模块化电液控制系统设计及应用

摘 要：介绍了电液运动控制系统现状、发展趋势和系统设计方法，结合造波机电液运动控制系统的应用说明了该方法的特点。
关键词:电液控制; 伺服系统;设计方法
引言
运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说，运动 控制就是对机械运动部件的位置、速度或力等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。
电液伺服控制技术作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成。由于它具有线性好、死区小、灵敏度高，动态性能好、响应快、精度高等显著优点，因而得到了广泛的应用。电液运动控制主要是以液压缸、液压马达为执行机构，以比例阀或伺服阀配放大器为功率放大单元，以位置、速度或压力传感器组成信号反馈单元，配以必要的控制单元组成闭环运动控制系统。其广泛应用于包装、印刷、纺织、钢铁和装配工业中。
1 现状及发展趋势
目前广泛应用的运动控制系统中主要由电－伺服／ 步进电机（以下简称电－电机）、电液二种，以电－电机应用最为广泛。目前电－电机控制主要由伺服电机和步进电机两种主要执行机构（若需直线运动， 可以在机构上加一些装置如滚珠螺杆加以转化），运动控制卡和控制器构成。目前此类系统结构应用较成熟，遍及工业控制的各方面。相比较而言，电液运动控制系统特点鲜明，善于处理以直线运动为主的位置、力控制，但由于应用场合和规模的限制， 在成熟度及系统应用推广等方面较电－电机运动控制系统落后，且系统设计复杂，对技术人员要求高，所以，目前国内一些大型的电液自动化设备主要依赖于国外进口。
目前电液运动控制系统大部分器件已经产品化、标准化。如，比例阀、伺服阀有相应的产品系列和相关标准，位移、压力等传感器检测元件各厂家都有通用型可替代产品，伺服缸、液压马达等执行元件都有相关产品系列和标准供选型设计参考。系统设计中需要设计人员关注的是系统的核心－液压运动控制器，目前控制器存在多元化、多样化和不通用的特点。电液运动控制器从结构上主要分为以下三大类，1） 基于计算机标准总线的运动控制器；2）Soft 型开放式运动控制器；3） 嵌入式结构的运动控制器。目前国内运动控制系统设计人员设计电液运动控制系统主要针对特定项目，因规模不大数量不多， 系统设计人员首先满足的是系统的功能要求，其次才会考虑系统通用性、可靠性、调试便捷性、操作性能等方面的要求。因此，针对特定项目开发的运动控制系统可移植性差，没有通用性，而且无相关标准约束，不利技术进步，还会带来资源浪费。其存在主要问题是：（1）设计开发周期长，开发出的系统不具备通用性，电液运动控制系统性能不一定能够达到最优化。对机电液运动控制技术的推广帮助不大。（2）系统可靠性不高，通用性不强，造成资源浪费。因此很有必要设计模块化电液运动控制系统，以简化系统设计和调试工作。
电液运动 控制系统的未来发展方向将有传统的放大执行单元逐步转变为开放式的模块化系统，参见图1。控制器将有模块化的专用控制器取代目前的几大类控制器，该控制器需有总线接口用于和上位机进行信息交互，开放式的软件结构用于液压系统参数设定和相关运动参数设定，通用电气接口用于调制器、传感器等电气连接。

2 设计要点
在系统设计前，首先要明确控制要求和控制精度，然后选定元器件，设计液压系统和电气控制原理图。最终将原理图以实物的形式展现出来，通过现场调试达到预设的要求。
2．1 液压系统
在设计液压系统时，首先要确定液压系统中需要控制什么参数，其中主要考量系统流量、压力、驱动元件的运动方向及速度、驱动元件的停止位置及有无加速度控制等。然后根据具体要求选用液压元件，若精度要求不高，可考虑使用比例控制系统。一般比例控制系统可达到位置控制精度3mm，速度控制精度（带压力补偿器）3％，加减速（斜坡时间）0．5s。更高的控制要求可以选择高频响比例阀控制系统，从而保持设定值不受外来干扰所影响，并在不同的工作压力下保持稳定的速度，在不同的输出力下保证相同位置， 在带偏载的情况下作同步运动。其控制精度能够达到：位置误差低于1mm，压力误差低于0．1MPa。若控制要求还高，可以通过选择响应更快、性能更好的伺服阀来提高系统的控制精度。
2．2 电气系统
电气系统配合液压系统完成运动控制要求，其主要为传感器信号检测回路、控制信号回路和控制计算单元。其中传感器的选择要满足分辨率比需要的控制精度高五到十倍并有优良的直线性能和小的迟滞（高动态响应）要求，否则可能带来控制失败或达不到要求。控制器要选择开放式结构的模块化控制器，其分辨率（AD ／ DA 位数）愈高愈好，如果采用数字式控制器，扫瞄时间则愈短愈好，控制算法应专为液压传动作优化，并需要模块化的需用于位置控制而可开关的积分器，用作阀芯平滑化及遮盖保偿的非线性增益，追踪误差补偿，PID 控制，及阀门输出控制器等等。
2．3 综合
选用通用型液压电气元件和模块化液压控制器，构成图2 所示的运动控制系统，除上述提到的液压和电气上要求外还需要满足机械安装、现场信号防干扰等方面的要求。

3 应用举例
现介绍一电液运动控制系统实例的设计思路。在介绍该系统之前，为方便说明，先对实例的流程做简单说明。该实例为液压造波机系统，图3 为造波机造波流程图，由图可见，系统根据给定的要求产生期望波浪的控制信号，由此信号转换为离散的电压时序信号送液压伺服驱动模块。液压控制单元根据检测的位移信号和给定的控制信号比较得出‘偏差’ 信号， 在控制周期内驱动造波机产生水波浪。造波机的控制信号控制造波机产生波浪的过程中，势必存在一定的误差，同时波浪在传播过程中会有一定的波浪变形，直接由计算所得的控制信号驱动造波机产生的波浪与输入值有一定的差别，因此可能需要调整多次才能够达到理想的波形。

电液运动控制系统结构图见图4。其控制逻辑顺序为：移动控制室上位机发送开关量信号控制液压动力系统起停信号，通过现场总线送PLC 操控电机和压力保护等器件的起停。系统压力建立起来后，上位机根据用户要求的造波波形和相关的转换关系，将波形转换为离散控制时序信号分时送控制信号到液压控制器，在控制周期内，控制器接收上位机的运动控制参数并完成其控制驱动执行机构运动。周而复始，控制器依次完成上位机送来的运动控制参数，驱动执行机构推动造波板运动，将这一系列造波板的运动叠加就可以得出期望的波形。同时控制器将检测的位移信号、压力信号回传给上位机供系统监控。

液压控制器在系统中的控制作用为：接收上位机发送过来的控制信号和检测的位移信号比较得出偏差信号，用此信号做控制器的输入，经控制器运算（PID 控制算法）求出控制电压送比例伺服阀放大器， 放大器通过此电压信号控制比例伺服阀的“阀芯”运动，完成对液压缸的控制，液压缸通过四连杆机构推动造波板造出要求的水波。控制过程中，控制器通过采集液压缸的压力信号，做系统监控、压力保护。控制过程中，三液压缸要求运动同步， 控制系统总体控制结构采用单独回路控制，通过检测液压缸的压力可以有效地 控制系统的推力，在达到同步控制要求的同时也很好的起到系统保护和纠偏的功能。
现场应用中，该系统能够很好地完成各参数要求，控制效果良好。
4 结论
电液运动控制系统设计和普通液压系统存在一定差别，通过开放式电液控制模块能够简化系统设计，丰富系统调试手段，并能够有效地提高系统控制精度，系统设计人员在掌握此模块化设计方法后，对技术推广和系统应用有很大的好处。
参考文献
[1] Help Document of WIN－PED． Application Version 5．10,Rexroth Bosch Group,2004
[2] Rexroth 公司样本手册
[3] 吴根茂、邱敏秀、王庆丰《新编实用电液比例技术》[M]．浙江大学出版社2006