第七章 电液比例控制系统分析与设计

3、确定电液比例控制系统的控制信号类型
4、确定电液比例控制系统的控制元件类型 5、确定电液比例控制系统的检测元件类型
7.2.1 确定比例控制系统的控制方式
确定系统开环控制还是闭环控制。 开环控制系统不具备抗干扰能力，其控制精度取决于组成系统各元件 或环节的精度，不存在稳定性问题。采用闭环控制主要基于以下四个方面 的考虑： (1) 提高系统自动化水平，保持不受外部干扰的影响。 (2) 提高电液比例系统的控制精度。
阀的规格。因为比例阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，所 以比例阀流量应留有余量。通常可取15％左右的负载流量作为比例阀 的流量储备。
7.3.3 液压缸—负载系统固有频率的估算
液压缸负载系统可等效为一个弹簧质量系统。其中的弹簧作用由封
闭在液压缸中的可压缩性介质产生，如图7-4所示。
图7-4 液压缸的等效弹簧质量系统
(6) 计算系统数学模型中的重要参数，建立系统数学模型。 (7) 系统静态性能和动态性能的校核。 (8) 绘制系统装配图和非外购件的零件图。
7.2 电液比例控制系统的方案拟定
拟定系统方案就是决定系统中的重大问题，其主要内容包括： 1、确定电液比例控制系统的控制方式 2、确定电液比例控制系统的控制系统类型
检测环节包括传动机构、传感器及其二次仪表。当被控制对象作 直线运动，所采用的传感器为测速机、光码盘、圆形感应同步器或圆 光栅一类旋转式传感器时，需要采用传动机构将直线运动转换成旋转 运动。常用的传动机构有传送钢带或钢性绳、齿轮-齿条或摩擦轮系等。
传感器的类型应根据所检测的物理量类型、要求的检测精度及动
电液比例控制系统有阀控和泵控两种控制方案，究竟是采用阀控系 统还是泵控系统，要根据控制精度和响应速度的要求、功率的大小、要 求效率的高低及成本等综合确定。阀控系统的控制精度和响应速度高， 但效率低。泵控系统的效率高，可用于大功率控制场合，但控制精度和 响应速度低。
7.2.5 确定比例控制系统的检测元件类型
7.2.3 确定比例控制系统的控制信号类型
可供电液比例控制系统选用的控制信号有模拟式和数字式两种类型。 数字式检测元件的分辨率很高，用它构成数字式电液比例控制系统，
可直接与计算机连接。另外，以数字方式给定的信号具有相当高的精度。
在控制精度要求高，设备有多个执行元件需要控制，且控制关系较 复杂时（如多缸同步控制系统），以及设备已经采用计算机控制方案时， 推荐采用全数字控制系统，以简化控制系统设计。
例速度控制系统、电液比例加速度控制系统和电液比例力（压力பைடு நூலகம்控制
系统。在拟定系统方案时，首先要确定所设计的比例控制系统属于哪一 种类型。通常情况下，电液比例系统控制的物理量，即系统类型是不能
随意确定和变化的，它是由设备用途、工艺要求和控制过程决定的。
电液比例控制系统的类型一经确定，所采用的控制元件和检测元件 的类型也就基本上确定了。
常用的供油压力等级为7MPa到28MPa。
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
由于执行器和比例阀是整个液压伺服系统的关键部件，直接影响系 统性能的优劣，故应十分注意其选型和设计问题。当按下述方法确定了
液压缸的有效面积 的最佳值，计算出相应的缸筒内径D、活塞杆直径d
等结构尺寸并确定比例阀的流量后，进行选型及结构设计。
静态设计的主要内容是确定液压动力元件参数，选择系统的组成 元件。液压动力元件是比例伺服系统的关键部件。它在整个工作循环中 拖动负载按要求的速度运动的同时，其主要性能参数应能满足整个系统 所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数 的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。 液压动力元件参数选择包括系统的供油压力 ps，液压执行器的主要
规格尺寸液压缸的有效面积
定流量 qn )。
Ap ，比例阀的规格(最大空载流量 q0m 及额
7.3.1 比例控制系统的供油压力的选择
选用较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可减小执行元件— 液压缸的活塞面积，从而使泵和动力元件尺寸小重量轻，设备结构紧凑， 同时油腔的容积减小，容积弹性模数增大，有利于提高系统的响应速度。 但是，随供油压力增加，由于受材料强度的限制，液压元件的尺寸和重 量也有增加的趋势，元件的加工精度也需提高，系统的造价也随之提高。 同时，高压时，泄漏大，发热高，系统功率损失增加，噪声加大，元件 寿命降低，维护也较困难。所以条件允许时，通常还是选用较低的供油 压力。
第七章 电液比例控制系统的分析与设计

7.1 电液比例控制系统的设计内容与步骤 7.2 电液比例控制系统的方案拟定


7.3 电液比例控制系统的静态分析
7.4 电液比例控制系统的动态分析


7.5 电液比例控制系统的静态性能分析
7.6 电液比例控制系统的动态性能分析

7.7 电液比例控制系统的液压能源选择
m—液压缸驱动的质量（kg）。
7.3.3 液压缸—负载系统固有频率的估算
其中，液压弹簧刚度主要由“受压缩”的油液体积决定。液压缸
的单侧液压弹簧刚度为
A2 KE V
之间。 V—液压缸的单侧容积(V3)。
(7-3)
式中，E—液压油的弹性模量(Pa)，取值范围较大，在(1~1.4)×109Pa
7.3.3 液压缸—负载系统固有频率的估算
7.3.3 液压缸—负载系统固有频率的估算
液压缸-负载系统的固有频率是电液比例控制系统极为重要的参数。 在不考虑液压缸-负载系统与基座连接刚度的情况下，固有频率的 计算公式为
f0
1 2
K m
(7-2)
式中，f0—液压缸—负载质量系统的固有频率（Hz）；
K—油液压缩性形成的弹簧（称为液压弹簧）刚度；
图7-2 参数变化对动力机构输出特性的影响 a)供油压力变化 b)阀容量变化 c)液压缸面积变化
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
当空载流量 q0m 和液压缸面积 Ap 不变，提高供油压力 外扩展，最大功率提高，最大功率点右移[图(a)]；
ps ，曲线向
当供油压力和液压缸面积不变，加大空载流量 q0m ，曲线不变，曲
A FL max m x B x kx FL 2 pL ps 3

(7-1)
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
4、比例阀规格的确定
p s 和由负载流量 q L（即要求比例阀输出的 根据所确定的供油压力 流量）计算得到的比例阀空载流量 q0m ，即可由比例阀样本确定比例
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
图7-3 动力元件与负载的匹配
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
2、 近似计算法 在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负
F 载力L max
选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定
2 p s A ，并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时 3 出现的，这样液压缸的有效面积可按下式计算： FL max p L A
液压缸的结构型式不同，f0 的计算略有不同： 1. 双出杆液压缸
这种结构型式的液压缸有对称的面积。当活塞处十全行程的中位
时，其固有频率的计算简图如图7-4所示。 这时，总的液压弹簧刚度是液压缸两腔液压弹簧的刚度之和，即
2 2 A1 A2 K E L L A1 A2 2 2
(3)负载最佳匹配
①图解法 在速度-力坐标体系内绘出负载轨迹曲线和动力元件输出 特性曲线，并使每一条输出特性曲线均与负载轨迹相切，调整参数，使 动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线，即可保证动力元 件能够拖动负载。如图7-3所示，曲线1、2、3代表三条动力元件的输出 特性曲线。曲线3的最大输出功率点与负载轨迹最大功率点c相重合，满 足负载最佳匹配条件。曲线1和2的最大功率输出点(a点和b点)大于负载 的最大功率点(c点)，虽能拖动负载，但动力元件的功率未充分利用，故 效率都较低。
态响应速度、工作环境及成本来确定。位置控制系统采用位置传感器， 速度控制系统采用速度传感器，力或压力控制系统采用压力传感器。
7.2.5 确定比例控制系统的检测元件类型
检测元件输入信号的量程要与被控制信号的最大变化范围相一致， 不能小于被控制信号的最大范围，否则会损坏传感器件，但也不能比 被控制信号的最大变化范围大得太多，否则会影响传感器的分辨率， 引起过大的控制误差。
线的顶点 AP ps不变，最大功率提高，最大功率点不变[图(b)]； 当供油压力
ps 和空载流量 q0m 不变，加大液压缸面积，曲线变低，
顶点右移，最大功率不变，最大功率点右移[图(c)]； 通过调整
ps 、 q0m 、Ap 这三个参数，即实现液压动力元件与负载的匹
配。
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
7.1

电液比例控制系统的设计内容与步骤
(1) 明确产品生产过程和工艺对电液比例控制系统的要求。 (2) 明确主机(设备)的结构特点、布置方式、控制要求。 (3) 确定电液比例控制系统的工况及其特点。 (4) 估算各执行元件运动参数和动力参数。


(5) 拟定系统方案，元件选型，绘制比例控制系统原理图。
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
1、按负载匹配确定 (1)负载特性(负载力与负载速度之间的关系) 负载特性曲线(负载轨迹图)是根据负载的情况，以横轴为负载力(可 转化为负载压力)、纵轴为负载速度(可转化为负载流量)作出的曲线(见图 7-1)，其方程为负载轨迹方程。 负载工作的每一个工况都应在 负载特性曲线内。较为简单的运动 过程，其负载特性为特殊点，一般 为最大功率点或最大速度(转速)点和 最大负载力(转矩)点，如图7-1中A、 B、C三点分别为最大速度点、最大
根据控制工程的经验，检测元件的精度等级必须大于系统控制精
度的4倍以上。检测元件的响应速度应为系统所要求频宽的8~10倍以上。 检测元件的输出信号应采用标准的控制信号，如0~10V、0~±10V、 0~20mA、4~20mA、0~5V、0~±5V等，以便检测元件与下一级元件的 输入信号匹配。
7.3 电液比例控制系统的静态分析
(3) 提高系统的动态性能(快速响应性)，开环控制系统的快速响性能完
全是由系统的极限加速度 max 来决定的，当比例控制系统的快速 响应要求超出时，开环控制不妥。
(4) 提高阻尼，保证系统稳定性 。
7.2.2 确定比例控制系统的控制系统类型
电液比例技术在各种类型的工业设备中获得了广泛应用。闭环控制 系统按照它所控制的物理参数，可分为电液比例位置控制系统、电液比
第七章
电液比例控制系统的分析与设计
第七章 电液比例控制系统的分析与设计
电液比例控制技术已获得广泛应用。根据所采用的控制元
件，电液比例控制系统可分为：
①采用比例压力阀(溢流阀和减压阀)压力(力)制系统； ②采用比例节流阀和比例调速阀的速度控制系统； ③采用比例方向阀的位置、速度或压力控制系统； ④采用比例控制泵的容积调速、压力或功率控制系统； ⑤采用压力、流量、方向比例控制元件组成的符合控制系统。 在以上每一种控制系统中，又有开环控制和闭环控制之分。
7.2.4 确定比例控制系统的控制元素类型
电液比例控制系统有阀控和泵控两种控制方案，究竟是采用阀控系
统还是泵控系统，要根据控制精度和响应速度的要求、功率的大小、要
求效率的高低及成本等综合确定。阀控系统的控制精度和响应速度高， 但效率低。泵控系统的效率高，可用于大功率控制场合，但控制精度和
响应速度低。
7.2.3 确定比例控制系统的控制信号类型
采用全数字电液比例控制系统还有一个突出优点，即控制信号可以在总 线上传输，便于计算机读取和存储。
尽管如此，目前，工业上采用的绝大多数比例阀仍然是模拟信号 控制的，相配套的比例放大器和检测元件也是模拟式的。模拟式控制 系统理解起来较简单，调试和处理也较直观，是目前普遍采用方案， 但其分辨率和控制精度较低，抗干扰能力稍差。
负载力点和最大功率点。
图7-1 负载特性曲线
7.3.2 液压执行器规格尺寸及阀规格的确定
(2)液压动力元件的输出特性 液压动力元件的输出特性可通过将比例阀的流量-压力曲线经坐标 变换得到。在速度(转速)-力(转矩)平面上，绘出的液压动力元件输出特 征曲线为抛物线，如下图所示为动力元件(阀控缸)的输出特征曲线。由 图7-2可知，