比例系統(tǒng)比例系統(tǒng)的出現(xiàn)

流體傳動(dòng)的理論基礎(chǔ)是由17世紀(jì)帕斯卡提出的帕斯卡定律為奠基石，之后獲得了快速發(fā)展，特別是被20世紀(jì)第二次世界大戰(zhàn)期間戰(zhàn)爭(zhēng)的激勵(lì)，取得了很大進(jìn)展，整體上經(jīng)歷了開關(guān)控制、伺服控制、比例控制3個(gè)階段。比例控制技術(shù)是20世紀(jì)60年代末人們開發(fā)的一種可靠、價(jià)廉、控制精度和響應(yīng)特性，均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際需要的控制技術(shù)。當(dāng)時(shí)，電液伺服技術(shù)己日趨完善，但電液伺服閥成本高、應(yīng)用和維護(hù)條件苛刻，難以被工業(yè)界接受。希望有一種價(jià)廉、控制精度能滿足需要的控制技術(shù)去替代，這種需求背景導(dǎo)致了比例技術(shù)的誕生和發(fā)展1967年瑞士某公司生產(chǎn)的KL，比例復(fù)合閥標(biāo)志著比例控制技術(shù)在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的正式開始，主要是將比例型的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵)應(yīng)用于工業(yè)液壓閥，到80年代，隨著微電子技術(shù)和數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，比例控制技術(shù)己達(dá)到比較完善的程度，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：首先是采用了壓力、流量、位移、動(dòng)壓等反饋及電校正手段，提高了閥的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，這些標(biāo)志著比例控制設(shè)計(jì)原理己經(jīng)完善；其次是比例技術(shù)與插裝閥己經(jīng)結(jié)合，誕生了比例插裝技術(shù)；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(tǒng)是一種最簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，P（比例）控制器的輸入信號(hào)成比例地反應(yīng)輸出信號(hào)。它的作用是調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，降低系統(tǒng)的惰性，加快響應(yīng)速度。在系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)中，很少單獨(dú)使用比例控制規(guī)律，需要結(jié)合積分控制規(guī)律或比例控制規(guī)律一起使用。

比例系統(tǒng)比例環(huán)節(jié)

比例環(huán)節(jié)也稱為無慣性環(huán)節(jié)，對(duì)于液壓缸或馬達(dá)，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。

其傳遞函數(shù)為：

比例系統(tǒng)比例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

比例控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。如比例閥控制液壓缸或馬達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)速度、位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等的控制，其控制系統(tǒng)方框圖如圖1。

由于開環(huán)控制系統(tǒng)的精度比較低，只能應(yīng)用在精度要求不高并且不存在內(nèi)外干擾的場(chǎng)合，但開環(huán)控制系統(tǒng)一般不存在所謂穩(wěn)定性問題。而閉環(huán)控制系統(tǒng)（即反饋控制系統(tǒng)）的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)內(nèi)部和外部干擾不敏感，但反饋帶來了系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。只要系統(tǒng)穩(wěn)定，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以保持較高的精度。因此，目前普遍采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2 。

比例系統(tǒng)特點(diǎn)與種類

電液比例閥是比例控制系統(tǒng)中的主要功率放大元件，按輸入電信號(hào)指令連續(xù)地成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)。與伺服控制系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，大大地減少了由污染而造成的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性；另一方面比例閥的成本比伺服閥低，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，己在許多場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)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(dǎo)控制兩種結(jié)構(gòu)形式，直接控制用在小流量小功率系統(tǒng)中，先導(dǎo)控制用在大流量大功率系統(tǒng)中。比例閥的輸入單元是電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器，它將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械量。轉(zhuǎn)換器有伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、力馬達(dá)和力矩馬達(dá)、比例電磁鐵等形式。但常用的比例閥大都采用了比例電磁鐵，比例電磁鐵根據(jù)電磁原理設(shè)計(jì)，能使其產(chǎn)生的機(jī)械量(力或力矩和位移)與輸入電信號(hào)(電流)的大小成比例，再連續(xù)地控制液壓閥閥芯的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)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(dòng)和先導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu);

（2）比例方向閥，有直動(dòng)和先導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu)，直動(dòng)閥有帶位移傳感器和不帶位移傳感器兩類;

（3）比例流量閥，有比例調(diào)速閥和比例溢流流量控制閥。

比例閥與放大器配套使用，放大器采用電流負(fù)反饋，設(shè)置斜坡信號(hào)發(fā)生器，控制升壓、降壓時(shí)間或運(yùn)動(dòng)加速度及減速度。斷電時(shí)，能使閥芯處于安全位置。

比例系統(tǒng)選用原則

（1）根據(jù)用途和被控對(duì)象選擇比例閥的類型；

（2）正確了解比例閥的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)，主要有額定輸出流量、起始電流、滯環(huán)、重復(fù)精度、額定壓力損失、溫飄、響應(yīng)特性、頻率特性等；

（3）根據(jù)執(zhí)行器的工作精度要求選擇比例閥的精度，內(nèi)含反饋閉環(huán)閥的穩(wěn)態(tài)性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。如果比例閥的固有特性如滯環(huán)、非線性等無法使被控系統(tǒng)達(dá)到理想的效果時(shí)，可以使用軟件程序改善系統(tǒng)的性能；

（4）如果選擇帶先導(dǎo)閥的比例閥，要注意先導(dǎo)閥對(duì)油液污染度的要求。一般應(yīng)符合ISO 18/15標(biāo)準(zhǔn)，并在油路上加裝過濾精度為10μm以下的進(jìn)油過濾器；

（5）比例閥的通徑應(yīng)按執(zhí)行器在最高速度時(shí)通過的流量來確定，通徑選得過大，會(huì)使系統(tǒng)的分辨率降低；

（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(yīng)盡可能地短。

比例系統(tǒng)比例控制與積分控制結(jié)合（PI控制）

具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱PI控制器，其輸出信號(hào)

式中，

在串聯(lián)校正時(shí)，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)

比例系統(tǒng)比例控制與微分控制結(jié)合（PD控制）

具有比例——微分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器，其輸出與輸入的關(guān)系如下式所示：

式中，

PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)，可使系統(tǒng)增加一個(gè)

比例系統(tǒng)比例、積分、微分控制結(jié)合（PID控制）

具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱PID控制器。這種組合具有三種基本規(guī)律各自的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

比例控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的作用

電液比例閥是比例控制系統(tǒng)中的主要功率放大元件，按輸入電信號(hào)指令連續(xù)地成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)。與伺服控制系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，大大地減少了由污染而造成的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性;另一方面比例閥的成本比伺服閥低，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，已在許多場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。

比例控制系統(tǒng)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(dǎo)控制兩種結(jié)構(gòu)形式，直接控制用在小流量小功率系統(tǒng)中，先導(dǎo)控制用在大流量大功率系統(tǒng)中。比例閥的輸入單元是電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，它將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械量。轉(zhuǎn)換器有伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、力馬達(dá)和力矩馬達(dá)、比例電磁鐵等形式。但常用的比例閥大都采用了比例電磁鐵，比例電磁鐵根據(jù)電磁原理設(shè)計(jì)，能使其產(chǎn)生的機(jī)械量(力或力矩和位移)與輸入電信號(hào)(電流)的大小成比例，再連續(xù)地控制液壓閥閥芯的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)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(dòng)和先導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu);

(2)比例方向閥，有直動(dòng)和先導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu)，直動(dòng)閥有帶位移傳感器和不帶位移傳感器兩類;

(3)比例流量閥，有比例調(diào)速閥和比例溢流流量控制閥。

比例閥與放大器配套使用，放大器采用電流負(fù)反饋，設(shè)置斜坡信號(hào)發(fā)生器，控制升壓、降壓時(shí)間或運(yùn)動(dòng)加速度及減速度。斷電時(shí)，能使閥芯處于安全位置。

比例控制系統(tǒng)比例閥的選用

(1)根據(jù)用途和被控對(duì)象選擇比例閥的類型;

(2)正確了解比例閥的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)，主要有額定輸出流量、起始電流、滯環(huán)、重復(fù)精度、額定壓力損失、溫飄、響應(yīng)特性、頻率特性等;

(3)根據(jù)執(zhí)行器的工作精度要求選擇比例閥的精度，內(nèi)含反饋閉環(huán)閥的穩(wěn)態(tài)性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。如果比例閥的固有特性如滯環(huán)、非線性等無法使被控系統(tǒng)達(dá)到理想的效果時(shí)，可以使用軟件程序改善系統(tǒng)的性能;

(4)如果選擇帶先導(dǎo)閥的比例閥，要注意先導(dǎo)閥對(duì)油液污染度的要求。一般應(yīng)符合ISO18/15標(biāo)準(zhǔn)，并在油路上加裝過濾精度為10μm以下的進(jìn)油過濾器;

(5)比例閥的通徑應(yīng)按執(zhí)行器在最高速度時(shí)通過的流量來確定，通徑選得過大，會(huì)使系統(tǒng)的分辨率降低;

(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(yīng)盡可能地短。

電液比例控制系統(tǒng)，盡管其結(jié)構(gòu)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(tǒng)。如圖2所示，圖2中的虛線為可能實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)與反饋。包含外反饋回路的控制系統(tǒng)才稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，不包含外反饋的稱為開環(huán)系統(tǒng)，如果存在比例閥本身的內(nèi)反饋，也可以構(gòu)成實(shí)際的局部小閉環(huán)控制。但一般也不會(huì)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。

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(hào)的產(chǎn)生與輸入的組件?？梢允切盘?hào)發(fā)生裝置或過程控制器。在有反饋信號(hào)的情況下，它給出與反饋信號(hào)有相同形式和量級(jí)的控制信號(hào)。

(2)比較組件　它的作用是把給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)作為電控器的輸入。進(jìn)行比較的信號(hào)必須是同類型的，比例控制器的輸入量為電學(xué)量，因此反饋量也應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換為同類型的電學(xué)量。如遇不同類型的量作比較，在比較前要進(jìn)行信號(hào)類型轉(zhuǎn)換，例如A/D、D/A轉(zhuǎn)換、機(jī)-電轉(zhuǎn)換等。

(3)電控器　電控器通常被稱為比例放大器。由于含在比例閥內(nèi)的電磁鐵需要的控制電流較大(0～80mA)而偏差控制(信號(hào))電流較小，不足以推動(dòng)電磁鐵工作;且偏差信號(hào)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(duì)控制信號(hào)進(jìn)行功率放大和對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行加工、整形，使其達(dá)到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置的控制要求。

(4)比例閥　比例閥內(nèi)部又分為兩大部分，即電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及液壓放大組件，還可能帶有閥內(nèi)的檢測(cè)反饋組件。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，它是電液的接口組件。它把經(jīng)過放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其電學(xué)量呈正比的力或位移。這個(gè)輸出量改變了液壓放大級(jí)的控制液阻，經(jīng)過液壓放大作用，把不大的電氣控制信號(hào)放大成足以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載液壓能。這是整個(gè)系統(tǒng)的功率放大部分。

(5)液壓執(zhí)行器　通常指液壓缸或液壓馬達(dá)，它是系統(tǒng)的輸出裝置，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

(6)檢測(cè)反饋組件　對(duì)于閉環(huán)控制需要加入檢測(cè)反饋組件。它檢測(cè)被控量或中間變量的實(shí)際值，得出系統(tǒng)的反饋信號(hào)。檢測(cè)組件有位移傳感器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等。檢測(cè)組件往往又是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(例如機(jī)電/機(jī)液轉(zhuǎn)換)，用于滿足比較的要求。從圖2中可見，檢測(cè)組件有內(nèi)環(huán)、外環(huán)之分。內(nèi)環(huán)檢測(cè)組件通常包含在比例閥內(nèi)，用于改善閥的動(dòng)、靜特性。外環(huán)檢測(cè)組件直接檢測(cè)輸出量，用于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和控制精度。

電液比例控制系統(tǒng)可以從不同的角度按很多方式來進(jìn)行分類。電液伺服控制系統(tǒng)是一種廣義上的比例控制系統(tǒng)。因而比例控制可以參照伺服控制按代表系統(tǒng)一定特點(diǎn)的分類方式進(jìn)行分類。

按被控量是否被檢測(cè)和反饋來分類，可分為開環(huán)比例控制和閉環(huán)比例控制系統(tǒng)。由于比例閥是適應(yīng)較低精度的控制系統(tǒng)而開發(fā)的產(chǎn)品，目前的應(yīng)用以開環(huán)控制為主。隨著整體閉環(huán)比例閥的出現(xiàn)，其主要性能與伺服閥無異，因而采用閉環(huán)比例控制的場(chǎng)合也會(huì)越來越多。

按控制信號(hào)的形式來進(jìn)行分類，可分為模擬控制和數(shù)字式控制。后者又分為脈寬調(diào)制、脈碼調(diào)制和脈數(shù)調(diào)制等。

按比例組件的類型來分類，可分為比例節(jié)流閥控制和比例容積控制兩大類。比例節(jié)流控制適用于功率較小的系統(tǒng)，而比例容積控制用在功率較大的場(chǎng)合。

目前，最通用的分類方式是按被控對(duì)象(量或參數(shù))來進(jìn)行分類。由此電液比例控制系統(tǒng)可以分為:

①比例流量控制系統(tǒng);②比例壓力控制系統(tǒng);③比例流量壓力控制系統(tǒng);④比例速度控制系統(tǒng);⑤比例位置控制系統(tǒng);⑥比例力控制系統(tǒng);⑦比例同步控制系統(tǒng)。