5.3 电液比例控制系统的设计特点
电液比例控制系统有开环和闭环之分，开环系统的原理及特点：系统输入量为控制电量（电压或电流），经电控制放大器放大转换成相应的电流信号输入给电气-机械转换器，后者输出与输入电流近似成比例的力、力矩或位移，使液压阀的可动部分移动或摆动，并按比例输出具有一定压力p和流量q的液压油以驱动执行器，执行器也将按比例输出力F、速度v或转矩T、角速度w以驱动负载，连续调节系统输入量就可无极调节系统输出量：力、速度以及加、减速度等。
这种控制系统，结构简单，系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，系统输出量对系统的输入控制作用没有影响，没有自动纠正偏差的能力。其控制精度主要取决于关键元器件的特性及系统调整精度。这种控制系统不存在稳定性问题。
闭环系统的原理及特点：系统工作原理为反馈控制或偏差调节，这种控制系统由于负反馈控制，因而具有自动纠正偏差的能力，可获得相当高的控制精度。但系统存在稳定性问题，而且高精度和稳定性的要求是矛盾的。
5.3.1开环电液比例控制系统的设计特点及注意事项
在一个工作循环中当执行器根据工艺要求需频繁变化推力和速度，或当负载较大运动速度又较快，为防止冲击、减小振动等，均适合采用开环比例系统，对控制精细度不太高并具有较复杂工况的设备也同样适用。
在系统中采用比例方向阀后，可实现执行机构运动的匀加速和匀减速并对系统中的流量进行无级调节，使主机的运动部件运行更加平稳。另一方面采用开环比例系统可简化液压原理，减少液压元件的从而提高系统的可靠性和自动化程度，使液压装置更加小巧、简单、合理。
开环电液比例控制系统的设计和分析方法和液压传动系统的设计步骤相似，只是将系统中与比例阀有关的液压阀置换下来，同时电气部分应针对比例阀控制放大器的输入控制方式做相应改变，设计师应根据使用场合及具体要求，通过技术经济性能比较，从手动方式、可编程序控制器(PLC)、单片机或工控计算机控制输入信号给定值等几种方式中进行选择。用比例电磁铁替代液压阀上的普通电磁铁及调节机构，用比例放大器所具备的功能来控制比例电磁铁的输出量，即力和位移，用该输出量来调制液压阀的输出参数，实现对液压系统压力、流量及方向的连续控制，为液压系统提供种平滑、渐进、连续无开关阀突变的控制过程。
5.3.2闭环电液比例控制系统的设计特点及注意事项
闭环电液比例控制系统的设计和分析方法和电液伺服系统的设计步骤基本相同。但当系统在大范围内变化且变化速度很快时，系统的动态设计采用传递函数法进行分析误差较大，只可定性分析。可列出系统的原始方程(流量方程、力平衡方程等)，用数值法(如龙格-库塔法等)求解微分方程(即进行性能仿真)，模拟复杂系统的性能并分析它们的动态特性，这样比较符合实际情况。
闭环电液比例控制系统主要可分为动态应用系统(载荷高速或高频运动)和力应用系统(低速传递高负载)。
在闭环电液比例控制系统设计和应用中遇到的最主要的问题是估值困难，但这又很重要。大部分故障来自忽略了接近系统固有频率的那个频率。因此需要考虑系统的液压刚度和负荷惯性这两个方面。
在电液比例控制系统的分析和设计中，因当系统有压力时，流体会像弹簧一样被压缩，故要考虑液体的压缩性，特别是在高压系统中，甚至管路也应被看作是弹性的。更应注意的是有蓄能器的情况，虽然蓄能器改善了系统的部分性能，但从动力学观点分析，它也使系统变得更易发生共振。
通常，将元件(或元件组)看作一个模块，模块的输入与输出之间的关系为G，可对闭环控制系统的分析加以简化。系统控制环增益为各单个控制环模块增益之积，系统的增益越大，系统的控制精度越高，反应越快。然而，过大的增益有可能引起系统不稳定，在此种情况下，上下两个方向上的振荡变得发散。
保持系统稳定时，增益的最大值由负载质量、执行机构的刚度和系统阻尼系数等决定。质量越大，惯性越大，振荡的倾向越大；低刚度意味着振荡的倾向大，因此刚度应尽可能大；阻尼系数受阀的特性影响。
经验表明，如果计算出的保持系统稳定的最小斜坡时间小于0.1s，就应该对系统重新进行调整。另外最低的系统固有频率不应低于对于为进行负载压力补偿控制的系统w﹥3Hz；对于有负载压力补偿的控制系统w﹥4Hz。应当指出，在固有频率较低时，由于系统刚度较小，加速和减速过程不大好。此外，在低速时可能出现蠕动现象。这种缺陷在带负载补偿的控制系统中早已出现。因为压力补偿器也有其固有时间特点。在没有负载补偿的节流控制系统中，具有一个附加的阻尼作用，对改善固有频率较低的系统的过渡过程特性是有利的。
一旦确定了总的循环时间和行程，就可获得最大速度。
在利用电液中枢控制器获得和保持要求高的位置精度时，整体刚度也是非常重要的。位置精度受到的外部干扰较大，这些干扰包括驱动器上的外部作用载荷（工作载荷、冲击载荷），负载重量(（对垂直安装液压缸），摩擦力和连接间隙等。
需要进一步监控的是：由于温度或压力变化造成的阀不换向、反馈传感器的精度或分辨率、摩擦力和连接间隙等。
5.3.3 比例阀的选型原则
比例控制阀的选用原则和普通液压阀有所不用，，同时又由于各类比例阀的结构形式和工作原理各不相同，选用时除了正确选择其稳态和动态指标外，还应注意以下几点：
①系统用换向阀切换若干个预先设定的压力或速度时，可以用一个比例阀来代替。当设定值超过3个小时，用比例阀方案费用较低。另外，各设定值之间的过渡过程可控制（斜坡），设定值也可连续变化。
②对于比例压力阀，在选定工况中，应按能满足工况中的额定压力来选择比例阀的压力等级，而不是按工况中的最高压力来选择。这样可使阀在较大的电信号范围内调节压力，以便尽可能达到较好的分辨率。对于开环比例系统，推荐所选比例压力阀的压力等级为系统额定压力的1.2~1.5倍。
③比例阀的额定流量值取决于阀芯位置和阀压差这两个参数。因此，在选用比例阀时，要正确选择比例阀的通径，以达到有良好的分辨率。选择过大的额定流量值，会造成在速度和分辨率方面降低执行器的控制精度。较理想的阀通径是刚好能通过执行器最大速度时的流量。推荐比例流量阀的额定流量为系统最大调节流量的1.2~1.5倍。并根据比例阀产品样本查得所对应的通径。
④控制加速度和减速度的传统方法有延长换向阀切换时间或用缓冲缸、变量泵等。采用比例方向阀和斜坡信号发生器可以提供较好的解决方法。
比例放大器控制的比例阀的最短斜坡（调压或流量调节）时间，受阀本身转换时间的制约。对于开环比例系统，推荐比例放大器输出的最短斜坡时间大于2倍比例阀本身的转换时间。转换时间可从比例阀产品样本中查的。
⑤对于比例方向阀，应注意其机能的选择。不同机能的阀控制液压执行器所得到的效果不同。
⑥阀内含反馈闭环的比例阀其稳定特性和动态品质较不含内反馈的阀好。内涵反馈闭环的比例阀具有结构简单、价廉和工作可靠等优点，其滞环在3%以内，重复精度在1%以内。采用电气反馈的比例阀，其滞环可控制在1.5%以内，重复精度可达0.5%以内。
⑦比例阀与控制放大器必须配套，二者的距离通常应小于60m，而信号源与放大器的距离不限。
⑧比例阀对油液的污染度要求并不严，一般控制在NASI638的8~10级（ISO的17/14级、18/11级、19/16级）之间。决定这一指标的主要环节是阀的先导级。
5.4电液数字控制系统简称电液数字控制系统。
根据所用的数字阀不同，目前有增量式数字阀控制系统及脉宽调制式高速开关数字阀控制系统两类。尽管数字控制系统输入的还是数字量，但由于液压执行器本身为一低通滤波器，故这种系统输出的仍是连续量。如前所述，与电液伺服和电液比例控制系统相比，电液数字控制系统具有可直接与计算机接口不需要数模转换器，价格低廉、编程方便、抗干扰与抗污染能力强等优势，日益受到关注；但它的动态性能不高，增量式数字控制系统尚存在分辨率不高、脉宽调制式数字控制系统尚存在管道脉动和寿命等有待解决的问题，故目前使用还不够广泛。
5.4.1增量式电液数字阀控制系统
增量式电液数字阀控制系统简称增量式电液数字控制系统。微型计算机(下简称微机)发出脉冲序列经驱动器放大后使步进电动机工作。步进电动机每得到一个脉冲信号，其转子便沿给定方向转动-固定的步距角，再通过机械转换器使转角转换为轴向位移，使阀口获得一相应开度，从而获得与输入脉冲数成比例的压力、流量。
由以上原理可见，这种系统中液压阀的输出量由步进电动机相应的运行步数来决定，此种量化方法很适合计算机使用；另外，系统与计算机连接方便，只需利用并行输出口的两位：一位输出节拍脉冲，使步进电动机的相绕组改变通电状态；另一位控制方向，用“1”或“0”电平分别控制步进电动机的正反转。计算机并行输出口的输出位数与电动机相数相同，如三相电动机占用三根输出线，可直接与步进电动机驱动电源基极相接。
1、开环控制
在开环控制时，步进电动机的转速由两个相邻通电状态的延迟时间决定。控制延迟时间有脉冲定位法和预读法两种方法。
脉冲定位法的原理是将每一步之后的延时常数事先存放在内存中，运行时依次取出。该方法适用于负载恒定、运行步数较少的系统。
预读法是预先读入转角、转速、运行方向等运行参数，由计算机计算所需的延时时间。该方法占用的内存量较小，可用于运行步数较多的系统。
2、闭环控制
当步进电动机步频较高时，开环控制易发生失步现象，可用闭环控制解决，以使系统的定位精度、转速及平稳性都得到提高。步进电动机所带动的数字阀闭环控制系统常用的反馈元件为光电编码器或磁尺等数字式传感器。控制的方法有核步法与超前角选择法两种。
(1) 核步法
此法是在电动机每转动一个步距角时发出一个脉冲，将脉冲累积数与电动机所要求的步进数相核。当计数值不同时，进行校正。核步法常用在位置控制系统中。
(2) 超前角选择法
超前角为导通点与定位点的距离。从理论上而言，超前角为步进角的1.25倍时可得最大平均转矩，实际上转矩值还和转速有关，因此根据转速调节超前角的大小，可以决定步进电动机的加速、减速过程及稳态转速的大小。用计算机控制延时的方法决定超前角，即改变延时常数可使转速能在较宽的范围内变化。
当系统需要采用PⅠD或其他控制策略时，可用离散控制系统的方法进行处理，请参见本书相关章节。
5.4.2脉宽调制(PWM)式电液数字控制系统
脉宽调制式高速开关数字阀控制系统简称脉宽调制式电液数字控制系统，数字阀只有“开”、“关”两种工作状态，用改变导通时与采样时间T之比(即脉宽占空比)的方法来获取所需的流量或压力值。
(1) 输出流量正比于导通脉宽
用脉宽调制方式进行控制时，采样周期7恒定，占空比由导通脉宽决定，输量正比于T。这种控制方式计算机程序设计较为简单，控制精度相对较高。
(2) 注意数字阀线圈的感性负载和运动部分惯性负载的影响
在编制脉宽调制程序时，由于数字阀线圈感性负载和运动部分惯性负载的影响，存在吸合延迟时间△7m和释放延迟时间△7m；由于数字阀运动部分惯性负载的影响，存在着阀芯运动延迟时间47和ATm。数字阀启闭需要一定的时间，故该控制系统有一定的死区，此死区经试验得出数据后，要在编制计算机程序时予以消除。
(3)信号的解调由它自动完成
计算机完成信号发生和调制功能。系统中的液压执行器相当于低通滤波器，因而信号的解调是由它自动完成的。信号发生部分可视为数字量函数发生器。计算机可发生任意信号或多种信号的组合。对线性函数，由于运算简单，常采用实时发生的形式。对非线性函数，由于实时发生的运算量比较大，所以常以空间代睛间，即在程序的初始部分创建一函数表放入内存，系统运行时查表即可得信号值。
(4)计算机运算方便
脉宽调制部分实际上是决定输出为“0”电平或“1”电平，分别称为ON电平OFF电平。在采样周期时间固定后，输出的0N电平持续时间是由该采样周期内信号的大小决定的，二者成比例关系，计算机程序的核心实际上是控制ON电平输出的延时常数。
这种液压控制系统也可以进行PID或其他控制策略的控制，而且与一般模拟料系统相比，用计算机编制软件更为方便。
在线客服
