电液比例控制

电液比例控制技术概述

电液比例控制技术概述电液比例控制技术概述

液压传动与控制技术作为动力传动与控制技术的重要组成部分，对工业和国防领域的技术进步和发展起到了很大的推动作用，是现代机械工程的基本要素和工程控制的关键技术之一。其具有易于实现直线运动、功率质量之比大、动态响应快等优点[1] 。随着现代科学技术与工业的发展，对液压传动系统的灵敏性、稳定性、可靠性和寿命提出了愈来愈高的要求。电液比例控制系统具有抗干扰能力强、可靠性高、结构紧凑、价格低、与计算机连接方便、控制灵活、低速平稳性能好等诸多优点，在液压系统中的应用具有重要意义。因此，将电液比例控制技术应用于液压传动系统中，不仅可以简化液压控制系统，还可以提高液压系统的控制水平，更好的满足工业要求。科学技术的发展、工业发展步伐加快，以及日益严格的高自动化、节能、远距离传输和可持续发展的社会和工程需要，使得电气控制技术在液压系统中的应用日趋广泛。可编程控制器（简称PLC 或PC）作为电气控制技术中的一项新技术，经过30 多年的发展，已形成完整的工业产品系列。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体。PLC 在比例液压系统中的应用，方便和简化了工业控制，提高了控制的自动化、集成化、一体化，符合工业发展的潮流。习惯上，人们把使用比例控制组件（含比例阀、比例控制泵及比例放大器）的液压系统称为电液比例控制系统。严格地说，比例控制是实现组件或系统的被控制量（输出）与控制量（输入或指令）之间线性关系的技术手段，依靠这一手段要保证输出量的大小按确定的比例随着输入量的变化而变化。电液比例阀是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用模拟式电气-机械转换装置将电信号转换为位移信号，连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向或流量的一种液压组件。电液比例阀工作时，阀内电气-机械转换装置根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出。阀芯位移可以以机械、液压或电的形式进行反馈。当前，电液比例阀在工业生产中获得了广泛的应用[2]。

1.1 电液比例控制技术的产生和发展

比例控制技术产生于20 世纪60 年代末，当时，电液伺服技术已日趋完善，由于伺服阀的快速响应及较高的控制精度，以及明显的技术优势，迅速在高精度、

快速响应的领域中，如航天、航空、轧钢设备及实验设备等中取代了传统的机电控制方式，但电液伺服阀成本高、应用和维护条件苛刻，难以被工业界接受。在很多任务业应用场合并不要求太高的控制精度或响应性，而要求发展一种廉价、节能、维护方便、适应大功率控制及具有一定控制精度的控制技术。这种需求背景导致了比例技术的诞生与发展。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。这些为电液比例技术的发展提供了有利的条件。电液比例控制技术从形成至今，大致上可为四个阶段：（1）从1967 年瑞士Beringer 公司生产KL 比例复合阀，到70 年代初日本油研公司申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生时期。这一阶段的比例阀仅仅是将新型电-机械转换器（比例电磁铁）用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计方法几乎没变，阀内不含受控参数的反馈闭环；（2）从1975 年到1980 年，比例技术的发展进入第二阶段。采用各种内部反馈原理的比例组件相继问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上已经成熟。到70 年代后期比例变量泵和比例执行器相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基础。应用领域扩大到闭环控制；（3）到20 世纪80 年代，比例技术发展进入第三阶段。比例组件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈、动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高，频宽达到

3-50Hz，滞环在19/6-3%之间。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均己和工业伺服阀无异。另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，己开发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例组件，电液比例技术逐步形成了80 年代的集成化趋势。第三个值得指出的进展是电液比例容积组件，各类比例控制泵和执行组件相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础，而且计算机技术同液压比例技术相结合已成为必然趋势；（4）近年来比例阀出现了复合化趋势，极大地提高了比例阀(电反馈) 的工作频宽。在基础阀的基础上，发展出先导式电反馈比例方向阀系列，它与定差减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合，构成电反馈比例方向流量复合阀，可进一步取得与负载协调和节能效果。今天，随着微电子技术和数学理论的发展，比例阀技术已达到比较完善的程度，已形成完整的产品品种、规格系列，并对已成熟的产品，为进一步扩大应用，在保持原基本性能与技术指标的前提下，向着简化结构、提高可靠性、降低制造成本及“四化”（通用化、模块化、组合化、集成化）的方向发展，以实现规模经济生产，降低制造成本[3] 。

1.2 电液比例控制系统的基本特点

电液比例控制系统是联系微电子技术和工程功率系统的接口。就其本质而言，乃是电子—液压—机械（E/H/M）放大转换系统，介于电液伺服系统与开关控制系统之间。从控制特性看，更接近于伺服系统，特别是使用伺服比例阀的系统；从抗污染性、可靠性和经济性看，更接近于开关系统。系统本身可以是开环的，也可以是闭环的。因此，比例控制系统的设计，与开关控制液压系统有所差别，但也不能完全按伺服系统进行，应根据具体要求有所侧重。下面从工程应用的角度，来看一看电液比例控制系统的特点。（1）简化液压系统，实现复杂程控；（2）便于实现远距离控制或遥控；（3）利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标；（4）自动化程度高，容易实现编程控制；（5）系统的节能效果好[4] ；

1.3 电液比例控制系统的前景展望

随着电液比例组件、电子和计算机的发展，电液比例控制的应用将改变传统的液压传动控制方式。但国内在电液比例控制上与国外发达国家相比还有一定的差距，特别是电液比例组件方面。目前，国产比例阀和比例泵基本上还处于空白或起步阶段，国内电液比例控制的液压机产出量还不足5%，且大多数处于低级或单一的控制阶段。随着国内市场对高性能液压机需求的不断扩大，低端市场不断缩小，估计在五年内，电液比例控制高性能的液压机的产出数量将占到总产量的40%以上。电液比例控制技术是一门起步较晚，但发展极为迅速、应用已相当广泛的机电液一体化综合技术。今天，电液比例控制技术以其一系列优点在工业中应用已经相当普遍，在新系统设计和旧设备改造中正成为用户的重要选择方案，对提高企业的技术专装备水平和设备的自动化程度，发挥了极为重要的作用。电液比例控制技术一个发展趋势是与电液伺服技术的密切结合，产生所谓的电液比例伺服技术。当今工业界的一个极为重要的发展趋势是机、电、液一体化，相应的机电液一体化技术将体现到一个国家的综合国力水平，甚至关系到国防实力，各国如果

没有认清这一趋势，不予以高度重视，将在这一领域内迅速落伍，并可能在未来的综合国力较量中落于下风。