电液比例控制技术的研究

电液此倒控制技术的研究

许振保１，赵春娥２

（１．泰山学院，山东泰安２７１０２１；２．泰山职业技术学院。山东泰安２７１０００）

摘要：电液比例控制用输入的电信号来调制液压参数，使之连续成比例的变化，具有控制原

理简单、控制精度高、抗污染能力强、价格适中等特点，受到人们的普遍重视。综述了电液比例

控制技术的国内外发展现状及发展趋势。通过对配电带电作业机器人作业平台的高空作业车

举升臂系统的分析与研究，提出了电液比例技术适用于高空作业车举升臂液压驱动系统。

关键词：电液比例控制；液压驱动；举升臂

中图分类号：ＴＨｌ２文献标志码：Ｂ文章编号：１６７１－５２７６（２０１０）０１－００５２－０３

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１电液比例控制技术的概况

１．１电液比例技术的发展背景及特点现代电液控制技术的发展追溯到二次大战时期。由于军事需要，对武器和飞机的自动控制系统的研究取得了很大的进步。战争后期，喷气技术取得突破性进展。由于喷气式毪行器速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度和功率质最比都提出了更高的要求。工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。１９４０年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电动机拖动，惯茸很大，限制了系统的动态特性。１９世纪５０年代初出现了高速响应的永磁式力矩马达。５０年代后期又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快、控制精度最高的伺服系统。６０年代各种结构的伺服阀相继问世，电液伺服阀技术已日臻成熟。印年代后期人们对工艺过程控制提出了更高的要求。现代电子技术特别是微电子集成技术和计算机技术的发展，为工程控制系统提供了充分而且廉价的现代电子装置，各类民用１Ｉ＝程对电液控制技术的需求更加迫切和广泛。传统的电液伺服阀对流体介质的清清度要求十分苛刻，制造成本和维修费用较高，系统能耗也较大，难以为各工业用户所接受，而传统的开关控制又不能满足高品质控制系统的要求。因此，人们希望开发出一种可靠、廉价、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术…。

从１９６７年瑞士布林格尔公司生产ＫＬ比例复合阀起，到２０世纪７０年代初日本油研公司申请＿ｒ压力和流量比例阀二项专利为止，是比例阀的诞生时期。这一阶段的比例阀，仅是将比例型的电一机械转换器（如比例电磁铁）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准则几乎没有变化，大多不含受控反馈闭环，其工作频宽仅在１—５Ｈｚ之间，稳态滞环在４％一７％之间，多用于开环控制。

１９７５～１９８０年间，比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟，比例元件的工作频宽已达５～１５Ｈｚ，稳态滞环也减小到３％左右。其应用领域日渐扩大，开环闭环均可适用…。‘

２０世纪８０年代以来，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善，采用ｒ压力、流量、位移内反馈及电校正等手段。在８０年代末、９０年代初，随着电子技术的高速发展，比例技术出现了质的飞跃。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，形成了８０年代电液比例插装技术。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元件，电液比例技术逐步形成了８０年代的集成化趋势。同时电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件也相继出现。

因此，从电液比例技术的发展过程可以看出，电液比例技术发展到目前阶段，已经能用伺服比例阀替代传统的

作者简介：许振保（１９７８一）。男，山东宁阳人，助教，工学硕士，主要从事控制工程研究。

?５２?ｈｔｔｐ：／／ＺＺＨＤ．ｃｈｉｎａｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ．ｃｎＥ－ｍａｉｌ：ＺＺＨＤ＠ｃｈａｉｎａｊｏｕｍａｌ．ｎｅｔ．ｃａ《机械制造与自动化》万方数据

伺服阀，用于大多数的工业控制中。由于伺服比例阀在使用时对油液清洁度的要求只需ＮＡＳ７—９级口Ｊ，而价格又远低于相同参数的伺服阀，使其进入市场的竞争能力很强。从而采用新的伺服比例阀替代喷嘴挡板阀在工业领域是理所当然的事情，在国内推广也只是时间的问题，这将给用户带来明显的经济效益。

１．２电液比例系统及其组成

电液比例控制的核心是比例阀。电子放大器根据一个输入电信号电压值的大小转换成相应的电流信号，这个电流信号作为输入量被送入比例电磁铁，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀芯／锥阀芯上的力，以克服弹簧的弹力。电流增大，输出的力相应增大，该力或位移又作为输入量加给液压阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压力。电磁铁断电后，复佗弹簧使阀芯返回中位。通过这样的转换，输入电信号的变化，不但可以控制执行器和工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行无级的调节，使系统的输出量与给定值保持在允许的范围之内，与此同时输出功率被大幅度的放大。其控制系统框图见图１Ｈ１。

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图１电液比例控制系统

由图１可知组成电液比例控制系统的基本元件有：指令元件、比较元件、比例放大器、比例阀、液压执行元件及检测反馈元件等。以上各组成部分中，液压控制元件（如比例阀）、执行元件和负载的作用是密切相关的，把三者的关系称之为液压动力机构。此外，系统中还可能含有各种校正装置，用来改善系统的动静态特性。

１．３电液比例控制系统的特点

电液比例控制是指用输入的电信号来调制液压参数，使之连续成比例的变化。可用于开环或闭环系统中，以实现对各种运动进行快速、稳定和精确的控制¨ｏ。比例控制技术是在开关技术和伺服控制技术之间的过渡技术。从控制特性看，更接近伺服控制系统；从抗污染、可靠性和经济性看，更接近开关控制系统。因此它兼有二者的许多优点。具有控制原理简单、控制精度高、抗污染能力强、价格适中等特点，受到人们的普遍重视。它是在普通液压阀基础上，用比例电磁铁取代阀的调节机构或普通电磁铁，采用比例放大器控制比例电磁铁，实现对比例阀连续控制，从而实现对液压系统压力、流量及方向的无级调节。

它的主要优点体现在以下几个方面：１）可明显地简化液压系统，减少液压元件的使用，实现复杂程序控制；２）利用电信号便于远距离传输，实现自控、程控、遥控；３）工作平稳，利用反馈可以提高控制精度或实现特定的控制ＭａｃｈｉｎｅＢ“触堙８Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｆｅｂ２０１０。３９（１）：５２－５４

目标；４）能按输入电信号的正负和数值大小同时实现液流的流量、压力的比例控制，从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控制，并易实现无级调速；５）结构简单，元件少，维护和保养方便；６）便于机电一体化的实现。

电液比例控制的主要缺点是：与开关控制相比，其成本较高，技术较复杂；与伺服系统相比，其控制精度低，组成的闭环系统易产生不稳定的状态。

２电液比例控制技术的国内外发展现状及发展趋势

２．１电液比例控制技术的国外发展现状国外电液比例技术的研究始于２０世纪４０年代，到７０年代投入了广泛的工业应用，至今己形成完整的产品品种、规格系列，并对己成熟的产品，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、降低制造成本的方向发展＂’６Ｊ。

国外电液比例技术己经成熟，并有了推广运用，比如波克兰叉车使用了电液比例控制系统，又如德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了比例ｆ碍等。

液压工业己成了全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司、德国的力士乐公司等居世界领先地位。电液比例控制的理论研究和技术的发展是液压工业领域发展的大趋势，是液压工业又一个新的技术热点和增长点。

２．２电液比例控制技术的国内发展现状对于电液比例控制技术，国内不仅己开展研究而且己经达到广泛的实际应用，但目前国内的制造和技术还落后于国际水平。我国电液比例技术到２０世纪７０年代中期开始发展，在国内的应用、尤其在工程机械上的开发应用才刚起步。总的来看，我阚电液伺服比例技术与国际水平相比有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，各类比例泵、比例阀等，国内设计生产的品种少，并缺乏足够的工业性试验研究；在控制技术方面，自动化程度不高，性能水平较低，品质不稳定，可靠性较差等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。

２．３电液比例控制技术的国外发展趋势一叫Ｊ国外近年来，电液比例技术的发展趋势：

１）提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀的性能使之适应野外工作条件，并发展低成本比例阀。

２）比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，此外出现比例容积控制，为中、大功率控制系统节能提供新手段。

３）电子控制器向着专用集成电路方向发展，实现小型化、组合化，并达到高可靠性目的。

４）电液比例阀向通用化、模块化、组合化、集成化方

?５３?

万方数据

向发展，以实现规模经济生产，降低制造成本，开发变量泵控制专用电液比例阀，以及阀与泵的结构性能匹配设计。

５）电液比例技术的主要基础元件的相互衔接愈来愈密切，零部件通用化程度不断提高。

３

结语

山东科技大学机器人研究中心承担的国家８６３计划

课题“配电作业带电作业机器人”和山东省重大科技项目“新型带电作业机器人”的研究与设计。该项目是为了克服当今电力行业人工带电作业危险性大、经济效益损失较大等缺陷，提高带电作业的自动化、智能化水平而设计的。通过对提供配电带电作业机器人作业平台的高空作业车举升臂系统的分析与研究，结合电液比例技术，课题组设计了一套电液比例控制系统，适应于高空作业车举升臂液压驱动系统。该液压驱动系统以电液比例阀控马达速度控制系统为研究对象，通过分析系统结构及负载的特性，构建系统传递函数，分析其动态特性，分析减小比例阀中位死Ⅸ的方法，达到改善高空作业车举升臂液压驱动系统性能的目的。

针对高空作业举升臂腰部回转运动关节和伸缩臂伸缩运动关节，构建两关节比例阀控马达液压系统实验平台，验证了比例阀控马达位置闭环控制系统性能，验证了减小比例阀中位死区的线性化补偿方法，验证了比例阀一普通方向阀控两网路马达液压系统方案的町行性¨…。

在已完成的功能基础上，以下两方面仍需做进一步的研究和完善：

性，根据系统动态特性的分析，选择系统校正方法；

ｂ）比例阀中位死区在位置闭环控制系统中对系统性能的

影响比较严重，线性化补偿方法能够减小比例阀死区的影响，但还应进一步寻求解决比例阀死区影响的非线性化方法。

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岛：山东科技大学，２００７．

ａ）需要进一步分析比例阀位置闭环系统的动态特

收稿日期：２（）０９—０５—０５

（上接第１７页）

动臂末端变形很小。由于铲斗亦采用梁单元建模所以会出现大的位移。根据圣维南原理‘５｜，在铲斗上的外力作用方式，不影响动臂的应力分布。

图７工作装置最恶劣工况下的位移图

６结论

ａ）由计算结果可知，动臂的总体应力不大，在正载工况下最大应力小于所用材料的许用应力，有足够的应力储

?５４?

备，且最大应力区所占比例与低应力区相比较小，可以进行结构优化减轻荸量，改善性能。

ｂ）在正载工况下，两动臂的应力分布情况相同，上表面受拉，下表面受压。

ｃ）在正载工况下，最大应力出现在动臂与举升油缸铰接的地方，并出现应力集中，对此处应进行优化。

ｄ）动臂的大圆弧处应力较大，并且应力分布不均匀，此处也是应该进行优化的地方，可以改变此处的连接形状，减小应力集中。参考文献：

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收稿日期：２００９—０６—０８

ｈｔｔｐ：ｆｆＺＺＨＤ．ｃｈｉｎａｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ．ｅｌｌ

Ｅ－ｍａｉｌ：ＺＺＨＤ＠ｃｈａｉｎａｊｏｕｍａｌ．ｎｅｔ．ｃｎ《机械制造与自动化）

万方数据

电液比例控制技术的研究

作者：许振保， 赵春娥， XU Zhen-bao， ZHAO Chun-e

作者单位：许振保,XU Zhen-bao(泰山学院,山东,泰安,271021)， 赵春娥,ZHAO Chun-e(泰山职业技术学院,山东,泰安,271000)

刊名：

机械制造与自动化

英文刊名：MACHINE BUILDING & AUTOMATION

年，卷(期)：2010，39(1)

被引用次数：0次

参考文献(10条)

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10.许振保高空作业车举升臂电液控制系统的研究 2007

相似文献(10条)

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电液比例控制技术是一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制技术。液压驱动柱塞泵采用长行程、低冲次的工作方式，将比例控制技术用于控制柱塞的运动，能有效地减少了输出流量的脉动量，且连续调节行程和冲次，提高了工作品质。

本文主要研究柱塞泵往复运动的位置和速度控制，为无静差跟踪控制。

系统总体设计包括硬件设计和软件设计。硬件部分以工业控制计算机为核心，通过数据采集和位置检测等，组成运动控制系统。软件部分设计基于LabVIEW平台完成，包括实时测控程序，以及动态过程仿真。

液压系统普遍存在较大程度的参数变化和外部负载干扰，及结构和流量特性的非线性。经典的PID控制采用线性定常组合方案，具有无法兼顾目标跟踪和外扰动抑制的缺点，其鲁棒性不够好。本文提出的自校正PID模糊控制技术可以提高系统位置跟踪能力，有效抑制干扰。最后，对模型参考自适应控制技术进行了研究，且采用系统在线参数辨识来修正控制器，仿真的结果证明控制方法具有较强适应性和鲁棒性。

2.学位论文邱士浩液压驱动精确二维运动机构研究2007

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1．电液比例二维运动试验台能够很好得测试理论仿真的有效性、验证理论的准确性，并为相关比例伺服技术试验提供试验平台。

2．从电液二维运动控制系统总体结构上分析，采用主从式和采用平均值式总体控制结构仿真中，平均值式仿真效果优于主从式结构。实际应用系统中推荐采用平均值式控制结构。

3．试验数据表明，Fuzzy-PID、Fuzzy和PID三种控制算法基本上都能够满足控制要求，但从控制效果看，Fuzzy-PID控制器效果最好，Fuzzy、PID次之。

总之，本文的研究内容为电液比例二维运动控制系统的应用提供了理论支持。

3.学位论文孙涛液压驱动丝杠升降台的研制2003

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4.期刊论文高钦和大型装置起竖过程的电液比例控制研究-机械工程学报2004,40(2)

以机动导弹发射架为例,研究了大型液压驱动机械装置起竖过程的控制问题,分析了起竖过程中液压缸的载荷情况,给出了进入多级缸油液的压力、流量与起竖角度间的关系曲线,提出了基于电液比例技术的起竖过程控制方案,实现了对液压油源和起竖速度的灵活控制,仿真结果表明该方案可以用于快速起竖系统设计.

5.学位论文王帆舞台机械吊杆的液压驱动及控制2006

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本课题是以舞台机械为对象，依据我国市场的需求及产品的运行情况和用户的意见，完成了舞台吊杆的液压控制。实现了国内吊杆液压控制的空白。主要是要对吊杆的液压控制部分建立数学模型，为液压吊杆今后的设计和生产提供了理论依据。并且对吊杆系统做了动态仿真，真正使液压吊杆在设计和使用上做到“永无一失”，使液压吊杆的设计应用达到完美，填补舞台机械的空白。在综合分析吊杆平稳性的过程当中，主要是对吊杆的控制过程作了研究对象，在对吊杆的控制反馈的过程中，控制液压马达，实现平稳的无级变速，进行过载保护，对舞台的安全提供了更大的保障。

课题主要采用液压系统控制和闭环反馈控制原理对舞台吊杆进行控制，实现了无级变速。其设备占地面积小，控制灵活平稳，无噪音，并且实现多吊杆多泵站的控制，使舞台吊杆实现无级变速，灵活了演出的效果，减少了舞台演出的空隔时间。其中对电液比例控制在系统中的功用进行了说明，重点对电液比例阀同步控制系统的同步误差与阀控马达回路的动态特性进行分析。

此外对舞台吊杆的平稳性作了理论上的论述，想通过对舞台吊杆的改进，进一步对舞台机械进行研究，并且对液压系统的稳定性进行控制。

在电器设计上主要依托PLC、马达电机，光敏控制等对舞台吊杆进行准确定位控制。

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为了实现工作装置轨迹的自动控制，本文先是对其工作装置建立数学模型，进行深入的研究和计算后，找出控制其运动的规律所在，从而为实现计算机自动控制奠定了基础。挖掘机的主要动力传动是靠液压系统来完成的，工作装置、回转机构和行走机构全部是由液压驱动，因而液压系统的自动控制在整个挖掘机的控制系统中，起着极其重要的作用。本文用了大量篇幅深入研究了当前挖掘机液压系统的特点，最终提出了改进方案，采用了挖掘机的电液比例控制技术，使液压系统能够满足挖掘机实现自动控制的需求。最后对改造完的电液比例控制系统进行数学模型建立和仿真，通过对参数的调节和对仿真结果的分析，证明通过改造的挖掘机液压控制系统是符合要求的。

反铲单斗液压挖掘机的电子控制系统是实现其自动化控制和智能化控制的关键所在。本文从三个不同的方面阐述了挖掘机电子控制系统的核心组成部分，包括柴油机电子控制系统、传感器技术的广泛应用和可编程控制器的功能与作用。本液压挖掘机控制系统方案采用工控机作为上位机，可编程控制器作为下位机，传感器作为信息收集的工具，电液比例多路换向液压阀作为液压驱动系统的控制器对整个挖掘机的作业过程进行具体的控制和监测

，使液压挖掘机的自动化水平有了较大幅度的提高。

7.期刊论文王栋.白波.孙涛液压驱动舞台升降台同步控制精度-甘肃科技纵横2003,32(4)

采用液压传动驱动升降舞台,其中,对液压同步控制进行了分类与比较,对电液比例控制在系统中的功能和作用进行了说明,重点分析了采用电液比例同步控制系统的同步误差与阀控马达回路的动态特性.

8.学位论文马玉良TLK21型高空作业车电液控制系统研究2007

本文针对国内高空作业车的生产技术水平落后于国外的现状，在对国内外高空作业车的关键技术及发展趋势认真分析和对比的基础上，结合客户的实际需求，消化吸收国外先进技术，对TLK21型高空作业车的液压驱动系统、调平系统和微电控制系统展开设计研究。

本文首先在分析比较国外同类型的产品的基础上，设计了TLK21型高空作业车主要执行装置和机构的液压驱动系统，其中包括转向装置、回转装置、伸缩臂变幅装置等等。由于系统要求的控制量较多，而且多个控制量要求采用电液比例控制，因此系统采用了负载敏感式比例多路阀对主要执行元件进行控制。然后针对该车的行走液压驱动系统展开深入研究，因为它是该车需要解决的关键技术之一，直接影响到车辆的机动性能。接下来采用MATLAB仿真和机械最优化设计的方法对该车的作业斗调平机构进行设计，通过误差分析证明得到的设计结果是最优的。最后，将CAN总线技术引入到该车微电控制系统中来，设计了该车微电控制系统的硬件网络，并完成了电液控制程序的编写。

目前，所设计的全液压驱动自行式高空作业车已经安装、调试完毕，并已交付用户使用。该车在实际生产中达到了预期目标，提高了生产效率，取得了一定的经济效益。

9.期刊论文姚明.陈相奇.田志坚.Yao Ming.Chen Xiangqi.TIAN Zhijian CDZ40C型登高平台消防车-工程机械

2005,36(6)

CDZ40C型登高平台消防车是在我厂成熟的CDZ系列产品的基础上,吸收国内外先进技术,结合我国具体情况自主开发设计的又一CDZ系列新产品.其底盘采用德国奔驰Actros 3331底盘,上车设有四节伸缩臂加一节折叠臂,并设有消防系统和救援云梯;整车采用液压驱动、电液比例控制,可实现360°回转,并设有齐全的安全保护装置,既可在转台又可在工作平台上进行操纵.该产品是集消防灭火和抢险救援功能于一身的消防装备,特别适用于大中城市、港口、码头、矿山、油田等场所的消防和救援工作.

10.学位论文李小龙带轮数控旋压机床电液比例系统的动态特性仿真与实验研究2008

皮带轮旋压技术的发展使皮带轮向高精度、节能、节材、无污染的方向发展。由于皮带轮旋压机所需的驱动力比较大,因此多采用液压来驱动。但由于液压系统存在如死区、泄漏、阻尼系数的时变性以及负载干扰的存在,系统呈现出不确定特性和非线性特性,使得由液压系统驱动的位置精度难以达到一个比较高的水平。随着电液比例控制技术的发展,比例阀采用了位移反馈、压力反馈、流量反馈等校正手段,使阀的动态精度、动态响应和稳定性得到极大的提高,进而大大提高了液压驱动的位置精度。

本论文的研究课题来源于华南理工大学机械与汽车工程学院夏琴香教授所主持的2006年广东省教育部产学研合作项目(2006D90304021)“钣制带轮近净成形工艺和数控旋压设备研究及生产线的组建”。本论文主要研究并设计出适合皮带轮旋压的电液比例控制液压系统,对液压系统进行动态特性仿真

,以及对电液比例控制液压系统的位置控制进行实验研究。

主要研究内容为：

首先,简要阐述了皮带轮旋压成形技术的原理及特点,以及国内外皮带轮旋压机床的发展现状。以国内外研究文献为基础,简要阐述了电液比例控制系统的基本概念及其发展历程,重点介绍了电液比例控制技术及控制策略在锻压设备中的应用情况。

其次,根据皮带轮旋压工艺要求,设计出适合皮带轮旋压的电液比例控制液压系统。较为详细地介绍了该液压系统的动作原理和特点,以及详细介绍了电液比例方向阀、可变容量柱塞泵、电机、液压缸和光栅尺等液压主要元件的设计计算过程。

然后根据机床液压原理图,建立了基于AMESim环境的液压仿真模型。对无负载和有负载两种情况下液压缸的位置精度分别进行了仿真模拟,并对仿真结果进行了系统的分析,该仿真结果对实验研究提供了强有力的理论支持。

再次,根据皮带轮旋压工艺的特殊性,对电液比例控制系统进行优化研究。主要针对电液比例控制系统的响应速度和流量控制两个方面进行了理论探索与仿真研究。

最后,对机床的液压系统进行调试,使液压系统的各项动作符合设计要求。通过实验标定出电液比例方向阀输入电压值与液压缸实际运动速度--对应的曲线,从而建立电压值与速度的关系曲线,方便今后实验与生产中对液压缸运动速度的调节和控制。

本文链接：https://www.360docs.net/doc/4217695085.html,/Periodical_jxzzyzdh201001017.aspx

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下载时间：2011年2月25日