第8章 液压伺服和电液比例控制技术

3.液压放大器的结构形式
电液伺服阀的液压放大器常用的形式有滑阀﹑射流管和喷嘴挡板。 根据滑阀的控制边数，滑阀的控制形式有单边、双边和四边三种， 如图8-2所示。其中单边和双边的控制形式只用于控制单出杆液压缸；四 边控制形式既可控制单出杆液压缸，也可控制双出杆液压缸，四边控制 形式因控制性能好，应用于精度和稳定性要求较高的系统。
计算机电液控制技术一般是一种以稳态输出为目的，构成了从输出到输 入的闭环控制系统。是一个涉及传感技术﹑计算机控制技术﹑信号处理技术 ﹑机械传动技术等技术的机电一体化系统，其操作简单，人机对话方便；系 统功能强，可以实现多功能控制；通过软件编制可以实现不同算法，且交易 实现实时控制和在线检测。
一﹑泵控容积调速计算机控制系统的组成
一﹑电液比例控制阀
组成：人工调节/开关控制液压阀﹑电—机械比例转换装置 工作过程：电—机械比例转换装置把电信号按比例的转换成力或位移， 对液压阀进行控制，电液比例阀可以按输入的电气信号连续地﹑按比例 地对油液的压力﹑流量和方向进行远距离控制，比例阀一般都有压力补 偿性能，所以其压力和流量不受负载变化的影响。 分类：按用途和工作特点分比例压力阀﹑比例流量阀和比例方向阀
液压与气压传动
(第5版)
一﹑电液伺服阀
电液伺服阀是电液伺服系统中的放大元件，它把输入的小功率电流信 号，转换并放大成液压功率（负载压力和负载流量）输出，实现执行元件 的位移﹑速度﹑加速度及力控制。它是电液伺服系统的核心元件，其性能 对整个系统的特性有很大影响。 1.电液伺服阀的组成 电液伺服阀通常由电气—机械转换装置﹑液压放大器和反馈机构三部 分组成。电气—机械转换装置用来将输入的电信号转换为转角或直线位移 输出，输出转角的装置称为力矩马达，直线位移的装置称为力马达。 液压放大器接受小功率的电气—机械转换装置输入的转角或直线位移 信号，对大功率的压力油进行调节和分配，实现控制功率的转换和放大。 反馈和平衡机构是电液伺服阀输出的流量或压力获得与输入电信号成 比例的特性。
泵控容积调速计算机控制 系统具有功率大﹑效率高等优 点，但由于液压系统的工作参 数的严重时变，而又使其输出 的参数不稳定系统的静态性能 和动态品质较差。 右图所示，以MCS-51作 为主控单元，对其输出量进行 检测﹑控制。
二﹑控制系统的硬件及软件设计
1. 控制系统的硬件设计
控制系统的硬件包括输入通道的硬件配置﹑输出通道的硬件配置以及 主控单元的硬件配置。 输入通道只要将转矩传感器得到的相位差信号放大，再经转速转矩测 量仪转变成模拟量输出，然后转速信号分成转矩信号和转矩信号分成两路 经高共模仰制比电路进行放大。选取合适的放大倍数，将其电压转变成统 一的量程为200mV～5V的标准电压信号，再经硬件滤波高次谐波，分别将 转矩和转速信号接入A/D的通道，经A/D转换后送入8031主控单元。 输出通道包括输出电路﹑步进电动机和机械传动机构，后两者对系统 的精度影响较大。设计时先确定步进电机，确定其控制电路的形式。根据 系统精度要求，决定步进电机和机械传动结构之间的精度分配。
2. 电液比例换向阀
电液比例换向阀是电液比 例换向减压阀和液动换向阀组 合而成，前者作为先导级以其 出口压力来控制液动换向阀的 正反向开口量大小。 左、右两个电磁铁的线圈 只允许分别得电，可以同时失 电，同时失电后对中弹簧使阀 心复于中位。
二、电液比例控制系统
电液比例控制系统由电子放大及校正单元、电液比例控制元件、执行元件及液压源、工作负载及信号检测处理装置等组成。按有无 执行元件输出参数的反馈闭环分为闭环控制系统和开环控制系统。 最简单的电液比例控制系统是采用比例压力阀、比例流量阀来替代 普通液压系统中的多级调压回路或多级调速回路。 图8-8所示为电液比例压力阀用于钢带冷轧卷曲机的液压系统。
2. 控制系统的软件设计
系统管理软件的主要职能是在系统启动后自动调用系统复位软件使系 统复位，然后调用现时软件进行显示，并完成调用其输入控制值﹑采样信 号﹑A/D转换及滤波软件﹑比较并由此调用控制算法软件，使系统朝着减 少误差的方向运动。
泵控液压马达容积调速系统的软件构成如图所示。
系统控制算法软件是根据一定的控制策略，设计出相应的控制算法， 并由此编写计算机应用程序。 近年来，为了解决液压系统的非线性﹑参数时变的问题，人们提出了 用人工智能的方法来实现控制目的。这种控制方式不需要控制对象的准确 模型，而能较好解决系统中稳定性与准确性的矛盾，增加了对不确定因素 的适应性。
2.电液伺服阀的工作原理
我们可以近似的将右图看作是电液 伺服控制阀，其挡板为电磁控制。 当无电信号输入时，挡板处于中位， Ps为输入的压力油，P1和P2为左右两喷嘴 压力，此时P1=P2，液压缸无位移，当有 电信号输入，激励左边电磁铁产生磁场， 挡板向左偏移，左边喷嘴间隙减小，右 边间隙增大，即P1>P2，液压缸向右运动， 当挡板向右偏转时，右边喷嘴间隙减小， 即P1<P2，液压缸向左运动。
图8-5所示为机械手手臂伸缩电液伺服系统的工作原理。当数字控 制部分发出一定数量的脉冲信号时，步进电动机带动电位器4的动触头 转过一定的角度，使动触头偏移电位器中位，产生微弱电压信号，该 信号经放大器7放大后输入电液伺服阀1的控制线圈，使伺服阀产生一 定的开口量，假设此时压力油经伺服阀进入液压缸左腔，推动活塞连 同机械手手臂上的齿条相啮合，手臂向右移动时，电位器跟着做顺时 针方向旋转。当电位器的中位和动触头重合时，动触头输出电压为零， 电液伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。
电液比例控制是介入普通液压阀的开关式控制和电液伺服控制之间 的控制方式。其实现对液流压力和流量连续的﹑按比例的跟随控制信号 而改变。
性能与电液伺服控制相比，其控制的精度和响应速度较低，其成本 低，抗污染能力强，又比开关式控制好，近年来在国内外得到重视。电 液比例控制的核心元件是电液比例阀，简称比例阀。
根据滑阀阀芯在中位时阀口的预开口量不同，滑阀又分为负开口 （正遮盖）、零开口（零遮盖）和正开口（负遮盖）三种形式，如图8-3 所示。负开口在阀芯开启时存在一个死区且流量特性为非线性，因此很 少采用；正开口在阀芯处于中位时存在泄漏且泄漏较大，所以一般不用 于大功率控制场合，另外，它的流量增益也是非线性的。比较而言，应 用最广、性能最好的是零开口结构，但完全的零开口在工艺上是难以达 到的，因此实际的零开口允许小于±0.025mm的微小开口量偏差。
1. 电液比例压力阀
如图所示为一种电液比例压力阀，他有压力阀1和移动式力马达2两部分组 成，当力马达的线圈中通入电流I时，推杆3通过钢球4﹑弹簧5把电磁推力传给 锥阀6。推力的大小与电流I成比例，当阀进油口P处的压力油作用在锥阀上的 力超过弹簧力时，锥阀打开，油液通过阀口由出油口T排出，这个阀的阀口开 度是不影响电磁推力的，但当通过阀口的流量变化时，由于阀座上的小孔d处 压力差的改变以及稳态液态动力的变化等，被控制的油液压力依然会有一些变 化。
常用的智能控制方法有模糊控制算法﹑参数自适应模糊控制算法以及 规则可调整的模糊控制算法。 下图为一般模糊控制系统的原理图。模糊控制方法的关键是模糊控制 器的设计，模糊控制器由模糊化﹑模糊控制算法和模糊判决三部分组成。 对输入量（偏差E和dE/dt）进行模糊化，在进行模糊运算，最后进行模糊 判决，得到确切的控制量。
４.伺服阀的性能与特点
由于伺服阀控制精度高，响应速度快，特别是电液伺服 系统易实现计算机控制，因此在工业自动化设备、航空、航 天、冶金和军事装备中得到广泛应用。 其缺点是：伺服阀加工工艺复杂，对油液污染敏感，液 压伺服系统成本高，维护保养困难等。
二、电液伺服系统应用举例
电液伺服系统根据被控物理量的不同分为位置控制、速 度控制、压力控制等。本节以机械手电液伺服系统为例，介 绍常用的位置控制电液伺服系统。一般机械手包括四个电液 伺服系统，分别控制机械手的伸缩、回转、升降及手腕（正 爪、反爪）的动作。由于四个系统的工作原理均相似，故以 机械手伸缩电液伺服系统为例，介绍其工作原理。