电液比例技术2.ppt

1,比例控制放大器：是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电流比例阀或电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。它是电液比例控制元件或系统的主要组成单元。检测反馈系统：是电液比例元件或系统中的组成单元之一。它是元件内部闭环或系统闭环控制中必不可少的部分。在闭环控制中，它检测出实际控制量，并通过反馈与设定值相比较。,2,-1比例控制放大器概述,在电液比例控制系统中，对比例控制放大器一般有以下要求：）、良好的稳态控制特性）、动态响应快、频带宽）、功率放大级的功耗小）、抗干扰能力强，有很好的稳定性和可靠性）、较强的控制功能）、标准化、规范化,3,一、典型构成：根据电机械转换器的类别和受控对象的不同技术要求，比例控制放大器的原理、构成和参数各不相同。随着电子技术的发展，放大器的元件、线路以及结构也不断改善。图-1是比例控制放大器的典型构成。,4,比例控制放大器的组成,5,输入接口,位置处理,调节器,前置放大,功率放大,比例电磁铁,颤振电路,测量放大,电源变换,外输入,内设定,负载,6,二、分类,比例控制放大器根据受控对象，功率及工作原理等的不同，可有多种分类方式。常见有：1、单路和双路比例控制放大器：1）、单路比例控制放大器：用来控制单个比例电磁铁驱动工作的比例阀。例如：比例流量阀、压力阀、单电磁铁二位（三位）比例方向阀等。,7,2）、双路比例控制放大器：用来控制双电磁铁驱动工作的三位比例方向阀等。解释:双路比例控制放大器工作时，始终只让其中一个比例电磁铁通电，这是三位比例方向阀工作所要求的，因此，它与下述的双通道比例控制放大器是完全不同的。,8,2、单通道、双通道和多通道比例控制放大器：1）、单通道比例控制放大器：就是单路比例控制放大器，只能控制一个比例电磁铁。2）、双通道、多通道比例控制放大器：将二个或二个以上单通道比例控制放大器集中在一块标准的控制板上，就构成了双通或多通比例控制放大器。,9,例如：比例压力流量复合阀、多路比例阀等。双通道或多通道比例控制放大器能同时单独控制二个或二个以上比例电磁铁。当然，双通道或多通道比例控制放大器并不是两个或多个单通道比例放大器的简单组合，而是在结构上作了有机调整组合而成的，如公用电源等。,10,3、电反馈和不带电反馈比例放大器：1）、电反馈比例控制放大器：用来控制电反馈比例阀，也可作为某些闭环控制系统的控制器。2）、不带电反馈比例控制放大器：用来控制不带电反馈的比例阀，不能作为闭环控制系统的控制器。两者在电路结构上的最大区别：,11,电反馈比例控制放大器设置有测量放大电路、反馈比较电路和调节器，但不一定有颤振信号发生器。不带电反馈比例控制放大器没有测放电路、反馈单元和调节器，但一般有颤振信号发生器。,12,、模拟式和开关式比例控制放大器,）、模拟式比例控制放大器：属于连续电压控制式，功放管工作在线性放大区，比例电磁铁控制线圈两端的电压为连续的直流电压，因而功耗较大。,13,）、开关式比例控制放大器：此放大器的功放管工作在截止区或饱和区，即开关状态，比例电磁铁控制线圈两端电压为脉冲电压，因而功耗很小。开关式比例控制放大器又可分为:脉宽调制（）：最常用脉频调制（）脉幅调制（）脉码调制（）脉数调制（）等。,14,、单向和双向比例控制放大器,根据所控比例电磁铁的类型分为：）、单向比例控制放大器：就是通常所说的比例控制放大器。用来控制普通单向比例电磁铁。）、双向比例控制放大器：用来控制双向比例电磁铁。,15,、恒压式和恒流式比例控制放大器：,根据比例电磁铁控制线圈上需要恒定的信号不同而区分：恒压式恒流式：能抑制负载阻抗热特性的影响，且有较优的动态特性。因而比例控制放大器多采用恒流式结构。,16,2-2比例控制放大器主要电路的构成、原理及功能,对不起,17,一、电源电路,、主要作用从标准电源中获得和分离出比例控制放大器正常工作所需的各种直流稳定电源，并且在电网电压，负载电流及环境温度允许范围内变化时，保证输出直流电压的稳定性。同时，还兼具电源电压极性反接，过流，短路自保护自恢复等非熔断式保护功能，以保证比例控制放大器的工作可靠性。,18,、构成包括滤波、稳压和过载保护等部分。,19,二、输入接口单元,为满足各种外设需要，增强适应性，比例控制放大器一般具有多种输入接口。、模拟量输入接口最简单的就是利用手调电位器输入控制电信号，即手动输入。常用安装在面板上的多圈电位器来调节，在比例控制放大器或比例控制系统调试时使用。,20,、数字量输入接口为满足数字控制的需要，有的比例控制放大器还具有数字接口。、遥控接口一些特殊用途的比例控制放大器还具有遥控接口。比例控制放大器内含超高频调频接收单元（遥控接口），可接受来自发射器的无线电控制命令，经处理后去控制比例电磁铁，以实现无线遥控。,21,三、信号处理电路,为适应各种不同控制对象和工况的要求，比例控制放大器中还有各种信号处理电路，对输入指令信号进行相应的处理。最常见的有斜坡信号发生器，阶跃函数发生器，双路平衡电路，初始电流设定等。,22,、斜坡信号发生器以一个设定值阶跃作为输入信号，斜坡信号发生器产生一个缓慢上升或下降的输出信号，输出信号的变化速度可通过电位器调节，以实现被控系统压力或运动速度等的无冲击过渡，满足系统控制的缓冲要求。,23,如图4-7所示，在输入阶跃信号情况下，由于电容C充电的阻滞作用，可使输出电压缓慢而连续地变化。调节可变电阻R能改变输出电压的斜率。斜坡预调时间，与100%额定输入电信号相对应的设定值（输入阶跃信号）相关。当输入信号设定值仅为额定值的某个比值时，其斜坡调整时间也为相应预调最大斜坡时间的相应比值。,24,25,图4-8是常见的一种阶跃信号斜坡转换电路，用来分别调节两个斜坡函数的速率。适用于被控系统压力（速度）上升和下降速率需各自调节的场合。输出幅值的调节可通过改变ui实现。,26,27,2、阶跃函数发生器它的输出信号经放大后，给比例电磁铁一个阶跃电流，使比例阀阀芯快速越过零位死区，即消弱或排除比例阀阀芯正遮盖的影响，适应零区控制特性的要求。在控制三位型比例方向阀的比例控制放大器中，一般有阶跃函数发生器。,28,图4-9是阶跃函数发生器的原理图。阶跃函数发生器在设定值电压大于一个较小的电压值ui时，产生一个恒定的输出信号，其大小可由P1、P2调定。当设定值电压小于ui时，输出信号为零。,29,30,、双路平衡电路在双路比例控制放大器中，为使两个比例电磁铁分别正常动作，且在两个比例电磁铁参数有所不同的情况下仍能得到对称的控制特性，常采用双路平衡电路。如图4-10所示，调节电位器P，使B路比例电磁铁控制通道的增益与A路比例电磁铁控制通道的增益相同，同时使B路控制信号反相，保证比例电磁铁A和B实现差动工作。,31,32,、初始电流设定电路如图4-11所示，主要用于产生比例电磁铁的预激磁电流，调整比例阀的零位死区大小，或避开死区。使比例阀在设定值输入时，从起始位置迅速启动。,33,34,调节器是电反馈比例控制放大器中的一个组成单元，其作用为：用于改善电反馈闭环控制比例阀或系统的稳态和动态品质；使控制比例阀或系统稳定并达到一定的控制精度；对干扰起抑制作用；使动态特性得到提高。,四、调节器,35,调节器按使用要求构成不同的调节特性。常用的调节器有P、I、D及其组合。、调节器：具有比例调节特性，即输出量与输入量成比例。如图4-12所示，输出量为：,36,KP=R1/R0比例增益（放大系数）特点：结构简单，调整容易，对调节量的变化响应快；始终存在一个和放大系数相关的调节偏差（静差）；调节器的比例增益KP越大，静差越小，调节精度越高；但KP过大，会使系统产生自激振荡。,37,、调节器：如图4-13所示，调节器的输出量为输入量对时间的积分，即TI=R0C积分时间常数。表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。,38,特点：只要输入量ui不为零，输出量u0就不断地变化，直到输入量为零，输出电压才保持在某一数值上，因此，调节器原则上能完全消除任何调节偏差。但调节器需要较长的调整时间，当调节量变化时，反应很慢，且有可能出现较大的超调。,39,、I调节器：如图4-14所示，I调节器综合了调节器的快速性和调节器的精确性。其输出量为：,40,特性：既能快速地抑制干扰量，又能进行精确的调整，消除静差。对于惯性较大的对象，I调节器就不能及时克服扰动的影响，以致造成较大的动态偏差和较长的调节时间。,41,、调节器：只对有变化的输入量产生反应。对固定不变的输入，不会有微分作用输出，因此不能克服静差。通常只能与其它类型调节器配合使用。如图4-15所示的调节器是纯微分环节和惯性环节的组合。其传递函数为,42,43,、D调节器：如图4-16所示，D调节器中的微分部分影响到调节偏差的变化速度，可加速调节过程。但PD调节器存在一个静态调节偏差。,44,、PID调节器：综合了三种控制类型的特性。不但具有良好的动特性，而且能消除静态控制偏差。是用得较多的一种调节器。,45,五、颤振信号发生器,为了降低比例电磁铁的摩擦滞环，往往采用在控制信号上叠加颤振信号的方法。在工程实际中，由于受机械加工工艺水平的限制而带来的性能不一致性，往往还要求比例控制放大器能提供颤振分量频率和幅度可独立调节的控制电流。,46,图4-20就是这种频率和幅值分别可调的三角波颤振信号发生器。调节1，可改变颤振信号频率；调节P2,可改变颤振信号的幅值。,47,六、测量放大电路,在位移电反馈比例控制放大器中，为了通过装在比例阀上的位移传感器构成电反馈闭环，往往附加有与传感器匹配的测量放大电路。同时，为保证电反馈比例阀工作的可靠性，还常带有传感器电缆故障识别装置。,48,七、功率放大级,功用：功率放大级是比例控制放大器的核心单元。比例控制放大器的稳态和动态性能及其工作可靠性，很大程度上取决于功率放大级。功率放大级除了必须有足够的输出功率时，还必须具有良好的静、动特性。,49,输出的控制电流要有足够的稳定性，能抵抗温度变化、电流电压变化的干扰。此外，功率放大级还需具备几个附加功能，如：能接受颤振信号，输出电流能采集和监视等。功率放大级主要由信号放大和功率驱动电路组成。图4-22是它的典型结构。在保证功率放大级工作稳定的前提下，一般应尽量提高前向通道电压放大倍数，以提高输出电流抵抗电源电压波动和负载阻抗变化的能力，改善电流动态特性。,50,51,根据功率放大级工作原理的不同，比例控制放大器有模拟式和开关式之分。、模拟式功率放大级目前使用较普遍的比例控制放大器大多采用模拟式功率放大级。这种功率放大级技术比较成熟，结构简单、稳态控制性能较好；但功耗较大。,52,、开关式功率放大级为了降低功放管功耗，提高电功率利用率，缓解由于功耗大引起的一系列不良影响，比例控制放大器采用开关式功率放大级。,53,特点：开关式功率放大级，用开关放大技术，使功放管始终工作在饱和区或截止区，使功放管的功耗大为降低，电路板的热负荷相应减小，使散热装置体积得以缩小，因此，开关式功率放大级是一种节能电路。开关式功率放大级有脉宽调制，脉频调制，脉幅调制，脉码调制等多种方式，以脉宽调制式最为常用。,54,、快速型功率放大级传统模拟式和开关式功率驱动电路，线圈电流的衰减速度缓慢，影响了它控制的比例电磁铁的动态频宽，不能满足动态性能要求较高的电液比例控制系统的要求。,55,2-3、国内外几种典型比例控制放大器简介,56,一、国内外比例控制放大器发展概况,、国际发展概况国外较早开始了对比例控制放大器的研究工作。许多液压件制造厂家，均有规格齐全的系列化产品应市。Rexroth.vickers过去生产的比例控制放大器多为模拟式和低频开关式，现在逐步向高频开关式；Bosch大多为快速型，以高频开关式为主；,57,Binder则有很好的规范化;Moog还提供具有遥控功能的Moogndl系列比例控制放大器；日本的油研EH系列比例阀，将比例控制放大器集成在位移传感器插座上，外加液晶显示，构成內置式比例控制放大器，体积小、成本低。,58,2、国内发展状况在国内，随着电液比例控制技术的迅速发展，对比例控制放大器也展开了一系列开发研究工作。一系列通用型单向及双向模拟式、开关式和快速型比例控制放大器研制成功，并投入小批量生产。其中的快速型是一种颇有应用和发展前途的比例控制放大器。,59,3、比例控制放大器的主要特点和发展趋势)、开关式比例控制放大器应用领域日趋广泛，尤其是大功率控制场合，模拟式有被开关式代替的趋势。（这是因为以开关放大原理工作的功率放大级易做成高频响结构，功耗小、易于小型化、集成化）。)、在开关式中，最常用的是脉宽调制型；其中高频开关式比传统的低频开关式有更好的稳态控制性能，因此，高频开关式将占主导地位。,60,3)、快速型（高频响型）和普通型比例控制放大器将并存，以满足不同控制系统的要求。4)、输入接口多样化，增强适应性和自动化程度，便于控制。（除通常的模拟量输入接口外，还带有数字接口，逻辑开关等，可直接与微机或可编程控制器联接，或受微机或可编程控制器控制。甚至还有遥控功能）5)、比例控制放大器本身集成化、智能化；比例控制放大器、传感器、测量放大电路和液压元件一体化。,61,6)、标准化、系列化、商品化。（标准化主要指电源的标准化，输入信号的标准化和印刷电路板及连接插座的标准化。）,62,二、几种常用比例控制放大器,1、RexrothVT3000S30(不带反馈双路)比例控制放大器该比例控制放大器用以控制不带电反馈的先导式双电磁铁比例方向阀。2、VickersEEAPAM118A/B30(带反馈单路)比例控制放大器这是Vickers公司带反馈控制比例放大器的一种，用来控制电反馈比例溢流阀。,63,、BKT12带反馈快速开关式双路比例控制放大器这是浙江大学流体传动及控制研究所为适应比例控制技术向高动态、高精度方向发展的需要而开发的。其主要特点为：采用开关放大技术，降低了功耗；采用高频脉宽调制，使颤振分量频率和幅度单独可调，改善了稳态控制性能；采用反接卸荷功率驱动电路，提高了比例电磁铁电流动态响应的快速性。,64,4、双向比例控制放大器用来控制耐高压双向极化式比例电磁铁。,65,三、专用比例控制放大器,电液比例控制技术之所以能广泛应用于各种不同要求的传动与控制系统，比例控制放大器的灵活性是一个重要的因素。对前述通用型比例控制放大器（主要是信号处理部分）略加改造，就可衍生出满足各种不同控制系统特殊要求的专用放大器。,66,2-4检测反馈系统,在电液比例控制系统或内含反馈的电液比例控制元件中，流量、压力、位移、转角等常通过传感器件予以检测，经放大处理后成为反馈信号，构成系统或元件内部的闭环。从物理量检测到构成反馈信号，即为检测反馈系统。,67,转换元件,信号处理与放大,被测量,电量,电源,（非电量）,反馈变量,图4-33检测反馈系统的基本组成,一、基本结构,68,由图可知，它主要由两部分组成：1、传感器或检测转换器件：用来对实际值进行检测，并将被测量转换成电量或其它非电量。2、信号处理与放大单元：用来对转换后的电量或非电量进行处理和放大，使之成为可以与系统的控制输入量进行比较的物理量，以构成闭环系统或元件内部的局部闭环。,69,注意：众所周知，控制系统所能达到的精度，不可能比实际值检测的精度高，因而传感器件（检测装置）的精度应比系统或元件要求的高数倍至十数倍。与对传感器件的精度要求相适应，对信号处理和放大单元也应有相应的技术限制。实际值的检测可以是数字式的，也可以是模拟式的，从而信号处理和放大部分也有相应的区别。,70,二、常用传感器件简介,主要介绍可单独对系统或元件的位移（转角），速度，压力，流量等进行检测的传感器件，其输出量一般可转化为电量。1、位移（转角）传感器件：将位移（转角）信号转化成电信号。常见的位移传感器：长度电位器，电感式位移传感器，,71