氣動(dòng)控制技術(shù)展望

李凌峰

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶，163318）

氣動(dòng)控制技術(shù)展望

李凌峰

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶，163318）

本文主要敘述了氣動(dòng)位置控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并在此基礎(chǔ)上分析了現(xiàn)階段氣動(dòng)位置控制的主要方法、控制策略以及現(xiàn)有的研究成果,并對(duì)氣動(dòng)位置控制發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

氣動(dòng);控制

近些年以來(lái),氣動(dòng)系統(tǒng)由于它的污染程度較小、生產(chǎn)成本較低、對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性也較高,再加上氣動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高效結(jié)合，進(jìn)一步降低了其生產(chǎn)成本,因此這一技術(shù)在自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了較為廣泛的使用。氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)作為這一技術(shù)的前沿領(lǐng)域，也得到了極大程度的發(fā)展,并且業(yè)已在工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)當(dāng)中處于非常重要的地位。

1 流體的脈沖控制技術(shù)概述

流體的脈沖調(diào)制及控制技術(shù)主要是采用和位移信號(hào)能夠相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，直接使閥循環(huán)進(jìn)行通、斷的運(yùn)動(dòng),使之能夠形成間斷性的脈沖流體,最終實(shí)現(xiàn)控制平均流量輸出的效果。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中使用最為廣泛的是脈寬調(diào)制(PWM)以及脈沖調(diào)制(PCM) 這兩種方法。

脈寬調(diào)制即為調(diào)整脈沖其高電平的寬度,也就是閥的運(yùn)行時(shí)間從而達(dá)到控制平均流量的目的。此類(lèi)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)的工藝較為簡(jiǎn)單,使用性能可靠,對(duì)各類(lèi)污染的抵抗能力較強(qiáng)；其缺點(diǎn)主要為系統(tǒng)的噪因較大以及系統(tǒng)上各類(lèi)閥門(mén)的使用壽命過(guò)短等。在這一系統(tǒng)進(jìn)行工作的過(guò)程中,各類(lèi)閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)間對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作出正確響應(yīng)速度的影響十分明顯,如果想使系統(tǒng)作出快速響應(yīng),就必須使用性能較高的各類(lèi)開(kāi)關(guān)閥門(mén), 因此研究人員提出了脈碼調(diào)制技術(shù)。

脈碼調(diào)制技術(shù)能夠使用價(jià)格較為低廉的通用閥就可以完成高效的控制。我國(guó)對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，并取得了一定的成果。這一技術(shù)的主要缺點(diǎn)主要其能夠達(dá)到的精度主要由閥的最小開(kāi)口面積所決定,所以需要其盡量較小,該類(lèi)系統(tǒng)所能達(dá)到的調(diào)速上、下限主要由閥的最大流量所決定,而其又是由閥的數(shù)量所決定的。因?yàn)槭艿接?jì)算機(jī)位數(shù)以及系統(tǒng)成本等因素的限制,系統(tǒng)上閥的數(shù)量不宜過(guò)多。因此如果閥的總體數(shù)量不變,就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)其能夠達(dá)到的控制精度和調(diào)速范圍之間,穩(wěn)定工作和快速工作之間產(chǎn)生矛盾。為了解決這一問(wèn)題，研究人員又提出了廣義脈碼調(diào)制的方法(GPCM)。

GPCM 技術(shù)的主要原理即為在合理降低閥的最小開(kāi)口面積的基礎(chǔ)上,有把所有開(kāi)關(guān)閥門(mén)的有效開(kāi)口面積采用一定的編碼方法進(jìn)行排列標(biāo)定,用來(lái)提升最大開(kāi)口面積,最終達(dá)到提高閥門(mén)流量的目的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn),如果使用GPCM技術(shù)能夠較為有效的增加整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,并且能夠使用普通開(kāi)關(guān)閥來(lái)進(jìn)行工作,因此即減小了系統(tǒng)的成本猶如,又能夠增加整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

2 比例伺服閥控制技術(shù)研究

氣動(dòng)比例伺服系統(tǒng)是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定控制的系統(tǒng),其所使用的控制閥是比例閥或者伺服閥。其中，比例閥主要分為壓力比例閥以及流量比例閥兩大類(lèi)。伺服控制閥在一般情況下也可以將其稱之為比例方向控制閥。在實(shí)際的使用時(shí)一般并不需要進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分,而是把這兩類(lèi)統(tǒng)稱比例伺服閥；而把比例閥以及伺服閥所組成的系統(tǒng)統(tǒng)稱是氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。氣動(dòng)比例/伺服控制系統(tǒng)其所能達(dá)到的輸出量是隨著輸入量從而按照一定的比例，最后形成連續(xù)性變化系統(tǒng),并以電流用來(lái)控制其閥門(mén)的開(kāi)啟的幅度，從而達(dá)到控制流量的效果。這一系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)壓力以及流量在出現(xiàn)連續(xù)性變化時(shí)進(jìn)行較高精度的控制。

氣動(dòng)比例/伺服控制系統(tǒng)其主要的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)運(yùn)行的速率高、能夠輸出的功率較大、系統(tǒng)整體的壽命也較長(zhǎng),因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的當(dāng)中擁有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)使用伺服控制系統(tǒng)不但能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間減少20%,而且可以相當(dāng)程度的減小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)于制動(dòng)以及氣動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng),進(jìn)而提升了產(chǎn)品質(zhì)量,并減小了設(shè)備的生產(chǎn)損耗。但是如果氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的精度提高,那么相應(yīng)的對(duì)傳感器以及組成反饋控制回路的電子元器件要求也會(huì)提高。所以氣動(dòng)比例/伺服系統(tǒng)能夠健康發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題主要即為與之相應(yīng)的傳感器以及高性能電子元件是否可以得到廣泛的使用,這主要取決于其制造的成本以及性能是否安全可靠?？傮w來(lái)說(shuō),以上兩種控制方法各有其優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)。運(yùn)用流體脈沖進(jìn)行調(diào)制控制的方法主要用開(kāi)關(guān)閥門(mén)作為主要的控制元件,和計(jì)算機(jī)連接簡(jiǎn)易,其成本也較為低廉,但是這一系統(tǒng)存在生產(chǎn)噪音較大以及設(shè)備壽命短等問(wèn)題,導(dǎo)致近些年來(lái)發(fā)展一直不快,仍然處于實(shí)驗(yàn)研究時(shí)期,如果可以解決以上問(wèn)題,其應(yīng)用前景光明。在比例伺服閥控制系統(tǒng)當(dāng)中,比例閥以及伺服閥的主要特點(diǎn)類(lèi)似,即信號(hào)的頻寬較高、而且系統(tǒng)做出響應(yīng)的速度也較快,但伺服閥需要的成本較昂貴,因此在并沒(méi)有獲得廣泛的應(yīng)用；比例閥由于其造價(jià)相對(duì)較為低廉,因此發(fā)展很快,大量的公司都研發(fā)了各類(lèi)商業(yè)類(lèi)型的氣動(dòng)比例閥,并獲得了較為廣泛的使用。所以,該類(lèi)技術(shù)將成為氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)以后得發(fā)展關(guān)鍵。

3 相關(guān)技術(shù)的展望

氣動(dòng)位置控制近些年來(lái)的發(fā)展十分迅速,在自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)中表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ嵘@一系統(tǒng)的控制精確程度以及使用可靠性是該領(lǐng)域目前及今后發(fā)展的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段,僅應(yīng)用線性控制的技術(shù)方法已經(jīng)難以精確控制高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。所以,隨著控制閥應(yīng)用在技術(shù)以及性能上不斷進(jìn)行改進(jìn),在控制過(guò)程中可根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征和行為合理地選擇控制閥,同時(shí)采取“靈活機(jī)動(dòng)”的有效控制策略,將在很大程度上改善氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)的性能?？傊?氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)的研究雖然取得了很多成果,但隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)的性能還需進(jìn)一步改善,以滿足實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需要。因此,對(duì)氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)的研究和學(xué)習(xí)是一項(xiàng)艱巨而重要的任務(wù)。

[1] 史維祥.流體控制發(fā)展的一些動(dòng)向.液壓氣動(dòng)與密封, 2001(2)

[2] 寧舒 .氣動(dòng)位移系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)“PCM”控制初探.液壓與氣動(dòng),1991(1).

[3] 劉榮, 王宣銀 .廣義脈碼調(diào)制液壓位置控制系統(tǒng)的建模與仿真研究.中國(guó)機(jī)械工程, 2001(4).

[4] 范萌,彭光正 .單出桿低摩擦氣缸位置伺服控制系統(tǒng)的分析與研究.機(jī)床與液壓, 2003(2).

李凌峰，男，1992年9月3日，東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院在讀本科生

Pneumatic control technology is predicted

Li Lingfeng
(College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing,163318,China)

Briefly describes the development of pneumatic position control technology,analyzes the basic method of pneumatic position control,control strategy and the existing research results,and the development trend of pneumatic position control is discussed.

pneumatic；control

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖