黃惠明

[摘? ? 要]隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，工業(yè)機械液壓系統(tǒng)控制對設計者提出更高的要求。電液比例閥具有響應速度快等優(yōu)點，國內(nèi)掀起研制電液比例閥的浪潮，但對內(nèi)部流量特性研究不足，使得各方面技術(shù)落后。采用理論分析法深入研究比例閥在控制系統(tǒng)中的應用，介紹比例閥結(jié)構(gòu)原理及在熱處理中的應用，為電液比例閥的研制提供理論依據(jù)，為研究電液比例閥應用找到新的思路，降低電液比例閥研制成本。

[關(guān)鍵詞]比例閥;控制系統(tǒng);應用

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–0–02

Application? of Proportional Valve in Control System

Huang Hui-ming

[Abstract]With the rapid development of my country's economy， industrial machinery hydraulic system control puts forward higher requirements for designers. Electro-hydraulic proportional valves have the advantages of fast response speed， etc. The domestic wave of development of electro-hydraulic proportional valves has been set off， but the lack of research on internal flow characteristics has made various aspects of technology backward. The theoretical analysis method is used to deeply study the application of proportional valve in the control system， introduce the structure principle of proportional valve and its application in heat treatment， and provide a theoretical basis for the development of electro-hydraulic proportional valve. In order to find new ideas for researching the application of electro-hydraulic proportional valve， reduce the development cost of electro-hydraulic proportional valve.

[Keywords]proportional valve; control system; application

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，在空調(diào)制冷、自動車等領(lǐng)域?qū)Ω鞣N彎曲成形管件規(guī)格的需要不斷增加，對彎曲形管件提出更高的要求。由于我國管材彎曲加工設備落后，購買國外進口彎管機設備價格昂貴，大多數(shù)數(shù)控彎管機系統(tǒng)采用電液伺服閥產(chǎn)生彎曲力矩，而電液伺服對油的品質(zhì)要求嚴格。電液比例閥是介于開關(guān)閥與伺服閥的液壓元件，其優(yōu)點是控制水平與伺服閥相當，其動靜態(tài)性能滿足工業(yè)應用要求。比例閥具有多種復合控制功能，可以提高控制性能。隨著電液比例閥控制技術(shù)的發(fā)展，逐漸取代電液伺服閥。電液比例閥能實現(xiàn)流量與方向控制，電液比例閥控系統(tǒng)具有可靠性好等優(yōu)點。

1 電液比例技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代電液控制技術(shù)發(fā)展源于二戰(zhàn)時期，當時對武器的自動控制系統(tǒng)研究取得很大進展，戰(zhàn)后噴氣式飛行器速度提高，對控制系統(tǒng)提出更高的要求。1940年飛機上首次出現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)，50年代出現(xiàn)高速響應的永磁式力矩馬達。電液伺服系統(tǒng)成為響應最快的伺服系統(tǒng)。60年代各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥問世。電液伺服系統(tǒng)成為航空航天自動控制的重要部分。

現(xiàn)代微電子集成技術(shù)發(fā)展，為工程控制系統(tǒng)提供現(xiàn)代化電子裝置。由于電液伺服器件價格昂貴，控制損失較大，很多場合不要求過高的控制精度，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展要求開發(fā)廉價、響應特性滿足工業(yè)控制系統(tǒng)需求的電液控制技術(shù)?，F(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展為電液比例技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷4個階段，1967年瑞士公司生產(chǎn)KL比例復合閥，是比例技術(shù)的誕生期，大多不含受控參數(shù)反饋閉環(huán)。1975-1980年為比例技術(shù)發(fā)展第二階段，應用領(lǐng)域逐漸擴大。20世紀80年代比例技術(shù)發(fā)展進入第三階段，比例元件設計采用壓力校正手段，提高閥的穩(wěn)態(tài)精度。比例閥動態(tài)特性與工業(yè)伺服閥相當。

液壓傳動是新興學科，17世紀液壓技術(shù)應用得到廣泛傳播，二戰(zhàn)期間各種軍事武器改良涌現(xiàn)出許多高響應速度的軍事化武器，液壓傳動技術(shù)得到迅速發(fā)展。戰(zhàn)后人們發(fā)現(xiàn)液壓技術(shù)的優(yōu)點，將液壓技術(shù)應用于各種設備的生產(chǎn)及自動化生產(chǎn)線。比例技術(shù)與插裝閥結(jié)合，開發(fā)二三通型比例插裝閥。由于傳感器小型化，電液比例容積元件出現(xiàn)，為大功率工程控制系統(tǒng)節(jié)能提供技術(shù)基礎。90年代中后期各種節(jié)能負載敏感控制等節(jié)能器件日益增多。高速開關(guān)閥在快速性等方面具有獨特優(yōu)勢。出現(xiàn)伺服與比例技術(shù)結(jié)合的伺服比例閥，技術(shù)融合為未來技術(shù)體系目標實現(xiàn)打下基礎。

我國液壓工業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，形成種類齊全的科研系統(tǒng)，生產(chǎn)液壓設備廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、航空航天等各部門。隨著科技的迅速發(fā)展，國營軍工行業(yè)對生產(chǎn)元器件性能要求不斷提高。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要用液壓實驗臺進行測試工作。液壓運動控制實驗臺可以對液壓系統(tǒng)測試，是液壓學習與伺服比例控制技術(shù)的有利工具。隨著我國工業(yè)自動化快速發(fā)展，比例控制技術(shù)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)及家庭生活。由于非對稱液壓具有構(gòu)造單一、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用，很多力加載實驗中精度低會降低實驗數(shù)據(jù)的可靠性。研究電液比例閥在控制系統(tǒng)中的應用對實際生產(chǎn)具有重要意義。

2 電液比例控制系統(tǒng)原理

當前我國經(jīng)濟高速發(fā)展，對基層設施建設有迫切要求。基建實施需要工程機械，人們對工程機械產(chǎn)品提出更高的要求，如自動化程度高，良好的人機界面等。危險惡劣環(huán)境下作業(yè)需求增加，對能耗控制提出更高的要求。設計高精度控制系統(tǒng)成為工業(yè)界關(guān)注的焦點。工程機械智能化得到很大提高，電液比例閥卓越性能對工程機械性能提高起到很大作用，電液比例閥具有抗污染能力強、形式多樣，維護成本低等優(yōu)勢，在液壓設備控制系統(tǒng)應用日益廣泛。

電液比例控制系統(tǒng)是通過使用比例控制元件接受輸入電信號，使壓力連續(xù)成比例受控制的液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)工作中位移傳感器檢測負載位置信號，得出控制電壓U經(jīng)放大器后調(diào)節(jié)電液比例節(jié)流口開度。電液比例位置控制系統(tǒng)包括指令元件、液壓執(zhí)行元件等。指令元件是給定控制信號的產(chǎn)生元件，有反饋信號下給出控制信號Ui，指令信號常見的是手動預置設定?？刂扑惴üτ檬前呀o定輸入信號通過控制算法類，如遇到不同類量進行比較，需要進行信號類型轉(zhuǎn)換。液壓執(zhí)行元件指液壓缸，低摩擦單活塞桿液壓缸是系統(tǒng)輸出裝置。電磁鐵需要控制電流較大，比例放大器作用是對輸入信號加工放大。

比例閥內(nèi)部分為電—機械轉(zhuǎn)換器與液壓放大元件，電—機械轉(zhuǎn)換器輸出力改變液壓放大級的控制液組，閉環(huán)控制需要加入檢測反饋元件，檢測元件往往是信號轉(zhuǎn)換器，內(nèi)環(huán)檢測元件包含在比例閥內(nèi)，外環(huán)檢測元件檢測輸出量。比例閥包括機械轉(zhuǎn)化部分與執(zhí)行部分，比例放大器將標準信號I與給定電位器輸出信號Id比較放大，比例放大器使電機與電源接通正反轉(zhuǎn)。由伺服電機經(jīng)減速后帶動旋轉(zhuǎn)式節(jié)流閥改變電流口大小，使輸出流量與輸入信號成正比。輸出流量與出入口壓力有關(guān)，Q=CdA（x）ΔP√2/3，ΔP為節(jié)流口前后壓差;Cd為近似常數(shù);Q額輸出流量;A（x）為通流面積。改變流通面積可實現(xiàn)流量控制。

3 電液比例閥系統(tǒng)特點

開關(guān)液壓閥通過調(diào)節(jié)閥體手柄調(diào)節(jié)被控量，電液伺服可連續(xù)對控制對象做精確控制。電液比例閥液壓控制回路原理與常規(guī)開關(guān)閥相同，性能可滿足大多數(shù)工業(yè)場合要求。目前比例電磁鐵功率在15～40 V·A，通常采用半閉環(huán)即可滿足工業(yè)控制要求，具有動態(tài)響應快等優(yōu)點，但存在廠家生產(chǎn)不同比例閥不能通用控制器等缺點。

電液比例閥控制系統(tǒng)由比例電磁鐵等部分組成，比例電磁鐵將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械位移信號，比例電磁鐵控制線圈電壓增量方程為ΔUc=LdΔi/dt+（Rc+rp）Δi+ke（dΔy）/dt，Rc，rp為線圈與放大器內(nèi)阻，ΔUc，Δi為線圈電壓與電流;Δy為電磁鐵位移。比例電磁鐵線圈電感較大，可減少線圈匝數(shù)加大上升電流時間，提高動態(tài)性能。比例電磁鐵存在明顯電磁滯環(huán)，有些參數(shù)受溫度影響大，在20 ℃變化中阻值變化為30%以上。通過分析簡化后得到傳遞函數(shù)，比控式比例壓力閥傳遞函數(shù)可簡化為三階系統(tǒng)。

電液比例閥控制器主要解決電磁滯環(huán)及超調(diào)量較大問題，電液比例閥控制器電路采用PWM技術(shù)，可提高功放輸出開關(guān)電壓U，功放輸出開關(guān)電壓U加在比例電磁鐵線圈上，使其上電流I變?yōu)樾》确劈c波動疊加交流信號直流電流，能提高電磁芯對電流響應的靈敏度，震顫作用效果取決于電流波動頻率。通常將方波頻率選在電磁鐵芯無阻尼自然頻率1.2～2倍。調(diào)整輸出電壓頻率會使死區(qū)減小。

控制電路中可通過變換，讓輸出電流按控制要求升降，使機械與液壓在變速運動變化時無沖擊。其電流升降調(diào)整速度范圍為0.1～5 s，可通過程序給定電位器，將電位器給定電壓送入控制電路，給定信號接輸入0～9 V模擬電壓實現(xiàn)無極控制調(diào)整輸出。

4 電液比例閥在控制系統(tǒng)的應用

目前工業(yè)控制場合比例閥采用開環(huán)控制滿足要求，輸出電壓幅值可選小數(shù)，比例流量閥改變閥芯形成薄壁節(jié)流口滿級控制流量，阻尼系數(shù)較大，提高抗干擾性能。由于閥的參數(shù)不同，產(chǎn)品選定輸出電壓后調(diào)整PWM頻率f，系統(tǒng)有振蕩可以調(diào)整振蕩電位器，流量閥控制器對頻率敏感差，需拆除原因刷線路板上電阻調(diào)整f。目前電氣設備中氣缸活塞主要采用伺服系統(tǒng)定位，響應速度快，但很少用于普通場合。比例閥具有與節(jié)流閥相似的抗污染能力，采用比例系統(tǒng)控制氣缸任意位置定位精度在±0.2 mm內(nèi)，見表1。

選用控制器主義溫度漂移參數(shù)，如電流最大輸出為1 000 mA，相當于1 mA/℃，國外力士樂公司溫度漂移指可達0.6% （Imax）/℃，輸出級功率驅(qū)動發(fā)熱低于其他控制器，不許附加散熱器。采用程控輸入，可預先調(diào)好，在0.1～5 s內(nèi)調(diào)整，可斷開電位器接線加上時間，將原接線通過控制接口接入外部斜坡電位器。

5 結(jié)束語

文章分析了電液比例控制技術(shù)的研究發(fā)展，對系統(tǒng)進行理論實驗研究。通過對電液比例系統(tǒng)分析，研發(fā)電液比例壓力控制器，減少本機功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過電子機械 工業(yè)廳堅定達到先進水平。隨著自動化程度提高顯示出比例閥的優(yōu)點，包括結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、控制精度高。

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