我司液压伺服控制系统的控制原理

概述

随着国内经济的高速发展，塑料制品行业对高速，高精密注塑机的需

求量与日剧增，而液压机高速，精密成型的保证，就是一必须拥有合

理而高刚性的锁模和射胶机构，二它必须拥有强劲的动力和反应灵敏

而精确的液控系统。其中，液压伺服控制系统是使执行元件以一定的

精度自动地按照输入信号的变化规律而动作的一种自动控制系统。其

可从不同的角度加以分类，按输出的物理量分类，有位置伺服系统，

速度伺服系统，力（或压力）伺服系统等；按控制信号分类，有机液

伺服系统，电液伺服系统，气液伺服系统；按控制元件分类，有阀控

系统和泵控系统两大类。下面，我们讨论阀控伺服系统。阀控伺服系

统主要由压力传感器，位置传感器，控制器和伺服阀等构成一个闭环

的系统，按系统的需求来分别做到或按序做到速度伺服控制，位置伺

服控制和压力伺服控制。最终，达到系统的要求和重复精度。

如图，传感器与控制卡（也可集成在塑机工控电脑中），伺服阀的有

机组合，就形成了一个闭环控制系统，随着系统工作情况要求的不同，来实现不同的伺服控制。在注射过程，注射到终点前，注射速度较为

重要，则此系统以速度闭环控制为主，控制器对位置传感器高频采样，测出活塞的瞬时速度与塑机电脑要求的速度对比，再发出调整后的信

号给伺服阀。最终，使活塞的运动速度达到塑机电脑要求的速度。进

入快到射胶终点，保压和熔胶背压阶段，这时压力较为重要，则此系

统以压力闭环控制为主，装在射胶油缸两侧的压力传感器传回的信号

起主要作用，控制卡将其与塑机电脑给出的压力信号对比，来调整给

伺服阀的信号，最终，使注射腔的压力值与设定值相同。在塑机电脑

没有发出任何指令的情况下，此时位置保持就比较重要，所以，系统

这时会主要进行位置闭环的控制。同理，在锁模油缸伺服控制的情形下，也是如此按顺序控制，锁模开始，快速移模可作速度闭环控制，

模具快合上时，切换到位置控制，有快速锁模到锁模油缸活塞停止的

位置之间的转换也是可控的，最后，模具合上时，切换的压力控制。

上述只是某种工艺要求下的伺服控制逻辑，随着不同的要求，控制的

逻辑，种类也都不尽相同，但是，其控制理念，是相同的。最终的目的，都是为了精确，迅速的达到塑机电脑的指令要求和保证动作的重

复精度。

下面对伺服闭环控制系统各组成部分作简单介绍。

传感器

任何好的系统，都必须具有迅捷，准确的感知部件，只有及时，准确

的监测执行机构当前所处的状态，控制器才能主动地发出新的指令，

来调整执行机构的运动，使之接近控制电脑所要求的运动状态。因此，全方位的了解执行机构，是伺服系统的必备条件。主要由压力，位置

等传感器来共同构成准确，及时的跟踪监测系统。传感器的固有特性，包括线性，最大采样频率，抗干扰能力等都对准确，及时地感知有重

要影响。

伺服阀

伺服系统中最重要，最基本的组成部分，它起着信号转换，功率放大

及反馈等控制作用。常见的伺服阀有直动式阀（滑阀），射流管先导

级伺服比例阀喷嘴挡板阀伺服电磁阀等。下面简单介绍它们的结构原

理及特点。

*直动式阀

将一与所期望的阀芯位移成正比的电信号输入阀内放大电路，此信号

将转换成一个脉宽调制电流作用在线性马达上，力马达产生推力推动

阀芯产生一定的位移。同时激励器激励阀芯位移传感器产生一个与阀

芯实际位移成正比的电信号，解调后的阀芯位移信号与输入指令信号

进行比较，比较后得到的偏差信号将改变输入至力马达的电流大小；

直到阀芯位移达到所需值。阀芯位移的偏差信号为零。最后得到的阀

芯位移与输入的电信号成正比。其特点是低泄漏，无先导级流量；动

态响应较高，由于线性力马达具有很高的无阻尼自然频率，因此自动

式伺服阀的动态响应较高，且与系统压力无关；低滞缓和高分辨率使

系统具有优异的重复精度；良好的控制性能，直动式伺服阀具有很高

的阀芯位置回路增益，因此，阀的稳定性和动态响应性能非常好。

*射流管先导级伺服比例阀

伺服射流管先导级主要由力矩马达，射流管和接收器组成，当线圈中有电流通过时，产生的电磁力

使射流管偏离零位，管内的大部分液流集中射向一侧的接收器，而另一侧的接收器所得到的流量明

显减少，由此造成两接受器内的压力变化。主阀阀芯因此压差而产生位移。其工作特点是由力矩马

达配射流管，大大改善了流量的接收率，使得能耗降低；具有很高的无阻尼自然频率，这种阀的动

态响应高。目前，这种伺服阀主要是二级，多级伺服阀。

*喷嘴挡板阀

喷嘴挡板阀有单喷嘴式和双喷嘴式两种，两者的工作原理基本相同，如图所示双喷嘴挡板阀的原理，它有2，3两个喷嘴，1为挡板，固定的两个截流孔4和5组成。挡板和两个喷嘴之间形成两个可变截

面的截流缝隙。挡板偏离中间位置时，造成两个喷嘴的压力发生变化，主阀阀芯因此而产生位移。

现在，挡板的运动多有力矩马达来调节。因此，其动态响应较高。伺服喷嘴挡板阀常用于多级放大

伺服控制元件的前置级。

*直动式阀

将一与所期望的阀芯位移成正比的电信号输入阀内放大电路，此信号将转换成一个脉宽调制电流作

用在线性马达上，力马达产生推力推动阀芯产生一定的位移。同时激励器激励阀芯位移传感器产生

一个与阀芯实际位移成正比的电信号，解调后的阀芯位移信号与输入指令信号进行比较，比较后得

到的偏差信号将改变输入至力马达的电流大小；直到阀芯位移达到所需值。阀芯位移的偏差信号为零。最后得到的阀芯位移与输入的电信号成正比。其特点是低泄漏，无先导级流量；动态响应较高，由于线性力马达具有很高的无阻尼自然频率，因此自动式伺服阀的动态响应较高，且与系统压力无关；低滞缓和高分辨率使系统具有优异的重复精度；良好的控制性能，直动式伺服阀具有很高的阀

芯位置回路增益，因此，阀的稳定性和动态响应性能非常好。

*伺服电磁阀

机械结构类似普通电液阀，但其先导阀由线性马达驱动，且主阀阀芯和先导阀阀芯都有位置传感器。其特点是由线性马达驱动，对油液清洁度的要求相对较低。

运算

1. 把检测系统对执行元件，阀的各种状态反馈来的实时信息进行分析，将其与系统要求达到状态信息相比较，并预知在现有的状态下，下一时刻执行元件的状态，发出调整后的控制信号，使执行元

件进一步贴近控制系统要求的状态。这一环节最为重要的就是对反馈信息做出正确，及时地分析，

对比，预知。目前，液压伺服系统的控制调节器的控制理论都是基于PID算法。按偏差的比例（Proportional），积分（Integral）和微分（Derivative）进行控制的调节，它的结构简单，参数易于调整。在模拟调节系统中，PIC控制算法的模拟表达式为

式中，u(t)为调节器的输出信号；e(t)为偏差信号，它等于系统给定量与

输出量之差；Kp为比例系数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数。由于计算机系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值