7.3比例阀与比例控制系统 比例控制技术是上世纪六十年代末人们开发的一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统 实际需要的控制技术。电液比例控制技术是介于普通液压阀的开关控制技术和电液伺服控制技术之间的控制方式 它可以实现对液体压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化。因此,电液比例控制技术的控制性能优于普 通液压阀的开关式控制。虽然与伺服阀相比,由于比例阀在中位有死区,所以在控制精度和响应速度上,还略有些 差距。但它显著的优点是抗污染能力强,大大地减少了由污染而造成的液压系统τ作故障;另一方面比例阀的成本 比伺服阀低,结构也简单,已在许多场合获得广泛应用 比例控制技术经过几十年的不断地发展,目前已达到较为完善的程度。主要表现在三个方面:首先是采用了 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,这些标志着比例控制设计原 理已经完善;其次是比例技术与插装阀已经结合,诞生了比例插装技术;再次是以比例控制泵为代表的比例容积元 件的诞生,进一步扩大了比例控制技术的应用 7.3.1、比例阀的工作原理和类型 电液比例阀的结构形式很多,与电液伺服阀类似,通常是由电气—机械转换器、液压放大器(先导级阀和功率 级主阀)和检测反馈机构组成(图7-19)。若是单级阀,则无先导级阀;否则为多级阀。比例电磁铁、力马达或力 矩马达等电气-机械转换器用于将输入电信号通过比例放大器后转换为力或力矩,以产生驱动先导级阀运动的位移 或转角。先导级阀又称为前置级(可以是湑阀、锥阀、喷嘴挡板阀或插装阀),用于接收小功率的电气机械转换 器输入的位移或转角信号,将机械量转换为液压力驱动主阀;主阀(滑阀、锥阀或插装阀)将先导级阀的液压力转 换为流量或压力输出;设在阀内部的检测反馈机构(可以是液压、机械、电气反馈等)将先导阀或主阀控制口的压 力、流量或阀芯的位移反馈到先导级阀的输入端或比例放大器的输λ端,实现输入输岀的平衡。 液压放大器 压力 流早 入七信钉「北例「他气积 人器转换器 札械液压电气 检测反烷机构 图7-19电液比例阀的组成 比例控制的核心是比例阀。比例阀的输入单元是电_机械转换器,它将输入信号转换成机械量。转换器有伺服 电机和步进电机、力马达和力矩马达、比例电磁铁等形式。但常用的比例阀大都采用了比例电磁铁,比例电磁铁根 据电磁原理设计,能使其产生的机械量(力或力矩和位移)与输入电信号(电流)的大小成比例,再连续地控制液 压阀阀芯的位置,进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。比例磁铁的结构如图7-20所示,由线圈、 衔铁、推杄等组成,当有信号输入线圈时,线圈内磁场对衔铁产生作用力,衔铁在磁场中按信号电流的大小和方向 成比例、连续地运动,再通过固联在一起的销钉带动推杄运动,从而控制滑阀阀芯的运动。应用最广泛的比例电磁 铁是耐高压直流比例电磁铁。 区X 图7-20比例电磁铁结构简图 1—推杆;2—销钉;3—线圈;4—衔铁 比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几类 (1)力控制型:这类电磁铁的行程短,只要1.5mm,输出力与输入电流成正比,常用在比例阀的先导控制级
7.3 比例阀与比例控制系统 比例控制技术是上世纪六十年代末人们开发的一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统 实际需要的控制技术。电液比例控制技术是介于普通液压阀的开关控制技术和电液伺服控制技术之间的控制方式。 它可以实现对液体压力和流量连续地、按比例地跟随控制信号而变化。因此，电液比例控制技术的控制性能优于普 通液压阀的开关式控制。虽然与伺服阀相比，由于比例阀在中位有死区，所以在控制精度和响应速度上，还略有些 差距。但它显著的优点是抗污染能力强，大大地减少了由污染而造成的液压系统工作故障；另一方面比例阀的成本 比伺服阀低，结构也简单，已在许多场合获得广泛应用。 比例控制技术经过几十年的不断地发展，目前已达到较为完善的程度。主要表现在三个方面：首先是采用了 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，这些标志着比例控制设计原 理已经完善；其次是比例技术与插装阀已经结合，诞生了比例插装技术；再次是以比例控制泵为代表的比例容积元 件的诞生，进一步扩大了比例控制技术的应用。 7.3.1、比例阀的工作原理和类型 电液比例阀的结构形式很多，与电液伺服阀类似，通常是由电气—机械转换器、液压放大器（先导级阀和功率 级主阀）和检测反馈机构组成（图7-19）。若是单级阀，则无先导级阀；否则为多级阀。比例电磁铁、力马达或力 矩马达等电气-机械转换器用于将输入电信号通过比例放大器后转换为力或力矩，以产生驱动先导级阀运动的位移 或转角。先导级阀又称为前置级（可以是滑阀、锥阀、喷嘴挡板阀或插装阀），用于接收小功率的电气—机械转换 器输入的位移或转角信号，将机械量转换为液压力驱动主阀；主阀（滑阀、锥阀或插装阀）将先导级阀的液压力转 换为流量或压力输出；设在阀内部的检测反馈机构（可以是液压、机械、电气反馈等）将先导阀或主阀控制口的压 力、流量或阀芯的位移反馈到先导级阀的输入端或比例放大器的输入端，实现输入输出的平衡。 图7-19 电液比例阀的组成 比例控制的核心是比例阀。比例阀的输入单元是电—机械转换器，它将输入信号转换成机械量。转换器有伺服 电机和步进电机、力马达和力矩马达、比例电磁铁等形式。但常用的比例阀大都采用了比例电磁铁，比例电磁铁根 据电磁原理设计，能使其产生的机械量（力或力矩和位移）与输入电信号（电流）的大小成比例，再连续地控制液 压阀阀芯的位置，进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。比例电磁铁的结构如图7-20所示，由线圈、 衔铁、推杆等组成，当有信号输入线圈时，线圈内磁场对衔铁产生作用力，衔铁在磁场中按信号电流的大小和方向 成比例、连续地运动，再通过固联在一起的销钉带动推杆运动，从而控制滑阀阀芯的运动。应用最广泛的比例电磁 铁是耐高压直流比例电磁铁。 图7-20 比例电磁铁结构简图 1—推杆； 2—销钉； 3—线圈； 4—衔铁。 比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几类： （1）力控制型：这类电磁铁的行程短，只要1.5mm，输出力与输入电流成正比，常用在比例阀的先导控制级 上
(2)行程控制型:由力控制型加负载弹簧共同组成,电磁铁输岀的力通过弹簧转换成输出位移,输出位移与 输入电流成正比,工作行程达3m,线性度好,可以用在直控式比例阀上。 (3)位置调节型:衔铁的位置由阀内的传感器检测后,发岀一个阀内反馈信号,在阀内进行比较后重新调节 衔铁的位置,阀内形成闭环控制,精度高,衔铁的位置与力无关,在精度上几乎可以和伺服阀相比,国际上不少著 名公司生产的比例阀都采用这种结构 比例阀按主要功能分类,分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、比例复合控制阀四大类 (1)比例压力阀:有溢流阀、减压阀,顺序阀,可以连续地对系统压力进行调节 (2)比例方向阀:输入电流的极性决定了液流的流动方向,阀芯的行程与输入电流的大小成比例,方向阀又 分内带位置传感器与不带位置传感器两类; (3)比例流量阀:有比例调速阀和比例溢流流量控制阀,可以连续地对系统流量或速度进行调节; (4)比例复合控制阀:一般是由两种不同功能的阀在结构上组合构成,如比例方向阀与定差减压阀组合起来 构成的复合控制阀,使通过阀的流量不受负载影响,适合应用于开环控制系统中 每一类又可以分为直接控制和先导控制两种结构形式,直接控制用在小流量小功率系统中,先导控制用在大流 量大功率系统中,构成电液比例阀 7.3.2、比例阀的选用 (1)根据用途和被控对象选择比例阀的类型。 (2)正确了解比例阀的动、静态指标,主要有额定输岀量、起始电流、滞环、重复精度、额定压力损失、温 飘、响应特性、频率特性等。 (3)根据执行件的工作精度要求选择比例阀的精度,内含反馈闭环的阀的稳态、动态品质好。如果比例阀的固 有特性如滞环、非线形等无法使被控系统达到理想的效果时,可以使用软件程序改善系统的性能。 如果选择带先导阀的比例阀,要注意先导阀对油液污染度的要求。一般应符合ISOl85标准,并在油路上 加装104的进油滤油器。 (5)比例阀的通经应是执行器在最大速度时通过的流量,通径选得过大,会使系统的分辨率降低。 比例阀必须使用与之配套的放大器,阀与放大器的距离应尽可能的短,放大器采用电流负反馈,设置斜坡信号 发生器,控制升压、降压时间或运动加速度及减速度。断电时,能使阀芯处于安全位置。 7.3.3、比例控制系统 比例控制系统有直接比例控制和电液比例控制,本质上与伺服系统控制相似,可以参照伺服系统进行分析。根 据有无反馈分为开环控制和闭环控制。比例阀控液压缸或马达系统可以实现速度、位移、转速和转矩等参数的控 制,图7-21是开环比例控制系统结构方框图, 图7-22是闭环比例控制系统结构方框图。其分析和设计方法可以参照液压伺服系统进行。 液玉源 放人 比例阀 压缸、与 控制象 图7-21开环比例控制系统职能图 液压訴 输入 放大微 比例阀 压江、 控3 图7-22闭环比例控制系统职能图 7.3.4电液伺服系统与比例伺服系统的比较
（2）行程控制型：由力控制型加负载弹簧共同组成，电磁铁输出的力通过弹簧转换成输出位移，输出位移与 输入电流成正比，工作行程达3mm，线性度好，可以用在直控式比例阀上。 （3）位置调节型：衔铁的位置由阀内的传感器检测后，发出一个阀内反馈信号，在阀内进行比较后重新调节 衔铁的位置，阀内形成闭环控制，精度高，衔铁的位置与力无关，在精度上几乎可以和伺服阀相比，国际上不少著 名公司生产的比例阀都采用这种结构。 比例阀按主要功能分类，分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、比例复合控制阀四大类： （1）比例压力阀：有溢流阀、减压阀，顺序阀，可以连续地对系统压力进行调节； （2）比例方向阀：输入电流的极性决定了液流的流动方向，阀芯的行程与输入电流的大小成比例，方向阀又 分内带位置传感器与不带位置传感器两类； （3）比例流量阀：有比例调速阀和比例溢流流量控制阀，可以连续地对系统流量或速度进行调节； （4）比例复合控制阀：一般是由两种不同功能的阀在结构上组合构成，如比例方向阀与定差减压阀组合起来 构成的复合控制阀，使通过阀的流量不受负载影响，适合应用于开环控制系统中。 每一类又可以分为直接控制和先导控制两种结构形式，直接控制用在小流量小功率系统中，先导控制用在大流 量大功率系统中，构成电液比例阀。 7.3.2、比例阀的选用 （1）根据用途和被控对象选择比例阀的类型。 （2）正确了解比例阀的动、静态指标，主要有额定输出量、起始电流、滞环、重复精度、额定压力损失、温 飘、响应特性、频率特性等。 （3）根据执行件的工作精度要求选择比例阀的精度，内含反馈闭环的阀的稳态、动态品质好。如果比例阀的固 有特性如滞环、非线形等无法使被控系统达到理想的效果时，可以使用软件程序改善系统的性能。 （4）如果选择带先导阀的比例阀，要注意先导阀对油液污染度的要求。一般应符合ISO18/15标准，并在油路上 加装10 的进油滤油器。 （5）比例阀的通经应是执行器在最大速度时通过的流量，通径选得过大，会使系统的分辨率降低。 比例阀必须使用与之配套的放大器，阀与放大器的距离应尽可能的短，放大器采用电流负反馈，设置斜坡信号 发生器，控制升压、降压时间或运动加速度及减速度。断电时，能使阀芯处于安全位置。 7.3.3、比例控制系统 比例控制系统有直接比例控制和电液比例控制，本质上与伺服系统控制相似，可以参照伺服系统进行分析。根 据有无反馈分为开环控制和闭环控制。比例阀控液压缸或马达系统可以实现速度、位移、转速和转矩等参数的控 制，图7-21是开环比例控制系统结构方框图， 图7-22是闭环比例控制系统结构方框图。其分析和设计方法可以参照液压伺服系统进行。 图7-21 开环比例控制系统职能图 图7-22 闭环比例控制系统职能图 7.3.4 电液伺服系统与比例伺服系统的比较
表7-1电液伺服系统与比例侗服系统的比较 名称 性 区别 (1)均为闭环控制 (2)输出为位置、速度、力等各种物理量 电液伺服系统 (3)控制元件为伺服阀 (1)输入为小功率电 (4)控制精度高、响应速度高 气信号 (5)用于高性能的场合 (2)输出与输入呈线性关 (1)一般为开环控制,性能要求高时也可闭环控制 (3)可连续控制 (2)一般输出为速度或压力,闭环时也可以是位移等 电液比例系统 (3)控制元件为比例阀 (4)控制精度较低、响应速度较低 (5)用于般工业自动化场合
表7-1 电液伺服系统与比例伺服系统的比较 名称 共性 区别 电液伺服系统 （1）输入为小功率电 气信号 （2）输出与输入呈线性关 系 （3）可连续控制 （1）均为闭环控制 （2）输出为位置、速度、力等各种物理量 （3）控制元件为伺服阀 （4）控制精度高、响应速度高 （5）用于高性能的场合 电液比例系统 （1）一般为开环控制，性能要求高时也可闭环控制 （2）一般输出为速度或压力，闭环时也可以是位移等 （3）控制元件为比例阀 （4）控制精度较低、响应速度较低 （5）用于一般工业自动化场合