流体比例控制的诞生和发展

流体比例控制的诞生和发展

1比例技术的诞生17世纪，该学派的帕斯卡规则成为基础，并在19世纪迅速发展。它特别是在20世纪的第二次世界大战中的战争鼓舞下取得的巨大进步。它通常经历三个阶段：开关控制、阻力控制和比较控制。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。1967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。2比例电磁铁在压力和流量控制中的应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(主要性能比较如表1所示),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。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。比例电磁铁的结构如图1所示,它由线圈、衔铁、推杆等组成,当有信号输入线圈时,线圈内磁场对衔铁产生作用力,衔铁在磁场中按信号电流的大小和方向成比例、连续地运动,再通过固连在一起的销钉带动推杆运动,从而控制滑阀阀芯的运动。应用最广泛的比例电磁铁是耐高压直流比例电磁铁。比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几类:(1)力控制型这类电磁铁的行程短,只有1.5mm,输出力与输入电流成正比,常用在比例阀的先导控制级上;(2)行程控制型由力控制型加负载弹簧共同组成,电磁铁输出的力通过弹簧转换成输出位移,输出位移与输入电流成正比,工作行程达3mm,线性好,可以用在直控式比例阀上;(3)位置调节型衔铁的位置由传感器检测后,发出一个阀内反馈信号,在阀内进行比较后重新调节衔铁的位置。阀内形成闭环控制,精度高,衔铁的位置与力无关,精度高的比例阀如德国的博世、意大利的阿托斯等都采用这种结构。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。3比例控制和应用1液压缸的流量比例环节也称为无惯性环节,对于液压缸或马达,忽略液压油的可压缩性和泄漏,液压缸的流量Q=VA。其中V为活塞速度;A为活塞面积。其传递函数为:式中K为比例环节放大系数或增益,表示输入量经过放大K倍后输出。2控制控制器方框图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2a。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(图2b)。3执行器的选择(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。4比例阀替代伺服阀电液比例阀是采用了比例控制技术,介于开关型液压阀和电液伺服阀之间的一种液压元件,在工业生产中获得了广泛的应用,输入的电信号有模拟式和数字式两大类,可以用于控制位置(转角)、速度(转速)、加速度(角加速度)、压力(压差)、力(力矩)等参数。如陶瓷地板砖制坯压力机、带钢轧机的带钢恒张力控制、压力容器疲劳寿命试验机、液压电梯运动及控制系统、金属切削机床工作台运动控制、轧钢机压下及控制系统、液压冲床、弯管机、塑料注射成形机等。我们在吸收、改造英国进口