比例閥在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃惠明

[摘? ? 要]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，工業(yè)機(jī)械液壓系統(tǒng)控制對(duì)設(shè)計(jì)者提出更高的要求。電液比例閥具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)掀起研制電液比例閥的浪潮，但對(duì)內(nèi)部流量特性研究不足，使得各方面技術(shù)落后。采用理論分析法深入研究比例閥在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹比例閥結(jié)構(gòu)原理及在熱處理中的應(yīng)用，為電液比例閥的研制提供理論依據(jù)，為研究電液比例閥應(yīng)用找到新的思路，降低電液比例閥研制成本。

[關(guān)鍵詞]比例閥;控制系統(tǒng);應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–0–02

Application? of Proportional Valve in Control System

Huang Hui-ming

[Abstract]With the rapid development of my country's economy， industrial machinery hydraulic system control puts forward higher requirements for designers. Electro-hydraulic proportional valves have the advantages of fast response speed， etc. The domestic wave of development of electro-hydraulic proportional valves has been set off， but the lack of research on internal flow characteristics has made various aspects of technology backward. The theoretical analysis method is used to deeply study the application of proportional valve in the control system， introduce the structure principle of proportional valve and its application in heat treatment， and provide a theoretical basis for the development of electro-hydraulic proportional valve. In order to find new ideas for researching the application of electro-hydraulic proportional valve， reduce the development cost of electro-hydraulic proportional valve.

[Keywords]proportional valve; control system; application

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在空調(diào)制冷、自動(dòng)車等領(lǐng)域?qū)Ω鞣N彎曲成形管件規(guī)格的需要不斷增加，對(duì)彎曲形管件提出更高的要求。由于我國(guó)管材彎曲加工設(shè)備落后，購(gòu)買國(guó)外進(jìn)口彎管機(jī)設(shè)備價(jià)格昂貴，大多數(shù)數(shù)控彎管機(jī)系統(tǒng)采用電液伺服閥產(chǎn)生彎曲力矩，而電液伺服對(duì)油的品質(zhì)要求嚴(yán)格。電液比例閥是介于開關(guān)閥與伺服閥的液壓元件，其優(yōu)點(diǎn)是控制水平與伺服閥相當(dāng)，其動(dòng)靜態(tài)性能滿足工業(yè)應(yīng)用要求。比例閥具有多種復(fù)合控制功能，可以提高控制性能。隨著電液比例閥控制技術(shù)的發(fā)展，逐漸取代電液伺服閥。電液比例閥能實(shí)現(xiàn)流量與方向控制，電液比例閥控系統(tǒng)具有可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 電液比例技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代電液控制技術(shù)發(fā)展源于二戰(zhàn)時(shí)期，當(dāng)時(shí)對(duì)武器的自動(dòng)控制系統(tǒng)研究取得很大進(jìn)展，戰(zhàn)后噴氣式飛行器速度提高，對(duì)控制系統(tǒng)提出更高的要求。1940年飛機(jī)上首次出現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)，50年代出現(xiàn)高速響應(yīng)的永磁式力矩馬達(dá)。電液伺服系統(tǒng)成為響應(yīng)最快的伺服系統(tǒng)。60年代各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥問(wèn)世。電液伺服系統(tǒng)成為航空航天自動(dòng)控制的重要部分。

現(xiàn)代微電子集成技術(shù)發(fā)展，為工程控制系統(tǒng)提供現(xiàn)代化電子裝置。由于電液伺服器件價(jià)格昂貴，控制損失較大，很多場(chǎng)合不要求過(guò)高的控制精度，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展要求開發(fā)廉價(jià)、響應(yīng)特性滿足工業(yè)控制系統(tǒng)需求的電液控制技術(shù)。現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展為電液比例技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷4個(gè)階段，1967年瑞士公司生產(chǎn)KL比例復(fù)合閥，是比例技術(shù)的誕生期，大多不含受控參數(shù)反饋閉環(huán)。1975-1980年為比例技術(shù)發(fā)展第二階段，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。20世紀(jì)80年代比例技術(shù)發(fā)展進(jìn)入第三階段，比例元件設(shè)計(jì)采用壓力校正手段，提高閥的穩(wěn)態(tài)精度。比例閥動(dòng)態(tài)特性與工業(yè)伺服閥相當(dāng)。

液壓傳動(dòng)是新興學(xué)科，17世紀(jì)液壓技術(shù)應(yīng)用得到廣泛傳播，二戰(zhàn)期間各種軍事武器改良涌現(xiàn)出許多高響應(yīng)速度的軍事化武器，液壓傳動(dòng)技術(shù)得到迅速發(fā)展。戰(zhàn)后人們發(fā)現(xiàn)液壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將液壓技術(shù)應(yīng)用于各種設(shè)備的生產(chǎn)及自動(dòng)化生產(chǎn)線。比例技術(shù)與插裝閥結(jié)合，開發(fā)二三通型比例插裝閥。由于傳感器小型化，電液比例容積元件出現(xiàn)，為大功率工程控制系統(tǒng)節(jié)能提供技術(shù)基礎(chǔ)。90年代中后期各種節(jié)能負(fù)載敏感控制等節(jié)能器件日益增多。高速開關(guān)閥在快速性等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。出現(xiàn)伺服與比例技術(shù)結(jié)合的伺服比例閥，技術(shù)融合為未來(lái)技術(shù)體系目標(biāo)實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

我國(guó)液壓工業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，形成種類齊全的科研系統(tǒng)，生產(chǎn)液壓設(shè)備廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、航空航天等各部門。隨著科技的迅速發(fā)展，國(guó)營(yíng)軍工行業(yè)對(duì)生產(chǎn)元器件性能要求不斷提高。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要用液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試工作。液壓運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)液壓系統(tǒng)測(cè)試，是液壓學(xué)習(xí)與伺服比例控制技術(shù)的有利工具。隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展，比例控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及家庭生活。由于非對(duì)稱液壓具有構(gòu)造單一、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，很多力加載實(shí)驗(yàn)中精度低會(huì)降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。研究電液比例閥在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

2 電液比例控制系統(tǒng)原理

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對(duì)基層設(shè)施建設(shè)有迫切要求。基建實(shí)施需要工程機(jī)械，人們對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品提出更高的要求，如自動(dòng)化程度高，良好的人機(jī)界面等。危險(xiǎn)惡劣環(huán)境下作業(yè)需求增加，對(duì)能耗控制提出更高的要求。設(shè)計(jì)高精度控制系統(tǒng)成為工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。工程機(jī)械智能化得到很大提高，電液比例閥卓越性能對(duì)工程機(jī)械性能提高起到很大作用，電液比例閥具有抗污染能力強(qiáng)、形式多樣，維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，在液壓設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。

電液比例控制系統(tǒng)是通過(guò)使用比例控制元件接受輸入電信號(hào)，使壓力連續(xù)成比例受控制的液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)工作中位移傳感器檢測(cè)負(fù)載位置信號(hào)，得出控制電壓U經(jīng)放大器后調(diào)節(jié)電液比例節(jié)流口開度。電液比例位置控制系統(tǒng)包括指令元件、液壓執(zhí)行元件等。指令元件是給定控制信號(hào)的產(chǎn)生元件，有反饋信號(hào)下給出控制信號(hào)Ui，指令信號(hào)常見的是手動(dòng)預(yù)置設(shè)定?？刂扑惴üτ檬前呀o定輸入信號(hào)通過(guò)控制算法類，如遇到不同類量進(jìn)行比較，需要進(jìn)行信號(hào)類型轉(zhuǎn)換。液壓執(zhí)行元件指液壓缸，低摩擦單活塞桿液壓缸是系統(tǒng)輸出裝置。電磁鐵需要控制電流較大，比例放大器作用是對(duì)輸入信號(hào)加工放大。

比例閥內(nèi)部分為電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器與液壓放大元件，電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力改變液壓放大級(jí)的控制液組，閉環(huán)控制需要加入檢測(cè)反饋元件，檢測(cè)元件往往是信號(hào)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)環(huán)檢測(cè)元件包含在比例閥內(nèi)，外環(huán)檢測(cè)元件檢測(cè)輸出量。比例閥包括機(jī)械轉(zhuǎn)化部分與執(zhí)行部分，比例放大器將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)I與給定電位器輸出信號(hào)Id比較放大，比例放大器使電機(jī)與電源接通正反轉(zhuǎn)。由伺服電機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)式節(jié)流閥改變電流口大小，使輸出流量與輸入信號(hào)成正比。輸出流量與出入口壓力有關(guān)，Q=CdA（x）ΔP√2/3，ΔP為節(jié)流口前后壓差;Cd為近似常數(shù);Q額輸出流量;A（x）為通流面積。改變流通面積可實(shí)現(xiàn)流量控制。

3 電液比例閥系統(tǒng)特點(diǎn)

開關(guān)液壓閥通過(guò)調(diào)節(jié)閥體手柄調(diào)節(jié)被控量，電液伺服可連續(xù)對(duì)控制對(duì)象做精確控制。電液比例閥液壓控制回路原理與常規(guī)開關(guān)閥相同，性能可滿足大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)合要求。目前比例電磁鐵功率在15～40 V·A，通常采用半閉環(huán)即可滿足工業(yè)控制要求，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但存在廠家生產(chǎn)不同比例閥不能通用控制器等缺點(diǎn)。

電液比例閥控制系統(tǒng)由比例電磁鐵等部分組成，比例電磁鐵將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械位移信號(hào)，比例電磁鐵控制線圈電壓增量方程為ΔUc=LdΔi/dt+（Rc+rp）Δi+ke（dΔy）/dt，Rc，rp為線圈與放大器內(nèi)阻，ΔUc，Δi為線圈電壓與電流;Δy為電磁鐵位移。比例電磁鐵線圈電感較大，可減少線圈匝數(shù)加大上升電流時(shí)間，提高動(dòng)態(tài)性能。比例電磁鐵存在明顯電磁滯環(huán)，有些參數(shù)受溫度影響大，在20 ℃變化中阻值變化為30%以上。通過(guò)分析簡(jiǎn)化后得到傳遞函數(shù)，比控式比例壓力閥傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為三階系統(tǒng)。

電液比例閥控制器主要解決電磁滯環(huán)及超調(diào)量較大問(wèn)題，電液比例閥控制器電路采用PWM技術(shù)，可提高功放輸出開關(guān)電壓U，功放輸出開關(guān)電壓U加在比例電磁鐵線圈上，使其上電流I變?yōu)樾》确劈c(diǎn)波動(dòng)疊加交流信號(hào)直流電流，能提高電磁芯對(duì)電流響應(yīng)的靈敏度，震顫作用效果取決于電流波動(dòng)頻率。通常將方波頻率選在電磁鐵芯無(wú)阻尼自然頻率1.2～2倍。調(diào)整輸出電壓頻率會(huì)使死區(qū)減小。

控制電路中可通過(guò)變換，讓輸出電流按控制要求升降，使機(jī)械與液壓在變速運(yùn)動(dòng)變化時(shí)無(wú)沖擊。其電流升降調(diào)整速度范圍為0.1～5 s，可通過(guò)程序給定電位器，將電位器給定電壓送入控制電路，給定信號(hào)接輸入0～9 V模擬電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)極控制調(diào)整輸出。

4 電液比例閥在控制系統(tǒng)的應(yīng)用

目前工業(yè)控制場(chǎng)合比例閥采用開環(huán)控制滿足要求，輸出電壓幅值可選小數(shù)，比例流量閥改變閥芯形成薄壁節(jié)流口滿級(jí)控制流量，阻尼系數(shù)較大，提高抗干擾性能。由于閥的參數(shù)不同，產(chǎn)品選定輸出電壓后調(diào)整PWM頻率f，系統(tǒng)有振蕩可以調(diào)整振蕩電位器，流量閥控制器對(duì)頻率敏感差，需拆除原因刷線路板上電阻調(diào)整f。目前電氣設(shè)備中氣缸活塞主要采用伺服系統(tǒng)定位，響應(yīng)速度快，但很少用于普通場(chǎng)合。比例閥具有與節(jié)流閥相似的抗污染能力，采用比例系統(tǒng)控制氣缸任意位置定位精度在±0.2 mm內(nèi)，見表1。

選用控制器主義溫度漂移參數(shù)，如電流最大輸出為1 000 mA，相當(dāng)于1 mA/℃，國(guó)外力士樂(lè)公司溫度漂移指可達(dá)0.6% （Imax）/℃，輸出級(jí)功率驅(qū)動(dòng)發(fā)熱低于其他控制器，不許附加散熱器。采用程控輸入，可預(yù)先調(diào)好，在0.1～5 s內(nèi)調(diào)整，可斷開電位器接線加上時(shí)間，將原接線通過(guò)控制接口接入外部斜坡電位器。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了電液比例控制技術(shù)的研究發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)電液比例系統(tǒng)分析，研發(fā)電液比例壓力控制器，減少本機(jī)功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過(guò)電子機(jī)械 工業(yè)廳堅(jiān)定達(dá)到先進(jìn)水平。隨著自動(dòng)化程度提高顯示出比例閥的優(yōu)點(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、控制精度高。

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