液压与气压传动系统控制方法探析

王立永

摘 要：当前，随着液压与气压传动系统控制方法向智能化控制方向发展，传统的控制方法已无法满足自动化设备需求。本文通过阐述液压与气压传动的特点及其应用，分析控制元件阀的控制方法，结合液压与气压传动传动系统在实际生活与工业领域的应用，梳理液压与气压传动系统的控制方法。归纳出目前主要面临的难点与解决方案，及比例PID控制方法进行探索，最后对液压与气压传动系统控制技术的发展给出总结和展望。

关键词：液压与气压传动系统 控制方法 比例PID控制 发展

1 引言

在工业领域液压与气压传动技术普遍应用，他的一些传动优点是机械传动、电气传动无法代替的。液压与气压传动技术在实际使用中，面临很多实际问题。合理将机械部分、电气部分、控制部分的安装与调试，并在工作过程中的故障如何处理成为关键。也是目前职业院校技能大赛的赛项，从而提高学生的实践能力，达到与企业相接轨的目的。《液压与气压传动技术》课程作为机械类、机电类的专业课，是必须掌握的专业知识。液压与气压传动的控制方法是目的降低工作过程故障率，提高生产效率以及保证质量条件之一。工业领域控制方法的发展正向自动化、智能化的方向发展，而流体自动化控制是目前的发展方向。研究流体系统控制方法也是现在面临的问题。

2 液压与气压传动的特点及应用

液压与气压传动系统可以根据工业的需要搭建成各种回路，通过传动系统的控制元件控制流体流量、压力、方向改变执行元件的状态。控制元件调节流量可实现执行元件的无极调速，是传统机械无法实现和替代的优点。这些控制元件除了普通的手动控制之外，可以通过一些控制软件进行自动控制、远程控制。广泛的应用在半自动化和全自动化生产线，是智能制造不可缺失的部分。液压与气压传动的器件作为三化产品，在市面上很容易购买。在设计和维修过程中可根据需求直接购买，大大缩短了设计和制造及其提高了生产效率。液压与气压传动在传动过程中需要经过两次能量转换，传动效率低。并且在传动过程中采用的工作介质为液压油和压缩空气是可压缩，难以保证定比传动。液压油对温度比较敏感，温度发生变化时物理特性发生变化，传动效果随之发生变化。工作过程中发生故障难以检测，只能停机一一排查。液压传动输出力大、传动平稳等的特点，广泛应用飞机起落架的升起和落下，盾构机挖掘隧道以及冲压机冲压模型等，使用了液压传动独特的特点。气压传动采用的工作介质为压缩空气，利用空气来源广泛等特点，广泛应用于气动机械手、气枪、自动门等。总之，液压与气压传动应用于生活和工业各个领域，是不可缺少的部分。

3 液压与气压传动系统控制方法

液压与气压传动系统主要对控制元件阀的控制，控制元件阀改变工作介质液压油与压缩空气的方向、压力、流量实现控制。如果要系统到达需要的控制结果本质是对阀的控制，而阀的控制方式有手动、电动、液动、电液动及其伺服控制。手动控制进行手动操纵阀的操纵杆或通过机械物块的撞击实现控制，可靠性高、自动化差等特点，一般用于系统调试和维修保养过程。电动控制通过电磁铁控制阀芯的移动改变方向及其管路的通断，此种控制方法可靠、反应迅速，但是控制过程中有冲击系统稳定性差。液动控制是利用液体推动阀芯的移动，液体推动平稳性好、可靠取决于阀体的质量和使用时长。电液动控制用电磁铁通断控制油路从而控制阀芯移动，此种控制反应迅速可靠性高、成本高，发生故障难以诊断。伺服控制利用电气的模拟信号进行控制流量、压力精确可靠，也是阀体工业领域最优越的控制方法，可伺服控制阀的成本高，是目前工业领域应用比较少的主要原因。

阀的控制方式有手动、电动、液动、电液动控制及其伺服控制，手动控制通过手动或机械物块的撞击就可以实现，而电动、液动、电液动及其伺服控制必要有相应的电气装置进行控制。常见的电气控制元件有接触器、继电器、单片机、变频器、微型计算机、PLC等，根据各自的特点应用在系统相应的位置。接触器、继电器工作原理通过低压控制高压，在液压与气压传动系统中主要用于泵站的起停，以及系统的一些逻辑控制。变频器通过设置参数进行控制，通过传感器检测的信号反馈给变频器从而控制。微型计算机控制在数控机床的液压系统中比较常见，通过数控装置控制和调节流体的参数。此控制技术需要应用组态技术和其他一些电气元件配合完成，用于系统不变更控制。单片机与PLC是利用程序进行控制，用于搭建的系统经常更换的控制。目前工业领域自动化设备中液压与气压的控制应用微型计算机较多，自动化设备的液压回路原理不需经常更换。而在职业院校教学设备中PLC控制较多，在教学过程中根据需求搭建回路，此控制方法中PLC编程就成为关键。学生必须掌握一定的编程逻辑和指令，才可以支持系统正常工作。

4 液压与气压传动系统控制分析

液压与气压传动系统在工程机械中的应用，装载机、推土机、挖掘机液压系统中需要输出力大，控制简单可靠。他的控制系统是直接手动控制阀实现，也是目的最普遍使用的控制方法。在轻工机械中的应用，打包机、商品包装机采用气压系统，而系统通过按钮控制电磁阀实现，传动迅速、空气的来源容易、成本低得到了广泛应用。在建筑机械中的应用，打桩机、液压千斤顶、平地机的液压系统采用普通手动控制阀可以满足。在汽车工业中的应用有高空作业车、自卸式汽车、汽车起重机、小轿车等，大多使用液压系统手動和按钮控制阀。在冶金机械、铸造机械、锻压机械、纺织机械中的应用，采用液压系统传动要求输出的力可控、位置可靠的优点，而系统的控制元件电磁阀为按钮控制。在机械制造中的应用，组合机床、冲床、自动线、气动扳手有的设备采用液压系统，有的设备采用气压传动，有的设备采用液压与气压传动系统。系统控制有微型计算机控制的、有PLC控制的各不相同。

液压与气压传动系统控制根据系统的不同采用不同的控制方法，对于一些简单最普通设备，采用手动阀或按钮控制电磁阀即可。对于一些数控设备等，液压与气压传动系统比较复杂，数控设备需要实现全自动化或半自动化控制，采用数控设备的控制装置控制电磁阀，即微型计算机控制。对于一些自动线设备，这种设备是机电一体化的产物有机械、电气、液压、气压部分等。需要各部分相互协调，目前普遍采用PLC控制。

采用PLC控制液压与气压传动系统，机械、传感器、液压与气压部分安装与调试。首先需要进行机械部分的安装与调试达到要求，同时进行检测信号的传感器的安装与调试。其次根据要求设计液压与气压回路，在设计的过程中可以借助FluidSLM仿真软件进行辅助，根据要求对液压、气动回路进行科学设计，并对不同设计方案进行全面比较和综合分析，完成对最佳设计方案的优化，这一过程有助于增强创造能力[1]。然后进行液压与气压部分的安装与调试，安装时保证不漏油不漏气，一定要保证管路连接正确以防损坏设备。最后按模块手动给泵站通电进行液压与气压部分的调试，调试液压与气压系统各自的方向、流量、压力达到要求。此时机械、传感器、液压与气压部分调试完成，接下来进行电气部分的安装与调试。首先进行PLC的选择，目前使用最广的PLC有三菱和西门子两大品牌，目前市场相比较三菱价格便宜。其次PLC主模块和扩展模块的选择，选择PLC输出电路形式为晶体管还是继电器，扩展模块需要数字量还是模拟量，根据需求选择和搭建。然后根据系统要求PLC的编程，本质上PLC程序成为系统能否按要求工作的关键，也是保证系统正常工作前提。最后PLC模块根据程序进行接线。此时PLC部分已完成接下整机调试。如果按以上要求调试设备基本可以正常工作，但是设备在运行过程中有可能有各种故障，根据实际情况解决即可。可有一些故障因为执行元件未及时到达指定位置，传感器未检测到信号，PLC在执行程序时逻辑错误使发生设备故障。这种故障是目前自动化设备最常见的故障，此故障只能从PLC程序的编写和传感器选择进行解决。如果保证自动化设备正常工作，传感器信号检测和PLC程序的合理编写成为关键，也是自动化设备面临的问题。

对于液压与气压传动系统PLC控制而言，在运行的过程中会有一些小故障。这也是目前自动化设备很常见的故障问题。可是对于液压与气压传动系统的传动介质是液压油和压缩空气，发生故障不便检测。所以在设计过程中，机械部分的安装与调试保证机械部件动作可靠，管接头密封性好。电气部分的传感器灵敏可靠，接线正确。控制程序逻辑合理。在设备运行中发生故障可依据PLC监控画面的状态判断。PLC监控信号正常，电磁阀已通电，机械部分无动作，断电排除机械部件和管路是否堵塞。PLC监控信号无输入信号，观测工件是否到位和传感器位置是否正确，并检测传感器是否损坏。PLC监控信号正常，机械部分动作错误，首先检测接线是否正常，如正常则检测电磁阀是否安装正确。液压与气压传动系统PLC控制故障处理方法如图1所示，可以很好快速检测出故障。对于工业领域可以提高生产效率。

5 液压与气压传动系统基于PLC的比例PID控制

在液压与气压传动系统中，流体的压力取决于负载。执行元件在运动过程中受到的作用力会发生变化，系统的压力也会发生变化。对于压力控制基本的溢流阀、减压阀、顺序阀性能都会受到影响，从而影响液压与气压传动系统正常工作，造成系统不平稳、震动等故障。对于节流阀当压力发生变化，通过节流阀的流量也会发生变化。在液压与气压传动系统中，流体的速度取决于流量。所以当压力发生变化时，通过节流阀的流体的速度也会发生变化。对于液压与气压传动系统需要稳定工作，必须保证不受外界环境的影响。对于液压与气压传动系统都会受到外界环境的影响，保证系统正常工作必须加相应的反馈控制。反馈系统的类型有开环控制、半闭环控制、闭环控制，开环控制无反馈信号如传统阀来控制。半闭环控制对输出端的信号进行反馈，闭环控制对输出的信号进行反馈，半闭环控制与闭环控制相比后者的反馈性能更好。电液比例控制技术是近几年逐步急速兴起的技术之一，将电控制技术与液压与气压技术等多种技术相结合于一体。具有液压与气压技术控制性能好，也具有电子技术控制方便、可靠等优点。已经应用液压驱动的机器人、叉车以及航空工业领域等。电液比例控制技术就是应用了比例PID控制，也是目前最可靠、稳定的控制技术。PID控制系统对控制对象实时检测与给定的数据比较产生误差比例、积分和微分进行控制的控制系统，比例PID控制方法是其中之一。目前应用于PID控制的阀有比例压力阀、比例换向阀、比例调速阀。对于PLC的比例PID控制检测信号的方法有两种，其一，通过比例控制阀检测信号；其二，通过传感器检测信号。将检测到的信号发送给PLC控制程序，PLC控制程序通过检测的信号比较发出指令控制比例阀。随着比例控制器的发展，在电液比例控制领域，已经形成了典型比例控制放大器如图2所示，其一般由电源变换电路、输入接口、信号处理电路、调节器、颤振信号发生器、前置放大级、功率放大级、测量放大器等部分组成[2]。PLC在此电路中执行的任务是信号处理，而微小的信号必须经过放大处理才可以应用于PLC，所以除检测信号外必须处理放大信号。比例控制器的研究最早出现在发达国家液压元件公司，我国目前大部分公司没有自主研发的比例放大器。比例放大器在电路信号处理中起关键的作用，在比例PID控制系统中不可缺少。PLC的比例PID控制是目前在液压与气压控制系统精密的控制，可以广泛应用于液压与气压系统的设计，及其工业领域。比例PID控制除PLC的编写外，主要是控制算法的编写。控制算法可以通过Matlab软件等完成函数计算及其处理。

6 结语

液压与气压传动系统是工业和生活中不可缺失的部分，對于一些简单系统通过按钮控制即可实现。对于复杂系统需要实现逻辑控制，必要有相应的电气辅助设备。液压与气压传动系统的故障，认真分析问题发生的原因，然后及时采取针对性的措施，建立更加完善的技术体系，加强对关键环节技术的研究[3]。

参考文献：

[1]储胜国. FluidSIM软件在液压与气动技术教学中的应用[J]. 造纸装备及材料， 2021， 50（02）： 141-142.

[2]赵杨. 多路阀用比例控制器及位置控制算法研究[D].燕山大学，2022.DOI：10.27440/d.cnki.gysdu.2022.002381.

[3]李明相， 陈忠润. 液压与气压传动技术的应用[J]. 集成电路应用， 2022，39（02）： 190-191.