電液比例控制技術的歷史與發展趨勢

1．發展歷史

電液比例控制技術與傳統的電液伺服技術相比，具有可靠、節能和廉價等明顯特點，形成了頗具特色的技術分支。

電液比例控制技術在20世紀60年代末、70年代初出現，它集中了電氣和微電子技術在信號檢測、放大、處理和傳輸等方面的優勢，并結合現代工業計算機，實現了機電一體化、遠距離控制，使被控系統能按復雜程序動態響應，已經成為現代控制工程的基本技術構成之一。在機電液一體化和工程設備實現計算機控制的技術革命過程中，電液比例控制技術將獲得更新、更快的發展。

電液比例控制經過了三個大的發展階段。

早期的比例閥，產生于20世紀60年代后期，僅將比例電磁鐵用于普通液壓控制閥，而控制閥原理未變，因而性能較差。頻響為1～5Hz，滯環為4%～7%，常用于開環控制。1967年瑞士某公司生產的KL比例復合閥標志著比例控制技術在液壓系統中正式開始應用，主要是將比例型的電機械轉換器（比例電磁鐵）應用于工業液壓閥。

改進型比例閥產生于20世紀80年代初期，其完善了控制閥設計原理，采用各種內外反饋、電校正、耐高壓比例電磁鐵，使電控器件特性大為提高，穩態特性接近于伺服閥，頻響為5～30Hz，但有零位死區，既可用于開環，也用于閉環控制。到20世紀90年代，隨著微電子技術的發展，比例控制技術已達到較完善的程度，主要表現在三個方面：①采用了壓力、流量、位移、動壓等反饋及電校正手段，提高了閥的穩態精度和動態響應品質，標志著比例控制設計原理已經完善；②比例技術與插裝閥已經結合，誕生了比例插裝技術；③以比例控制泵為代表的比例容積元件的誕生。

伺服比例閥產生于20世紀90年代中期，其制造精度、過濾精度得以提高，首級閥口零遮蓋，無零位死區，用比例電磁鐵作電機械轉換器，二級閥主級閥口小壓差，頻響30～100Hz，一般用于閉環控制。

2．發展趨勢

由于電液比例復合閥具有好的控制特性、抗污染性、可靠性和經濟性，已成液控技術發展趨勢，具有廣闊的市場前景。其穩態性能的滯環、重復精度、分辨率、非線性等與一般工業用電液伺服閥幾乎相當，但動態響應比伺服閥稍低，在較大的參數調節范圍內運行，故控制回路中的非線性因素不能忽略。電液比例控制系統的發展趨勢主要集中在兩大方面。

(1)比例閥。

1)提高比例閥性能，適應機電液一體化主機的發展。提高電液比例閥及遠控多路閥的性能，使之適應野外工作條件，并開發低成本比例閥，其主要零件與標準閥通用。

2)比例技術與二通和三通插裝技術相結合，形成了比例插裝技術，特點是結構簡單、性能可靠、流動阻力小、通油能力大、易于集成。此外出現比例容積控制，為中、大功率控制系統節能提供新手段。

3)由于傳感器和電子器件的小型化，出現了傳感器、測量放大器、控制放大器和閥復合一體化的元件，極大地提高了比例閥（電反饋）的工作頻寬。其主要表現有：①高頻響、低功耗比例放大器及高頻響比例電磁鐵的研制；②帶集成式放大器的位移傳感器(200Hz)的開發，為電反饋比例閥小型化、集成化創造良好的條件；③伺服比例閥（閉環比例閥）內裝放大器，具有伺服閥的各種特性，零遮蓋、高精度、高頻響，但其對油液的清潔度要求比伺服閥低，具有更高的工作可靠性。

(2)比例控制系統。電液比例控制系統屬于本質非線性和不確定性系統，如電液伺服閥的壓力一流量特性、液壓動力機構的摩擦特性和死區特性、負載特性等都是非線性；而不確定性因素則包括外來干擾力、溫度變化、油源壓力和流量脈動等。因此，比例控制性能提高還有賴于許多新型的控制技術。

1) PID控制。PID控制方法是經典控制理論的代表，它是基于系統誤差的現實因素、過去因素、未來因素進行線性組合來確定控制量，具有結構簡單、易于實現等特點，在電液伺服系統中廣泛應用。但傳統的PID控制器采用線性組合方法，難于協調快速性和穩定特性之間的矛盾，在具有參數變化和外干擾的情況下其魯棒性不夠好，而電液比例控制系統的參數是隨時間變化的，參數呈非線性變化，因此在相當多的情況下，PID不能取得令人滿意的效果，近年來吸收智能控制的基本思想并利用計算機的優勢，形成了模糊PID、自適應PID、非線性PID等變種控制器。

2)狀態反饋控制。電液控制系統的狀態反饋控制方法，除了位置信號進行反饋外，執行器的速度和加速度（壓力）也反饋回控制器中，由于液壓系統阻尼ξ一般較低，通過加速度（壓力）反饋可大大提高系統的阻尼，從而顯著地改善了系統的響應。

3)自適應控制。針對電液比例控制系統的非線性和不確定性，自適應控制的應用非常廣泛，因為自適應控制算法能自動辨識時變系統參數，相應地改變控制作用，使系統的性能達到最優或次最優。當前應用最成熟的主要有兩類：①自校正控制(STC)；②模型參考自適應控制(MRAC)。STC -般適用于慢時變的對象調節，而具有參數突變和突加外負載干擾的電液比例控制系統往往不能滿足，因此，液壓系統中應用的自適應控制大多為MRAC或其變形。自適應控制盡管極大地改善了系統性能，但在使用過程中也帶來了一些問題，如對于STC，由于要進行大量的辨識計算，對于響應很快的系統進行實時控制很難；而對于MRAC，主要的困難是選擇一個合適的參考模型以及要按李雅普諾夫穩定理論或波波夫超穩定理論來設計自適應律。所以吸收其他控制方法的優點，研究算法簡便、魯棒性強的自適應律是近年來發展的方向，如自適應前饋控制、魯棒自適應控制，非線性自適應控制等。

4)變結構控制(VSC)。變結構控制是一種根據系統狀態偏離滑模的程度來變更控制器的結構，使系統按照滑模規定的規律運行的一種控制方法，其在電液控制系統應用較廣泛的是滑模控制(Sliding Mode Control）。VSC系統與傳統的控制系統相比，具有控制規律簡單，可以協調動態和穩態性能間的矛盾，特別是其滑動模態(SM)對系統參數變化和外部干擾具有完全不變性，其主要缺點是由于頻繁切換而存在較嚴重的抖動現象，另外，它也不宜應用于采樣周期較長的控制系統。近年來，出現了模糊控制和神經網絡控制實現的離散變結構控制。

5)模糊邏輯控制(FLC)。FLC的引入主要是考慮到可不需要建立數學模型，而依靠模糊推理或其他先驗知識來調定控制器。模糊控制適用于被控參量無精確的表示方法和被控對象各種參數之間無精確的相互關系的情況。在這種情況下，FLC比精確控制優越，而電液比例控制系統正屬于此類情況（如影響系統動態品質的液壓固有頻率ω和阻尼比ξ等，與系統的軟量有關，難以精確算出）。FLC在電液比例系統中的應用主要有兩種形式：①模糊控制器直接驅動對象；②用來確定狀態反饋控制器的反饋增益。

6)神經網絡控制(NNC)。NNC是模仿人類的感觀和腦細胞的工作原理而工作的，系統中的硬件是模仿神經細胞網絡，軟件則是模仿神經細胞的工作方式，即每個神經單元接受信號按“乘權值后相加”，輸出信號按“閾值”大小確定，而“權值”和“閩值”的確定是通過已知輸入、輸出關系和合適的算法使輸出的實際值同要求值間的偏差盡量小。