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液压系统电液比例控制技术的发展历史与发展趋势

作者: 大兰液压-标 编辑: DL-TGB 来源: 大兰液压 发布日期: 2022.01.21
信息摘要:
液压系统电液比例控制技术的发展历史与发展趋势

一、发展历史

电液比例控制技术与传统的电液伺服技术相比,具有可靠、节能和廉价等明显特点,形成了颇具特色的技术分支。

电液比例控制技术在20世纪60年代末、70年代初出现,它集中了电气和微电子技术在信号检测、放大、处理和传输等方面的优势,并结合现代工业计算机,实现了机电一体化、远距离控制,使被控系统能按复杂程序动态响应,已经成为现代控制工程的基本技术构成之一。在机电液一体化和工程设备实现计算机控制的技术革命过程中,电液比例控制技术将获得更新、更快的发展。

电液比例控制经过了三个大的发展阶段。

早期的比例阀,产生于20世纪60年代后期,仅将比例电磁铁用于普通液压控制阀,而控制阀原理未变,因而性能较差。频响为1~5Hz,滞环为4%~7%,常用于开环控制。1967年瑞士某公司生产的KL比例复合阀标志着比例控制技术在 液压系统中正式开始应用,主要是将比例型的电机械转换器(比例电磁铁)应用于工业液压阀。

改进型比例阀产生于20世纪80年代初期,其完善了控制阀设计原理,采用各种内外反馈、电校正、耐高压比例电磁铁,使电控器件特性大为提高,稳态特性接近于伺服阀,频响为5~30Hz,但有零位死区,既可用于开环,也用于闭环控制。到20世纪90年代,随着微电子技术的发展,比例控制技术已达到较完善的程度,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,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。

伺服比例阀产生于20世纪90年代中期,其制造精度、过滤精度得以提高,首级阀口零遮盖,无零位死区,用比例电磁铁作电机械转换器,二级阀主级阀口小压差,频响30~100Hz,一般用于闭环控制。

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二、发展趋势

由于电液比例复合阀具有好的控制特性、抗污染性、可靠性和经济性,已成液控技术发展趋势,具有广阔的市场前景。其稳态性能的滞环、重复精度、分辨率、非线性等与一般工业用电液伺服阀几乎相当,但动态响应比伺服阀稍低,在较大的参数调节范围内运行,故控制回路中的非线性因素不能忽略。电液比例控制系统的发展趋势主要集中在两大方面。

(1)比例阀。

①提高比例阀性能,适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀的性能,使之适应野外工作条件,并开发低成本比例阀,其主要零件与标准阀通用。

②比例技术与二通和三通插装技术相结合,形成了比例插装技术,特点是结构简单、性能可靠、流动阻力小、通油能力大、易于集成。此外出现比例容积控制,为中、大功率控制系统节能提供新手段。

③由于传感器和电子器件的小型化,出现了传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件,极大地提高了比例阀(电反馈)的工作频宽。其主要表现有:①高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制;②带集成式放大器的位移传感器(200Hz)的开发,为电反馈比例阀小型化、集成化创造良好的条件;③伺服比例阀(闭环比例阀)内装放大器,具有伺服阀的各种特性,零遮盖、高精度、高频响,但其对油液的清洁度要求比伺服阀低,具有更高的工作可靠性。

(2)比例控制系统。电液比例控制系统属于本质非线性和不确定性系统,如电液伺服阀的压力一流量特性、液压动力机构的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性;而不确定性因素则包括外来干扰力、温度变化、油源压力和流量脉动等。因此,比例控制性能提高还有赖于许多新型的控制技术。

①PID控制。PID控制方法是经典控制理论的代表,它是基于系统误差的现实因素、过去因素、未来因素进行线性组合来确定控制量,具有结构简单、易于实现等特点,在电液伺服系统中广泛应用。但传统的PID控制器采用线性组合方法,难于协调快速性和稳定特性之间的矛盾,在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性不够好,而电液比例控制系统的参数是随时间变化的,参数呈非线性变化,因此在相当多的情况下,PID不能取得令人满意的效果,近年来吸收智能控制的基本思想并利用计算机的优势,形成了模糊PID、自适应PID、非线性PID等变种控制器。

②状态反馈控制。电液控制系统的状态反馈控制方法,除了位置信号进行反馈外,执行器的速度和加速度(压力)也反馈回控制器中,由于液压系统阻尼ξ一般较低,通过加速度(压力)反馈可大大提高系统的阻尼,从而显著地改善了系统的响应。

③自适应控制。针对电液比例控制系统的非线性和不确定性,自适应控制的应用非常广泛,因为自适应控制算法能自动辨识时变系统参数,相应地改变控制作用,使系统的性能达到最优或次最优。当前应用最成熟的主要有两类:①自校正控制(STC);②模型参考自适应控制(MRAC)。STC -般适用于慢时变的对象调节,而具有参数突变和突加外负载干扰的电液比例控制系统往往不能满足,因此,液压系统中应用的自适应控制大多为MRAC或其变形。自适应控制尽管极大地改善了系统性能,但在使用过程中也带来了一些问题,如对于STC,由于要进行大量的辨识计算,对于响应很快的系统进行实时控制很难;而对于MRAC,主要的困难是选择一个合适的参考模型以及要按李雅普诺夫稳定理论或波波夫超稳定理论来设计自适应律。所以吸收其他控制方法的优点,研究算法简便、鲁棒性强的自适应律是近年来发展的方向,如自适应前馈控制、鲁棒自适应控制,非线性自适应控制等。

④变结构控制(VSC)。变结构控制是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器的结构,使系统按照滑模规定的规律运行的一种控制方法,其在电液控制系统应用较广泛的是滑模控制(Sliding Mode Control)。VSC系统与传统的控制系统相比,具有控制规律简单,可以协调动态和稳态性能间的矛盾,特别是其滑动模态(SM)对系统参数变化和外部干扰具有完全不变性,其主要缺点是由于频繁切换而存在较严重的抖动现象,另外,它也不宜应用于采样周期较长的控制系统。近年来,出现了模糊控制和神经网络控制实现的离散变结构控制。

⑤模糊逻辑控制(FLC)。FLC的引入主要是考虑到可不需要建立数学模型,而依靠模糊推理或其他先验知识来调定控制器。模糊控制适用于被控参量无精确的表示方法和被控对象各种参数之间无精确的相互关系的情况。在这种情况下,FLC比精确控制优越,而电液比例控制系统正属于此类情况(如影响系统动态品质的液压固有频率ω和阻尼比ξ等,与系统的软量有关,难以精确算出)。FLC在电液比例系统中的应用主要有两种形式:①模糊控制器直接驱动对象;②用来确定状态反馈控制器的反馈增益。

⑥神经网络控制(NNC)。NNC是模仿人类的感观和脑细胞的工作原理而工作的,系统中的硬件是模仿神经细胞网络,软件则是模仿神经细胞的工作方式,即每个神经单元接受信号按“乘权值后相加”,输出信号按“阈值”大小确定,而“权值”和“闽值”的确定是通过已知输入、输出关系和合适的算法使输出的实际值同要求值间的偏差尽量小。

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