基本介紹
- 中文名：比例控制系統
- 外文名：ratio control system
- 作用：降低系統的惰性，加快回響速度等
- 分類：根據有無反饋分為開環和閉環控制
- 系統組成：指令組件、電控器、比例閥等
- 套用學科：控制科學、機械科學、電器工程
簡介,研究歷史,系統構成,系統分類,系統特點,比例閥,系統中的作用,分類,比例閥的選用,發展趨勢,
簡介
控制系統方框圖由於開環控制系統的精度比較低，只能套用在精度要求不高並且不存在內外干擾的場合，但開環控制系統一般不存在所謂穩定性問題。而閉環控制系統(即反饋控制系統)的優點是對內部和外部干擾不敏感，但反饋帶來了系統的穩定性問題。只要系統穩定，閉環控制系統可以保持較高的精度。因此，目前普遍採用閉環控制系統。
電液比例控制技術作為連線現代微電子技術和大功率工程控制設備之間的橋樑，已經成為現代控制工程的基本技術構成之一，在近20年中得到了迅速發展。它與傳統的電液伺服技術相比，具有可靠、節能和廉價等明顯特點，已套用於相當廣泛的領域，形成了頗具特色的技術分支。目前，已引起工程控制界的密切而廣泛重視，在機電液一體化和工程設備實現計算機控制的技術革命過程中，電液比例控制技術將獲得更新、更快的發展。
研究歷史
比例控制技術是20世紀60年代末人們開發的一種可靠、價廉、控制精度和回響特性，均能滿足工業控制系統實際需要的控制技術。當時，電液伺服技術已日趨完善，但電液伺服閥成本高、套用和維護條件苛刻，難以被工業界接受。希望有一種價廉、控制精度能滿足需要的控制技術去替代，這種需求背景導致了比例技術的誕生和發展。CAIE年瑞士某公司生產的KL比例複合閥標誌著比例控制技術在液壓系統中套用的正式開始，主要是將比例型的電—機械轉換器（比例電磁鐵）套用於工業液壓閥，到80年代，隨著微電子技術和數學理論的發展，比例控制技術已達到比較完善的程度，主要表現在3個方面：首先是採用了壓力、流量、位移、動壓等反饋及電校正手段，提高了閥的穩態精度和動態回響品質，這些標誌著比例控制設計原理已經完善；其次是比例技術與插裝閥已經結合，誕生了比例插裝技術：再是以比例控制泵為代表的比例容積元件的誕生。
系統構成
電液比例控制系統，儘管其結構各異，功能也不盡相同，但都可歸納為由功能相同的基本單元組成的系統。如圖所示，圖中的虛線為可能實現的檢測與反饋。包含外反饋迴路的控制系統才稱為閉環控制系統，不包含外反饋的稱為開環系統，如果存在比例閥本身的內反饋，也可以構成實際的局部小閉環控制。但一般也不會稱為閉環系統。
電液比例控制系統的構成
電液比例控制系統的構成組成電液比例控制的基本組件有:
(1)指令組件 它是給定控制信號的產生與輸入的組件。可以是信號發生裝置或過程控制器。在有反饋信號的情況下，它給出與反饋信號有相同形式和量級的控制信號。
(2)比較組件 它的作用是把給定信號與反饋信號進行比較，得出偏差信號作為電控器的輸入。進行比較的信號必須是同類型的，比例控制器的輸入量為電學量，因此反饋量也應當轉換為同類型的電學量。如遇不同類型的量作比較，在比較前要進行信號類型轉換，例如A/D、D/A轉換、機-電轉換等。
(3)電控器 電控器通常被稱為比例放大器。由於含在比例閥內的電磁鐵需要的控制電流較大(0～80mA)而偏差控制(信號)電流較小，不足以推動電磁鐵工作;且偏差信號的類型或形狀都不一定能滿足高性能控制的要求，所以要使用電控器對控制信號進行功率放大和對輸入的信號進行加工、整形，使其達到電-機械轉換裝置的控制要求。
(4)比例閥 比例閥內部又分為兩大部分，即電-機械轉換器及液壓放大組件，還可能帶有閥內的檢測反饋組件。電-機械轉換器，它是電液的接口組件。它把經過放大後的電信號轉換成與其電學量呈正比的力或位移。這個輸出量改變了液壓放大級的控制液阻，經過液壓放大作用，把不大的電氣控制信號放大成足以驅動系統負載液壓能。這是整個系統的功率放大部分。
(5)液壓執行器 通常指液壓缸或液壓馬達，它是系統的輸出裝置，用於驅動負載。
(6)檢測反饋組件 對於閉環控制需要加入檢測反饋組件。它檢測被控量或中間變數的實際值，得出系統的反饋信號。檢測組件有位移感測器、測速發電機等。檢測組件往往又是信號轉換器(例如機電/機液轉換)，用於滿足比較的要求。從圖中可見，檢測組件有內環、外環之分。內環檢測組件通常包含在比例閥內，用於改善閥的動、靜特性。外環檢測組件直接檢測輸出量，用於提高整個系統的性能和控制精度。
系統分類
電液比例控制系統可以從不同的角度按很多方式來進行分類。電液伺服控制系統是一種廣義上的比例控制系統。因而比例控制可以參照伺服控制按代表系統一定特點的分類方式進行分類。
按被控量是否被檢測和反饋來分類，可分為開環比例控制和閉環比例控制系統。由於比例閥是適應較低精度的控制系統而開發的產品，目前的套用以開環控制為主。隨著整體閉環比例閥的出現，其主要性能與伺服閥無異，因而採用閉環比例控制的場合也會越來越多。
按控制信號的形式來進行分類，可分為模擬控制和數字式控制。後者又分為脈寬調製、脈碼調製和脈數調製等。
按比例組件的類型來分類，可分為比例節流閥控制和比例容積控制兩大類。比例節流控制適用於功率較小的系統，而比例容積控制用在功率較大的場合。
目前，最通用的分類方式是按被控對象(量或參數)來進行分類。由此電液比例控制系統可以分為:
①比例流量控制系統;②比例壓力控制系統;③比例流量壓力控制系統;④比例速度控制系統;⑤比例位置控制系統;⑥比例力控制系統;⑦比例同步控制系統。
系統特點
電液比例閥是介於開關型的液壓閥與伺服閥之間的一種液壓組件。與電液伺服閥相比，其優點是價廉、抗污染能力強。除了在控制精度及相應快速性不如伺服閥外，其它方面的性能和控制水平與伺服閥相當，其動、靜態性能足以滿足大多數工業套用的要求。因此，比例閥更為廣泛地獲得套用。在高精度、快速回響等高技術領域傳統上是伺服閥的市場。但現在閉環比例技術也是一種新的選擇。電液比例閥與傳統的液壓控制閥比較，雖然價格較貴，但由於其良好的控制水平而得到補償。因此在控制較複雜，特別是要求有高質量控制水平的地方，傳統開關閥就逐漸由比例閥或數字閥來代替。
此外，比例控制閥還可以具有流量、壓力與方向三者之間的多種複合控制功能。這使得比例控制系統較之開關閥控制系統，不但控制性能得以提高，而且使系統更為簡化。
電液比例控制系統主要有以下特點:①可明顯地簡化液壓系統，實現複雜程式控制，降低費用，提高了可靠性，可在電控制器中預設斜坡函式，實現精確而無衝擊的加速或減速，不但改善了控制過程品質，還可縮短工作循環時間;②利用電信號便於實現遠距離控制或遙控。將閥布置在最合適的位置，提高主機的設計柔性;③利用反饋提高控制精度或實現特定的控制目標;④能按比例控制液流的流量、壓力，從而對執行器件實現方向、速度和力的連續控制，並易實現自動無級調速。
比例閥
系統中的作用
電液比例閥是比例控制系統中的主要功率放大元件，按輸入電信號指令連續地成比例地控制液壓系統的壓力、流量等參數。與伺服控制系統中的伺服閥相比，在某些方面還有一定的性能差距，但它顯著的優點是抗污染能力強，大大地減少了由污染而造成的工作故障，提高了液壓系統的工作穩定性和可靠性;另一方面比例閥的成本比伺服閥低，結構也簡單，已在許多場合獲得廣泛套用。
分類
比例閥按主要功能分類，分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三大類，每一類又可以分為直接控制和先導控制兩種結構形式，直接控制用在小流量小功率系統中，先導控制用在大流量大功率系統中。比例閥的輸入單元是電-機械轉換器，它將輸入的電信號轉換成機械量。轉換器有伺服電機和步進電機、力馬達和力矩馬達、比例電磁鐵等形式。但常用的比例閥大都採用了比例電磁鐵，比例電磁鐵根據電磁原理設計，能使其產生的機械量(力或力矩和位移)與輸入電信號(電流)的大小成比例，再連續地控制液壓閥閥芯的位置，進而實現連續地控制液壓系統的壓力、方向和流量。
比例閥有三大類:
(1)比例壓力閥，有溢流閥、減壓閥，分別有直動和先導兩種結構;
(2)比例方向閥，有直動和先導兩種結構，直動閥有帶位移感測器和不帶位移感測器兩類;
(3)比例流量閥，有比例調速閥和比例溢流流量控制閥。
比例閥與放大器配套使用，放大器採用電流負反饋，設定斜坡信號發生器，控制升壓、降壓時間或運動加速度及減速度。斷電時，能使閥芯處於安全位置。
比例閥的選用
(1)根據用途和被控對象選擇比例閥的類型;
(2)正確了解比例閥的動、靜態指標，主要有額定輸出流量、起始電流、滯環、重複精度、額定壓力損失、溫飄、回響特性、頻率特性等;
(3)根據執行器的工作精度要求選擇比例閥的精度，內含反饋閉環閥的穩態性、動態品質好。如果比例閥的固有特性如滯環、非線性等無法使被控系統達到理想的效果時，可以使用軟體程式改善系統的性能;
(4)如果選擇帶先導閥的比例閥，要注意先導閥對油液污染度的要求。一般應符合ISO18/15標準，並在油路上加裝過濾精度為10μm以下的進油過濾器;
(5)比例閥的通徑應按執行器在最高速度時通過的流量來確定，通徑選得過大，會使系統的解析度降低;
(6)比例閥必須使用與之配套的放大器，閥與放大器的距離應儘可能地短。
發展趨勢
電液比例控制系統的發展趨勢主要有以下幾點。
(1)提高控制性能，適應機電液一體化主機的發展。提高電液比例閥及遠控多路閥的性能，使之適應野外工作條件。並發展低成本比例閥，其主要零件與標準閥通用。
(2)比例技術與二通和三通插裝技術相結合，形成了比例插裝技術，特點是結構簡單，性能可靠，流動阻力小，通油能力大，易於集成;此外出現比例容積控制為中、大功率控制系統節能提供新手段。
(3)由於感測器和電子器件的小型化，出現了感測器、測量放大器、控制放大器和閥複合一體化的元件，極大地提高了比例閥(電反饋)的工作頻寬。其主要表現有:①高頻響、低功耗比例放大器及高頻響比例電磁鐵的研製，1986年西德BOSCH公司提出高性能閉環控制比例閥，由於採用了高回響直流比例電磁鐵和相應的放大器，並含有位置反饋閉環，其流量輸出穩態調節特性無中位死區，滯環僅0.3%，零區壓力增益達3%額定控制電壓，負載腔達80%供油壓力，工作頻寬和性能已達高水平伺服閥，而成本僅為後者的1/3。②帶集成式放大器的位移感測器(200Hz)的開發，為電反饋比例閥小型化，集成化創造良好的條件。③伺服比例閥(閉環比例閥)內裝放大器，具有伺服閥的各種特性:零遮蓋、高精度、高頻響，但其對油液的清潔度要求比伺服閥低，具有更高的工作可靠性。④PID調節技術的套用，改善系統的穩態性，使之有較好的動態回響指標，可利用計算機對PID參數進行最最佳化數位化或利用實驗研究來獲得實際線路PID參數的優良匹配。
