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1、第 1章 绪论液压控制系统是以（静）液压控制与换能元件为主要控制元件构建的控制系统。 液压 控制与换能元件通常指液压控制阀、控制用液压泵等。液压控制技术是自动控制技术的一个重要分支。液压控制系统特点鲜明，优势明显， 发挥不可替代的作用。液压控制技术是典型的机电液一体化技术， 是多学科交叉融合发展的范例。 例如，电 气液压控制系统以动力学系统为对象，以负反馈系统设计为手段，集成机械系统、电气 系统和液压系统构建机电液一体化的动态系统。目前，液压控制技术在装备制造业、汽车工业、航天航空、兵器工业、冶金工业、船 舶工业、医疗工程等多领域获得应用。本章将阐述如下问题： 开环液压控制与闭环液压控制系统，
2、 液压控制系统的分类及特 点，液压控制技术的发展历程与趋势，液压控制技术的应用。1.1 开环液压控制与闭环液压控制与机电控制系统一样，液压控制系统也可以分为开环液压控制与闭环液压控制。下 面以机床运动平台控制为例探讨开环控制系统与闭环控制系统。机床运动平台是常见的控制对象。机床运动平台是机床的工作台体，它安装在床身 的滑动导轨上。不同类型机床对运动平台的性能要求不同， 例如平面磨床的运动平台 （工 作台）仅要求实现平稳的水平往复运动，不需要精密控制其位移量。数控加工中心或数 控铣床的运动平台（工作台）作精密进给运动，则需要精确控制平台的运动位移量，否 则影响工件加工质量。为了便于清晰探讨实际液
3、压开环控制与液压闭环控制的异同，以机床运动平台为被 控对象，分别用电磁换向阀、电磁比例方向阀和电液伺服阀作为主要控制元件，建立机 床运动平台的三种常见液压控制系统。1.1.1 用电磁换向阀构建的液压控制系统普通平面磨床水平往复工作台可以采用如图 1.1所示的液压控制方案。因不需要精确 控制运动位移，它采用电磁换向阀构建液压控制系统。三位四通电磁换向阀作控制元件， 采用行程开关或接近开关等作为指令元件，由继电器等构成逻辑运算网络，可以实现控 制信号逻辑运算与功率放大，从而产生足够控制电流驱动电磁换向阀的电磁铁。电磁换向阀的阀芯有三个工作位置，左位、中位和右位。可以控制油路的通断与切 换。对每一个
4、阀口油路来说只有两种状态，即完全打开和完全关闭，所以电磁换向阀归 类于电磁液压开关阀。电磁换向阀只能进行打开与关断油路操作，实现运动平台启停；通过改变油路连接 实现平台运动换向。无法对电磁换向阀的开度进行调节，从而实现对运动平台速度进行 调速控制。为了调节运动平台的运动速度，液压控制系统中安装一个节流阀，实现回油节流调 速。通过调节阀口开度，调节节流阀压差，间接调节经过溢流阀溢流回油箱的流量，从 而改变流入和流出液压缸的液流流量，从而调节平台的运动速度。LT11丄H.1 ：世 II严 E图1.1电磁换向阀控制系统原理图运动平台用节流阀调节速度，只能单独调节节流阀，并且不能采用电气控制方式实 现
5、平台速度渐变控制。平台启停、换向速度变化突然，平台振动冲击大。采用电磁换向阀的液压控制系统原理方块图见图1.2。控制信号由行程开关发出，信号是逻辑控制量（0或1），经过继电器网络进行逻辑运算产生电磁换向阀各个电磁铁的 控制信号，控制相应电磁铁供电与否，控制相应阀芯运动，实现阀芯左、中、右三个工 作位置变化，输出液压控制流量，驱动液压缸，推动机床运动平台运动。在由电磁换向阀构成的液压控制系统中，继电器等只能发出简单的控制指令。控制 信号是单向流动的，只有流向被控对象的前向信号通道。这种控制系统是开环控制系统。 控制指令发出至被控对象响应的时间取决于信号传递途径的每一元件的响应时间。由于 控制指令
6、信号简单，没有控制系统输出跟踪指令信号问题。某一元件若受到干扰，产生 误动作，系统不能自动修正与补偿。图1.2电磁换向阀控制系统原理方块图1.1.2用比例电磁阀构建的液压控制系统比例电磁换向阀是性能较好、价格较贵的新型电磁液压阀。性能要求较高的运动平 台控制，如数控平面磨床，也不需要精确控制工作台位移，可以采用比例电磁阀作为控 制元件，构成如图1.3所示的低冲击、低振动的液压控制系统。比例液压阀采用电信号控制阀芯进行渐变移动，从而控制阀口开度渐变变化，调节比例液压阀的压降和流量等，并在一定程度上实现流量与控制信号间呈现比例变化。程序控制器产生控制运动平台的电信号，并可以采用渐变的电信号控制和调
7、节平台运动速度，从而改变平台在行进间的速度和运动方向。运动平台启停、换向平稳，几乎无 明显冲击。采用比例电磁换向阀的液压控制系统原理见图1.4。控制信号由程序控制器发出，信号是模拟控制量（连续电信号），经过比例放大器进行信号功率放大，控制相应比例电磁 阀的对应比例电磁铁，推动其阀芯产生连续可调的位移，产生连续变化的液压控制流量 驱动液压缸，推动机床运动平台移动。在由比例电磁换向阀构建的液压控制系统中，尽管可以采用程度控制器发出渐变连续控制指令信号，但是控制信号是单向流动的，只有流向被控对象的前向信号通道。这种 控制系统是开环控制系统。指令系统可以发出连续渐变信号，系统输出可以跟踪指令信 号，但
8、跟踪精度低，响应速度慢，响应速度取决于传递信号元件响应时间。不能自动补 偿干扰引起的误差。图1.4采用比例电磁换向阀的控制系统原理方块图1.1.3用电液伺服阀构建的液压控制系统数控加工中心的工作台运动是加工过程的进给运动，需要很高的精度和响应速度。可以采用电液伺服控制系统，它采用电液伺服阀作为控制元件。电液伺服阀是高性能液压控制元件，具有很高的控制精度、 很快的响应速度，不足的是电液伺服阀价格偏高。电液伺服阀常用于电液闭环控制系统。只是在闭环控制系统调试过程中，可以临时用开环控制方式驱动被控对象。用电液伺服阀做控制元件建立的机床运动平台液压控制系统见图1.5。机床安装位移 传感器，用于检测运动
9、平台位置，发出位置电压信号，并经过放大后输入电子控制装置。控制装置将当前机床平台的位置电压信号与控制指令电压信号进行比较，产生偏差电压信号，偏差信号是连续模拟电压量，它可以精确和实时反映机床平台位置与控制指令（要求平台应处于的位置）的差别。偏差信号经过比例放大器进行信号功率放大，控制电液伺服阀的力矩马达，高精度、 高动态控制阀芯位移，产生需要的液压流量和压力驱动液压缸运动，并推动机床运动平 台运动。平台运动被位移传感器检测，并送入电子控制装置。由此构成控制信号封闭循 环回路，控制系统也称为闭环控制。上述控制过程可以用方块图形象描述，如图1.6所示，系统是闭环控制结构。闭环液压控制系统中不仅存在
10、控制器对被控对象的前向控制作用，还存在被控对象对控制器的 反馈作用。闭环控制系统具有控制精度高、动态响应快、自动补偿外界干扰产生误差的 特点。图1.6电液伺服阀液压控制系统原理方块图1.1.4 开环控制与闭环控制的比较开环液压控制和闭环液压控制是液压控制的两类基本控制方式，它们各具特点。1. 开环液压控制采用普通液压阀和比例液压阀的开环控制系统与液压传动系统有很大的技术重合， 它们几乎采用相同类型的液压元件和液压回路。开环液压控制系统性能主要由所用液压元件的性能实现。开环系统精度取决于系统 各个组成元件的精度，系统的响应特性直接与各个组成元件的响应特性有关。液压开环控制系统无法对外部干扰和内部
11、参数变化引起的系统输出变化进行抑制或 补偿。从系统设计方面看，开环液压控制系统结构简单，开环液压控制系统一定是稳定的， 因此系统分析、系统设计及系统安装等均相对容易，而且还可以借鉴液压传动系统的分 析与设计经验。开环液压控制系统与液压传动系统具有较多的共性，区别主要是侧重点 有所不同。开环液压系统经常用于控制精度要求不高，外部环境干扰较小，内部参数变化不大， 并且允许系统响应速度较慢的情况。综上所述，开环液压控制系统是一类简单的无反馈控制方式，只存在控制器对被控 对象的单方向控制作用，不存在被控对象对控制器的反向作用，不能自动补偿干扰引起 的误差。鉴于开环控制系统精度较低、反应较慢，一般不采用
12、工作条件要求高、相对价格高、 性能相对好的伺服阀构建开环控制系统。2. 闭环液压控制闭环液压控制系统经常采用电液伺服阀或直驱阀(direct drive valve ，DDV )作控制元件。电液伺服阀和直驱阀是高性能液压控制元件，它们内部含有闭环反馈控制系统，因 而这两类阀具有很高的控制精度、很快的响应速度。通常，闭环液压控制系统也称液压反馈控制系统，它依据反馈作用原理工作。反馈控制的基本思想是以偏差来消除或抑制偏差，反馈控制系统是利用偏差进行工 作的。通过比较元件将反馈元件检测到的被控对象信息与系统指令元件的控制指令进行 比较形成偏差信号。这个偏差信号经过能量放大，从而能够驱动大功率液压控制
13、阀，控 制液压执行元件，驱动与控制被控对象。闭环液压控制系统结构形成闭环回路。闭环控制系统存在稳定性问题，控制精度与 动态响应速度均需细致设计与调试，所以闭环系统分析、系统设计及系统调试等均较为 繁琐。但是采用闭环控制 (反馈控制 )方式，用精度相对不高、抗干扰能力相对不强的液压 元件有可能建构控制精度高和抗干扰能力强的控制系统，或者在现有液压元件性能的条 件下，有可能利用闭环控制获取更好的控制系统性能及控制效果。反馈控制有开环控制 无法实现的优点。本书将以液压闭环反馈控制问题为主要研究对象。对反馈控制系统的研究结论将有 助于指导开环控制系统设计。反馈控制系统的前向控制通道（从偏差信号至被控对象） 就是一个开环控制系统。6#摘自液压控制系统常同立清华大学出版社 2014.11#