电液控制工程技术的应用领域及发展趋势

电液控制工程技术的应用领域及发展趋势

摘要 电液比例技术是一门涉及航空、航天和军事工程领域和民用工业部门，是连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁。电液比例技术以其精度较高、结构简单、成本合理等优点在工业生产中获得了广泛的应用，它的发展强度可以从侧面反映一个国家的工业技术水平，因而受到工业界的重视。

我国在电液比例技术方面与国际水平还有较大的差距，主要表现在产品的耐用性差和产品的种类缺乏。本次对电液比例技术控制的概述主要表现在它的应用领域和在生产实际中的应用以及将来的发展趋势。电液控制工程技术将会给工业生产的发展带来美好的前景。

关键词 电液比例控制 电液伺服技术 液压系统 精度 结构性能

前言

电液比例控制技术是为适应开发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制技术的要求。现代工业的不断快速发展对电液控制技术的自动化、精度、响应速度等方面的要求愈来愈高，因此对控制系统的快速性、动态精度和功率——重量比都提出了更高的要求，电液伺服技术也因此而发展了起来，带动了国民经济的发展，大大带动了工业发展的进度。同时，对国家的政治实力也起到了促进作用，最主要是在军事方面的应用，使得军事控制精度更高，打击目标的能力更加的准确，大大的提升了军队的作战速度和性能，先进电液伺服技术的发展，首先就是应用在军事方面。20世纪60年代，各种结构的电液伺服相继问世，电液伺服技术日趋成熟，与此同时，工业伺服技术也发展了起来。随着工业的发展，融合了各门学科和各门技术，使现代工业设备成为集光、机、电、液、气等多门技术的复合体，综合性能也有了极大的改善。电液比例技术及电液伺服技术就大大的改善了技术结构和性能，集中了电气和微电子技术信号的检测、放大、处理和传输方面的优势，并结合现代工业计算机，实现了机电一体化，随着工业的发展，电液比例和电液伺服技术将会得到更广泛的应用，也会向着越来越精确的方向发展，对国民经济、政治及军事实力的发展起到不可估量的作用。

一．对电液比例技术的概述

（1） 20世纪40年代期间第二次世界大战，由于战争的需要对各种飞行器和武器的自动控制的要求而得到了提高，到了20世纪60年代逐渐日趋成熟。20世纪60年代后期，各类民用工程和国家工业对电液控制技术的迫切需求日趋广泛，因此人们需要开发一种可靠、廉价、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制技术的要求的电液比例控制技术。（2）同时，各种结构的电液伺服阀也相继问世，继而出现了工业伺服技术电液比例控制技术。其中，工业工业伺服控制技术在高性能伺服阀基础上，增大电——机械转换器的输出功率和适当简化伺服阀结构，着重改善阀的抗污染性能，并降低制造成本，但应用范围不是很广。在80年代早期随着工业发展的需要比例控制阀诞生了，对电液技术提出了更高的要求，采用了各种内外反馈、电校正，耐高压比例电磁阀、电控器特性大为提高，稳态特性接近伺服阀，频响为5~30Hz，但有零位死区，既用于开环，也应用于闭环。伺服比例阀是在90年代后期出现，要求阀的制造精度高、过滤精度矛盾淡化，不会存在了零位死区，用比例电磁铁为电——机械转换器，频响为30~100Hz，用于闭环。（3）电液控制技术的应用非常广泛，最主要的是用在提高国民经济的工业制造上，促进了国民经济的快速发展，在我国的军工企业方面的应用也是很广的，对我国的军力的提升起到了很大的作用，在生活

食品方面的生产也有应用，医疗器械的精准度提高了，对医学的发展有着不可估量的作用，给人们的生活提供了更好的保障；现在还广泛的延伸到了农业生产领域，随着该项技术的发展，将会延伸到更广更宽的领域。

二．电液比例技术的概述

1.电液比例技术的概况

20世纪70年代以来，随着对各类工艺过程的深入研究，从而对工程控制提出了更高的要求，现代微电子技术的发展，特别是计算机技术的发展和普及，又为电液比例控制工程提供了基础，电液比例控制技术理论的应用逐步从航天、航空及军事工程领域，普及到民用工业部门，电液比例技术是连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，已成为现代控制工程的基本技术构成之一。第二次世界大战后期，由于飞机的速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度和功率——重量比提出了更高的要求。1940年底，在飞机上首次出现了电液伺服系统。电液比例控制技术，就是要适应开发一种可靠，控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制技术的要求，从60年代末以来，得到迅速发展。与此同时，还发展了工业伺服控制技术。 电液比例技术的含义就是电液比例技术是电一门综合性技术，既实现了液压动力传动，又具有电子控制的灵活性。带比例电磁铁的比例阀、比例泵为电子控制提供了合适的接口，从而生产机械的工作循环更加灵活，甚至能方便实现可编程控制和传动。工作过程柔性很大的各类传动控制系统统一在一起。 电液比例技术填补了传统开关式液压传动技术与电液伺服技术之间的空缺。 电液比例技术已经和正在使各类通用机械和专用机械有可能成为全新概念的机械。在较短的时间里，电液比例技术已在液压传动及控制技术领域是赢得了一席之地。在工程实用上，根据输入信号的方式不同，区分为手动控制和电液控制，而电液控制由根据控制系统的构成特点和技术特性，区分为电液伺服控制和电液比例控制，如下表所示：

，

（2）电液比例技术的含义 电液比例控制技术，是相对伺服控制技术存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、制造和维护费用高，而其更高的响应快速性在一般工业设备中又往往用不着，故发展起来了介于普通开关控制和伺服控制之间的新型电液控制分支。

（3）电液控制比例技术的特征： 比例技术的发展；除中位死区外，在滞环、重复精度等主要稳态特性上已与伺服阀相当，而工作频宽又具有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平；对介质过滤精度要求，阀内压力损失和价格方面，又接近开关阀。因此，赢得了

比电液伺服比例控制远为广泛的应用领域。 下表从不同角度列出了电液伺服元件、电液比例元件和开关元件的性能对比：

表1－1 伺服阀、比例阀、开关阀性能对照表

项目／类别 电液伺服阀 电液比例阀 早期电液阀 开关阀

介质过滤精度μ 3~10 25 25 25

阀内压降MPa 7/21 0.5~2 0.25~0.5 0.25~5

滞环％ 1~3 1~3 4~7

重复精度％ 0.5 0.5 ±1

频宽-3dbHz 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 电液比例控制技术在控制性能上还有一个显著的特点就是具有流量、方向与压力三者间的多种复合型功能。

（4）电液比例控制系统的工作原理：近期发展的高性能比例阀，一般都内含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。电液比例控制阀的原理框图如下图：

电液比例控制阀的原理图及组成

（5）电液比例控制系统的类型和特点：电液比例控制系统，由电子元件及校正单元、电液比例控制单元、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。电液比例控制系统可分为以下几种，

1）比例流量控制系统

2) 比例压力控制系统

3) 比例速度控制系统

4) 比例位置控制系统

5) 比例力控制系统

6）比例同步控制系统

若按被控参数的不同来分类，则可分为：

1）位置（或转角）控制系统；

2）速度（或转速）控制系统;

3）加速度（或角加速度）控制系统；

4）压力（或压差）控制系统；

5）力（或力矩）控制系统；

6）其他参数控制系统。

电液比例控制系统是联系微电子技术与工程功率系统的接口，就本质而言，就是电子——液压——机械放大转换系统。电液比例系统，介于电液伺服系统与开关控制系统之间。从控制特性看，更接近于伺服系统特别是伺服比例阀的系统；从抗污染性、可靠性和经济性看，更接近于开关系统。它具有以下的一些特点：1）可明显的简化液压系统，实现复杂程序控制；2）利用电信号便于实现远距离控制或遥控；3）利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标； 4）操作方便，容易实现遥控；5）自动化程度高，容易实现编程控制；6）工作平稳，控制精度高； 7）结构简单，使用元件少，对污染不敏感；8）系统的节能效果好 9）主要缺点是成本较高，技术较复杂。

三．电液伺服技术概述

1.电液伺服技术发展概况

液压伺服控制是一门新兴的科学技术，是液压技术一个分支，也是控制领域的一个分支。 在武器自动化和工业自动化应用的较多。而今，凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都可以应用液压伺服控制技术。

1940年，飞机上出现了电液伺服系统，坦克装甲车应用机液伺服转向系统。

1950年代，出现了快速响应的永磁力矩马达拖动滑阀，提高了电液伺服阀的响应速度。 1960年代，干式力矩马达的研制成功，使得电液伺服阀的性能日趋完善。

2.电液伺服技术的含义

电液伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统。在这种系统中，输出量（位移、速度、力等）能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律，与此同时，还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大装置。

3.电液伺服控制技术的特征

（1） 电液伺服元件的功率－质量比和力矩－惯量 比（或力－质量比）大——体积小，重 量轻，加速度性好。

（2）液压动力元件快速性好，系统响应快。

（3）控制精度高。（液压刚度大，泄露小。）

（4）液压油能兼起润滑剂作用，从而使元件寿命延长，远比气动系统优越。

4.电液伺服控制系统的工作原理与组成的概述

电液伺服系统的工作原理图

电液伺服系统的基本组成有：输入元件、检测反馈元件、比较元件、放大转换元件、液压执行元件及控制对象。

（1） 按系统输入信号的变化规律分

定值控制系统——输入信号为定值

程序控制系统——输入信号按给定的规律变化

伺服控制系统——输出量能够准确、快速地复现输入量的变化规律

（2）按被控物理量的名称不同分

位置伺服控制系统

速度伺服控制系统

施力伺服控制系统

其它物理量的控制系统

（3）按信号传递介质的形式分类

机－液伺服系统——输入信号、反馈信

号、比较均用机械部件实现

电－液伺服系统——均用电子元件实现

气－液压伺服系统——气动元件实现

四．电液工程应用实例的介绍

电液伺服系统的应用十分广泛，这里就举一个常见的例子。

四．介绍的电液控制工程应用实例与所学专业紧密结合

五．所学专业的基本描述

六．电液控制工程技术的发展趋势

电液比例控制技术史一门起步晚，但发展极为迅速、应用已相当广泛的机电液一体化技术。今天，电液比例控制技术在工业中应用已相当普遍。电液比例控制技术的一个发展趋势是与电液伺服技术密切结合。总体的发展趋势为提高控制的性能，适应机电液一体化主机的发展方向，提高电液控制阀的技术性能，使之适应更高的工作条件要求，并发展成为低成本高工作效率的一门控制技术；促使比例技术、伺服技术和二通、三通插装技术相结合，形成了比例伺服插装技术；传感器、测量放大器的复合一体化的元件极大的提高了比例控制技术的工作效率。总之，电液控制系统会朝着更高的要求发展，要求具有可靠、易控、节能、廉价、精度高、工作平稳等明显而独特的优点发展，其将会在各个工程领域得到越来越广泛、深入的应用和发展。