我司液压伺服控制系统的控制原理

随着国内经济的高速发展，塑料制品德业对高速，高精密注塑机的需

求量与日剧增，而液压机高速，精密成型的保证，就是一必需拥有合

理而高刚性的锁模和射狡机构，二它必需拥有强劲的动力和反应灵敏

而精确的液控系统。其中，液压伺服限制系统是使执行元件以肯定的

精度自动地依据输入信号的变更规律而动作的一种自动限制系统。其

可从不同的角度加以分类，按输出的物理量分类，有位置伺服系统，

速度伺服系统，力（或压力）伺服系统等；按限制信号分类，有机液

伺服系统，电液伺服系统，气液伺服系统；按限制元件分类，有阀控

系统和泵控系统两大类，下面，我们探讨阀控伺服系统。阀控伺服系

统主要由压力传感器，位置传感器，限制器和伺服阀等构成一个闭环

的系统，按系统的需求来分别做到或按序做到速度伺服限制，位置伺

服限制和压力伺服限制，最终，达到系统的要求和重复精度。

如图，传感器与限制卡（也可集成在塑机工控电脑中），伺服阀的有

机组合，就形成了一个闭环限制系统，随着系统工作状况要求的不同,

来实现不同的伺服限制，在注射过程，注射到终点前，注射速度较为

重要，则此系统以速度闭环限制为主，限制器对位置传感器高频采样,

测出活塞的瞬时速度与塑机电脑要求的速度对比，再发出调整后的信

号给伺服阀。最终，使活塞的运动速度达到塑机电脑要求的速度。进

入快到射胶终点，保压和熔胶背压阶段，这时压力较为重要，则此系

统以压力闭环限制为主，装在射胶油缸两侧的压力传感器传回的信号

起主要作用，限制卡将其与塑机电脑给出的压力唁号对比，来调整给

伺服阀的信号，最终，使注射腔的压力值与设定值相同。在塑机电脑

没有发出任何指令的状况下，此时位置保持就比较重要，所以，系统

这时会主要进行位置闭环的限制。同理，在锁模油缸伺服限制的情形

下，也是如此按依次限制，锁模起先，快速移模可作速度闭环限制，

模具快合上时，切换到位置限制，有快速锁模到锁模油缸活塞停止的

位置之间的转换也是可控的，最终，模具合上时，切换的压力限制。

上述只是某种工艺要求卜•的伺服限制逻辑，随着不同的要求，限制的

逻辑，种类也都不尽相司，但是，其限制理念，是相同的。最终的目

的，都是为了精确，快速的达到塑机电脑的指令要求和保证动作的重

复精度。

下面对伺服闭环限制系统各组成部分作简洁介绍。

能喜器

任何好的系统，都必需具有迅捷，精确的感知部件，只有刚好，精确

的监测执行机构当前所处的状态，限制器才能主动地发出新的指令，

来调整执行机构的运动，使之接近限制电脑所要求的运动状态。因此,

全方位的了解执行机构，是伺服系统的必备条件。主要由压力，位置

等传感器来共同构成精确，刚好的跟踪监测系统。传感器的固有特性,

包括线性，最大采样频率，抗干扰实力等都对精确，刚好地感知有重

要影响。

伺服陶

伺服系统中最重要，最基本的组成部分，它起着信号转换，功率放大

及反馈等限制作用。常见的伺服阀有直动式阀（滑阀），射流管先导

级伺服比例阀喷嘴挡板阀伺服电磁阀等。下面简洁介绍它们的结构原

埋及特点。

“/妙就新

将一与所期望的阀芯位移成正比的电信号输入阀内放大电路，此信号

将转换成一个脉宽调制电流作用在线性马达上，力马达产生推力推动

阀芯产生肯定的位移。同时激励器激励阀芯位移传感器产生一个与阀

芯实际位移成正比的电信号，解调后的阀芯位移信号与输入指令信号

进行比较，比较后得到的偏差信号将变更输入至力马达的电流大小；

直到阀芯位移达到所需值.阀芯位移的偏差信号为零。最终得到的阀

芯位移与输入的电信号成正比。其特点是低泄漏，无先导级流量；动

态响应较高，由于线性力马达具有很高的无阻尼自然频率，因此自动

式伺服阀的动态响应较高，且与系统压力无关；低滞缓和高辨别率使

系统具有优异的重复精度；良好的限制性能，直动式伺服阀具有很高

的阀芯位置回路增益，因此，阀的稳定性和动态响应性能特别好。

XTAPBT2Y

MOOGD661系列二级伺服比例阀

*封法管先导恁闾服此例御

伺服射流管先导级主要由力矩马达，射流管和接收器组成，当线圈中有电流通过时，产生的电磁力

使射流管偏离零位，管内的大部分液流集中射向•侧的接收器，而另一侧的接收器所得到的流量明

显削减，由此造成两接受器内的玉力变更。主阀阀芯因此压差而产生位移。其工作特点是由力矩马

达配射流管，大大改善了流量的接收率，使得能耗降低；具有很高的无阻尼自然频率，这种阀的动

态响应高。目前，这种伺服阀主要是二级，多级伺服阀。

*啧嘴掂板硬

喷喷挡板阀有单喷嘴式和双喷嘴式两种，两者的工作原理基本相同，如图所示双喷嘴挡板阀的原理,

它有2,3两个喷嘴，1为挡板，固定的两个豉流孔4和5组成。挡板和两个喷嘴之间形成两个可变截

面的截流缝隙。挡板偏离中间位宜时，造成两个喷嘴的压力发生变更，主阀阀芯因此而产生位移。

现在，挡板的运动多有力矩马达来调整。因此，其动态响应较高。伺服喷嘴挡板阀常用于多级放大

何服限制元件的前置级。

•/别，陶

将一与所期望的阀芯位移成正比的电信号输入阀内放大电路，此信号将转换成一个脉宽调制电流作

用在线性马达上，力马达产生推力推动阀芯产生肯定的位移。同时激励器激励阀芯位移传感器产生

一个与阀芯实际位移成正比的电岩号，解调后的阀芯位移信号与输入指令信号进行比较，比较后得

到的偏差信号将变更输入至力马达的电流大小；直到阀芯位移达到所需值。阀芯位移的偏差信号为

零。最终得到的阀芯位移与输入的电信号成正比。其特点是低泄漏，无先导级流量：动态响应较高,

由于线性力马达具有很高的无阻尼自然频率，因此自动式伺服阀的现态响应较高，且与系统压力无

关：低滞缓和高辨别率使系统具有优异的重复精度；良好的限制性能，直动式伺服阀具有很高的阀

芯位置回路增益，因此，阀的稳定性和动态响应性能特别好。

，©服电磁送

机械结构类似•般电液阀，但其先导阀由线性马达驱动，且主阀阀芯和先导阀阀芯都有位置传感器。

其特点是由线性马达业动，对油液清洁度的要求相对较低。

也算

1.把检测系统对执行元件，阀的各种状态反馈来的实时信息进行分析，将其与系统要求达到状态信

息相比较，并预知在现有的状态下，下•时刻执行元件的状态，发出调整后的限制信号，使执行元

件进一步贴近限制系统要求的状态。这一环节最为重要的就是对反倾信息做出正确，刚好地分析，

对比，预知。目前，液压伺服系统的限制调整器的限制理论都是基于PID算法。按偏差的比例

(Proportional)，积分(Integral)和微分(Derivative)进行限制的调整，它的结构简洁，参数易

于调整。在模拟调整系统中，PIC限制算法的模拟表达式为

咐=K/地+口1⑥&+入学］

1jat

式中，皿为调整器的输出信号；明为偏差信号，它等于系统给定量与

输出量之差；KP为比例系数；力为积分时间常数；a为微分时间常数。

由于计算机系统是一种采样限制系统，它只能依据采样时刻的偏差值

计算限制量。因此，为了使计算机能实现式(1),必需将其离散化，

用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。

连续的时间离散化，即：

t=KT(K=O,1,2...n)

积分用累加求和近似得

7-0*

微分用一阶后向差分近似得

de(t)e(k)-e(k-1)

~dT^T

式中，访采样周期；e闺为系统第k次采样时刻的偏差值；e侔〃为系统

第依力次采样时刻的偏差值；k为采样序号，k=0,1,2…。

将式(2)和式(3)代入式(1),则可得到离散的PID表达式

7幺T

=Kf{唳)+/+端[。出-吸-1)]}

假如采样周期T取得足够小，该算式可以很好地靠近模拟PID算式，因而

使被控过程与连续限制过程特别接近。由于式(4)表示的限制算法供应

了执行元件的位置u(k),即其输出值与阀芯开度的位置一一对应，所以,

通常把式⑷称为位置式PID限制算法。

接着推导，还有增量式PID限制算法等。随着限制技术的不断发展，又

出现了一些更好限制积分，微分的方法，如积分饱和的防止方法，不

完全微分的PID算法等等。在此不再一一详述。

目前，液压伺服系统在注塑机上的应用越来越多，PID限制器参数对系

统性能的影响日益为大家所关注。PQ限制器的参数，即比例系数Kp,

积分时间常数7/，微分时间常数7•。分别能对系统性能产生不同的影响。

g例素做Kp对聋彼傕修的封响

①.对动态特性的影响

比例系数Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快。Kp偏大，则振荡次

数加多，调整时间加长。当Kp太大时，系统会趋于不稳定。若Kp太小,

又会使系统的动作缓慢，

②.对稳态特性的影响

加大比例系数Kp，在系统稳定的状况下，可以削减稳态误差ess,提高

限制精度。但是，加大Kp只是削减ess,却不能完全消退稳态误差。

效分时向俗敌n对至保俊能的诲

①.对动态特性的影响

77太小时，系统将不稳定，77偏小，则系统振荡次数较多。77太大，对

系统性能的影响削减。当〃适合时，过渡过程的特性则比较志向。

②.对稳态误差的影响

积分限制能消退系统的稳态误差，提岛限制系统的限制精度。但是，

若77太大时，积分作用太弱，以至不能削减稳态误差。

微分时向第&D对盖倭傕能的封崎

微分限制可以改善动态特性，如超调量减小，调整时间缩短，允许加

大比例限制，使稳态误差减小，提高限制精度。当了。偏大时，超调量

较大，调整时间较长；当丁。偏小时，超调量也较大，调整时间也较长;

只有7。合适时，可以得到比较满足的过渡过程。

另外，一些伺服阀限制卡的采样周期丁是须要在调试时进行调整的（如

YUKEN的SK1128型），而采样周期7•在注塑机限制系统中是一个重要参量，

必需依据详细的状况来选择。

1.必需满足采样定理的耍求。从信号的保真度来看，采样周期必需满足

Shannon采样定理，即采样角频率3s2231m,3Mx是被采样信号的最高

频率，因为3产2兀“，所以，依据采样定理可以确定采样周期的