它们的相互作用来确定，控制精度低，但成本较低，用于控制精度要求不高的场合。对于闭环稳定性难以解决、响应速度要求较快、控制精度要求不高的场合。可以采用开环或局部闭环的控制系统。

3. 阀控系统和泵控系统

阀控系统又称节流控制系统，其主要控制元件是液压控制阀，具有响应快、控制精度高的有点，缺点是效率低，特别适合中小功率快速高精度控制系统使用。按照使用的控制阀不同，液压控制系统可分为伺服控制系统（控制元件为伺服阀）、比例控制系统（控制元件为比例阀）和数字控制系统（控制元件为数字阀）三大类。

泵控系统又称容积控制系统，其实质是用控制阀去控制变量液压泵的变量结构，由于误解刘和溢流损失，故效率较高且刚性大，但响应速度慢、结构复杂，适用于功率而响应要求不高的控制场合。

泵控系统是一个位置控制系统。工作台由双向液压电机与滚珠丝杠来驱动，双向变量液压泵提供液压能源，泵的输出控制通过电液控制阀控制变量缸实现，工作台位置由传感器检测并与指令信号相比较，其偏差信号经控制放大器放大后送入电液控制阀，从而实现闭环控制。

4. 机械、电气、起动液压控制系统

（1）机械液压控制系统

简称机液控制系统。它由液压和机械两部分组成，系统中的给定、反馈和比较元件都是机械构件.其优点是简单可靠。价格低廉，环境适应性好，缺点是偏差信号的校正及系统增益的调整不如电气方便，难以实现远距离操作，此外反馈机构的摩擦和间隙都会对系统的性能产生不利影响。机液控制方式在舞台机械设备控制系统中几乎不采用。

（2）电气液压控制系统

简称电液控制系统。它由电气及液压两部分组成，系统中偏差信号的检测、校正和初始放大都是采用电气、电子元件来实现的；系统的心脏是电液控制阀，按系统所用电液控制阀不同，电液控制系统可分为电液伺服系统、电液比例系统和电液数字系统。

电液控制系统已成为液压控制中的主流系统。电液控制系统的优点是信号的测量、校正和放大都较为方便，容易实现远距离操作，容易与响应速度快、抗负载刚性达的液压动力元件实现整合，组成以电子、电气为神经，以液压为筋肉的电液控制系统，具有很大的灵活性与广泛的适应性。

（3）气动液压控制系统

简称企业控制系统。它由气动和液压两部分组成，系统中信号的检测和初始放大均采用气动元件实现。气液控制系统具有结构简单，测量灵敏度高，工作可靠，可在高温、振动、易燃、易爆等恶劣环境下工作灯优点，但需要压力气源等附属设备。

5. 连续量控制系统和离散量控制系统

连续量控制系统中各变量均为时间的连续函数；离散量控制系统中某些变量是用脉冲调制形式表达的。当采用电液数字阀时必然还是离散控制系统。用计算机控制电液伺服阀或电液比例阀的控制系统实质上也是离散的控制系统，是采用脉幅调制形式进行控制的系统。

6. 时变系统与不变系统

时变与时不变（定常）系统由控制系统本身决定。时变系统如运行中的导弹由于燃料消耗使自身质量随时间而变化、机械手在运动过程中随着位置不同转矩也随之变化等。这种系统的分析和控制都比较困难，一般情况下可按时不变系统考虑。

7. 直线运动控制系统和回转运动控制系统

按照执行器不同，液压控制系统可分为直线运动控制系统和回转运动控制系统。前者以液压缸作为执行器，后者以液压电机或摆动液压电机作为执行器。液压缸是一种实现直线运动的常用执行器，由于配置方便，不但用于一维控制，还经常用于二维、三维控制。

但进行位置控制、速度控制并不一定都要采用液压缸作为执行器，为了满足负载力矩和负载速度的要求，或减小负载惯量的影响以提高液压固有频率，或将旋转运动变为直线运动，经常采用液压电机作为执行器。舞台升降台也有采用液压电机与滚珠丝杠来驱动的。液压电机的控制精度可达几分之一转，滚珠丝杠能使控制精度进一步提高。液压电机与滚珠丝杠结合在一起使用，可使直线位置的控制精度在千分之一毫米以内或更小。

3.1.3液压控制系统的优缺点

1. 液压控制系统的优点

（1）单位功率的重量轻，力矩-惯量比(或力-质量比)大

由于液压元件的功率-质量比和力矩-惯量比(或力一质量比)大，可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的控制系统。对于中、大功率的控制系统，这点尤为突出。例如，电气元件的最小尺寸取决于最大的有效磁通密度和功率损耗所产生的发热量与电流密度有关，最大有效磁通密度受磁性材料的磁饱和限制，而发热散发又比较困难。因此电气元件的结构尺寸较大，功率一质量比和力矩一惯量比小。液压元件功率损耗所产生的热量可由油液带到散热器去散发，它的尺寸主要取决于最大工作压力。由于最大工作压力可以很高(目前可达32MPa甚至更高)，所以液压元的体积小、重量轻，而输出力或力矩却很大，使功率-质量比和力矩-惯量比(或力-质量比)大。统计资料表明，一般液压泵的重量只是同功率电动机重量的10%~20%，几何尺寸约为后者的12%-13%。液压电机的功率-质量比一般为相当容量电动机10倍，而力矩一惯量比为电动机的10~20倍。

（2）负载的刚度大，精度高

液压控制系统的输出位移(或角度)受负载变化的影响小，即有较大的速度-负刚度(速度-力或转速一力矩曲线斜率的倒数很大)，定位准确，控制精度高。由于液压固有频率高，允许液压控制系统特别是电液伺服系统有较大的开环放大系数，因此可以获得较高的精度和响应速度。另外，由于液压系统中油液的压缩性很小，同时泄漏也很小，故液压动力元件的速度刚度大，组成闭环系统时其位置刚度也大。液压电机的开环速度刚度约为电动机的5倍，电动机的位置刚度很低，更无法与液压电机相比。因此，电动机只能用来组成闭环位置控制系统，而液压执行器(液压电机或液压缸)却可以用来进行开环位置控制，当然闭环液压位置控制系统的刚度比开环时要高得多。

（3）液压控制系统快速性好，响应快

由于液压动力元件的力矩-惯量比(或力-质量比)大，因此可以安全、可靠并快速地带负载启动、制动与反向，而且具有很大的调速范围。例如，加速中等功率的电动机需一至几秒，而加速同功率的液压电机的时间只需电动机的1/10左右。由于液压系统中油液的体积弹性模量很大，由油液压缩性形成的液压弹簧刚度很大，而液压动力元件的惯量又比较小，所以由液压弹簧刚度和负载惯量耦合成的液压固有频率很高，故系统的响应速度快。与具有相同压力和负载的气动系统相比，液压系统的响应速度是气动系统的50倍。

液压控制系统还具有一些其他优点，例如运转时载能工作介质兼有润滑作用，有利于散热和延长元件的使用寿命；容易按照机器的需要通过管道实现系统中各部分的连接，从而实现能量的分配与传递；利用蓄能器很容易实现液压能的贮存及系统的消振等；易于实现过载保护，容易实现远距离遥控等。

2. 液压控制系统的缺点

（1）传动效率偏低

传动过程中，需经两次转换，常有较多的能量损失，因此传动效率偏低。

（2）工作稳定性易受温度影响

液压系统的性能对温度较为敏感，不宜在过高或过低温度下工作，采用石油基液压油作传动介质时还需注意防火问题。

（3）对工作油液的清洁度管理要求高

污染的油液会使阀磨损而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作。这是液压伺服系统发生故障的主要原因。因此液压伺服系统必须采用精细过滤器。

（4）油液的体积弹性模量随油温和混入油中的空气含量而变化

油液的黏度也随油温变化而变化，因此油温变化对系统的性能有很大的影响。

(5)容易引起油液外漏，造成环境污染

油液外漏可能引起火灾，所以有些场合不适用。