電液比例控制技術(shù)的歷史與發(fā)展趨勢(shì)

1．發(fā)展歷史

電液比例控制技術(shù)與傳統(tǒng)的電液伺服技術(shù)相比，具有可靠、節(jié)能和廉價(jià)等明顯特點(diǎn)，形成了頗具特色的技術(shù)分支。

電液比例控制技術(shù)在20世紀(jì)60年代末、70年代初出現(xiàn)，它集中了電氣和微電子技術(shù)在信號(hào)檢測(cè)、放大、處理和傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢(shì)，并結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化、遠(yuǎn)距離控制，使被控系統(tǒng)能按復(fù)雜程序動(dòng)態(tài)響應(yīng)，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)構(gòu)成之一。在機(jī)電液一體化和工程設(shè)備實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的技術(shù)革命過程中，電液比例控制技術(shù)將獲得更新、更快的發(fā)展。

電液比例控制經(jīng)過了三個(gè)大的發(fā)展階段。

早期的比例閥，產(chǎn)生于20世紀(jì)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(huán)為4%～7%，常用于開環(huán)控制。1967年瑞士某公司生產(chǎn)的KL比例復(fù)合閥標(biāo)志著比例控制技術(shù)在液壓系統(tǒng)中正式開始應(yīng)用，主要是將比例型的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器（比例電磁鐵）應(yīng)用于工業(yè)液壓閥。

改進(jìn)型比例閥產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代初期，其完善了控制閥設(shè)計(jì)原理，采用各種內(nèi)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(wěn)態(tài)特性接近于伺服閥，頻響為5～30Hz，但有零位死區(qū)，既可用于開環(huán)，也用于閉環(huán)控制。到20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，比例控制技術(shù)已達(dá)到較完善的程度，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：①采用了壓力、流量、位移、動(dòng)壓等反饋及電校正手段，提高了閥的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，標(biāo)志著比例控制設(shè)計(jì)原理已經(jīng)完善；②比例技術(shù)與插裝閥已經(jīng)結(jié)合，誕生了比例插裝技術(shù)；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(chǎn)生于20世紀(jì)90年代中期，其制造精度、過濾精度得以提高，首級(jí)閥口零遮蓋，無零位死區(qū)，用比例電磁鐵作電機(jī)械轉(zhuǎn)換器，二級(jí)閥主級(jí)閥口小壓差，頻響30～100Hz，一般用于閉環(huán)控制。

2．發(fā)展趨勢(shì)

由于電液比例復(fù)合閥具有好的控制特性、抗污染性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，已成液控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。其穩(wěn)態(tài)性能的滯環(huán)、重復(fù)精度、分辨率、非線性等與一般工業(yè)用電液伺服閥幾乎相當(dāng)，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)比伺服閥稍低，在較大的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)運(yùn)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(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在兩大方面。

(1)比例閥。

1)提高比例閥性能，適應(yīng)機(jī)電液一體化主機(jī)的發(fā)展。提高電液比例閥及遠(yuǎn)控多路閥的性能，使之適應(yīng)野外工作條件，并開發(fā)低成本比例閥，其主要零件與標(biāo)準(zhǔn)閥通用。

2)比例技術(shù)與二通和三通插裝技術(shù)相結(jié)合，形成了比例插裝技術(shù)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、流動(dòng)阻力小、通油能力大、易于集成。此外出現(xiàn)比例容積控制，為中、大功率控制系統(tǒng)節(jié)能提供新手段。

3)由于傳感器和電子器件的小型化，出現(xiàn)了傳感器、測(cè)量放大器、控制放大器和閥復(fù)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(xiàn)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(fā)，為電反饋比例閥小型化、集成化創(chuàng)造良好的條件；③伺服比例閥（閉環(huán)比例閥）內(nèi)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(duì)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(tǒng)。電液比例控制系統(tǒng)屬于本質(zhì)非線性和不確定性系統(tǒng)，如電液伺服閥的壓力一流量特性、液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的摩擦特性和死區(qū)特性、負(fù)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(dòng)等。因此，比例控制性能提高還有賴于許多新型的控制技術(shù)。

1) PID控制。PID控制方法是經(jīng)典控制理論的代表，它是基于系統(tǒng)誤差的現(xiàn)實(shí)因素、過去因素、未來因素進(jìn)行線性組合來確定控制量，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在電液伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的PID控制器采用線性組合方法，難于協(xié)調(diào)快速性和穩(wěn)定特性之間的矛盾，在具有參數(shù)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(tǒng)的參數(shù)是隨時(shí)間變化的，參數(shù)呈非線性變化，因此在相當(dāng)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(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，形成了模糊PID、自適應(yīng)PID、非線性PID等變種控制器。

2)狀態(tài)反饋控制。電液控制系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制方法，除了位置信號(hào)進(jìn)行反饋外，執(zhí)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(tǒng)阻尼ξ一般較低，通過加速度（壓力）反饋可大大提高系統(tǒng)的阻尼，從而顯著地改善了系統(tǒng)的響應(yīng)。

3)自適應(yīng)控制。針對(duì)電液比例控制系統(tǒng)的非線性和不確定性，自適應(yīng)控制的應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)樽赃m應(yīng)控制算法能自動(dòng)辨識(shí)時(shí)變系統(tǒng)參數(shù)，相應(yīng)地改變控制作用，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)或次最優(yōu)。當(dāng)前應(yīng)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(yīng)控制(MRAC)。STC -般適用于慢時(shí)變的對(duì)象調(diào)節(jié)，而具有參數(shù)突變和突加外負(fù)載干擾的電液比例控制系統(tǒng)往往不能滿足，因此，液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的自適應(yīng)控制大多為MRAC或其變形。自適應(yīng)控制盡管極大地改善了系統(tǒng)性能，但在使用過程中也帶來了一些問題，如對(duì)于STC，由于要進(jìn)行大量的辨識(shí)計(jì)算，對(duì)于響應(yīng)很快的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制很難；而對(duì)于MRAC，主要的困難是選擇一個(gè)合適的參考模型以及要按李雅普諾夫穩(wěn)定理論或波波夫超穩(wěn)定理論來設(shè)計(jì)自適應(yīng)律。所以吸收其他控制方法的優(yōu)點(diǎn)，研究算法簡便、魯棒性強(qiáng)的自適應(yīng)律是近年來發(fā)展的方向，如自適應(yīng)前饋控制、魯棒自適應(yīng)控制，非線性自適應(yīng)控制等。

4)變結(jié)構(gòu)控制(VSC)。變結(jié)構(gòu)控制是一種根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模的程度來變更控制器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)按照滑模規(guī)定的規(guī)律運(yùn)行的一種控制方法，其在電液控制系統(tǒng)應(yīng)用較廣泛的是滑模控制(Sliding Mode Control）。VSC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，具有控制規(guī)律簡單，可以協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能間的矛盾，特別是其滑動(dòng)模態(tài)(SM)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾具有完全不變性，其主要缺點(diǎn)是由于頻繁切換而存在較嚴(yán)重的抖動(dòng)現(xiàn)象，另外，它也不宜應(yīng)用于采樣周期較長的控制系統(tǒng)。近年來，出現(xiàn)了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)的離散變結(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)模型，而依靠模糊推理或其他先驗(yàn)知識(shí)來調(diào)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(duì)象各種參數(shù)之間無精確的相互關(guān)系的情況。在這種情況下，F(xiàn)LC比精確控制優(yōu)越，而電液比例控制系統(tǒng)正屬于此類情況（如影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的液壓固有頻率ω和阻尼比ξ等，與系統(tǒng)的軟量有關(guān)，難以精確算出）。FLC在電液比例系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有兩種形式：①模糊控制器直接驅(qū)動(dòng)對(duì)象；②用來確定狀態(tài)反饋控制器的反饋增益。

6)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(NNC)。NNC是模仿人類的感觀和腦細(xì)胞的工作原理而工作的，系統(tǒng)中的硬件是模仿神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，軟件則是模仿神經(jīng)細(xì)胞的工作方式，即每個(gè)神經(jīng)單元接受信號(hào)按“乘權(quán)值后相加”，輸出信號(hào)按“閾值”大小確定，而“權(quán)值”和“閩值”的確定是通過已知輸入、輸出關(guān)系和合適的算法使輸出的實(shí)際值同要求值間的偏差盡量小。