比例系統(tǒng)基本概念

比例系統(tǒng)是一種最簡單的控制系統(tǒng)，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(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，加快響應速度。在系統(tǒng)校正設計中，很少單獨使用比例控制規(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。

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，之后獲得了快速發(fā)展，特別是被20世紀第二次世界大戰(zhàn)期間戰(zhàn)爭的激勵，取得了很大進展，整體上經(jīng)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(fā)的一種可靠、價廉、控制精度和響應特性，均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)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、應用和維護條件苛刻，難以被工業(yè)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(fā)展1967年瑞士某公司生產(chǎn)的KL，比例復合閥標志著比例控制技術在液壓系統(tǒng)中應用的正式開始，主要是將比例型的電一機械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵)應用于工業(yè)液壓閥，到80年代，隨著微電子技術和數(shù)學理論的發(fā)展，比例控制技術己達到比較完善的程度，主要表現(xiàn)在3個方面：首先是采用了壓力、流量、位移、動壓等反饋及電校正手段，提高了閥的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應品質(zhì)，這些標志著比例控制設計原理己經(jīng)完善；其次是比例技術與插裝閥己經(jīng)結(jié)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(tǒng)比例環(huán)節(jié)

比例環(huán)節(jié)也稱為無慣性環(huán)節(jié)，對于液壓缸或馬達，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系統(tǒng)可以實現(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，只能應用在精度要求不高并且不存在內(nèi)外干擾的場合，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)點是對內(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(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)也簡單，己在許多場合獲得廣泛應用。

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(jié)構(gòu)形式，直接控制用在小流量小功率系統(tǒng)中，先導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械轉(zhuǎn)換器，它將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成機械量。轉(zhuǎn)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采用了比例電磁鐵，比例電磁鐵根據(jù)電磁原理設計，能使其產(chǎn)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(xù)地控制液壓閥閥芯的位置，進而實現(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，分別有直動和先導兩種結(jié)構(gòu);

（2）比例方向閥，有直動和先導兩種結(jié)構(gòu)，直動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，放大器采用電流負反饋，設置斜坡信號發(fā)生器，控制升壓、降壓時間或運動加速度及減速度。斷電時，能使閥芯處于安全位置。

比例系統(tǒng)選用原則

（1）根據(jù)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(tài)指標，主要有額定輸出流量、起始電流、滯環(huán)、重復精度、額定壓力損失、溫飄、響應特性、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)達到理想的效果時，可以使用軟件程序改善系統(tǒng)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，并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(zhí)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(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

式中，

在串聯(lián)校正時，PI控制器相當于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，同時也增加了一個位于s左半平面的開環(huán)零點。位于原點的極點可以提高系統(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；而增加的負實零點則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響。只要積分時間常數(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，其輸出與輸入的關系如下式所示：

式中，

PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應輸入信號的變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號，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，可使系統(tǒng)增加一個

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，其運動方程為：

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(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)也簡單，已在許多場合獲得廣泛應用。

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-機械轉(zhuǎn)換器，它將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成機械量。轉(zhuǎn)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采用了比例電磁鐵，比例電磁鐵根據(jù)電磁原理設計，能使其產(chǎn)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(xù)地控制液壓閥閥芯的位置，進而實現(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，分別有直動和先導兩種結(jié)構(gòu);

(2)比例方向閥，有直動和先導兩種結(jié)構(gòu)，直動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，放大器采用電流負反饋，設置斜坡信號發(fā)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)用途和被控對象選擇比例閥的類型;

(2)正確了解比例閥的動、靜態(tài)指標，主要有額定輸出流量、起始電流、滯環(huán)、重復精度、額定壓力損失、溫飄、響應特性、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)達到理想的效果時，可以使用軟件程序改善系統(tǒng)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，并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(zhí)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(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中的虛線為可能實現(xiàn)的檢測與反饋。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)成實際的局部小閉環(huán)控制。但一般也不會稱為閉環(huán)系統(tǒng)。

組成電液比例控制的基本組件有:

(1)指令組件　它是給定控制信號的產(chǎn)生與輸入的組件?？梢允切盘柊l(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，例如A/D、D/A轉(zhuǎn)換、機-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)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(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-機械轉(zhuǎn)換器及液壓放大組件，還可能帶有閥內(nèi)的檢測反饋組件。電-機械轉(zhuǎn)換器，它是電液的接口組件。它把經(jīng)過放大后的電信號轉(zhuǎn)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(jīng)過液壓放大作用，把不大的電氣控制信號放大成足以驅(qū)動系統(tǒng)負載液壓能。這是整個系統(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，它是系統(tǒng)的輸出裝置，用于驅(qū)動負載。

(6)檢測反饋組件　對于閉環(huán)控制需要加入檢測反饋組件。它檢測被控量或中間變量的實際值，得出系統(tǒng)的反饋信號。檢測組件有位移傳感器、測速發(fā)電機等。檢測組件往往又是信號轉(zhuǎn)換器(例如機電/機液轉(zhuǎn)換)，用于滿足比較的要求。從圖2中可見，檢測組件有內(nèi)環(huán)、外環(huán)之分。內(nèi)環(huán)檢測組件通常包含在比例閥內(nèi)，用于改善閥的動、靜特性。外環(huán)檢測組件直接檢測輸出量，用于提高整個系統(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(huán)比例控制和閉環(huán)比例控制系統(tǒng)。由于比例閥是適應較低精度的控制系統(tǒng)而開發(fā)的產(chǎn)品，目前的應用以開環(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(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合。

目前，最通用的分類方式是按被控對象(量或參數(shù))來進行分類。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)。