比例控制技术概述

第一章概述

1.1 电液比例技术的发展概况

传统的液压控制方式是开关型控制，这是迄今为止用得最多的一种控制方式。它通过电磁驱动或手动驱动来实现液压流体的通、断和方向控制，从而实现被控对象的机械化和自动化。但是这种方式无法实现对液流流量、压力连续地按比例地控制，同时控制的速度比较低、精度差、换向时冲击比较大，因此在许多场合下不宜采用。第二次世界大战期间，由于以飞机、火炮等军事装备为对象的控制系统，要求快速响应、高精度等高性能指标，在这个背景下迅速发展了电液伺服控制。这种控制方式可根据输入信号(如电流)的大小连续、按比例地改变液流的流量、压力和方向，克服开关型控制的缺点，实现高性能的控制要求。

60年代电液伺服控制日趋成熟，迅速向民用工业推广。但是在向民用工业推广的过程中，液压伺服系统暴露出了它致命的弱点：元件的制造精度要求很高，成本昂贵；对油污染十分敏感，因此对系统的维护要求高；控制损失(阀压降)较大。因为一般工业控制系统，它要求精度不那么高，响应也不需要那么快速，却要求系统对油液污染不敏感，维护简单，成本低廉，于是人们就想到如何发展廉价的伺服控制，这便导致研究和发展电液比例控制技术。

比例技术的发展大致可以划分为三个阶段：

第一阶段：1967年瑞士Beoringer公司率先生产出KL型比例复合阀，标志液压比例技术的诞生，到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为止。这段时间，主要是以比例型电--机械变换器，例如比例电磁铁、伺服电机、动圈式力矩马达等取代普通液压阀中的手动调节装置和普通电磁铁，实现电液比例控制，而阀内的结构和设计准则几乎没有什么变化。从性能上说，频宽约1～5Hz，滞环约4～7％，多数只用于开关控制。

第二阶段：从1975年到1980年，比例技术进入发展的第二阶段，比例器件普遍采用了各种内反馈回路，同时研制了耐高压的比例电磁铁，与之配套的比例放大器也日趋成熟，从性能上说，比例阀的频宽已达5～15Hz，滞环缩小到3％左右，不仅用于开环控制，而且广泛地用于各种闭环控制系统。

第三阶段：80年代以来，比例技术进入了飞速发展阶段，并取得了长足的进步，罗列如下：

1) 设计原理进一步完善，通过液压、机械以及电气的各种反馈手段，使比例阀的性能如滞环、频宽等，同工业伺服阀接近，只是因制造成本所限，尚存在一定的中位死区；

2) 比例技术同插装技术结合，开发出二通、三通比例插装阀；

3) 出现各种将比例阀、传感器、电子放大器和数字显示装置集成在一块的机电一体化器件；

4) 将比例阀同液压泵、液压马达等组合在一起，构成节能的比例容积器件。

近年来比例控制技术被迅速、广泛地应用于各种工业控制，各种比例器件在许多国家形成了系列化、标准化的产品，例如西德已有30％的普通阀的市场被比例阀取代。除了模拟式的电液比例元件外，人们也注重于开发出各种数字式的比例元件。数字式液压元件也是今后比例技术发展的一个重要分支。

利用电液比例技术还出现了很多所谓整体闭环控制，即全程电反馈的电液比例元件。其中有各种比例阀、比例容积控制、恒功率控制、恒流量控制、恒压力控制动力源等。

此外，以德国Bosch公司为代表推出的高性能闭环比例阀。由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器，含内置位置检测电子装置和反馈闭环，采用零开口四边滑阀，其输出稳态特性中无中位死区，滞环仅0.3%，频宽达200Hz，其性能与伺服阀无异。

现在比例阀已有些是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化的元件，使得结构更紧凑，性能进一步提高。

1.2 电液比例控制的概念

由于比例阀具有上述众多优点，因此它获得远比伺服阀更为广泛的工业应用。预料比例元件将作为普通的液压元件而大量应用，并与传统的液压阀分享工业市场。

从广义讲，凡是输出量，如压力、流量、位移、速度、加速度等，能随输入信号连续地按比例地变化的控制系统，都称为比例控制系统。从这个意义上说，

伺服控制也是一种比例控制。

但是通常所说的比例控制系统是特指介于开关控制和伺服控制之间的一种新型控制系统。与开关控制系统比较，它能实现连续、比例控制，并且控制精度高、反应速度快；与伺服控制系统比较，由于比例阀是在普通工业用阀的基础上改造而成的，因此加工精度不高，成本低廉，抗污染性能好，几乎同开关型控制差不多，控制精度、反应速度等控制性能虽然比伺服阀和伺服系统差，但能满足大多数工业控制的要求，并且阀内压降小，因此能节省能耗，降低发热量。

比例控制主要用于开环系统，伺服控制主要用于闭环系统。伺服控制装置总是带有内反馈，任何检测到的误差都会引起系统状态的改变，而这种改变正是强迫这个误差为零。误差为零时伺服系统处于平衡状态，直到新的误差检测出来。

在伺服控制系统中，平衡状态控制信号（误差）理论上为零，而比例控制系统却永远不会为零。

比例系统中的主控元件可以有无限种状态，分别对应受控对象的无限种运动，而开关控制中控制元件只有两种状态。在工程实际应用中，由于多数被控对象仅需要有限的几种状态，因而开关控制也有可取之处。开关元件通常简单可靠，不存在系统的不稳定性。

在模拟比例控制中，如果需要用计算机来控制，则必须具有A/D、D/A接口元件与计算机连接。近年来已经开发出了一些比例元件（电液数模转换器），其输出量与脉冲数、脉宽或脉冲频率成比例。其优点是抗污染能力强，滞后时间短，重复性好，能与数字计算机直接连接，是电液比例技术中的一个新领域。

1.3 电液比例控制系统的工作原理及组成

（1）工作原理

电液比例控制可以分为开环控制和闭环控制。当通过电液比例阀进行开环控制时，如图1-1所示，输入电压 U 经电子放大器放大后，驱动比例电磁铁，使之产生一个与驱动电流 I 成比例的力 Fd，去推动液压控制阀，液压控制阀输出一个强功率的液压信号（压力 P 和流量 Q ），使执行元件拖动负载以所期望的速度 v 运动。改变输入信号 U1 的大小，便可改变负载的运动速度。