[科普中国]-比例控制系统

简介

比例控制系统根据有无反馈分为开环控制和闭环控制。如比例阀控制液压缸或马达系统可以实现速度、位移、转速和转矩等的控制，其控制系统方框图如图。

由于开环控制系统的精度比较低，只能应用在精度要求不高并且不存在内外干扰的场合，但开环控制系统一般不存在所谓稳定性问题。而闭环控制系统(即反馈控制系统)的优点是对内部和外部干扰不敏感，但反馈带来了系统的稳定性问题。只要系统稳定，闭环控制系统可以保持较高的精度。因此，目前普遍采用闭环控制系统。1

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。目前，已引起工程控制界的密切而广泛重视，在机电液一体化和工程设备实现计算机控制的技术革命过程中，电液比例控制技术将获得更新、更快的发展。

研究历史流体传动的理论基础是由17世纪帕斯卡提出的帕斯卡定律为奠基石，之后获得了快速发展，特别是被20世纪第二次世界大战期间战争的激励，取得了很大进展，整体上经历了开关控制、伺服控制、比例控制3个阶段。

比例控制技术是20世纪60年代末人们开发的一种可靠、价廉、控制精度和响应特性，均能满足工业控制系统实际需要的控制技术。当时，电液伺服技术已日趋完善，但电液伺服阀成本高、应用和维护条件苛刻，难以被工业界接受。希望有一种价廉、控制精度能满足需要的控制技术去替代，这种需求背景导致了比例技术的诞生和发展。CAIE年瑞士某公司生产的KL比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中应用的正式开始，主要是将比例型的电—机械转换器（比例电磁铁）应用于工业液压阀，到80年代，随着微电子技术和数学理论的发展，比例控制技术已达到比较完善的程度，主要表现在3个方面：首先是采用了压力、流量、位移、动压等反馈及电校正手段，提高了阀的稳态精度和动态响应品质，这些标志着比例控制设计原理已经完善；其次是比例技术与插装阀已经结合，诞生了比例插装技术：再是以比例控制泵为代表的比例容积元件的诞生。1

系统构成电液比例控制系统，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。

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(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。

(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

系统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。

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:

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。2

系统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: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，并易实现自动无级调速。2

比例阀系统中的作用电液比例阀是比例控制系统中的主要功率放大元件，按输入电信号指令连续地成比例地控制液压系统的压力、流量等参数。与伺服控制系统中的伺服阀相比，在某些方面还有一定的性能差距，但它显著的优点是抗污染能力强，大大地减少了由污染而造成的工作故障，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性;另一方面比例阀的成本比伺服阀低，结构也简单，已在许多场合获得广泛应用。1

分类比例阀按主要功能分类，分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三大类，每一类又可以分为直接控制和先导控制两种结构形式，直接控制用在小流量小功率系统中，先导控制用在大流量大功率系统中。比例阀的输入单元是电-机械转换器，它将输入的电信号转换成机械量。转换器有伺服电机和步进电机、力马达和力矩马达、比例电磁铁等形式。但常用的比例阀大都采用了比例电磁铁，比例电磁铁根据电磁原理设计，能使其产生的机械量(力或力矩和位移)与输入电信号(电流)的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。

比例阀有三大类:

(1)比例压力阀，有溢流阀、减压阀，分别有直动和先导两种结构;

(2)比例方向阀，有直动和先导两种结构，直动阀有带位移传感器和不带位移传感器两类;

(3)比例流量阀，有比例调速阀和比例溢流流量控制阀。

比例阀与放大器配套使用，放大器采用电流负反馈，设置斜坡信号发生器，控制升压、降压时间或运动加速度及减速度。断电时，能使阀芯处于安全位置。1

比例阀的选用(1)根据用途和被控对象选择比例阀的类型;

(2)正确了解比例阀的动、静态指标，主要有额定输出流量、起始电流、滞环、重复精度、额定压力损失、温飘、响应特性、频率特性等;

(3)根据执行器的工作精度要求选择比例阀的精度，内含反馈闭环阀的稳态性、动态品质好。如果比例阀的固有特性如滞环、非线性等无法使被控系统达到理想的效果时，可以使用软件程序改善系统的性能;

(4)如果选择带先导阀的比例阀，要注意先导阀对油液污染度的要求。一般应符合ISO18/15标准，并在油路上加装过滤精度为10μm以下的进油过滤器;

(5)比例阀的通径应按执行器在最高速度时通过的流量来确定，通径选得过大，会使系统的分辨率降低;

(6)比例阀必须使用与之配套的放大器，阀与放大器的距离应尽可能地短。1

发展趋势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:①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。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。2