比例阀在控制系统中的应用

黄惠明

[摘    要]随着我国经济高速发展，工业机械液压系统控制对设计者提出更高的要求。电液比例阀具有响应速度快等优点，国内掀起研制电液比例阀的浪潮，但对内部流量特性研究不足，使得各方面技术落后。采用理论分析法深入研究比例阀在控制系统中的应用，介绍比例阀结构原理及在热处理中的应用，为电液比例阀的研制提供理论依据，为研究电液比例阀应用找到新的思路，降低电液比例阀研制成本。

[关键词]比例阀;控制系统;应用

[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]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

隨着社会经济的发展，在空调制冷、自动车等领域对各种弯曲成形管件规格的需要不断增加，对弯曲形管件提出更高的要求。由于我国管材弯曲加工设备落后，购买国外进口弯管机设备价格昂贵，大多数数控弯管机系统采用电液伺服阀产生弯曲力矩，而电液伺服对油的品质要求严格。电液比例阀是介于开关阀与伺服阀的液压元件，其优点是控制水平与伺服阀相当，其动静态性能满足工业应用要求。比例阀具有多种复合控制功能，可以提高控制性能。随着电液比例阀控制技术的发展，逐渐取代电液伺服阀。电液比例阀能实现流量与方向控制，电液比例阀控系统具有可靠性好等优点。

1 电液比例技术的发展

现代电液控制技术发展源于二战时期，当时对武器的自动控制系统研究取得很大进展，战后喷气式飞行器速度提高，对控制系统提出更高的要求。1940年飞机上首次出现电液伺服系统，50年代出现高速响应的永磁式力矩马达。电液伺服系统成为响应最快的伺服系统。60年代各种结构的电液伺服阀问世。电液伺服系统成为航空航天自动控制的重要部分。

现代微电子集成技术发展，为工程控制系统提供现代化电子装置。由于电液伺服器件价格昂贵，控制损失较大，很多场合不要求过高的控制精度，现代工业发展要求开发廉价、响应特性满足工业控制系统需求的电液控制技术。现代电子技术发展为电液比例技术发展经历4个阶段，1967年瑞士公司生产KL比例复合阀，是比例技术的诞生期，大多不含受控参数反馈闭环。1975-1980年为比例技术发展第二阶段，应用领域逐渐扩大。20世纪80年代比例技术发展进入第三阶段，比例元件设计采用压力校正手段，提高阀的稳态精度。比例阀动态特性与工业伺服阀相当。

液压传动是新兴学科，17世纪液压技术应用得到广泛传播，二战期间各种军事武器改良涌现出许多高响应速度的军事化武器，液压传动技术得到迅速发展。战后人们发现液压技术的优点，将液压技术应用于各种设备的生产及自动化生产线。比例技术与插装阀结合，开发二三通型比例插装阀。由于传感器小型化，电液比例容积元件出现，为大功率工程控制系统节能提供技术基础。90年代中后期各种节能负载敏感控制等节能器件日益增多。高速开关阀在快速性等方面具有独特优势。出现伺服与比例技术结合的伺服比例阀，技术融合为未来技术体系目标实现打下基础。

我国液压工业经过多年发展，形成种类齐全的科研系统，生产液压设备广泛应用于工农业、航空航天等各部门。随着科技的迅速发展，国营军工行业对生产元器件性能要求不断提高。为保证产品质量，需要用液压实验台进行测试工作。液压运动控制实验台可以对液压系统测试，是液压学习与伺服比例控制技术的有利工具。随着我国工业自动化快速发展，比例控制技术广泛应用于工业生产及家庭生活。由于非对称液压具有构造单一、生产成本低等优点，在工业生产中得到广泛应用，很多力加载实验中精度低会降低实验数据的可靠性。研究电液比例阀在控制系统中的应用对实际生产具有重要意义。

2 电液比例控制系统原理

当前我国经济高速发展，对基层设施建设有迫切要求。基建实施需要工程机械，人们对工程机械产品提出更高的要求，如自动化程度高，良好的人机界面等。危险恶劣环境下作业需求增加，对能耗控制提出更高的要求。设计高精度控制系统成为工业界关注的焦点。工程机械智能化得到很大提高，电液比例阀卓越性能对工程机械性能提高起到很大作用，电液比例阀具有抗污染能力强、形式多样，维护成本低等优势，在液压设备控制系统应用日益广泛。

电液比例控制系统是通过使用比例控制元件接受输入电信号，使压力连续成比例受控制的液压系统。系统工作中位移传感器检测负载位置信号，得出控制电压U经放大器后调节电液比例节流口开度。电液比例位置控制系统包括指令元件、液压执行元件等。指令元件是给定控制信号的产生元件，有反馈信号下给出控制信号Ui，指令信号常见的是手动预置设定。控制算法功用是把给定输入信号通过控制算法类，如遇到不同类量进行比较，需要进行信号类型转换。液压执行元件指液压缸，低摩擦单活塞杆液压缸是系统输出装置。电磁铁需要控制电流较大，比例放大器作用是对输入信号加工放大。

比例阀内部分为电—机械转换器与液压放大元件，电—机械转换器输出力改变液压放大级的控制液组，闭环控制需要加入检测反馈元件，检测元件往往是信号转换器，内环检测元件包含在比例阀内，外环检测元件检测输出量。比例阀包括机械转化部分与执行部分，比例放大器将标准信号I与给定电位器输出信号Id比较放大，比例放大器使电机与电源接通正反转。由伺服电机经减速后带动旋转式节流阀改变电流口大小，使输出流量与输入信号成正比。输出流量与出入口压力有关，Q=CdA（x）ΔP√2/3，ΔP为节流口前后压差;Cd为近似常数;Q额输出流量;A（x）为通流面积。改变流通面积可实现流量控制。

3 电液比例阀系统特点

开关液压阀通过调节阀体手柄调节被控量，电液伺服可连续对控制对象做精确控制。电液比例阀液压控制回路原理与常规开关阀相同，性能可满足大多数工业场合要求。目前比例电磁铁功率在15～40 V·A，通常采用半闭环即可满足工业控制要求，具有动态响应快等优点，但存在厂家生产不同比例阀不能通用控制器等缺点。

电液比例阀控制系统由比例电磁铁等部分组成，比例电磁铁将电信号转变为机械位移信号，比例电磁铁控制线圈电压增量方程为ΔUc=LdΔi/dt+（Rc+rp）Δi+ke（dΔy）/dt，Rc，rp为线圈与放大器内阻，ΔUc，Δi为线圈电压与电流;Δy为电磁铁位移。比例电磁铁线圈电感较大，可减少线圈匝数加大上升电流时间，提高动态性能。比例电磁铁存在明显电磁滞环，有些参数受温度影响大，在20 ℃变化中阻值变化为30%以上。通过分析简化后得到传递函数，比控式比例压力阀传递函数可简化为三阶系统。

电液比例阀控制器主要解决电磁滞环及超调量较大问题，电液比例阀控制器电路采用PWM技术，可提高功放输出开关电压U，功放输出开关电压U加在比例电磁铁线圈上，使其上电流I变为小幅度放点波动叠加交流信号直流电流，能提高电磁芯对电流响应的灵敏度，震颤作用效果取决于电流波动频率。通常将方波频率选在电磁铁芯无阻尼自然频率1.2～2倍。调整输出电壓频率会使死区减小。

控制电路中可通过变换，让输出电流按控制要求升降，使机械与液压在变速运动变化时无冲击。其电流升降调整速度范围为0.1～5 s，可通过程序给定电位器，将电位器给定电压送入控制电路，给定信号接输入0～9 V模拟电压实现无极控制调整输出。

4 电液比例阀在控制系统的应用

目前工业控制场合比例阀采用开环控制满足要求，输出电压幅值可选小数，比例流量阀改变阀芯形成薄壁节流口满级控制流量，阻尼系数较大，提高抗干扰性能。由于阀的参数不同，产品选定输出电压后调整PWM频率f，系统有振荡可以调整振荡电位器，流量阀控制器对频率敏感差，需拆除原因刷线路板上电阻调整f。目前电气设备中气缸活塞主要采用伺服系统定位，响应速度快，但很少用于普通场合。比例阀具有与节流阀相似的抗污染能力，采用比例系统控制气缸任意位置定位精度在±0.2 mm内，见表1。

选用控制器主义温度漂移参数，如电流最大输出为1 000 mA，相当于1 mA/℃，国外力士乐公司温度漂移指可达0.6% （Imax）/℃，输出级功率驱动发热低于其他控制器，不许附加散热器。采用程控输入，可预先调好，在0.1～5 s内调整，可断开电位器接线加上时间，将原接线通过控制接口接入外部斜坡电位器。

5 结束语

文章分析了电液比例控制技术的研究发展，对系统进行理论实验研究。通过对电液比例系统分析，研发电液比例压力控制器，减少本机功耗，提高系统稳定性，通过电子机械 工业厅坚定达到先进水平。随着自动化程度提高显示出比例阀的优点，包括结构简单、操作方便、控制精度高。

参考文献

[1] 刘霞勇.双阀并联电液伺服系统自适应鲁棒控制研究[D].镇江：江苏科技大学，2019.

[2] 张璇.双阀并联电液伺服系统预测控制方法研究[D].镇江：江苏科技大学，2018.

[3] 刘峰.基于海水淡化的电液比例控制系统研究[D].秦皇岛：燕山大学，2017.

[4] 刘凯磊.挖掘机电液控制系统进出口独立控制特性分析与实验研究[D].秦皇岛：燕山大学，2016

[5] 苏琦.先导式电液比例方向阀换向滞后分析及其补偿方法研究[D].杭州：浙江大学，2016.