电液控制系统

电液系统

摘要：电液系统具有相应快速、控制灵活等优点而广泛应用于现代工业中，对促进工业发展具有重要的作用。本文从电液控制系统的建模以及电液元件（伺服阀、比例阀）研究状况、电液系统的未来发展趋势三方面进行了阐述。

关键词：电液系统；建模；比例阀；伺服阀；发展趋势

1前言

18世纪欧洲工业革命时期，多种液压机械装置特别是液压阀得

到开发和利用，19世纪液压技术取得进展，包括采用油作为工作流

体和采用电来驱动方向控制阀，20世纪50-60年代是电液元件和技术发展的高峰期，在军事应用中得到广泛应用[1]。液压技术是以液体为工作介质，实现能量传递、转换、分配及控制的一门技术。液压系统因其响应快、功率体积比较大、抗负载刚度大以及传递运动平稳等优点而广泛应用于冶金、化工、机械制造、航空航天、武器装备等领域[2]。随着液压技术与微电子技术、传感器技术、计算机控制等技术的结合，电液技术成为现代工程控制中不可或缺的重要技术手段和环节。电液技术既有电气系统快速响应和控制灵活的优点，又有液压系统输出功率大和抗冲击性好等优点[3]。

韩俊伟对电液伺服系统的发展历史、研究现状和系统集成技术的应用进行了全面阐述，通过介绍电液伺服系统在力学环境模拟实验系统中的应用，分析了电液伺服系统的集成设计，比较了我国在电液伺服系统技术研究中的优劣势，指出电液伺服系统的未来发展趋势与挑

战[4]。许梁等从电液元件、电液控制系统、现代电液控制策略三方面对电液系统进行了阐述，指出了电液发展趋势[5]。陈刚等从电液元件、电液控制系统、计算机在电液系统中应用、现代控制理论的电液技术方面对电液系统进行了阐述，对于现代控制理论的电液技术，从PID 调节、状态反馈控制、自适应控制、变结构控制、模糊逻辑控制、神经网络控制进行了探究[6]。本文从电液系统的建模、电液元件（比例阀、伺服阀）、发展趋势研究进行综述。

2系统的建模

伺服系统是一个由多个环节构成的复杂的动力学系统，而且是一种典型的非线性时变系统。一方面由于阀口固有的流量一压力非线性、液体可压缩性、电液转换、摩擦特性、阔的工作死区等非线性，以

及阻尼系数、流量系数、油液温度等的时变性[7]；另一方面由于系

统的负载及所处的现场环境的变化，导致电液伺服系统参数变化大、非线性程度高、易受外界干扰。在工作过程中容易出现非线性振动、噪声、冲击和爬行等异常现象，而且其诱因不易确定，影响设备的

稳定运行[8]。对电液系统进行准确建立模型是分析电液系统的基础。电液伺服系统本身是非线性系统 ,传统上对电液伺服系统非线性问

题的处理方式是在稳态工作点处进行泰勒级数展开。如果把工作范围限制在工作点附近,高阶无穷小就可以忽略 ,并可以把控制滑阀的

流量方程局部线性化,变量的变化范围小 ,线性化的精确性就高 ,阀

特性的线性度高,所允许的变量变化范围就大[9]。当电液伺服系统工作在远离系统的工作点时,使增量线性化模型难于奏效 ,可能得到错

误的结果或不确定的结果，因此电液系统建模从线性与非线性两方面进行研究。

2.1 线性建模研究

电液系统建模可以分为机理建模和图形建模[10]。机理建模是根据人们在生产实践中总结出来的科学原理，如质量守恒、能量守恒、运动学定理、热力学定理、化学反应方程式等基本规律，通过严格的数学推导得出的模型，这需要对系统有一个充分的认识。图形建模即系统辨识，是通过观测系统输入、输出以及过程状态，运用某种数学归纳或统计方法，抽象出系统的模型，这些模型又包括参数化模型和非参数化模型。通过机理建模得到含未知参数的系统模型，再通过辨识实验估计模型参数是前两种方法的有机结合。

DASGUPTAK等以伺服阀控液压马达系统为研究对象，运用功率键合图法建立了系统的状态方程，并对参数变化下系统的动态特性进行了仿真分析[11]。石红雁等利用 Simulink 软件包对阀控对称液压缸线性传递函数模型进行了动态仿真[12]。卢贵主等利用功率键合图建立了液压系统模型,并通过Simulink 软件进行动态仿真[13]。吕云嵩在频率域将阀控非对称缸的分段传递函数进行参数整合，获得了系统的等效传递函数建模方法[14]。AYALEWB,SEOJ等在文献中以电液伺服系统为研究对象，运用线性动力学理论通过简化建立了系统的线性化模型，并对不同控制参数下系统的动态特性、抗干扰能力进行了仿真分析[15]。李玲珑等结合水下液压机械于线性关节的位置伺服系统，建立了阀控缸流量连续性方程和液压缸的力平衡方程，并结合具

体的简化物理模型和液压缸内部特性推导了阀控缸位置控制系统动

态特性的传递函数型,采用MATLAB/Simulink对系统动态特性进行

了仿真分析[16]。MILICV 等运用状态空间法对电液位置伺服系统进

行理论建模和仿真研究，建立了系统的线性化模型，并对采用H∞控制方法下系统的动态特性进行了仿真研究[17]。傅晓云等以某水下航行器舵机液压伺服系统为研究对象，通过简化建立了舵机液压系统

的线性化模型，基于AMESim仿真软件对系统的动态响应特性、抗干

扰能力进行了仿真分析。仿真结果表明该系统具有良好的动态响应特性和较好的抗干扰能力，对实际工程应用具有一定的指导意义[18]。王栋梁等给非对称阀控非对称缸重新定义了负载流量和负载压力，推导出一个通用的阀控缸系统数学模型[19]。张远深等通过线性化处理，建立了变柔性负载实验台变频式电液力控制系统的线性化数学模型，联合AMESim 和Simulink 建立了系统的仿真模型,并进行了控制算

法的仿真。仿真结果表明基于模糊自适应 PID 算法改善了系统的动

态特性[20]。熊新等人运用功率键合图法建立了单轨车辆换轮库回转机构液压系统的状态方程，并结合MATLAB对系统进行了仿真。分析

了流量系数及油液体积弹性模量对系统动态特性的影响。研究结果

表明,键合图法与MATLAB软件相结合能直观地分析系统参数改变对

系统动态性能的影响[21]。王艾伦等综合应用功率键合图理论、大统分析法和耦合理论对复杂非线性液压系统进行了建模与分析[22]。

从上述可知目前电液伺服系统的建模方法主要有两种:(1)通过

机理建模获得系统传递函数或状态空间方程，利用 Matlab /