电液比例控制技术.ppt

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1、电液比例 控制技术,安排：,17周 形式：授课+自学并完成主题报告(参考教学日历） 考试 参考书：液压控制系统设计-张利平 化学工业出版社,主要内容,1.技术概论2.比例电磁铁3.比例阀:比例压力阀流量阀方向流量阀4比例系统-控制基本回路 5.典型开发： 比例阀F413 比例.控制的变量泵 :C1、C4泵 比例系统:减振器实验设备 超高速比例伺服阀 深海液压动力源(比例控制) 超比例方向流量阀（F424） 注塑机节能系统 装载机节能系统 观摩实验室 主要目的：通过学习原理、结构、特性 能够分析、设计、使用比例控制元件及系统,电液比例 控制系统的技术构成,F、v、a T、角加速度a,1.技术概论

2、,基本液压系统,开环控制系统组成,开环控制系统,方块图及组成,原理、分类及特点,原理：系统输入量为控制电量（电压或电流）经电控器放大转换成相应的电流信号输入电机转换装置，后者转换成与输入电流成比例的力、力矩或位移，使液压阀的可动部分移动或摆动，并按比例输出具有一定压力p、Q的液压油驱动执行元件，执行元件也将按比例输出力、速度或转矩、角速度驱动负载. 无级调节系统的输入量就可无级调节系统的输出量力、速度、以及加减速度。 这种控制系统的结构组成简单，系统的输出端与输入端不存在反馈回路，系统的输出对系统的输入没有影响没有自动纠偏能力、控制精度主要取决于关键元件及系统的调整精度。但这种开环控制系统不存

3、在稳定性问题。,闭环控制系统,方块图及组成,原理：系统工作原理为反馈控制原理或偏差调节原理，这种控制系统通过负反馈控制. 具有自动纠偏能力、可获得相当高的控制精度，但系统存在稳定性问题。而且高精度和稳定性的要求是矛盾的,*有时为了提高性能：有时大闭环还套小闭环,控制器 电控制器（又放大 器，放大板）在开环控制系统中，用于驱动和控制比例控制元件,在闭环系统中除了上述作用外，还要承担反馈检测放大和校正系统的控制功能。因此控制器的功能直接影响系统的控制性能，它的组成与比例电磁铁的型式相匹配，一般都具有控制信号的生成、信号的处理、前置放大、功率放大、测量放大、反馈校正、颤振信号及电源变换等基本组成单元

4、。它包括电位器、斜波发生器、阶跃函数发生器、功率放大器、颤振信号发生器，或可编程序控制器等，一般生产比例阀的厂家供应相应的比例放大器。通常有通用性。 比例阀由比例电磁铁、液压阀两部分组成。由于比例电磁铁可以在不同的电流下得到不同的力（或行程），因此可以无极地改变压力、流量、故比例电磁铁是比例阀的关键元件。,电液比例 控制系统的分类,按输出信号分（1）位置控制系统；（2）速度控制系统；（3）加速度控制系统；（4）力控制系统；（5）压力控制系统 按系统输入信号的方式分（1）手调输入式系统：以手调电位器输入，调节电控制器，以调整其输出量，实现遥控系统。 （2）程序输入式系统：可按时间或行程等物理量编

5、程输入，实现程控系统。 （3）模拟输入式系统；将生产工艺过程中的某参变量变换为直流电压模拟量，按设定规律连续输入，实现自控系统。 按系统控制参数分（1）单参数控制系统：液压系统的基本工作参数是液流的压力、流量等，通过控制一个液压参数，以实现对系统输出量的比例控制。如采用电液比例压力阀控制系统压力。以实现对系统输出压力或力的比例控制；用电液比例调速阀控制系统流量，以实现对系统输出速度的比例控制等，都是单参数控制系统（2）多参数控制系统：如用电液比例方向流量阀或复合阀、电液比例变量泵或马达等，既控制流量、方向、又控制压力等多个参数，以实现对系统输出量的比例控制系统。,按电液比例 控制元件分：（1）

6、阀控制系统：采用电液比例压力阀，电液比例调速阀、电液比例插装阀、电液比例方向流量阀或复合阀、电液比例复合阀等控制系统参数的系统。（2）、泵马达控制系统：采用电液比例变量泵、马达等控制系统参数的系统。,按控制回路组成分：（1）开环控制系统（2）闭环控制系统,比例阀分类：,电液比例 控制系统优势与基本特点,电液控制的技术优势：电气和电子技术在信号的检测、放大、处理和传输等方面比其他方式具有明显的优势，特别是现代电子集成技术和计算机科学的发展，使得这种优势更显突出。因此工程控制系统的指令及信号处理单元和检测反馈单元几乎无一例外地采用了电子器件。而在功率转换放大单元和执行部件方面，液压元件则有更多的优

7、越性。电液控制技术集合了电控与液压的交叉技术优势。 电液比例控制的技术的基本特点：（1）可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制（2）引进微电子技术的优势，利用电信号便于远距离控制，以及实现计算机或总线检测与控制（3）电液控制的快速性是传统开关阀控制无法达到的；（4）利用反馈，提高控制精度或实现特定的控制目标；（5）便于机电一体化的实现。,如车辆闭式全液压调速系统,阀控与泵控体系的对应关系,C1,输入电信号-输出某种液压量，液压量与Q、P的特性关系,电液比例控制系统的性能要求,稳定性：指系统输出量偏离给定输入量的初始值随着时间的增长逐渐趋于“0”的性质。稳定性是系统正常工作的首要条件，因此系统不

8、仅应是绝对稳定的，而且应有一定的稳定裕度。电液比例控制系统作为开环控制系统一般是有稳定性的，但作为闭环控制系统，则应注意确保他的稳定性，并应适当处理好稳定性要求与准确性之间的矛盾 准确性：指系统在自动调整过渡过程结束后，系统的输出量与给定的输入量之间所存在的稳态偏差大小的性质，或系统所具有的稳态精度高低的性质。总是希望系统由一个稳态过度到另一个稳态，输出量尽可能接近或复现给定的输入量，即希望得到高的稳态精度。系统的稳态精度不仅取决于系统本身的结构，也取决于给定输入信号和外扰动的变化规律。系统在实际工作过程中总是存在稳态误差的，故力求减少稳态误差，把稳态精度作为系统工作性能的重要指标。,快速性：

9、指系统在某种信号的作用下，系统的输出量最终达到以一定稳态精度复现输入过程的快慢性质。当系统的输入信号是阶跃信号时，系统的阶跃响应特性以调整时间ts作为快速性指标。当系统的输入信号是正弦信号时，可以证明线形系统的输出也是同频率的正弦信号，但其幅值随着角频率的 的增高而衰减。当角频率增高到系统的截止频率b时，系统输出信号的幅值已经衰减到输入信号幅值的70%左右。若再加快频率，则幅值将更衰减，认为输出已不能准确地复现输入了。通常以输出信号的幅值不小于输入信号幅值的70.7%.或者说输出信号与输入信号的幅值比(或增益)不低于-3dB时,所对应的频率范围0 b,这个频率带宽表明系统的响应速度,即以系统的

10、频宽b 或其响应的频率f-3dB (Hz)作为系统的快速性指标。,电液比例阀体系的发展及应用特点,电液伺服阀、电液比例阀、传统三大类阀的相对关系,电液控制技术的发展,电液伺服阀技术 第二次世界大战期间，由于武器和飞行器自动控制需要而出现，至20世纪60年代日臻成熟。 其特点见表，但由于流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维修费用比较高，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所接受。,电液比例阀技术 20世纪60年代后期，各类民用工程对电液控制技术的要求显得迫切而广泛，因此，人们希望开发一种 可靠、廉价。控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制系统，60年代出现了工业伺服技术（在

11、伺服阀的基础上）,（1）工业伺服阀：20世纪60年代后期出现，在伺服阀的基础上，增大比例电磁铁，适当简化伺服阀结构，降低制造成本。 （2）早期比例阀： 20世纪60年代后期出现，仅将比例电磁铁用于控制阀频响15Hz，滞环4%7%、用于开环控制。 （3）比例阀： 20世纪80年代初期出现，完善控制阀的设计原理，采用各种内外反馈、电校正，耐高压比例电磁铁、电控器特性大为提高，稳态特性接近伺服阀，频响530Hz，但有0位死区。既用于开环又用于闭环控制 （4）伺服比例阀： 20世纪90年代中期出现，制造精度高、过滤精度矛盾淡化，首级阀口0遮盖，无0位死区，用比例电磁铁做电机转换器，二级阀主阀口小压差，

12、频响30100Hz，用于闭环控制。,传统的电液开关控制技术：不能满足高质量控制系统的要求。,开关控制、电液比例控制、电液伺服控制基本特点的对比,另外发展背景,开关控制、电液比例控制、电液伺服控制适应性的对比,开关阀、比例控制、伺服阀的价格因子：0.5:1:3，高品质的差异会更大,2.比例电磁铁电、机转换器,电-机转换器是比例电磁铁是比例阀的重要组成部分,其输入是比例控制器的输出电信号(或电压信号),输出为机械力或位移信号,并以此控制液压阀的阀芯运动，进而实现液压系统压力、流量等参数比例控制。而比例电磁铁的性能,对电液比例控制元件及系统的稳定控制精度、动态响应特性，工作可靠性等产生重要影响。 在

13、电液比例控制元件中应用最广泛的是电-机转换器是湿式耐高压的直流比例电磁铁。,常用电-机转换器的简要比较,比例电磁铁的基本工作原理和典型结构,用一个电磁铁实现推拉双向作用（如用于三位四通换向阀）,负载大（小）电流大（小） ，但调定位置不变,比例电磁铁的特性,在衔铁开较大孔,3.比例阀:比例压力阀流量阀方向流量阀,比例阀的特性,静态特性 动态特性: 频率响应(频域特性) 瞬态特性(时域特性),F413,通过更换阀座得到不同压力等级的阀：如低压阀、中压阀、高压阀、 此阀流量范围小，可用于先导级别(,带安全阀的有3个状态,3.比例阀:比例压力阀流量阀方向流量阀,带先导的比例溢流阀,*过度板只是结构和安

14、装需要 *先导阀打开引起流动，通过节流孔引起压差变化，打破主阀力平衡 ，引起主阀芯动作,压力等级越高，直径越小,*过度板只是结构和安装需要 *先导阀打开引流动，通过节流孔引起压差变化，打破主阀力平衡 ，引起主阀芯动作,选择溢流阀 的原则与注意事项,利用功率域曲线选择流量规格,可减小流量引起的压力误差,压力控制的高分辩率原则,图像处理或信号处理中的空间或时间分辨率:能够分辨图像中两个点或线的能力 （左图不易识别输入信号，可能引起输出产生较大的误差）,动态特性与应用系统的实际相关,用其所能的80%,直动式比例压力阀,电反馈型直动式比例压力阀,电磁铁推力最用在阀座上,参考手动减压阀,与伺服阀结构比较

15、,典型比例控制机构元件、回路,参考书示例 F413结构原理及设计,C1泵结构原理及设计,典型控制系统,1、开环压力控制系统,当普通压力阀换成比例压力阀可以获得无级压力控制,多级压力控制,装载机节能液压控制系统,一 装载机结构简介,装载机节能控制系统（液压反馈系统）,装载机的转向系统经历等多个发展阶段：机械转向、液压助力转向、全液压转向,从图中可以看到，转向功能的实现完全依靠操作手转动方向盘，从而带动连杆机构，推动轮毂，从而实现形式方向的偏离，这种转向方式对操作手的要求较高，劳动强度大，转向困难，不灵活，所以基本上在装载机上不再使用,液压助力转向,操作手转动方向盘，通过连杆机构推动转向控制阀，转

16、向泵输出的油液经过转向控制阀进入到转向油缸中，转向油缸带动连杆机构，推动轮毂，从而实现形式方向的偏离。这种转向方式在一般意义上降低了操作手的劳动强度，实现液压控制转向。在小吨位的转载机上很容易实现，但是随着装载机行业的发展，整机吨位越来越重，转向系统需要的流量和压力也越来越大，此时由于液动力的影响，推动转向控制阀的阀芯需要的力越来越大，从而导致转动方向盘的力量也越来越大，限制了液压助力转向系统的发展,随着技术的发展，目前的装载机转向液压系统基本上已经实现了全液压转向。但是根据装载机吨位的不同，配置的不同，同样是全液压转向系统，系统的组成也是千差万别的。 下简要介绍中心开发的泵控转向节能液压系统

17、,铰接转向原理,转向对液压系统基本要求需要：可快可慢，承受不同载荷，快慢不受载荷影响,二、定量液压系统,1. 结构型式,1）转向系统 齿轮泵+溢流阀+转向器+执行元件（转向油缸） 2）工作系统 齿轮泵+溢流阀+多路阀+执行元件（举升+翻斗油缸）,2. 工作原理,泵的工作压力由溢流阀调定，输出流量不变，剩余流量通过溢流阀溢流回油箱。,控制元件,3. 系统特点,面对循环工况 始终存在溢流损失，发动机高转速时 损失更加严重； 系统功率消耗大； 温升高； 转向速度易受工况影响（节流阀压差随负荷变化，流量不稳定。,三、变量液压系统,1. 为何变量,避免工作时的溢流损失； 减小卸荷时的溢流损失； 提高操作

18、的平稳性； 降低液压系统的功率消耗。,2. 如何变量（原理）,根据系统的需求调整泵的排量大小，进行匹配供油，无剩余流量。,变量装置,变量泵,控制元件,3. 系统特点,泵的工作压力由负载决定，流量按需求 匹配供应； 不存在工作溢流损失，大大减小了卸荷 时的溢流损失； 系统功率消耗小； 温升低； 转向更加平稳，调速刚度增大； 操纵灵活。,四、变量液压系统方案,转向变量、工作定量、各自独立； 结构简单； 成本适中； 工作装置系统不变； 可节省部分功率。,1. 分置转向变量系统,分置转向变量系统,2. 合流转向变量系统,转向变量、工作定量、合流； 性价比高； 可复合动作； 工作装置系统不变； 系统较简

19、单。,合流转向变量系统,3. 合流双变量系统,转向变量、工作变量、合流； 操纵轻便； 可复合动作； 系统效率最高； 系统功率消耗最小； 系统价格较高。,合流双变量系统,四、定变量系统比较,节省油耗，降低了温升； 提高了转向操纵的平稳性； 增大了调速刚度； 提高了发动机的启动性能； 提高了液压系统的元件寿命和可靠性。,1. 变量系统的优点,2. 定变量系统性能比较柱状图,五、负荷敏感式变量柱塞泵,1. 工作原理,3. 性能特点,专利技术； 轴承和密封均采用进口元件； 高压、高效率； 小型轻量； 节能； 低噪音、低脉动； 变量性能优良； 性价比高。,六、变量系统配置,系统类型,评价指标,价格,性价

20、比,性能,复杂程度,存在问题,表1 变量系统配置比较表,七、负荷敏感变量泵应用,现已应用在ZL30和ZL50机型上，整机性能得到较好改善，用户反应良好。,3、高速列车减振器实验系统,比例流量控制系统,减振器原理简介 减振器性能简介 测试液压系统实现 机械结构实现,原理,减振器性能简介,主要性能： （一定频率f下、一定振幅A下，以S为正弦波为研究对象、模拟列车振动 ） F-V曲线 F-S曲线（示功图） （ 其中 S、V也为为正弦波 ） （拉压对称、力曲线、示功图）,依据 S=ASint=ASin2f t V=S=f（Q）,测试系统实现,阀卸,垂向位置调整缸,横向位置调整缸,横向作动器,垂向作动器

21、,高速比例阀,测试系统机械结构,主题1：学习伺服控制、比较与比例控制的异同,主题2,传感器学习报告（种类、结构、原理、特点,主题3,超高速阀学习报告,主题4,深入学习分析减振器测试液压系统、装载机节能液压系统,附件1,伺服系统就是带有负反馈的控制系统，而伺服阀就是带有负反馈的控制阀。 阀对流量的控制可以分为两种： 一种是开关控制：要么全开、要么全关，流量要么最大、要么最小，没有中间状态，如普通的电磁换向阀、电液换向阀。 另一种是连续控制：阀口可以根据需要打开任意一个开度，由此控制通过流量的大小，这类阀有手动控制的，如节流阀，也有电控的，如比例阀、伺服阀。 所以使用比例阀或伺服阀的目的就是：以电

22、控方式实现对流量的节流控制（当然经过结构上的改动也可实现压力控制等），既然是节流控制，就必然有能量损失，伺服阀和其它阀不同的是，它的能量损失更大一些，因为它需要一定的流量来维持前置级控制油路的工作。 伺服阀的主阀一般来说和换向阀一样是滑阀结构，只不过阀芯的换向不是靠电磁铁来推动，而是靠前置级阀输出的液压力来推动，这一点和电液换向阀比较相似，只不过电液换向阀的前置级阀是电磁换向阀，而伺服阀的前置级阀是动态特性比较好的喷嘴挡板阀或射流管阀。 也就是说，伺服阀的主阀是靠前置级阀的输出压力来控制的，而前置级阀的压力则来自于伺服阀的入口p，假如p口的压力不足，前置级阀就不能输出足够的压力来推动主阀芯动作

23、。 而我们知道，当负载为零的时候，如果四通滑阀完全打开，p口压力t口压力阀口压力损失（忽略油路上的其它压力损失），如果阀口压力损失很小，t口压力又为零，那么p口的压力就不足以供给前置级阀来推动主阀芯，整个伺服阀就失效了。所以伺服阀的阀口做得偏小，即使在阀口全开的情况下，也要有一定的压力损失，来维持前置级阀的正常工作。 伺服阀其实缺点极多：能耗浪费大、容易出故障、抗污染能力差、价格昂贵等等等等，好处只有一个：动态性能是所有液压阀中最高的。就凭着这一个优点，在很多对动态特性要求高的场合不得不使用伺服阀，如飞机火箭的舵机控制、汽轮机调速等等。动态要求低一点的，基本上都是比例阀的天下了 一般说来，好像

24、伺服系统都是闭环控制，比例多用于开环控制；其次比例阀类型要多，有比例压力、流量控制阀等，控制比伺服药灵活一些。从他们内部结构看，伺服阀多是零遮盖，比例阀则有一定的死区，控制精度要低，向应要慢。但从发展趋势看，特别在比例方向流量控制阀和伺服阀方面，两者性能差别逐渐在缩小，另外比例阀的成本比伺服阀要低许多，抗污染能力也强 ! 伺服阀与比例阀之间的差别并没有严格的规定，因为比例阀的性能越来越好，逐渐向伺服阀靠近，所以近些年出现了比例伺服阀。 非要说差别，主要体现在一下几点： 1.伺服阀中位没有死区，比例阀有中位死区； 2.伺服阀的频响（响应频率）更高，可以高达200Hz左右，比例阀一般最高几十Hz； 3.伺服阀对液压油液的要求更高，需要精过滤才行，否则容易堵塞，比例阀要求低一些。 比例伺服阀性能介于伺服阀和比例阀之间。 开环、闭环控制的区别,附件2,PQ阀,