电液比例控制系统分析与设计

(1)为了提高系统的自动化水平，保持设定值不受外部干扰的影响。 (2)为了提高电液比例系统的控制精度。
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(3)为了提高系统的动态性能(快速响应性)，开环控制系统的快速响应性能完 全是由系统的极限加速度αmax 来决定的，当比例控制系统的快速响应要求超出 αmax 时，开环控制系统就无能为力了。这时，采用闭环控制方案是惟一选择。
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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。
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。
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：确定电液比例 控制系统的类型和控制方式(开环或闭环)，选择控制信号、控制元件、检测元件 的类型。
7.2.1 确定比例控制系统的控制方式
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：
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。二者的设计思想、 数学模型、设计内容和步骤、设计和分析的手段都有相当大的差别。总的来说， 开环控制系统的设计主要参考液压传动系统(开、关控制)的设计方法，闭环控制 系统的设计采用自动控制系统的设计方法(与液压伺服系统设计相似)。 电液比例控制系统设计还涉及到与电气、计算机、机械设备的接口等内容， 每一个具体的比例控制系统还要根据产品工艺要求解决特定的问题。
采用闭环控制系统可获得高的控制精度，更好的动态性能，具有较强的抗干 扰能力，但也同时带来稳定性问题。
(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)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。
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。 目前，数字式电液比例控制系统根据数字信号的传输范围不同，有局部数字 电液比例系统和全数字电液比例系统。局部数字的电液比例系统中，只有某个或 几个环节是数字式的元件，这是早期的数字系统模式。目前，全数字式比例系统 已应用于工程领域。这种系统只有功率放大环节和执行元件还是模拟式的。 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。
7.2.4 确定比例控制系统的控制元件类型
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。
7.1 电液比例控制系统的设计内容与步骤
电液比例控制系统无论是采用开环控制还是闭环控制，其设计的内容和步骤 都包括：
(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。 一般来说，电液比例控制系统的工况是由产品的生产过程、工艺以及主机的 结构决定的。 电液比例控制系统的工况包括： 1)执行元件运动参数的数量和型式。这是决定执行元件数量和结构的依据， 如往复直线运动由液压缸、或由液压马达带动齿轮齿条机构来实现，旋转运动由 液压马达实现，摆动运动可由带铰支的液压缸或摆动马达实现机构的安装空间、控制精度、成本等因素来选择。 2)执行元件驱动的负载及其变化规律。这是电液比例控制系统设计中要确定
的重要内容。在这一设计阶段，要明确各个执行元件在一个运动周期中负载的大 小及其变化规律(找出负载的表达式)。尤其需要引起注意的是负向负载的问题。 一般来说，有垂直运动分量的执行机构(如液压缸垂直或倾斜布置)都有负向负载 的问题，这时需要在电液比例控制系统中考虑平衡负向负载的措施。
3)多个执行元件之间的运动关系和每个执行元件在一个运动周期中的动作 顺序。
4)每个执行元件所要求的性能。 (4)估算各执行元件运动参数和动力参数。这一阶段要根据执行元件的最大 负载和运动速度(加速度)初步确定执行元件的结构尺寸、供油服力、供油流量、 液压缸—负载系统的固有频率，为拟定系统方案提供依据。 (5) 拟定系统方案，元件选型，绘制电液比例控制系统原理图。 (6)建立系统数学模型(含静态和动态)，计算系统数学模型中的重要参数。 (7)系统静态性能和动态性能的校核。系统性能校核的结果如果不能满足生 产工艺提出的要求，则要重新修改方案，直到满足要求为止。 其中，静、动态性能的校核可借助计算机仿真完成，也可依靠实验寻求答案。 (8)绘制系统装配图和非外购件的零件图。