电液比例技术在快速锻造液压机中的应用

摘要 电液比例控制技术经过几十年的发展，已广泛应用于各行业的工业设备中，具有对传动介质污染不敏感、可控性强、重复精度高等优点，因此目前快速锻造液压机中所有执行机构的运动均为液压传动，能够充分满足其响应速度快、定位精度高、运动频率快的要求。

关键词 电液比例控制技术；节流调速系统；PID控制

中图分类号TG315 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）88-0197-03

1 比例技术概述

随着近代科学技术的发展，人们已经对各个行业不同的生产工艺过程有了较为深入的研究，并且能够建立出这些工艺过程的数学模型，因而对其工艺过程的控制提出了比较高的要求。现代微电子技术在20世纪末得到了非常迅猛地发展，特别是计算机技术的广泛应用，为实现各种复杂工艺过程的最佳控制提供了非常强大的技术基础。因而，工程控制理论已经逐步从军事和航空领域，大量地应用于工业领域。电液比例技术作为连接现代微电子技术和工程控制设备之间的桥梁和纽带，已经成为现代工程控制技术的基本构成之一[1]。

从广义上来说，在应用液压和气压的传动与控制的工程系统中，凡是系统的输出物理量，如压力、流量、位移、速度等，都能随输入参数的变化连续成比例地进行控制，因此，这种控制方式称之为比例控制系统[1]。在工程实际应用中，根据输入信号类型的不同，将控制对象分为模拟式电液比例元件和数字式电液比例元件；而根据控制系统构成的结构特点来区分，又可分为电液伺服控制系统和电液比例控制系统；而类似于传统的液压控制系统，按功率单元的不同，又可将比例控制系统分为节流控制系统和容积控制系统，后者又可分为液压泵调节和液压马达调节。

快锻压机中的核心机构是活动横梁，其较之工作台和砧子横移装置有运动惯量大，负载变化范围宽，动作频率高等特点，且因为它是在垂直方向做往复运动，因此控制难度较大。在液压系统设计时，根据其运动特性采用的是节流调速的电液伺服控制系统，其原理见图2。

1.电液伺服阀，2.主系统进油阀，3.系统安全阀 ，4.压力传感器，5.活动横梁

图 2 电液伺服控制系统原理

电液伺服使能阀的功能和电液比例使能阀是相同的，都是起到激活主阀芯控制的作用。从图2中可以看出，活动横梁的控制其实是旁路节流调速的控制系统，其在快速锻造中的运动过程是：加载卸压大量排油回程加载，这样往复运动的频次对于一台中等吨位的压机来说要求达到每分钟60～70次，因此电液伺服阀的开关频率要求小于1Hz；而且如果要在活动横梁运动过程中找出其快速性与稳定性的最佳平衡点的话，则卸压大量排油这一过程的时间通常要在500ms左右，这是经过大量现场调试工作得出的经验值。所以综合考虑活动横梁的工艺过程，选用中位死区较小的电液伺服阀是比较合适的，在提高了伺服阀开口度分辨率的同时，增强了执行机构的可调节性。

3 控制软件的设计

与模拟控制系统不同，数字控制系统的基本控制方法是依靠专业软件作为平台，通过编程实现的，这种方式使得控制方法的改变与相关系统参数的修正变得十分快捷；而随着计算机硬件配置的不断提升，其运行速度有了较大幅度的提高，所以能够实现运用复杂及运算量较大的数学算法对各种不同地工艺过程进行控制[2]。

目前，快速锻造液压机中应用最多的控制器是PLC（可编程控制器），其具有可靠性高、编程语言类型丰富、与外设接口简便等优点。PLC经过几十年的发展，由最初只能进行逻辑运算到现在可进行各种复杂的控制算法，其运算速度有了大幅提升，循环扫描时间极短，能够充分适应电液比例控制系统和电液伺服控制系统的高频响应、计算精确的要求。PID控制算法是在工业控制系统中应用最为广泛的，该算法不仅快速有效，而且控制程序结构简单，执行时间短，通常能够满足系统实时性的要求。

1）在系统控制的起步阶段，由于输出量与输入量的偏差信号较大，因此系统的超调量就会比较大，所以如果积分运算在控制系统中的作用很明显的话，其超调和振荡过程就会持续较长的时间，这时就应该将积分运算的作用减小到最弱的程度或暂停其控制功能，在控制系统稳定后再启动其控制功能，并且根据系统控制过程的要求实时地增强或减弱积分运算的作用[2]；

2）液压控制系统虽然固有频率比较高，但其阻尼比较小，在PID算法的参数整定过程中，通常要选较小的KI值和较大的KD值，以此来避免控制系统不稳定所造成的不良后果[2]。在快速锻造液压机中，主机构和其余的辅助机构都属于液压定位控制系统，由于油缸位置对输入的控制流量本身具有积分作用，因而KI对改善系统的精度效果并不明显，所以在实际应用中，只对比例环节进行调节，而不引用积分和微分环节。

4 结论

电液比例控制技术的发展，使工业领域的控制技术进入了现代工程控制的新行列，在各个行业不同程度地确立了电液一体化的技术优势，而构成电液比例系统的液压元件，却是将新的加工与制造技术融入到传统的逻辑型和伺服型元件中发展起来的。它们所依据的基础理论和基本结构形式是完全相同的，基本控制物理量通常就是流量和压力。电液比例技术具有无可比拟的优势，它的应用能够将液压技术、微电子技术和计算机技术融为一体，其发展前景无限广阔。从液压元件的控制输入信号角度来看，电液比例控制是多种控制信号中的一种，除了电液控制以外，还包括电动控制、机动控制、手动控制等。因此，控制元件发展至今的显著特征，就是适用于多种控制输入方式，使元件能够满足不同生产工艺过程、不同技术层次的需求[1]。

参考文献

[1]吴根茂，等.新编实用电液比例技术.杭州：浙江大学出版社，2006，9：1-2，5.

[2]阮健.电液（气）直接数字控制技术.杭州：浙江大学出版社，1999，6：269-270.