我司液压伺服控制系统的控制原理

概述随着国内经济的高速发展，塑料制品行业对高速，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，就是一必须拥有合理而高刚性的锁模和射胶机构，二它必须拥有强劲的动力和反应灵敏而精确的液控系统。

其中，液压伺服控制系统是使执行元件以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律而动作的一种自动控制系统。

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；按控制信号分类，有机液伺服系统，电液伺服系统，气液伺服系统；按控制元件分类，有阀控系统和泵控系统两大类。

下面，我们讨论阀控伺服系统。

阀控伺服系统主要由压力传感器，位置传感器，控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控制，位置伺服控制和压力伺服控制。

最终，达到系统的要求和重复精度。

如图，传感器与控制卡（也可集成在塑机工控电脑中），伺服阀的有机组合，就形成了一个闭环控制系统，随着系统工作情况要求的不同，来实现不同的伺服控制。

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控制为主，控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控制为主，装在射胶油缸两侧的压力传感器传回的信号起主要作用，控制卡将其与塑机电脑给出的压力信号对比，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情况下，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控制。

同理，在锁模油缸伺服控制的情形下，也是如此按顺序控制，锁模开始，快速移模可作速度闭环控制，模具快合上时，切换到位置控制，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，最后，模具合上时，切换的压力控制。

上述只是某种工艺要求下的伺服控制逻辑，随着不同的要求，控制的逻辑，种类也都不尽相同，但是，其控制理念，是相同的。

最终的目的，都是为了精确，迅速的达到塑机电脑的指令要求和保证动作的重复精度。

下面对伺服闭环控制系统各组成部分作简单介绍。

传感器任何好的系统，都必须具有迅捷，准确的感知部件，只有及时，准确的监测执行机构当前所处的状态，控制器才能主动地发出新的指令，来调整执行机构的运动，使之接近控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准确，及时的跟踪监测系统。

传感器的固有特性，包括线性，最大采样频率，抗干扰能力等都对准确，及时地感知有重要影响。

伺服阀伺服系统中最重要，最基本的组成部分，它起着信号转换，功率放大及反馈等控制作用。

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。

下面简单介绍它们的结构原理及特点。

*直动式阀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一定的位移。

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改变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。

最后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；低滞缓和高分辨率使系统具有优异的重复精度；良好的控制性能，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非常好。

*射流管先导级伺服比例阀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一侧的接收器，而另一侧的接收器所得到的流量明显减少，由此造成两接受器内的压力变化。

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。

*喷嘴挡板阀喷嘴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，固定的两个截流孔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。

挡板偏离中间位置时，造成两个喷嘴的压力发生变化，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节。

因此，其动态响应较高。

伺服喷嘴挡板阀常用于多级放大伺服控制元件的前置级。

*直动式阀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一定的位移。

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改变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。

最后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；低滞缓和高分辨率使系统具有优异的重复精度；良好的控制性能，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非常好。

*伺服电磁阀机械结构类似普通电液阀，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驱动，对油液清洁度的要求相对较低。

运算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，下一时刻执行元件的状态，发出调整后的控制信号，使执行元件进一步贴近控制系统要求的状态。

这一环节最为重要的就是对反馈信息做出正确，及时地分析，对比，预知。

目前，液压伺服系统的控制调节器的控制理论都是基于PID算法。

按偏差的比例（Proportional），积分（Integral）和微分（Derivative）进行控制的调节，它的结构简单，参数易于调整。

在模拟调节系统中，PIC控制算法的模拟表达式为式中，u(t)为调节器的输出信号；e(t)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；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数。

由于计算机系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。

因此，为了使计算机能实现式（1），必须将其离散化，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=0,1,2……n)积分用累加求和近似得微分用一阶后向差分近似得式中，T为采样周期；e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值；e(k-1)为系统第(k-1)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表达式如果采样周期T取得足够小，该算式可以很好地逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。

由于式(4)表示的控制算法提供了执行元件的位置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(4)称为位置式PID控制算法。

继续推导，还有增量式PID控制算法等。

随着控制技术的不断发展，又出现了一些更好控制积分，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控制器参数对系统性能的影响日益为大家所关注。

PID控制器的参数，即比例系数Kp，积分时间常数TI ，微分时间常数TD 分别能对系统性能产生不同的影响。

比例系数Kp对系统性能的影响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，调节时间加长。

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，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差ess，提高控制精度。

但是，加大Kp只是减少ess，却不能完全消除稳态误差。

积分时间常数TI 对系统性能的影响①. 对动态特性的影响TI 太小时，系统将不稳定，TI 偏小，则系统振荡次数较多。

TI 太大，对系统性能的影响减少。

当TI 适合时，过渡过程的特性则比较理想。

②. 对稳态误差的影响积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。

但是，若TI 太大时，积分作用太弱，以至不能减少稳态误差。

微分时间常数TD 对系统性能的影响微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。

当TD 偏大时，超调量较大，调节时间较长；当TD 偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有TD 合适时，可以得到比较满意的过渡过程。

另外，一些伺服阀控制卡的采样周期T是需要在调试时进行调整的（如YUKEN的SK1128型）,而采样周期T在注塑机控制系统中是一个重要参量，必须根据具体的情况来选择。

1. 必须满足采样定理的要求。

从信号的保真度来看，采样周期必须满足Shannon采样定理，即采样角频率ωs≥2ωmax，ωmax是被采样信号的最高频率，因为ωs=2π/T，所以，根据采样定理可以确定采样周期的上限值T≤π/ωmax。

2. 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，则T小些好。

干扰频率越高，则采样频率最好越高，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。

3. 根据被控对象的特性，快速系统的T应取小，反之，T可取大些。

4. 根据执行机构的类型，当执行机构动作惯性大时，T应取大些。

否则，执行机构来不及反应控制器输出值的变化。

5. 随着控制器的运算速度不同，T的取值也不尽相同。

由于注塑机工作状况因工艺条件而不同，在调试时应逐步确定。

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