液压伺服与比例控制系统基本知识

第七章液压伺服与比例控制系统基本知识
第一节概述
液压传动的三个阶段：开关控制、伺服控制和比例控制。

在普通液压传动系统应用中，控制方式无论是采用手动、电磁、电液等形式，还是采用计算机或可编程控制器（PLC），都属于开关式点位控制方式，控制精度和调节性能不高。

狭义上讲，伺服系统是指输出能以一定精度跟随输入的位置控制系统。

目前常把各种机械量（位移、速度和力）的自动控制系统统称为伺服系统。

故液压伺服系统是指以液压为动力的机械量自动控制系统。

系统中信号的传输和控制部分如采用电气，则为电液伺服系统，也属于液压伺服系统的范畴。

和电气伺服系统相比，液压伺服系统具有体积小、重量轻、响应快等优点。

液压伺服控制组成框图（图7－1）
指令元件：按要求给出控制信号的器件，如计算机、可编程控制器、指令电位器或其它电器等；
检测反馈元件：检测被控制量，给出系统的反馈信号，如各种类型的传感器；
比较元件：把具有相同形式和量纲的输入控制信号与反馈信号加以比较，给出偏差信号。

比较元件有时不一定单独存在，而是与指令元件反馈检测元件及放大器组合在一起，由一个结构元件完成；
放大、转换和控制元件：将偏差信号放大，并作为能量形式转换（电—液；机—液等），变成液压信号，去控制执行元件（液压缸、液压马达等）运动。

一般是放大器、伺服阀、电液伺服阀等；
执行元件：直接对被控对象起作用的元件。

如液压缸、液压马达等；
被控对象：液压系统的控制对象，一般是各类负载装置。

按被控制量是否被检测与反馈：开环控制系统，闭环控制系统。

按液压控制元件的不同：阀控系统，泵控系统。

按信号产生和传递方式的不同：机械—液压伺服系统，电气—液压伺服系统。

按被控对象的不同：流量控制，压力控制，位置控制，速度控制，复合控制。

按输入信号的变化规律：定值控制，程序控制，伺服控制。

液压伺服控制系统的优点：系统刚度大、控制精度高、响应速度快，可以快速启动、停止和反向。

缺点：其控制元件（只要是各类伺服阀）和执行元件因为加工精度高，所以价格贵、怕污染，对液压油的要求高。

第二节伺服阀与伺服控制系统
一、伺服阀
伺服阀是一种以小的电气信号去控制系统内液体压力或流量的伺服元件。

它是伺服控制系统的核心，它可以按照给定的输入信号连续成比例地控制流体的压力、流量和方向，使被控对象按照输入信号的规律变化。

伺服阀按输出特性分：流量控制阀、压力控制阀、压力—流量控制阀。

按结构形式分：滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀。

1、滑阀的工作原理和结构特性
滑阀是最常用的结构形式，它常用作功率放大或前置放大。

按滑阀式控制阀所具有的控制边（即可变节流口）的数目来区分，则有四边（四通）、双边（三通）和单边（二通）三种。

滑阀工作原理图
a）二通单边滑阀b）三通双边滑阀c）四通四边滑阀
根据阀在中间平衡位置时控制棱边的不同初始开口量，滑阀又可以分为正开口、零开口和负开口。

如图7-3所示。

滑阀的开口形式
a）负开口b）零开口c）正开口
当阀芯移动时，不同初始开口量的阀将有不同的流量输出特性，下图为三种不同开口形式滑阀的位置－流量特性曲线。

滑阀不同开口形式的位移—流量特性（图7－4）
1）负开口2）零开口3）正开口
阀的开口形式对其控制性能影响很大，尤其是在零位附近的特性。

从上图可以看出，负开口滑阀在中间平衡位置时，四个节流口完全被遮盖，彻底切断了油源和执行件之间的通路。

阀芯需要左、右移动
0V x 的距离后，才能将相应的节流口打开，才会有油液输给执行件。

所以在滑阀的位置－流量特性曲线
上形成一段没有油液输出的非线性死区，灵敏度低，对于高精度的伺服阀控制系统是不应该使用这类结构的伺服阀。

但这种结构的伺服阀制造容易，成本低，可以在工作过程的任何位置上可靠地停止，所以在手动伺服阀或比例控制系统中还选用这种阀。

零开口阀的位置－流量特性曲线是线形的，控制性能好，灵敏度高。

实际上阀总存在径向间隙，节流工作边有圆角，有一定的泄漏，要求零位泄漏越小越好，但制造工艺复杂，成本高。

正开口阀的结构简单，但是液体无功损耗比较大。

滑阀的特点是输出功率大，零位损失小，尺寸大，制造困难。

3、喷嘴挡板阀
喷嘴挡板阀的工作原理如图7-7所示。

喷嘴挡板阀主要由节流口1、喷嘴2、挡板3组成。

具体结构可分为单喷嘴挡板阀和双喷嘴挡板阀，喷嘴和挡板之间形成一个可变的节流口，挡板的位置由输入信号控制，由于挡板的位移较小，挡板的转角也非常小，可以近似地按照平移的方式处理挡板与喷嘴之间的位移。

在图7-7a 中，压力一定的液体一部分流入液压缸的有杆腔，另一部分经过固定节流口后，其中一部分流入液压缸的无杆腔，其余经过喷嘴喷出，流回油箱。

当信号改变挡板的偏转位置时，改变了可变的节流口的大小，也就改变了流经节流口的流量，从而改变了液压缸两腔的压力，使液压缸活塞产生运动。

双喷嘴挡板阀如图7-7b 所示，它相当于两个单喷嘴挡板阀的并联结构，其工作原理基本与单喷嘴挡板阀相同，但其所控制的负载形式有所不同，常用于对称结构，如双出杆液压缸。

双喷嘴挡板阀由于结构对称而具有的优点是：温度和供油压力变化导致的零漂小，即零位点的工作漂移小；挡板所受的液动力小，在零位时的液动力平衡；压力－流量曲线的对称性和线性度好，压力控制敏感度比单喷嘴挡板阀大一倍。

喷嘴挡板阀结构简单，灵敏度高，比滑阀抗污染，缺点是零位流量大，效率低，常常用于小功率的液压系统或两级阀的前置放大级。

二、伺服控制系统
液压伺服控制系统按照偏差信号产生和传递介质的不同分为机械－液压、电气－液压、气动－液压等几种，其中应用较多的是机械－液压和电气－液压控制系统。

按照被控物理量的不同可以分为位置控制、速度控制、加速度控制、压力控制、力控制和其他物理量控制等。

整个系统还可以分为节流控制（阀控）式和容积控制（泵控）式。

在建设机械设备中，主要有机械－液压伺服控制系统和电气－液压伺服控制系统，下面仅就机械－液压伺服控制系统和电气－液压伺服控制系统进行介绍。

1、机械－液压伺服控制系统
机械－液压伺服控制系统是一个闭环控制系统，是一个由机械装置将液压动力部件的输出反馈到输入端的机－液位置控制系统。

该系统广泛地应用在一些具有自行式功能的建设机械的转向系统中、飞机舵面操作系统和液压仿型机床等。

具有结构简单、工作可靠的优点。

图7-7 喷嘴挡板阀工作原理图
a ）单喷嘴挡板阀
b ）双喷嘴挡板阀
1—节流口 2—喷嘴 3—挡板
机械－液压伺服控制系统的组成部分有伺服阀、液压缸和机械反馈机构。

按照机械反馈机构的形式
分为内反馈和外反馈两大类，液压缸体与伺服阀体刚性连接成一体组成反馈装置的系统称为内反馈系
统，由机械连杆组成反馈装置的系统称为外反馈系统。

2、电液伺服控制系统
电液伺服控制系统主要有位置控制系统、速度控制系统和力控制系统等。

电液位置伺服控制系统是
最常见的伺服控制系统，有阀控系统和泵控系统，可以用于飞机、船舶、冶金和建设机械等。

电液位置伺服控制系统具有响应速度快、控制精度高的优点。

图7-15是电液（阀控液压缸）位置
伺服系统原理图，指令信号与从传感器检测的反馈信号经过比较放大后，输入电液伺服阀，经过阀的转
换放大后输出液压能，液压能推动液压缸活塞移动，活塞移动的位置总是按照指令信号给定的规律变化。

电液位置伺服
控制系统原理图
电
液位置伺服控制系统职
能框图。

3、液压伺服系统的设计
液压伺服系统的设
计包括静态设计和动态
校验，如果静态设计不
能满足动态指标的要
求，则还需要对静态设
计的有关参数进行修改或采用校正手段对系统进行有效的补偿和改进，以满足系统在动、静态方面指标
要求。

第三节比例阀和比例控制系统
电液比例控制技术是介于普通液压阀的开关控制技术和电液伺服控制技术之间的控制方式。

它可以
实现对液体压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化。

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液压系统工作故障；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。

一、比例阀的工作原理和类型
比例控制的核心是比例阀。

比例阀的输入单元是电—机械转换器，它将输入信号转换成机械量。

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7-17所示，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，再通过固联
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。

比例电磁铁结构简图
1—推杆2—销钉3—线圈4—衔铁
二、比例阀的选用
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的短，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。

三、比例控制系统
比例控制系统有直接比例控制和电液比例控制，本质上与伺服系统控制相似，可以参照伺服系统进行分析。

根据有无反馈分为开环控制和闭环控制。

比例阀控液压缸或马达系统可以实现速度、位移、转速和转矩等参数的控制，
开环比例控制系统职能图
闭环比例控制系统职能图。