比例阀讲义.doc
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第一章 比例技术概述
§1-1比例技术含义
电液比例技术是连接现代电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程的基础技术构成之一。
一、比例技术含义
１、广义定义：
在应用液压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中，凡是
系统的输出量，如压力、流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成比例地得到控制的，都可称为比例控制系统。
2、分类
二、电液比例控制技术的特点
1、很多年来，大多数工业液压系统曾经用电器方法实现顺序控制但却靠手动调整。
（换句话说，执行器的起动、停止和方向控制曾经用电磁铁来实现，但是流量和压力的设定却是靠手动调整阀。
在许多用途中已经证实这是一种令人满意的配置而且完全可以继续这样做。
）
2、当一个系统中需要若干种不同的流量或压力时，用这种传统的控制方法可能有所不足：
这可能造成控制和切换阀数量增加并且有时不能从一种工况平稳地过渡到另一种工况。
为了实现执行器的加速和减速控制，通常意味着在系统中增加额外的阀，从而提高系统的成本和复杂性。
3、当需要高性能的速度或位置控制时，过去伺服阀曾经是唯一实用的解决办法，通常用于闭环控制配置。
伺服阀是一种高技术条件的方向和流量控制阀，不可避免地带来成本高、不耐污染、维修不便等问题。
在并不需要伺服阀的全部性能潜力的应用场合，这些问题可能成为主要的缺点。
4、发展比例阀产品的部分目的在于填补简单的通/断电磁阀与考虑的伺服阀系统之间的空白。
虽然比例阀的性能也许不如伺服阀（在响应时间、滞环等方面），但对许多应用场合来说是足够的,而且可以表现出明显的成本优势。
§1－2比例技术发展概况
从1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀起，到70年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生时期。
1975~1980年间，比例技术的发展进入了第二阶段。
80年代，比例技术的发展进入了第三阶段。
§1－3 电液比例控制的技术特征
一、性能特点：
表1－2列出了电液伺服元件、电液比例元件、开关元件的性能对比。
表1-2.伺服、比例、开关元件性能对照表
电液伺服阀
电液比例阀
早期电液比例阀
开关阀
介质过滤度µ
3-10
25
25
25
阀内压力降（MPa）
7/21
0.5~2
0.25~0.5
0.25~0.5
滞环%
1~3
1~3
4~7
重复精度%
0.5
0.5
±1
频宽HZ
20~200
1~30
1~5
线圈功率w
0.05~5
10~24
10~30
中位死区
无
有
有
有
价格因子
3
1
1
0.5
二、原理特点
由图可知，近期发展的高性能比例阀，一般都内涵
主控制参量的反馈闭环。
这种反馈闭环，可以是主
控制参量的机械或液压的力反馈，也可以是主控制
参量的电反馈。
目前市场上提供的比例阀，型式众多。
有占主导地
位的力反馈和电反馈现代比例阀，也有不内涵主控
制参量反馈闭环的早期开发的比例阀（含局部小闭
环）。
二者在性能上有较大差别。
三．结构特点
早期比例阀，多数是用比例电磁铁替代传统工业液
压阀的调节手柄而成。
近期的比例阀具有如下特点：
1、与插装阀结合，开发出各种不同功能和规格的二
通插装式比例阀，插孔符合ISO和国标。
二通插装
开关和比例控制元件，具有结构上的兼容特性。
2、生产批量较大的比例压力阀、比例方向阀，常与
开关阀通用主阀阀体（有的甚至通用先导阀体），有
利于生产管理和标准化设计，也将给原有液压系统的技术改造带来方便。
3、应用新近开发的双向极化式耐高压比例电磁铁，发展了三通（P、A、O三个主通油口）插装式比例阀，其插孔正在形成标准。
4、力反馈比例元件可以配用多种控制输入方式，不同的输入单元，具有统一的联接尺寸。
5、比例泵的恒压、恒流、压力流量复合等多种功能控制块，多采用组合叠加方式，便于在其泵上进行控制功能的增减组合。
6、已经出现控制放大器、电磁铁和比例阀，以及测量放大器、电磁铁和比例阀组合成一体，即电液一体化结构。
更进一步，比例阀与动力油源，与执行机构组合，形成机电液一体化结构。
这是当代机械工业及工程控制系统发展的重要特征。
机电液一体化的框图如图１－４所示。
控制微处理机
电子环境
机械环境
测量电子单元元
控制放大电子单元
传感器
电－机械转换器
液压执行机构
液压缸（直线）
液压马达（回转）
电液伺服
电液比例
控制单元
§1－4 比例控制系统的构成分类及特点
一、比例控制系统的构成与分类
１．构成
由电子放大及校正单元，电液比例控制单元（含电机械转换器在内的比例阀、电液比例变量泵和变量马达），动力执行单元及动力源，工程负载及信号检测反馈处理单元所组成，见图１－５。
1）、系统的指令及放大器件：
该单元多采用电子设备。
2）、电－机械转换器：
往往采用比例电磁铁。
其功能是将放大器输出的控制电流或电压信号，转换为机械量的控制信号（力、力矩、位移、转角）。
3）、液压转换及放大器件：
就是比例阀、比例泵及马达，实际上是一功率放大单元。
4）、液压执行元件：
是液压缸或液压马达，其输出参数只能是位移、速度、加速度和力，或者转角、角速度、角加速度和
转矩。
5）、动力执行单元：
系统可通过设置液压（压力和流量）和机械参数中间变量检测反馈闭环，或动力执行单元输出参数检测反馈闭环，来改善其稳态控制精度和动态品质。
6）、信号处理单元：
可采用模拟电子电路、数字式微处理芯片或微型计算机来实现。
（数字式集成电路在精度、可靠性、稳定性等项均占优势，其成本也越来越低廉，故应用日益广泛）。
２．分类
1）、根据检测反馈闭环的不同，可将比例控制系统分为闭环控制系统和开环控制系统。
闭环控制系统：
系统设置动力执行单元输出参数（压力、力、力矩、位移、速度和加速度）检测反馈闭环。
开环控制系统：
是控制元件内部，对整个控制系统而言只是中间参量的小闭环。
２）、按功率调节元件的不同，可将比例控制系统分为节流控制系统和容积控制系统。
而容积控制系统又可分为液压泵调节和液压马达调节。
节流控制系统的特点：
动态响应快，利用公共恒压油源可控制不同执行元件（三通调速阀构成的负载适应系统除外），功率损失较大。
容积控制系统的特点：
节能。
（事实上，现代容积控制多是通过电液节流控制元件，对液压泵或马达的排量参数（倾角或偏心量）进行控制而实现的。
）
３）、按被控参数的不同分类：
位置（或转角）控制系统；
速度（或转速）控制系统；
加速度（或角加速度）控制系统；
压力（或压差）控制系统；
力（或力矩）控制系统；
其他参数控制系统。
二、比例控制系统的基本特点
１、可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制
通过输入信号按预定规律的变化，连续成比例地调节受控工作机械作用力或力矩，往返速度或转速，位移或转角等，是比例控制技术的基本功能，这一基本功能，不仅改善了系统控制性能，而且大大简化了液压系统，降低了费用，提高了可靠性。
图1-9所示为机床进给控制的对比。
系统在工作台启动和制动过程中，可实现加速和减速工况。
为实现6挡速度控制，图a采用了三组三位四通电磁阀和6个节流阀；为达到三级压力控制，需要一个三位四通电磁阀和三个压力先导阀。
而达到同样的性能要求，图b只需一个电液比例方向阀和一个比例溢流阀，可使系统得以显著简化。
并能实现精确而无冲击的加速或减速，不但改善了控制过程品质，还可缩短工作循环时间。
２．利用电信号便于实现远距离控制或遥控
采用电液比例控制系统不但可实现远距离有线或无线控制，也可改善主机的设计柔性，并且可以实现多通道并行控制。
图1-10所示的关节式云梯系统，可由在蓝车上的工作人员自己操作电控器，以实现所需空间位置的精细远控。
３．利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标
如图1-11所示：
锯片旋转由感应电机M驱动，切割进给由比例调速阀控制液压缸的运动速度来实现。
当切割负荷增大或减小时，感应电机的相电流也随之变化，该误差信号经电流互感器和比例阀控制放大器实现反馈控制，以调整进给速度和改变切削负荷，从而达到锯片恒速运行的目标。
该系统由于采用了电液比例流量控制阀，实现了负载功率敏感闭环恒速调节，使切割机效率提高，并可避免由于负载而引起设备故障。
第二章 比例控制放大器与检测反馈系统
比例控制放大器：
是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电流比例阀或电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。
它是电液比例控制元件或系统的主要组成单元。
检测反馈系统：
是电液比例元件或系统中的组成单元之一。
它是元件内部闭环或系统闭环控制中必不可少的部分。
在闭环控制中，它检测出实际控制量，并通过反馈与设定值相比较。
比例控制
放大器
的组成
ß２-1比例控制放大器概述
在电液比例控制系统中，对比例控制放大器一般有以下要求：
１）、良好的稳态控制特性
２）、动态响应快、频带宽
３）、功率放大级的功耗小
４）、抗干扰能力强，有很好的稳定性和可靠性
５）、较强的控制功能
６）、标准化、规范化
一、典型构成：
根据电－机械转换器的类别和受控对象
的不同技术要求，比例控制放大器的原理、
构成和参数各不相同。
随着电子技术的发
展，放大器的元件、线路以及结构也不断改善。
图４-1是比例控制放大器的典型构成。
外输入
输入
接口
位置
处理
调节器
前置
放大
功率
放大
比例
电磁铁
颤振电路
测量
放大
电源
变换
内设定
负载
二、分类
比例控制放大器根据受控对象，功率及工作原理等的不同，可有多种分类方式。
常见有：
1、单路和双路比例控制放大器：
1）、单路比例控制放大器：
用来控制单个比例电磁铁驱动工作的比例阀。
例如：
比例流量阀、压力阀、单电磁铁二
位（三位）比例方向阀等。
2）、双路比例控制放大器：
用来控制双电磁铁驱动工作的三位比例方向阀等。
解释:
双路比例控制放大器工作时，始终只让其中一个比例电磁铁通电，这是三位比例方向阀工作所要求的，因此，它与下述的双通道比例控制放大器是完全不同的。
2、单通道、双通道和多通道比例控制放大器：
1）、单通道比例控制放大器：
就是单路比例控制放大器，只能控制一个比例电磁铁。
2）、双通道、多通道比例控制放大器：
将二个或二个以上单通道比例控制放大器集中在一块标准的控制板上，就构成了双通或多通比例控制放大器。
例如：
比例压力流量复合阀、多路比例阀等。
双通道或多通道比例控制放大器能同时单独控制二个或二个以上比例电磁铁。
当然，双通道或多通道比例控制放大器并不是两个或多个单通道比例放大器的简单组合，而是在结构上作了有机调整组合而成的，如公用电源等。
3、电反馈和不带电反馈比例放大器：
1）、电反馈比例控制放大器：
用来控制电反馈比例阀，也可作为某些闭环控制系统的控制器。
2）、不带电反馈比例控制放大器：
用来控制不带电反馈的比例阀，不能作为闭环控制系统的控制器。
两者在电路结构上的最大区别：
电反馈比例控制放大器设置有测量放大电路、反馈比较电路和调节器，但不一定有颤振信号发生器。
不带电反馈比例控制放大器没有测放电路、反馈单元和调节器，但一般有颤振信号发生器。
４、模拟式和开关式比例控制放大器
１）、模拟式比例控制放大器：
属于连续电压控制式，功放管工作在线性放大区，比例电磁铁控制线圈两端的电压为连续的直流电压，因而功耗较大。
２）、开关式比例控制放大器：
此放大器的功放管工作在截止区或饱和区，即开关状态，比例电磁铁控制线圈两端电压为脉冲电压，因而功耗很小。
开关式比例控制放大器又可分为:
脉宽调制（ＰＷＭ）：
最常用
脉频调制（ＰＦＭ）
脉幅调制（ＰＡＭ）
脉码调制（ＰＣＭ）
脉数调制（ＰＮＭ）等。
５、单向和双向比例控制放大器
根据所控比例电磁铁的类型分为：
１）、单向比例控制放大器：
就是通常所说的比例控制放大器。
用来控制普通单向比例电磁铁。
２）、双向比例控制放大器：
用来控制双向比例电磁铁。
６、恒压式和恒流式比例控制放大器：
根据比例电磁铁控制线圈上需要恒定的信号不同而区分：
恒压式
恒流式：
能抑制负载阻抗热特性的影响，且有较优的动态特性。
因而比例控制放大器多采用恒流式结构。
ß2-2比例控制放大器主要电路的构成、原理及功能
对不起
一、电源电路
１、主要作用
从标准电源中获得和分离出比例控制放大器正常工作所需的各种直流稳定电源，并且在电网电压，负载电流及环境温度允许范围内变化时，保证输出直流电压的稳定性。
同时，还兼具电源电压极性反接，过流，短路自保护自恢复等非熔断式保护功能，以保证比例控制放大器的工作可靠性。
２、构成
包括滤波、稳压和过载保护等部分。
二、输入接口单元
为满足各种外设需要，增强适应性，比例控制放大器一般具有多种输入接口。
１、模拟量输入接口
最简单的就是利用手调电位器输入控制电信号，即手动输入。
常用安装在面板上的多圈电位器来调节，在比例控制放大器或比例控制系统调试时使用。
２、数字量输入接口
为满足数字控制的需要，有的比例控制放大器还具有数字接口。
３、遥控接口
一些特殊用途的比例控制放大器还具有遥控接口。
比例控制放大器内含超高频调频接收单元（遥控接口），可接受来自发射器的无线电控制命令，经处理后去控制比例电磁铁，以实现无线遥控。
三、信号处理电路
为适应各种不同控制对象和工况的要求，比例控制放大器中还有各种信号处理电路，对输入指令信号进行相应的处理。
最常见的有斜坡信号发生器，阶跃函数发生器，双路平衡电路，初始电流设定等。
１、斜坡信号发生器
以一个设定值阶跃作为输入信号，斜坡信号发生器产生一个缓慢上升或下降的输出信号，输出信号的变化速度可通过电位器调节，以实现被控系统压力或运动速度等的无冲击过渡，满足系统控制的缓冲要求。
如图4-7所示，在输入阶跃信号情况下，由于电容C充电的阻滞作用，可使输出电压缓慢而连续地变化。
调节可变电阻R能改变输出电压的斜率。
斜坡预调时间，与100%额定输入电信号相对应的设定值（输入阶跃信号）相关。
当输入信号设定值仅为额定值的某个比值时，其斜坡调整时间也为相应预调最大斜坡时间的相应比值。
图4-8是常见的一种阶跃信号斜坡转换电路，用来分别调节两个斜坡函数的速率。
适用于被控系统压力（速度）商升和下降速率需各自调节的场合。
输出幅值的调节可通过改变ui实现。
2、阶跃函数发生器
它的输出信号经放大后，给比例电磁铁一个阶跃电流，使比例阀阀芯快速越过零位死区，即消弱或排除比例阀阀芯正遮盖的影响，适应零区控制特性的要求。
在控制三位型比例方向阀的比例控制放大器中，一般有阶跃函数发生器。
图4-9是阶跃函数发生器的原理图。
阶跃函数发生器在设定值电压大于一个较小的电压值ui时，产生一个恒定的输出信号，其大小可由P1、P2调定。
当设定值电压小于ui时，输出信号为零。
３、双路平衡电路
在双路比例控制放大器中，为使两个比例电磁铁分别正常动作，且在两个比例电磁铁参数有所不同的情况下仍能得到对称的控制特性，常采用双路平衡电路。
如图4-10所示，调节电位器P，使B路比例电磁铁控制通道的增益与A路比例电磁铁控制通道的增益相同，同时使B路控制信号反相，保证比例电磁铁A和B实现差动工作。
４、初始电流设定电路
如图4-11所示，主要用于产生比例电磁铁的预激磁电流，调整比例阀的零位死区大小，或避开死区。
使比例阀在设定值输入时，从起始位置迅速启动。
四、调节器
调节器是电反馈比例控制放大器中的一个组成单元，其作用为：
用于改善电反馈闭环控制比例阀或系统的稳态和动态品质；
使控制比例阀或系统稳定并达到一定的控制精度；
对干扰起抑制作用；
使动态特性得到提高。
调节器按使用要求构成不同的调节特性。
常用的调节器有P、I、D及其组合。
１、Ｐ调节器：
具有比例调节特性，即输出量与输入量成比例。
如图4-12所示，输出量为：
KP=R1/R0比例增益（放大系数）
特点：
结构简单，调整容易，对调节量的变化响应快；
始终存在一个和放大系数相关的调节偏差（静差）；
调节器的比例增益KP越大，静差越小， 调节精度越高；但KP过大，会使系统产生自激振荡。
２、Ｉ调节器：
如图4-13所示，Ｉ调节器的输出量为输入量对时间的积分，即
TI=R0C 积分时间常数。
表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。
特点：
只要输入量ui不为零，输出量u0就不断地变化，直到输入量为零，输出电压才保持在某一数值上，因此，Ｉ调节器原则上能完全消除任何调节偏差。
但Ｉ调节器需要较长的调整时间，当调节量变化时，反应很慢，且有可能出现较大的超调。
３、ＰI调节器：
如图4-14所示，ＰI调节器综合了Ｐ调节器的快速性和Ｉ调节器的精确性。
其输出量为：
特性：
既能快速地抑制干扰量，又能进行精确的调整，消除静差。
对于惯性较大的对象，ＰI调节器就不能及时克服扰动的影响，以致造成较大的动态偏差和较长的调节时间。
４、Ｄ调节器：
只对有变化的输入量产生反应。
对固定不变的输入，不会有微分作用输出，因此不能克服静差。
通常只能与其它类型调节器配合使用。
如图4-15所示的调节器是纯微分环节和惯性环节的组合。
其传递函数为
５、ＰD调节器：
如图4-16所示，ＰD调节器中的微分部分影响到调节偏差的变化速度，可加速调节过程。
但PD调节器存在一个静态调节偏差。
６、PID调节器：
综合了三种控制类型的特性。
不但具有良好的动特性，而且能消除静态控制偏差。
是用得较多的一种调节器。
五、颤振信号发生器
为了降低比例电磁铁的摩擦滞环，往往采用在控制信号上叠加颤振信号的方法。
在工程实际中，由于受机械加工工艺水平的限制而带来的性能不一致性，往往还要求比例控制放大器能提供颤振分量频率和幅度可独立调节的控制电流。
图4-20就是这种频率和幅值分别可调的三角波颤振信号发生器。
调节Ｐ1，可改变颤振信号频率；调节P2,可改变颤振信号的幅值。
六、测量放大电路
在位移电反馈比例控制放大器中，为了通过装在比例阀上的位移传感器构成电反馈闭环，往往附加有与传感器匹配的测量放大电路。
同时，为保证电反馈比例阀工作的可靠性，还常带有传感器电缆故障识别装置。
七、功率放大级
功用：
功率放大级是比例控制放大器的核心单元。
比例控制放大器的稳态和动态性能及其工作可靠性，很大程度上取决于功率放大级。
功率放大级除了必须有足够的输出功率时，还必须具有良好的静、动特性。
输出的控制电流要有足够的稳定性，能抵抗温度变化、电流电压变化的干扰。
此外，功率放大级还需具备几个附加功能，如：
能接受颤振信号，输出电流能采集和监视等。
功率放大级主要由信号放大和功率驱动电路组成。
图4-22是它的典型结构。
在保证功率放大级工作稳定的前提下，一般应尽量提高前向通道电压放大倍数，以提高输出电流抵抗电源电压波动和负载阻抗变化的能力，改善电流动态特性。
根据功率放大级工作原理的不同，比例控制放大器有模拟式和开关式之分。
１、模拟式功率放大级
目前使用较普遍的比例控制放大器大多采用模拟式功率放大级。
这种功率放大级技术比较成熟，结构简单、稳态控制性能较好；但功耗较大。
２、开关式功率放大级
为了降低功放管功耗，提高电功率利用率，缓解由于功耗大引起的一系列不良影响，比例控制放大器采用开关式功率放大级。
特点：
开关式功率放大级，用开关放大技术，使功放管始终工作在饱和区或截止区，使功放管的功耗大为降低，电路板的热负荷相应减小，使散热装置体积得以缩小，因此，开关式功率放大级是一种节能电路。
开关式功率放大级有脉宽调制，脉频调制，脉幅调制，脉码调制等多种方式，以脉宽调制式最为常用。
３、快速型功率放大级
传统模拟式和开关式功率驱动电路，线圈电流的衰减速度缓慢，影响了它控制的比例电磁铁的动态频宽，不能满足动态性能要求较高的电液比例控制系统的要求。
§2-3、国内外几种典型比例控制放大器简介
一、国内外比例控制放大器发展概况
１、国际发展概况
国外较早开始了对比例控制放大器的研究工作。
许多液压件制造厂家，均有规格齐全的系列化产品应市。
Rexroth.vickers过去生产的比例控制放大器多为模拟式和低频开关式，现在逐步向高频开关式；
Bosch大多为快速型，以高频开关式为主；
Binder则有很好的规范化;
Moog还提供具有遥控功能的Moogndl系列比例控制放大器；
日本的油研EH系列比例阀，将比例控制放大器集成在位移传感器插座上，外加液晶显示，构成內置式比例控制放大器，体积小、成本低。
2、国内发展状况
在国内，随着电液比例控制技术的迅速发展，对比例控制放大器也展开了一系列开发研究工作。
一系列通用型单向及双向模拟式、开关式和快速型比例控制放大器研制成功，并投入小批量生产。
其中的快速型是一种颇有应用和发展前途的比例控制放大器。
3、比例控制放大器的主要特点和发展趋势
１）、开关式比例控制放大器应用领域日趋广泛，尤其是大功率控制场合，模拟式有被开关式代替的趋势。
（这是因为以开关放大原理工作的功率放大级易做成高频响结构，功耗小、易于小型化、集成化）。
２）、在开关式中，最常用的是脉宽调制型；其中高频开关式比传统的低频开关式有更好的稳态控制性能，因此，高频开关式将占主导地位。
3）、快速型（高频响型）和普通型比例控制放大器将并存，以满足不同控制系统的要求。
4）、输入接口多样化，增强适应性和自动化程度，便于控制。
（除通常的模拟量输入接口外，还带有数字接口，逻辑开关等，可直接与微机或可编程控制器联接，或受微机或可编程控制器控制。
甚至还有遥控功能）
5）、比例控制放大器本身集成化、智能化；比例控制放大器、传感器、测量放大电路和液压元件一体化。
6）、标准化、系列化、商品化。
（标准化主要指电源的标准化，输入信号的标准化和印刷电路板及连接插座的标准化。
）
二、几种常用比例控制放大器
1、RexrothVT3000－S－30（不带反馈双路）比例控制放大器
该比例控制放大器用以控制不带电反馈的先导式双电磁铁比例方向阀。
2、VickersEEA－PAM－118－A/B－30
（带反馈单路）比例控制放大器
这是Vickers公司带反馈控制比例放大器的一种，用来控制电反馈比例溢流阀。
３、BKT－12带反馈快速开关式双路比例控制放大器
这是浙江大学流体传动及控制研究所为适应比例控制技术向高动态、高精度方向发展的需要而开发的。
其主要特点为：
采用开关放大技术，降低了功耗；
采用高频脉宽调制，使颤振分量频率和幅度单独可调，改善了稳态控制性能；
采用反接卸荷功率驱动电路，提高了比例电磁铁电流动态响应的快速性。
4、双向比例控制放大器
用来控制耐高压双向
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