（机械工程专业论文）炼钢生产线大型烧结机炉门液压同步比例控制系统的研究.pdf

摘要 钢厂炼钢生产线中大型烧结机的任务是向炼铁高炉提供成分和力度都合格的 成品烧结矿，供给高炉冶炼铁水用。烧结机布料炉门布料是最重要的工艺环节， 给料均匀性和烧结面积，直接影响烧结矿的质量和产量。传统使用的布料炉门的 调节机构是通过步进电机驱动实现的，经常出现断轴现象，结果造成电机使用寿 命短，由于布料炉门容易出现卡阻，所以事故点较多，对生产过程造成很大影响，也 难以实现可靠的自动控制。根据烧结机布料炉门的运动要求，本文开发了一种新 型的同步控制液压比例系统来代替步进电机完成对布料炉门开启度大小的调节， 从而实现对烧结机布料门炉门开度的检测和控制。全文的主要研究内容如下： 设计了烧结机布料炉门开度控制系统；介绍了烧结机布料炉门开度控制系统 的阀控缸原理；根据阀的流量方程、流体的连续性方程和液压缸的力平衡方程推 导了烧结机布料炉门开度控制的对称阀控非对称缸系统的数学模型。在此基础上， 根据对称阀控非对称缸系统在活塞杆伸出和缩回方向的特性不同的特点，分别讨 论了烧结机布料炉门开度控制系统在活塞杆伸出和缩回方向的稳定性。结果表明， 所设计的烧结机布料炉门开度控制系统满足奈奎斯特稳定判据，具有足够的稳定 裕量。 介绍了p i d 控制原理，给出了p i d 控制的结构形式，讨论了位置式p i d 算法 的抗积分饱和措施，并探讨了p i d 控制参数的整定方法。在此基础上，利用建立 了烧结机布料炉门开度控制系统的仿真模型，并进行了阶跃响应与同步控制的仿 真分析。结果表明，扰动施加前，p i d 控制能获得理想的控制效果；扰动施加后， 活塞杆伸出和缩回两个方向的同步误差均明显增大了。 阐述了模糊自整定p i d 的控制原理，讨论了模糊p i d 控制的参数整定问题， 设计了烧结机布料炉门开度控制的模糊自整定p i d 控制器，并建立了基于模糊自 整定p i d 控制的烧结机布料炉门开度控制系统模型。在此基础上，进行了布料炉 门同步控制的仿真分析。结果表明，由于在模糊自整定p i d 控制器中建立了参数 k p 、k i 、k d 与误差e 、误差变化e c 之间的在线自整定函数关系，满足了系统在 不同e 与e c 下对控制器参数的不同要求，取得了优于常规p i d 控制的控制效果。 从设备应用情况看，本系统达到了设计的预期效果，解决了长期以来烧结机 i x 布料炉门面临的实际问题。本文的研究结论可以为相关的企业生产提供科学的技 术指导和可行性依据。 关键词l 烧结机；同步炉门控制：比例系统：建模：模糊p i d x a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed u t yo fs i n t e r i n gm a c h i n ei nt h ep r o d u c t i o nl i n eo fs t e e lm i l li st op r o v i d ee n d p r o d u c to ff i r i n gm i n e ，w h i c hi su s e df o rs t e e lm a k i n go fb l a s tf u r n a c e s d i s t r i b u t i n g m a t e r i a lo ft h ef u r n a c ed o o ri st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yl i n k u n i f o r m i t ya n d f n i n ga r e ad i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t ya n dq u a n t i t y o ft h ef n i n gm i n e t r a d i t i o n a l g o v e r n o rm o t i o no ft h ed i s t r i b u t i n gf u r n a c ed o o ri s a c h i e v e db ys t e p p i n gm o t o r ，t h e s h a f to fw h i c ho f t e nb r e a k s s ot h ew o r k i n gl i f eo fi ti ss h o r t o na c c o u n to ft h es t u c k f u r n a c e d o o r , t h e r e a r cal o to fa c c i d e n t s ，w h i c hh a v eab i g i m p a c t 0 nt h e p r o d u c t i o n ，b e s i d e s ，r e l i a b l ea u t oc o n t r o li sd i f f i c u l tt ob ea c h i e v e d i na c c o r d a n c ew i t h t h em o t i o n r e q u i r e m e n t o ft h ef u m a c e d o o r , t h i s a r t i c l e d e v e l o p e d an e w s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lh y d r a u l i cp r o p o r t i o n i n gs y s t e mt or e p l a c et h es t e p p i n gm o t o r , s o t h a tt h ed e t e c t i o na n dt h ec o n t r o lo fo p e nd e g r e eo ft h ef u l t l a c 2d o o ri sa c h i e v e d t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s t h ep r i n c i p l eo fv a l v ec o n t r o l l i n gc y l i n d e ro fo p e nd e g r e ec o n t r o ls y s t e mo f d i s t r i b u t i n gf l l r n a c ed o o ri si n t r o d u c e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y m m e t r i cv a l v ec o n t r o l a n dd i s s y m m e t r i c a lc y l i n d e rs y s t e mo ft h eo p e nd e g r e ec o n t r o ls y s t e mo fd i s t r i b u t i n g f u m a c ed o o ri sd e d u c e di na c c o r d a n c ew i mt h ef l o we q u a t i o no fv a l v e ，e q u a t i o no f c o n t i n u i t yo ff l u i da n de q u i l i b r i u me q u a t i o no fh y d r a u l i cc y l i n d e r ，o nt h eb a s i so fw h i c h t h es t a b i l i t yo fo p e nd e g r e ec o n t r o ls y s t e mi nt h ed i r e c t i o no fs t r e t c ha n dr e t r a c t i o no f p i s t o nr o di sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ，i na c c o r d a n c e 晰t l lt h es p e c i a l i t yo fe q u a t i o no f c o n t i n u i t yo ff l u i da n de q u i l i b r i u me q u a t i o no fh y d r a u l i cc y l i n d e ri nt h ed i r e c t i o no f s t r e t c ha n dr e t r a c t i o no fp i s t o nr o d t h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h ed e s i g n e do p e nd e g r e e c o n t r o ls y s t e mo ff u m a e ed o o ra c c o r d s 诵t l ln y q u i s ts t a b i l i t yc r i t e r i o n ，w h i c hh a s e n o u g hs t a t i o n a r ya l l o w a n c e t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fp i di si n t r o d u c e d ，t h ef o r m a t i o no fp i di sg i v e n , a n dt h e a n t i s a t u r a t i o ni n t e g r a lc o n t r o lo fp o s i t i o nt y p ep i di sd i s c u s s e d b e s i d e s ，t h es e t t i n g so f c o n t r o lp a r a m e t e ro fp i di sd i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h eo p e nd e g r e ec o n t r o l s y s t e mi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i sa b o v e t h es i m u l a t i o na n a l y s i so fs t e pr e s p o n s ea n d x i 山东大学硕士学位论文 置| 置皇皇皇皇皇皇葛宣皇皇置_ i i 皇皇罩詈皇喜鲁詈昙詈置置量| 置昌詈置置盲墨皇鼍盲詈昌暑置詈_ s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li sa l s od o n e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tb e f o r ep e r t u r b a t i o n s u b j e c t st oi t , p i dc o n t r o lc a ng a i ni d e a lc o n t r o lr e s u l t ；a f t e rp e r t u r b a t i o ns u b j e c t st oi t , t h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ro fp i s t o nr o di n t h e d i r e c t i o no fs t r e t c ha n dr e t r a c t i o n a m p l i f i e so b v i o u s l y t h ep r i n c i p l eo ff u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o li ss t a t e d ，t h ep a r a m e t e rs e t t i n go f f u z z yp i dc o n t r o li sd i s c u s s e d , t h em o d e lo ft h eo p e nd e g r e ec o n t r o ls y s t e mo f s i n t e r i n gm a c h i n e ，o nt h eb a s i so fw h i c ht h es i m u l a t i o no fd i s t r i b u t i n gf u r n a c ed o o r s s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li sa n a l y s e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a td i f f e r e n tr e q u i r e m e n to f c o n t r o l l e r sp a r a m e t e ri nt h ec a s eo fd i f f e r e n tea n de ci ss a t i s f i e d ，a c h i e v i n gb e t t e r c o n t r o le f f e c tt h a no r d i n a r yp i dd u et ot h ee s t a b l i s h m e n to ft h es e l fs e t t i n gf u n c t i o no f k p ，k i ，k da n de r r o re ，v a r i a t i o no fm e t e re r r o re c j u d g i n gf r o mt h ea p p l i c a t i o no fe q u i p m e n t ，t h i ss y s t e ma c h i e v e st h ee x p e c t e de f f e c t , w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo ft h ed i s t r i b u t i n gm a t e r i a lo fs i n t e r i n gm a c h i n e t h e c o n c l u s i o no ft h i sa r t i c l ec a np r o v i d es c i e n t i f i ct e c h n o l o g yg u i d ea n df e a s i b i l i t yb a s i st o r e l a t e dc o r p o r a t i o n s k e y w o r d s ：s i n t e r i n gm a c h i n e ；s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo ff u l t i a c 宅d o o r ；p r o p o r t i n g s y s t e m ；m o d e l i n g ；f u z z yp i d x c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t c h a p t e r ld q t r o d u c t i o n 1 1 1p r o p o s i n ga n ds i g n i f i c a n c eo f1 h ei s s u e 。l 1 2h y d r a u l i cs y n c h r o n i z e dd r i v et e c h n o l o g y 1 1 2 1s y s t e m a t i z a t i o no fh y d r a u l i cs y n c h r o n i z e dd r j v e2 1 2 2f o i 己mc o m 噼刽r j s o no fh y d r a u l i cs y n c h r o n i z e dd r j v e 3 1 2 3p r a c l l c a la p p l i c a t i o no fh y d r a u l i cs y n c h r o n i z e d c o n t r o l 3 1 3h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y 4 1 3 1t h em e a n i n ga n dd e v e l o p m e n to fh y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y 。4 1 3 2c o n s t i t u t l 0 n s y s t e m a t i z a t l 0 na n dc h a ra c t e r i s t i c s o fh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y 6 1 3 3p r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t t e n d e n c yo fh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya th o m 哐a n da b r o a d 9 1 4t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h ei s s u e 。10 c h a p t e r2d e s i g no fh y d r a u l i cs y n c h r o n i z a l r i o np r o p o r t i o n a l c o n t r o ls y s t e m 1 3 2 1w o 删gr e q u i i 迮m e n to fh y d r a u l i cs y s t e m 1 3 2 2m a i np a ra m e t e r so fh y d r a u l i cs y s t e m 。l3 2 2 1l o a dc o n s t i t u t i o na n dc a l c u l a t i o n 1 3 2 2 2d e s i g no fc y l i n d e r 14 2 3d e t e r m 玳a t i o no ff l o w p r e s s u r ea n ds l 帅a r d 17 2 3 1d e t e i 蝴【n a t i o no fp i 己e s s u i 迮17 2 3 2d e t e r m i n a t i o no ff l o w l7 2 4 s c h e m a t i cd l g r a mo fh y d r a u l i cs y s t e m l8 v 山东大学硕士学位论文 2 4 1w o r k i n gp r i n c 口l eo fh y d r a u l i cs y s t e m 18 2 4 2w o r k i n gp r o c e s so fh y d r a u l i cs y s t e m 19 2 5d e s i g na n dc h o i c eo fh y d r a u l i ce l e m e n t s 2 0 2 5 1c h o i c eo fh y d r a u l i cp u m p 2 0 2 5 2c h o i c eo fe l e c t r i c a lm a c h i n e 2 0 2 5 3c h o i c eo fh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e 2 0 2 5 4a r r a n g e m e n t0 fh y d r a u l i cs y s t e m 2 2 2 5 5c h a ra c t e i u s t i c so fh y d r a u l i cs y s t e m 2 5 2 6s u m m a r y 2 6 c h a p t e r3m a t hm o d e lo fo p e nd e g r e ec o n t r o ls y s t e mo f f u r n a c ed o o r 2 7 3 1t h ep r i n c i p l eo fv a l v ec o n t r o l l i n gc y l i n d e rs y s t e mo f s i n t e i 呵gm a c h i n e 2 7 3 2s y s t e mm o d e l 。2 8 3 2 1m o d e l i n go fs y m 任! t i u cv a l v ea n da s y m m e t r i c a l c y l i n d e ro fs i n t e r i n gm a c h i n e 2 8 3 2 2m o d e l so fp r o p o r t i o n a lv a l v ea n dp r o p o r t i o n a l a m p l i f i e r 3 5 3 2 3m o d e lo fl i n e a rd i s p l a c e m e n ts e n s o r 3 6 3 3a n a l y s i so fs y s t e ms t a b i l i t y 3 6 3 4s u m n l 恹y 3 9 c h a p t e r4p i dc o n t r o lo f o p e nd e g i 迮eo ff u r n a c ed o o r 4l 4 1p i dc o n t r o l 4 l 4 1 1c o m p o s i t i o no fp i dc o n t r o l 。4 1 4 1 2a n t i s a t u ra t i o ni n t e g r a lc o n t r o lo fp o s i t i o nt y p e p i da i u t h m e t i c 4 4 4 1 3s e t t i n g so fp i dp a ra m e t e r 4 5 4 2s i m u l a t i o no fp i dc o n t r o lo fo p e nd e g r e eo ff u r n a c e d o ( ) r 4 7 4 2 1a n a l y s i so fs t e pr e s p o n s e 4 7 v l c o n t e n t s 4 2 2s y n c h r o n i z a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i sw i t h o u t d i s t u rb a n c e 51 4 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章绪论 1 1 课题的提出及意义 第1 章绪论 目前，钢厂炼钢生产线中大型化的烧结机用于大型黑色冶金烧结厂的烧结作 业，烧结就是将含铁原料、燃料、溶剂等，按比例配在一起，经过混均制粒，加 水润湿后铺在烧结设备上，从上向下进行点火烧结，点火的同时烧结机下边开始 抽风，在混合矿中的燃料从上到下进行燃烧的同时，将易融物质融化润湿难融物 质，液相逐渐冷却将难融物质粘在一起，这个过程直到烧结机炉蓖宣告结束。烧 结机的主要任务是给炼铁高炉提供力度和成分都合格的成品烧结矿，供高炉冶炼 铁水用。它是抽风烧结过程中的主体设备，可将不同成份，不同粒度的精矿粉， 富矿粉烧结成块，并部分消除矿石中所含的硫，磷等有害杂质。烧结机布料炉门 布料是最重要的工艺环节，给料的均匀性和烧结面积，直接影响烧结矿的质量和 产量【1 捌。 在烧结机布料系统中，调整布料炉门开启度的机构是其最关键部分。既要求 保证调节开度动作的精确性，又能按给定的信号调节布料炉门开启度大小，并能 自动进行对比和校正。又要求能够适应烧结混合料的情况和烧结设备周围的工作 情况，具有较长的使用寿命。烧结厂传统使用的布料炉门的调节机构是通过步进 电机驱动的，经常出现布料炉门容易卡阻、电机断轴等故障，不仅影响生产过程， 而且也难以实现稳定的自动控制。布料炉门调整开度偏差大时，会导致下料量不稳 定，易出现挂料和堵料，同时造成台车宽度方向上的料厚度不一致以及点火不均 匀。既耗费了大量的备件费用，又影响了生产效率，严重地影响了烧结矿的质量 和产量，增加了返矿量，浪费了能源【删。 1 2 液压同步驱动技术 同步运动是指机械设备中的两个或两个以上的运动件，如转轴、液压缸中活 塞与活塞杆、液压马达的输出轴等具有相同的转速、速度、位移、加速度等物理 量，其中最重要的同步标志是以相同的位移( 含角位移) 、速度( 含旋转角速度) 完成它们的工作过程。同其它的同步驱动形式相比，液压同步驱动具有精度高、 山东大学硕士学位论文 反应快、结构简单、功率大、组成方便、易于控制和适宜大功率场合的特点，因 此液压传动是同步运动的首选传动形式。采用液压同步运动的方法是提高液压有 效负载的一种可行方法，它可将驱动两个或两个以上的执行器( 液压缸或液压马 达) 产生相同的线位移或角位移运动。同步回路是由控制同步运动的液压件，经 管路至执行器，执行器的回油口经管路回油箱部分。同步精度，是指同时工作的 数个执行器之间运动参数的误差值。在具有液压同步回路的机械装备中，若同步 精度达不到要求，机械设备就不能充分发挥效用。所以在设计液压同步回路时， 首先要保证回路能达到同步精度要求，其次要适合其他技术要求，同时也符合使 用环境等。随着制造业的发展，冶金机械、金属加工设备、工程机械及航天与航 空驱动装置等对高精度的液压同步驱动技术的需要愈加迫切。 1 2 1 液压同步驱动形式分类 液压同步驱动的实现形式很多，根据实现的任务，被控执行元件的数量、类 型与结构、安装与运动方向和控制元件的不同，主要分类如下【7 - 1 0 】： 按系统输出参数是否可自行修正，分为开环液压同步驱动系统和闭环液压同 步驱动系统； 按实现的任务不同，可分为力液压同步驱动系统、速度液压同步驱动系统和 位置液压同步驱动系统： 按被控制同步执行器类型，可分为液压缸受控制同步驱动系统和液压马达受 控制同步驱动系统： 按液压执行元件的数量，可分为双执行机构液压同步驱动系统和多执行机构 液压同步驱动系统； 按液体介质被控方式不同，可分为容积控制液压同步驱动系统、流量控制液 压同步驱动系统、伺服( 比例) 控制液压同步驱动系统； 按液压缸的形式不同，可以分为双作用液压缸同步控制系统和单作用液压缸 ( 非对称液压缸) 同步控制系统； 按液压控制元件的不同，可分为机械伺服( 比例) 阀控制液压同步驱动系统、 电液伺服( 比例) 阀控制液压同步驱动系统、数字阀控制液压同步驱动系统、伺 服( 比例) 变量泵液压同步驱动系统【1 1 】。 2 第1 章绪论 1 2 2 液压同步驱动形式比较 液压同步驱动系统主要有闭环和开环两种形式。开环液压同步驱动系统是液 压同步系统中控制装置与受控对象之间控制信息只是顺向传递作用，无逆向联系， 即无反馈信息装置。每当控制有一输入量则系统就有一输出量，当系统受到干扰 时系统的输出量就达不到期待量。系统的同步精度取决于控制元件质量、特性及 之间的参数匹配和系统的组成。开环回路同步精度低，受外界干扰影响大，有时 甚至超出允许误差。但是开环控制控制系统组成结构简单，价格较低廉，技术要 求的水平不高及知识面并不很广，所以常应用在对同步精度要求不高的场合【1 2 。15 1 。 闭环液压同步驱动系统是将受控对象的输出参数两经检测与预先期盼量比较运算 后，将其相差值反馈给控制装置，能很大程度地消除或抑制内外界对输出期盼参 数量的干扰，以使输出参数量为预先期盼的值或接近但不允许超过的值；简言之， 在控制系统中通过输出量反馈到控制装置使其输出量符合期盼量的要求，此控制 系统就是闭环控制系统。闭环控制液压同步系统可以获得较高的同步精度。特别 是随着控制理论、智能控制方法及计算机控制技术的发展、电子技术与液压技术 相结合，新型含有电子结构的液压元件产品推出，数字化新技术融入到液压产品 中，该种闭环控制液压同步系统几乎在所有需要高同步精度驱动的各类机械装备 都得到了广泛的应用【蛉1 8 】。 对于所有液压闭环同步驱动来说，“主从方式”和是“同等方式 通常采用 的两种控制策略【l9 】。“主从方式 是指多个需同步控制的执行元件以其中一个的 输出为理想输出，而其余的执行元件均受到控制来跟踪这一选定的理想输出，并 达到同步驱动。对于高精度输出场合，按“同等方式一工作的液压同步闭环驱动 系统具有较好的优势。“同等方式 是指多个需同步控制的执行元件跟踪设定的 理想输出，分别受到控制而达到同步驱动的目的1 2 1 j 。 1 2 3 液压同步控制的实际应用 当前，液压同步闭环控制在包括各类金属压力加工与冶金设备、工程机械和 航天航空设备等在内的很多设备与机械上得到了广泛使用【2 2 。4 1 。 液压折板( 弯) 机是一种通用的金属板料折弯设备。其用途就是能在常温下利 用简单模具将板料弯成各种构件或型材。这一机械已大量用在飞机、汽车、船舶 山东大学硕士学位论文 及家电制造业。为保证板料折弯成形的质量，关键就在于控制布置于横粱两端的 两个液压缸的同步运动。为此，对于大型液压折板机，则多使用电控变量泵等组 成的同步闭环控制；而对于中型液压折板机或同步精度要求较高的小型液压折板 机，以采用电液伺服阀或比例控制阀或数字控制阀组成的电反馈式同步闭环控制 为宜；对于精度要求不高的小型液压折板机，一般均采用由机液伺服阀等组成的 机械反馈式同步闭环控制。根据上述原则对液压折板机实行同步驱动，均获得了 较好的效果。这些应用为本课题的应用奠定了工程基础。 1 3 液压比例控制技术 1 3 1 液压比例技术的含义及发展 在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力 连续地成比例地得到控制的系统，都可以被称为液压比例控制系统。 随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制技术提出了 更高的要求，发展机电一体化技术已成为一种必然的趋势。进入2 0 世纪8 0 年代 以来，逐步普及和完善集成传感技术和计算机控制技术为液压技术和电子技术的 结合创造了条件。计算机控制在液压控制系统中的应用大大提高了工作的可靠性 和控制精度，使得以往难以解决的控制难题有了突破的希望，随着计算机技术和 电子技术在液压传动及控制系统的广泛深入应用，使新一代电液控制系统兼备了 液压和电气的双重优势，形成了具有竞争力的自身技术特点，在许多领域里获得 越来越广泛的应用【2 5 1 。液压比例控制系统的应用领域很广泛，尤其是在没有机械 变送装置的线性运动控制领域，以及机械系统中要求具有可编程控制功能的运动 控制领域。目前已经有应用的领域有：工业、农业、包装机械、材料加工、机械 工具、食品加工、机器人等。 在液压传动及控制技术的发展过程中，先后出现液压伺服控制和液压比例控 制技术，机械液压伺服控制出现比较早，应用于飞机的液压助力器。随着超音速 飞机和导弹的发展，要求伺服控制反应速度越来越高，促进了液压伺服控制系统 的产生与发展。2 0 世纪6 0 年代末，各类民用工程对电液控制技术的需求，日益迫 切与广泛，然而，传统的液压伺服阀对介质清洁度的要求十分苛刻，制造成本也 较高，价格昂贵，使得各工业用户难以接受，同时传统的开关控制又不能满足高 4 第1 章绪论 质量高精度控制系统的要求，在这种情况下，液压比例控制技术迅速发展起来。 经过3 0 多年的不断发展，液压比例控制技术获得了广泛的应用，填补了伺服控制 与传统开关式液压控制技术之间的空白【2 6 】。 液压比例系统是一种联系微电子技术与工程及系统的接口，其实质是电子一 液压一机械( e h m ) 放大转换系统。从广义上说，凡是系统的输出量能随输入控制 信号连续成比例的得到控制的，都可以称为比例控制系统【2 7 】。随着工业自动化水 平的提高，许多液压系统要求液压油动态系统的流量和压力能连续的或按比例的 跟随控制信号的变化，但对动态特性和控制精度要求不高，然而仅用普通的控制 阀很难实现这种控制，若用液压伺服阀组成伺服系统当然能实现这种控制，但伺 服系统的维护困难，而比例控制阀能满足生产中这类系统的要求，因此得到了很 大的发展和应用，从而产生了真正意义上的比例控制技术。 比例阀控制技术的基本工作原理是：根据输入电信号的大小，通过放大器， 将这个电信号作为输入量送入比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量 一力或位移，该力或位移又作为输入量加给比例阀，后者产生一个与前者成比例 的流量或压力，通过这样的转换，一个输入电压信号的变化，不但能控制执行元 件和机械设备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行连续调 节【9 】。 从液压比例控制技术的历史来看，其发展可分为三个阶段 乏 从1 9 6 7 年瑞士布林格尔( b e r i n g e r ) 公司生产比例复合阀起，到2 0 世纪7 0 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，是比例技术的诞生 时期，这一阶段的比例阀，仅仅是将电一机械转换器( 例如比例电磁铁) 用于工 业液压阀，来代替调节手柄或开关电磁铁，而阀的结构原理和设计准则几乎没有 变化，大多不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在l - 5 h z 之间，稳态滞环在 4 - 7 之间，多用于开环控制。 1 9 7 5 - 1 9 8 0 年间，比例技术的发展进入第二阶段，采用各种内反馈原理的比例 元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟，比例元件 的工作频宽已达5 1 5 h z ，稳态滞环也减小到3 左右，其应用领域也日益扩大，不 仅用于开环设计，也用于闭环控制。 2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入第三阶段，比例元件的设计原理进一步 完善，采用了流量、压力、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的动态 5 山东大学硕士学位论文 响应、稳态精度和稳定性都有了进一步提高，在2 0 世纪8 0 年代末，9 0 年代初， 随着电子技术的高速发展，比例阀技术出现了质的飞跃，例如德国的b o s c h 公司 率先推出的新产品一比例伺服阀，这种阀结构上与比例阀相同，而性能指标达到 了伺服阀的各项指标，短短几年内，在欧美市场上得到了广泛的应用，如b o s c h 公司批量生产的n 6 比例伺服阀，其重复精度、滞环可达到0 1 - 0 2 ，且不存在 一般比例阀固有的死区，另一项重大进展是比例技术开始和插装阀相结合，已经 开发出各种不同规格和功能的二通、三通型比例插装阀，形成了2 0 世纪8 0 年代 电液比例插装技术，同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体 化的比例元件，电液比例技术逐步形成了2 0 世纪8 0 年代的集成化趋势【2 7 。o 】。第 三个值得指出的进展是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现， 为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础。 2 0 世纪9 0 年代中后期开始，比例技术开始大量进入行走机械领域，各种节能 的负载适应控制、负载敏感控制等节能器件与系统日益增多。另一个重要的进展 是适应电流比例闭环控制的快速增长需要，出现了在一个新层面上比例技术与伺 服技术的结合产物，即伺服比例阀。液压比例控制技术是近3 0 年发展起来的介于 普通断通控制与电液伺服控制之间的新型电液控制技术分支，它作为连接现代化 微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，己经成为现代控制工程的基本构 成之一，在机电一体化和工程设备实现计算机控制的技术进步过程中得到了充分 的应用与发展。 因此，由比例技术的发展过程可以看出，电液比例技术发展到目前阶段，已 经能用于大多数的工业控制中，并具有很强的市场竞争能力。 1 3 2 液压比例控制系统的组成、分类及特点 1 液压比例控制系统的组成 比例控制阀加上电子控制技术组成的比例控制系统，可满足各种各样的控制 要求，比例控制阀相当于在普通的压力阀、流量阀上装上可自动的连续控制的比 例电磁铁以代替原有的电磁控制部分 3 1 - 3 3 j 。就可以根据输入控制信号连续按比例 的输出压力或流量进行控制。 液压比例控制系统，尽管其结构各异，功能不同，但都可归纳为由功能基本 相同的单元组成的系统，如图1 - - 1 所示，图中虚线所示为可能实现的监测与反馈。 6 第1 章绪论 由上图可知组成