第七章 液压控制基本知识

第七章 液压控制基本知识 7.1 概述 7.2 伺服阀与伺服控制系统 7.3 比例阀与比例控制系统 7.4 电液数字控制阀 7.5 负载敏感泵控系统与机械—液压伺服控制 2

7.1概述 液压控制系统组成框图

7.1概述 （1）指令元件：按要求给出控制信号的元件，如计算机、可编程控制器、指令电位器、单片机、嵌入式系统或其它电器等； 图中各基本元件的组成和作用如下： （1）指令元件：按要求给出控制信号的元件，如计算机、可编程控制器、指令电位器、单片机、嵌入式系统或其它电器等； （2）反馈检测元件：检测被控制量，给出系统的反馈信号，如各种类型的传感器； （3）比较元件：把具有相同形式和量纲的输入控制信号与反馈信号加以比较，给出偏差信号。比较元件有时不一定单独存在，而是与指令元件反馈检测元件及放大器组合在一起，由一个结构元件完成； （4）放大、转换和控制元件：将偏差信号放大，并作为能量形式转换（电—液；机—液等），变成液压信号，去控制执行元件（液压缸、液压马达等）运动。一般是放大器、伺服阀、电液伺服阀，比例阀等； （5）执行元件：直接对被控对象起作用的元件。如液压缸、液压马达等； （6）被控对象：液压系统的控制对象，一般是各类负载装置。 此外，还有能源装置、辅助装置等其他组成部分。

7.2伺服阀与伺服控制系统 伺服控制系统是一种执行元件能够以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律而动作的自动控制系统，也称随动系统。液压伺服（随动）系统指的是采用液压控制元件，根据液压传动原理建立起来的伺服系统。它是一种由输入信号可以连续地、按比例地控制执行元件的速度、力矩或力、位置，有较高的控制精度和调节性能的控制系统。

7.2伺服阀与伺服控制系统 液压电液伺服控制系统组成框图

7.2伺服阀与伺服控制系统 液压伺服系统有许多种类，按照不同的分类方法会得出不同的结果。 按照液压功率放大器的类型分： （1）阀控系统：由伺服阀按照节流原理，控制输入执行元件的流量和压力大小的系统，也称节流式控制系统； （2）泵控系统：利用伺服变量泵改变排量的做法，控制输入执行元件的流量和压力大小的系统，也称容积式控制系统。 按照控制信号的类别和伺服阀的类型：机液伺服系统、电液伺服系统和气液伺服系统。 按照负载运动性质及输出的物理量分：液压位置伺服系统、液压压力伺服系统、液压速度伺服系统和液压加速度伺服系统。

7.2伺服阀与伺服控制系统 按照检测元件的输出量形式及信号处理手段分：模拟式液压伺服系统和数字式液压伺服系统。 液压伺服控制系统除了具有一般液压传动所固有的优点外，还有系统刚度大、控制精度高、响应速度快、可以快速启动、停止和反向的优点。所以，可以组成体积小、重量轻、加速能力强、动作迅速和控制精度高的大功率和大负载的伺服系统。但同样也存在一些缺点，比如除了普通液压系统所具有的缺点外，它的控制元件（主要是各类伺服阀）和执行元件因为加工精度高，所以价格贵、怕污染，对液压油的要求高。

7.3 比例阀与比例控制系统 比例控制技术是上世纪六十年代末人们开发的一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的控制技术。电液比例控制技术是介于普通液压阀的开关控制技术和电液伺服控制技术之间的控制方式 。 比例控制技术主要表现在三个方面：（1）采用了压力、流量、位移、动压等反馈及电校正手段，提高了阀的稳态精度和动态响应品质，这些标志着比例控制设计原理已经完善；（2）比例技术与插装阀已经结合，诞生了比例插装技术；（3）以比例控制泵为代表的比例容积元件的诞生，进一步扩大了比例控制技术的应用。

7.3 比例阀与比例控制系统 一、比例阀的工作原理和类型 电液比例阀的组成

7.3 比例阀与比例控制系统 1—推杆； 2—销钉； 3—线圈； 4—衔铁 比例控制的核心是比例阀。比例阀的输入单元是电—机械转换器，它将输入信号转换成机械量。转换器有伺服电机和步进电机、力马达和力矩马达、比例电磁铁等形式。但常用的比例阀大都采用了比例电磁铁，比例电磁铁根据电磁原理设计，能使其产生的机械量（力或力矩和位移）与输入电信号（电流）的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。 1—推杆； 2—销钉； 3—线圈； 4—衔铁 比例电磁铁结构简图

7.3 比例阀与比例控制系统 比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几类： （1）力控制型：这类电磁铁的行程短，只要1.5mm，输出力与输入电流成正比，常用在比例阀的先导控制级上。 （2）行程控制型：由力控制型加负载弹簧共同组成，电磁铁输出的力通过弹簧转换成输出位移，输出位移与输入电流成正比，工作行程达3mm，线性度好，可以用在直控式比例阀上。 （3）位置调节型：衔铁的位置由阀内的传感器检测后，发出一个阀内反馈信号，在阀内进行比较后重新调节衔铁的位置，阀内形成闭环控制，精度高，衔铁的位置与力无关，在精度上几乎可以和伺服阀相比，国际上不少著名公司生产的比例阀都采用这种结构。 比例阀按主要功能分类，分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、比例复合控制阀

7.3 比例阀与比例控制系统 （1）根据用途和被控对象选择比例阀的类型。 二、比例阀的选用 （2）正确了解比例阀的动、静态指标，主要有额定输出量、起始电流、滞环、重复精度、额定压力损失、温飘、响应特性、频率特性等。

7.3 比例阀与比例控制系统 （3）根据执行件的工作精度要求选择比例阀的精度，内含反馈闭环的阀的稳态、动态品质好。如果比例阀的固有特性如滞环、非线形等无法使被控系统达到理想的效果时，可以使用软件程序改善系统的性能。 （4）如果选择带先导阀的比例阀，要注意先导阀对油液污染度的要求。一般应符合ISO18/15标准，并在油路上加装10的进油滤油器。 （5）比例阀的通经应是执行器在最大速度时通过的流量，通径选得过大，会使系统的分辨率降低。 比例阀必须使用与之配套的放大器，阀与放大器的距离应尽可能的短，放大器采用电流负反馈，设置斜坡信号发生器，控制升压、降压时间或运动加速度及减速度。断电时，能使阀芯处于安全位置。

7.3 比例阀与比例控制系统 三、比例控制系统 比例控制系统有直接比例控制和电液比例控制，本质上与伺服系统控制相似，可以参照伺服系统进行分析。根据有无反馈分为开环控制和闭环控制。比例阀控液压缸或马达系统可以实现速度、位移、转速和转矩等参数的控制。 开环比例控制系统职能图

7.3 比例阀与比例控制系统 闭环比例控制系统职能图

7.3 比例阀与比例控制系统 四、电液伺服系统与比例伺服系统的比较

7.4 电液数字控制阀 一、电液数字控制阀的工作原理 7.4 电液数字控制阀 一、电液数字控制阀的工作原理 电液数字控制阀（简称数字阀）是用数字信号直接控制阀口的开启与关闭，从而达到控制液流的方向、压力和流量目的的阀类。与电液伺服阀和比例阀相比，数字阀的突出特点是：可直接与计算机接口，不需D/A转换器，结构简单；价格低廉；抗污染能力强；操作维护方便；而且数字阀的输出量准确、可靠地由脉冲频率或宽度调节控制，抗干扰能力强，可得到较高的开环控制精度等，所以得到了很快发展。在计算机实时控制的电液系统中，已部分取代比例阀。根据控制方式的不同，电液数字阀分为增量式数字阀和脉宽调节（PWM）式高速开关数字阀两大类。

7.4 电液数字控制阀 1.增量式电液数字阀 增量式数字阀是采用脉冲数字调制演变而成的增量控制方式，以步进电机作为电气—机械转换器，驱动液压阀芯工作，因此又称为步进式数字阀。 增量式数字阀控制系统工作原理图

7.4 电液数字控制阀 微型计算机发出脉冲序列经驱动器放大后使步进电机工作。步进电机是一个数字元件，根据增量控制方式工作。增量控制方式是由脉冲数字调制法演变而成的一种数字控制方法，是在脉冲数字信号的基础上，使每个采样周期的步数在前一采样周期的步数上，增加或减少一些步数，而达到需要的幅值；步进电机转角与输入的脉冲数成比例，步进电机每得到一个脉冲信号，便得到与输入脉冲数成比例的转角，每个脉冲使步进电机沿给定方向转动一固定的布距角，再通过机械转换器（丝杆—螺母副或凸轮机构）使转角转换为轴向位移，使阀口获得一相应开度，从而获得与输入脉冲数成比例的压力、流量。有的数字阀还设置用以提高阀的重复精度的零位传感器和用以显示被控量的显示装置。

7.4 电液数字控制阀 2.脉宽调节（PWM）式高速开关数字阀 7.4 电液数字控制阀 2.脉宽调节（PWM）式高速开关数字阀 脉宽调节式高速开关数字阀（简称高速开关数字阀）的控制信号是一系列幅值相等、而在每一周期内宽度不同的脉冲信号 。 脉宽调节式高速开关数字阀控制系统工作原理

7.4 电液数字控制阀 微机输出的数字信号通过脉宽调制放大器调制放大后使电气—机械转换器工作，从而驱使液压阀工作。由于作用于阀上的信号为一系列脉冲，因此液压阀只有与之相对应的快速切换的开和关两种状态，而以开启时间的长短来控制流量或压力。高速开关数字阀的结构与其他阀不同，它是一个快速切换的开关，只有全开和全闭两种工作状态。电气—机械转换器主要是力矩马达和各种电磁铁。

7.4 电液数字控制阀 二、电液数字控制阀的的典型结构 1.增量式电液数字控制阀结构 增量式电液数字流量阀结构 7.4 电液数字控制阀 二、电液数字控制阀的的典型结构 1.增量式电液数字控制阀结构 增量式电液数字流量阀结构 1—步进电机；2—滚珠丝杆；3—节流阀阀芯；4—阀套；5—连杆；6—零位移传感器

力矩马达驱动的球阀式二位二通高速开关数字阀结构图 7.4 电液数字控制阀 2.脉宽调节（PWM）式高速开关数字阀结构 高度开关式数字控制阀有二位二通和二位三通两种，两者又各有常开和常闭两类，为了减少泄露和提高压力，阀芯一般采用球阀或者锥阀结构，也有采用喷嘴挡板阀。 力矩马达驱动的球阀式二位二通高速开关数字阀结构图 1-线圈锥阀芯；2-衔铁；3、8-推杆；4、7-先导级球阀；5、6-功率级球阀。

7.5负载敏感泵控系统与机械—液压伺服控制装置 一、负载敏感泵自动调节原理 负载敏感泵控系统由相应控制阀感应外部信号改变泵自身输出的流量和压力来匹配负载，避免了一般液压系统中由于溢流阀和节流阀带来的溢流和节流损失，使其具备了能量损失小、效率高的特点,如今得到广泛的运用。 国防科技大学出版社 25

负载敏感泵控系统原理图 1—负载敏感阀； 2—恒压阀； 3—变量缸大腔； 4—变量缸小腔； 5—外接流量控制阀。

7.5负载敏感泵控系统与机械—液压伺服控制装置 原理图分析说明： ①该泵的输出压力和流量完全根据负载的要求变化。 ②保压时,泵的输出流量仅维持系统的压力。 ③空运转时,泵的流量在低压、零偏角下运转。因此，负载敏感泵有三种状态，即一般工作状态、保压工作状态和空运转状态，其中一般工作状态和空运转状态由负载敏感阀感应负载需求产生。

7.5负载敏感泵控系统与机械—液压伺服控制装置 二、机械一液压伺服控制装置 现代斜盘式柱塞变量泵根据使用工况不同，具有多种控制方式可供选择。在行走机械驱动方面，因机械一液压伺服控制方式使用方便，工作可靠，价格相对适宜，因而应用最广，并已形成一种固定的装置与液压泵集成为一起，用户根据自己所设计机器的控制目标参数和特征参数即可选用。

带DA控制A4VG液压泵结构形式

The end!