基本介紹
- 中文名：比例系統
- 外文名：proportional system
- 學科：控制科學與工程
- 控制環節：比例環節
- 特點：輸入與輸出成比例
- 作用：提高穩態，加快回響
基本概念,比例系統的出現,比例系統結構,比例環節,比例系統結構,比例閥,特點與種類,選用原則,將比例控制與其他控制結合,比例控制與積分控制結合（PI控制）,比例控制與微分控制結合（PD控制）,比例、積分、微分控制結合（PID控制）,
基本概念
比例系統是一種最簡單的控制系統，P（比例）控制器的輸入信號成比例地反應輸出信號。它的作用是調整系統的開環增益，提高系統的穩態精度，降低系統的惰性，加快回響速度。在系統校正設計中，很少單獨使用比例控制規律，需要結合積分控制規律或比例控制規律一起使用。
比例系統的出現
流體傳動的理論基礎是由17世紀帕斯卡提出的帕斯卡定律為奠基石，之後獲得了快速發展，特別是被20世紀第二次世界大戰期間戰爭的激勵，取得了很大進展，整體上經歷了開關控制、伺服控制、比例控制3個階段。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、控制精牛舉嫌翻度和回響特性，均能滿足工業控制系統實際需要的控制技術。當時，電液伺服技術己日趨完善，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1967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一機械轉換器(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，比例控制技術己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己經完善；其次是比例技術與插裝閥己經結合，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。
比例系統結構
比例環節
比例環節也稱為無慣性環節，對於液壓缸或馬廈閥盛達，忽略液壓油的可壓縮性和泄漏，液壓缸的流量Q=VA。其中V為活塞速度，A為活塞面積。
其傳遞函式為：
比例系統結構
比例控制系統根據有無反饋分為開環控制和閉環控制。如比例閥控制液壓缸或馬達系統可以實現速度、位移、轉速和轉矩等的控制，其控制系統方框圖如圖1。
圖1
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，如圖2。
圖2
比例閥
特點與種類
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付朽刪污染能力強，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，己在許多場合獲得廣泛套用。
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一機械轉換器，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(力或力矩和位移碑拜疊)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、方向酷應應影和流量。
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。
選用原則
（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滲灶茅選擇比例閥的精度，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ISO 18/15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詢鍵短。
將比例控制與其他控制結合
比例控制與積分控制結合（PI控制）
具有比例-積分控制規律的控制器，稱PI控制器，其輸出信號
同時成比例地反應輸入信號
及其積分，即：
式中，
為可調比例係數；
為可調積分時間常數。
在串聯校正時，PI控制器相當於在系統中增加了一個位於原點的開環極點，同時也增加了一個位於s左半平面的開環零點。位於原點的極點可以提高系統的型別，以消除或減小系統的穩態誤差，改善系統的穩態性能；而增加的負實零點則用來減小系統的阻尼程度，緩和PI控制器極點對系統穩定性及動態過程產生的不利影響。只要積分時間常數 足夠大，PI控制器對系統穩定性的不利影響可大為減弱。在控制工程實踐中，PI控制器主要用來改善控制系統的穩態性能。
比例控制與微分控制結合（PD控制）
具有比例——微分控制規律的控制器，稱為PD控制器，其輸出與輸入的關係如下式所示：
式中， 為比例係數；
為微分時間常數。 與 都是可調的參數。
PD控制器中的微分控制規律，能反應輸入信號的變化趨勢，產生有效的早期修正信號，以增加系統的阻尼程度，從而改善系統的穩定性。在串聯校正時，可使系統增加一個
的開環零點，使系統的相角裕度提高，因而有助於系統動態性能的改善。
比例、積分、微分控制結合（PID控制）
具有比例-積分-微分控制規律的控制器，稱PID控制器。這種組合具有三種基本規律各自的特點，其運動方程為：
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一機械轉換器，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。
選用原則
（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ISO 18/15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。
將比例控制與其他控制結合
比例控制與積分控制結合（PI控制）
具有比例-積分控制規律的控制器，稱PI控制器，其輸出信號 同時成比例地反應輸入信號 及其積分，即：
式中， 為可調比例係數； 為可調積分時間常數。
在串聯校正時，PI控制器相當於在系統中增加了一個位於原點的開環極點，同時也增加了一個位於s左半平面的開環零點。位於原點的極點可以提高系統的型別，以消除或減小系統的穩態誤差，改善系統的穩態性能；而增加的負實零點則用來減小系統的阻尼程度，緩和PI控制器極點對系統穩定性及動態過程產生的不利影響。只要積分時間常數 足夠大，PI控制器對系統穩定性的不利影響可大為減弱。在控制工程實踐中，PI控制器主要用來改善控制系統的穩態性能。
比例控制與微分控制結合（PD控制）
具有比例——微分控制規律的控制器，稱為PD控制器，其輸出與輸入的關係如下式所示：
式中， 為比例係數； 為微分時間常數。 與 都是可調的參數。
PD控制器中的微分控制規律，能反應輸入信號的變化趨勢，產生有效的早期修正信號，以增加系統的阻尼程度，從而改善系統的穩定性。在串聯校正時，可使系統增加一個 的開環零點，使系統的相角裕度提高，因而有助於系統動態性能的改善。
比例、積分、微分控制結合（PID控制）
具有比例-積分-微分控制規律的控制器，稱PID控制器。這種組合具有三種基本規律各自的特點，其運動方程為：
