英文做家：PeterNachtwey/DeltaComputerSystems

华文校译：腾益登

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引言

最佳的把持器和软件也没法征服策画卑劣的液压系统。

本文重心

模范的伺服液压活动把持系统，伺服阀都是尽也许的靠拢油缸装配。一些行家也保举对此类液压运用采纳非常策画的把持器。

对油缸缸径的仿真也考证了，油缸缸径越大，压力也越相对不变。

模范的伯德图显示了阀芯的幅值响相应相位滞表态对于把持记号频次的函数。

阀的测试特点弧线显示了不同阀的办事特点。只需颠末阀的压差不变，具备伺服阀德行阀芯的线性阀也许供给比例于把持记号的流量。

正文

寰球化比赛请求咱们的工场经营者面对着永无尽头的让设施更高效运转的职责当中。这时时请求咱们的活动把持系统更高速，更切确。但是在一个闭环把持系统，更高的速度和精度必然始于优越的元件策画。不管你是如许介意把持器和软件，倘若流体把持系统中的油缸和阀没有获得很好的策画选型也许准确的装配，系统的功能就会大打扣头。

油缸策画选型

对于线性实行器，系统运用请求一般注重于设定路程和轮回周期。策画者决计油缸规格尺寸以及油压巨细。事实中的一个个性题目便是试图颠末下降油缸尺寸来到达提拔实行器速度的方针。工程师时时倘若，对于给定的流量，油缸越小，加快更快捷，运转更快。但是，这只合用于轻载。对于中、重载操纵的实行器，其供给的力而不是流量束缚了加快、匀速以及加速。由于活塞直径决计输效力，过小的油缸就永久没法获得所需的速度和轮回周期。

策画者首先琢磨到的便是操纵特别简明的公式V=Q/A，但是这惟有当原料m=0的功夫才是揣度切确的。当揣度流量时，只操纵公式Q=VA。

本相上，没有很简明的东西来优化油缸的直径。这边商议两个公式，每个都有其好处平控制性。咱们发起用这两个公式来揣度油缸面积，取其大者。第一个公式来自JackJohnson的著做：DesignofElectrohydraulicSystemsforIndustrialMotionControl（产业活动把持电液系统的策画）。

基于在两个办事点给定的力和速度，它切确的揣度了油缸所需的面积。举个例子，一个点便是当油缸运转到端部：F=ApPs和V=0。其余一个点便是在憧憬的运转速度下所需的力巨细。当加快度为零时，云云的公式揣度是准确的，但是没有琢磨到当实行器加快和加速时油液的收缩和膨胀。这也会致使让人信托提拔系统压力是一个很好的减小油缸规格尺寸的举措，但是这不合用于加快和加速很快的时势。

对于高功能活动把持，DeltaComputerSystems公司提议了第二个公式用以保证系统的当然的频次高于活动频次的3~4倍。举个例说，倘若加快频次是5Hz，实行器的当然频次就理当约20Hz。这取决于β：

β是油液的不成收缩性常数也许叫体积弹性模量。其一般取,psi，但是当油液里含有气体时，其值大大下降。

这个格式也在试图下降油缸的规格尺寸，由于它做了一些达观的假使。重要的一点便是阀直接装在油缸上。倘若不是这类状况，便是须要琢磨毗连至油缸的软管长度。软管的横截面一般比油缸的小不少。在阀和油缸之间的软管也许硬管使揣度繁杂化并下降了系统功能。恰是由于这个道理，尽也许的把阀就近油缸装配，而且采纳硬管毗连。

阀的考量

上述所商议的第一步首先揣度油缸规格，也许保证系统有优越的动态相应，餍足加快、加速的请求。这也一般象征着须要揣度系统所需的压力。

下一步便是须要决计阀的规格（额定流量），在揣度完油缸尺寸以后，这是直驱而入的一步。须要注重的是：伺服阀和伺服比例阀的额定流量一般是基于压降ΔP=70bar(1,psi)而别的比例阀一般基于压降ΔP=10bar(psi)。这个差别是很大的。1psi压降的流量大概是psi压降的流量的2.65倍。但是，取舍符合的阀不单是一个额定流量的取舍，由于大多阀再有不少成效选项须要琢磨。

取舍甚么范例的阀

第一个须要肯定的便是用伺服阀仍然比例阀。两者重要的差别就在于阀芯是怎样挪动的。比例阀采纳电气线圈和磁铁鞭策阀芯挪动，办事道理有点像声响的音圈。其余一方面，伺服阀欺诈一个很小的力矩马达把持先河压力，接着把持主阀芯挪动。

形成挪动阀芯的力和阀的相应各不相似。伺服阀一般挪动更快，由于液压力与阀芯原料的比率很高，固然一些比例阀具备与伺服阀相似的相应。比例阀必然形成充满的力来挪动阀芯，内置LVDT，电磁铁螺线管以及征服弹簧对中力。

伺服阀先河级高精度的制作过错要乞降较小的精细节俭孔，升高了成本，也使得其抗浑浊才略下降。于是对于不少运用，人们转向操纵比例阀。虽然这样，伺服阀仍然有其用武之地。譬喻他们时时在大流量运用方面有更好的办事展现。

在一些状况，比例阀并没有充满的功率去征服由于大流量形成的伯努利力，阀会片刻的落空把持直至伯努利力下降。当管教诸这样类阻碍的功夫，人们时时决断是把持器的题目而与阀无关。能纪录把持记号，阀芯以及实行器位移的示波器也许别的的诊断东西，有助于管理此类题目。在云云的运用中，伺服阀便是一种更平安的策画取舍。它们展现得更好，由于其更快，相应更线性，也于是更轻易把持。

比例阀夸大器

比例阀须要一个夸大器，把活动把持器的输出电压转折成高的电流记号，进而启动阀芯。对于伺服比例阀，夸大器对比由把持记号或参考记号与LVDT反应过来的阀芯地位记号所形成的差池。一些夸大器用简明的比例把持，而一些采纳PI也许PID把持。倘若夸大器没有很好的与阀适配，阀的功能就会打扣头。最佳的举措便是取舍带集成电子的比例阀，有助于保证夸大器获得很好的般配。采办自力的夸大器卡须要额外的竭力和学问来调度夸大器增益，进而阀芯会相对于把持记号也许赶快相应。

伯德图

伯德图是取舍阀的一个必然东西。它用对数表，并显示阀芯的幅值相应与相位滞后，其是把持记号频次的函数。一般，幅值相应在首先的几Hz区间弧线平缓，接着快捷下落。相位滞后在首先的几Hz也相对较小，弧线平缓，但在高频区间则快捷激昂。

伯德图上相位滞后90°的点决计了阀的额定频宽。在该点，幅值一般亲近+6dB，也许约是原始值的一半。比如，正弦记号或许在10Hz的功夫办事很好——此区间伯德图显示增益下落也许相位激昂皆很少，但是在40Hz的功夫阀就不必然能很好的办事，此时阀相应或许惟有一半的幅值。带前馈增益的活动把持器也许补偿阀增益和相位滞后的损失。在较高的频次区间，把持器升高把持记号，以补偿阀增益的下落。但是把持器不能供给超过%的把持记号。于是策画者必然要末在系统里留有充满的空间用以额外的把持记号，要末操纵更高频次的阀，以使得在周全频次运用界限，阀也许具备增益下落也许相位滞后皆都小的特色。

阀规格

其余一个本相便是并不是全数阀的制作商都在统一前提下测试伯德图。不同的制作商在不同的阀芯位移界说其额定值。%的把持记号与5%把持记号比拟，阀芯路程相应一般会差不少。这也就象征着一样界说为30Hz的两个阀，假使一个阀额定值操纵5%的把持记号而其余一个阀操纵50%的把持记号，本质上其是不同的。很多伯德图显示频次响合时操纵5%也许25%的正弦记号。5%的额定值在对阀颤振约为0%的运用特别合用，诸如压力和力把持系统。但是，它们并不合用于高速运用，由于此时阀办事路程将到达%。一个好的规则便是取0~%的激昂工夫，乘以4，尔后除以1，进而获得全路程的频次。

具备高频响的线性阀对于高功能地位/压力把持系统是必然的。固然，光有阀的功能是不敷的，也须要一个好的活动把持器来补偿阀的相应以及实行器和负载的弹簧原料效应。为了最大化一个策画优越的液压系统的功能，同时须要取舍一个符合的活动把持器。他们理当具备云云的特点，诸如自力的激昂和下落增益调度，地位-压力/力把持，同时也也许直接毗连至磁致伸缩位移传感器等。

阀芯取舍

之是以界说为比例阀，是由于阀芯位移与启动阀办事的把持记号成比例。但是，流量却不必然成比例。比例阀一般有不同的阀芯构造，取舍符合阀芯构造对于系统功能的最大化相当重要。

伺服比例阀阀芯

对于地位和压力/力把持，取舍伺服比例阀。只需颠末阀的压降坚持固定，阀芯供给的流量与把持记号成正比例。这类阀占有不变的增益，由于相应是线性的。

正遮蔽阀芯

非线性阀芯具备多种型式，也有多种定名。最罕用便是正遮蔽也许O型功能阀芯，其展现为有一个死区也许零位地域，由于当把持记号很小的功夫，阀没有流量输出。这也容许以减小泄露，手动把持时使系统中止更为轻易，但是它也也许对于地位也许压力把持系统来讲并不是一个很好的取舍，由于阀芯必然赶快挪动离开中位以后本领实行精细调度。

死区越大，阀芯挪动离开死区的工夫越长。在这很短的毫秒工夫内，阀险些没有流量输出，致使输入至活动把持器的地位和压力都没有变换。这类反应的非连气儿性束缚了活动把持器用以坚持切确的地位和压力把持的才略。于是正遮蔽阀可是用于阀芯不须要赶快挪动横跨死区的时势，譬喻活动方位变换不是特别赶快或经常。皮带传递机的速度把持便是一个优越的运用案例。

双增益或变增益阀芯

一些阀的流量增益跟着把持记号变换。这些阀一般在把持记号亲近零的地域流量增益低，当把持记号快要±%的功夫流量增益高。带槽口也许双增益的阀有着显然的低增益和高增益区间，而非线性阀有着连气儿的变增益特点。对于手动操控系统，两种范例的阀均也许供给切确调度，不管办事流量处于低速仍然高速区间。

对于手动也许开环把持这不是题目，但好坏线性阀使得周全系统非线性和闭环把持更坚苦。当阀在高增益和低增益区间办事切换时，把持器必然能赶快变换增益。理论上，阀的线性化（补偿变增益时做为把持记号的函数）也许欺诈活动把持器来调度。但是，这须要般配阀的详细特点，于是束缚了它的运用。对于低增益区间给定的流质变换，阀芯必然挪动更多，进而下降在该区间的相应，下降了系统功能。

带启齿槽的阀芯在闭环把持只用于低速时，办事特别好。开环也许手动把持也许用在高速区间，此时阀处于高增益区间。云云，阀在高增益和低增益两个区间切换办事时，就没有须要赶快变换闭环把持器的增益。但是，对于大多的地位和压力把持运用，最佳防止采纳带启齿槽的也许非线性阀。

更大或许更好？

金属制作产业的制作商们面对着云云一个题目，便是伺服系统没有到达策画的功能请求。液压仿真以为油缸没有供给充满的力把持更大的负载，数学模子发起采纳更大规格尺寸的油缸，并装配合适的更大规格的液压阀。

图形解析也显示，小尺寸的油缸是怎样不能供给充满的力，使大型负载加快加速。更小尺寸的油缸在油缸端盖排油（压力降为零），而有杆腔端压力超过了系统压力。系统没法把持，由于活塞杆端的油液流至供油单位，本质上使得加速下降。

大规格的油缸也许以统一速度加快负载，但是其更大的活塞面积象征着压力变换不会太大。周全轮回周期里油缸压力根底处于压力界限的中央，为保证优越把持，经度日塞的压力损失很大。

升高油缸直径也便是升高系统的当然频次（刚度），让活动把持器也许管教更快的加快和加速把持。当准确调试的功夫，就会升高系统功能。但是须要记取的是，更大的油缸须要更大的阀和更多的油。过大的油缸成本会更高，而且更大的阀相应会更慢，在某些状况，升高阀的规格尺寸并不能升高系统的相应。

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