聰明的選擇和使用你的閥，才能實(shí)現(xiàn)精密的控制。本文著重討論了零位特性對(duì)精密運(yùn)動(dòng)控制的影響，同時(shí)對(duì)于在伺服系統(tǒng)中如何使用平衡閥或鎖止閥做了詳細(xì)分析。

正文

良好的控制性能需要的不僅僅是良好的運(yùn)動(dòng)控制器，甚至最好的控制器也無法彌補(bǔ)拙劣的系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)和元件選型。伺服閥、比例閥的特性對(duì)于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有著巨大的影響。諸如平衡閥之類的元件也會(huì)影響伺服閥、比例閥的運(yùn)行。有時(shí)候由于項(xiàng)目緊張的周期導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)的缺陷以及不正確的選型，結(jié)果就是往往會(huì)花大量的精力和時(shí)間去處理這樣的系統(tǒng)，奢想達(dá)到期望的性能。更好的理解一些通用閥的應(yīng)用問題可以縮短系統(tǒng)的設(shè)置時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更精密的運(yùn)動(dòng)控制。

油缸飄移和閥的零位問題

在液壓控制系統(tǒng)中，飄移是一個(gè)微妙或者復(fù)雜的問題。我們從兩方面來討論，一個(gè)是相對(duì)比較直接易理解的執(zhí)行器飄移問題，另外一個(gè)是更難琢磨不定的閥的零飄。執(zhí)行器飄移發(fā)生在閥不在零位之處，當(dāng)沒有控制信號(hào)時(shí)（比如閥供電被切斷），導(dǎo)致執(zhí)行器活塞緩慢移動(dòng)或者飄移。在某些情況，飄移是我們期望的——比如當(dāng)不調(diào)整時(shí)，此時(shí)活塞桿縮回至安全位，彌補(bǔ)控制信號(hào)的丟失。

當(dāng)飄移的速率太高或者飄移方向錯(cuò)誤的時(shí)候，問題就來了。比如，如果飄移量高達(dá)閥控制信號(hào)10%的時(shí)候，就需要對(duì)閥進(jìn)行補(bǔ)償了。如果10%的控制輸出信號(hào)只是用于保持位置，只剩下90%被用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，與飄移方向相反。結(jié)果就是，執(zhí)行器也許只能得到該方向全速的90%。因此，對(duì)于有快速需求的場合，具有較大零飄的閥無法確保執(zhí)行器達(dá)到期望的最大速度。

零偏的調(diào)整很容易，伺服閥通過調(diào)整閥體上面的螺釘，或者比例閥通過調(diào)整放大器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸入至閥的控制信號(hào)設(shè)定為零時(shí)，調(diào)整螺釘或放大器，直至執(zhí)行器停止飄移。另外一種情況，對(duì)于軸控位置閉環(huán)系統(tǒng)，你可以通過調(diào)整零位螺釘或者放大器，直至輸入至閥的控制信號(hào)為零電壓。零偏的補(bǔ)償也可以在運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)整零偏或者零位參數(shù)。

如果在其閉環(huán)控制算法里，運(yùn)動(dòng)控制器有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)其工作在閉環(huán)控制模式時(shí)，積分環(huán)節(jié)將自動(dòng)補(bǔ)償零偏。然而，錯(cuò)誤的使用積分作為零位補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致一些不期望的行為。比如，因?yàn)榉e分不適用于開環(huán)模式，在點(diǎn)動(dòng)或者部分循環(huán)周期的時(shí)候其工作于開環(huán)模式，零偏就有可能不會(huì)被校正。因此，最好是在閥體或者運(yùn)動(dòng)控制器的零偏參數(shù)上面調(diào)節(jié)零偏，而不是依賴于PID算法的閉環(huán)補(bǔ)償。

關(guān)注零飄

不斷變化的零位條件，稱之為零飄，是一個(gè)更為嚴(yán)重的問題。這可能是因?yàn)楸硥?，液?dòng)力，或者莫名其妙的原因或錯(cuò)誤的閥芯控制所致。零飄需要控制器持續(xù)穩(wěn)定地改變信號(hào)輸出，確保閥能夠鎖定位置護(hù)著保持穩(wěn)壓。

這可能會(huì)損害位置或者壓力控制的性能以及重復(fù)性，雖然高性能的運(yùn)動(dòng)控制器在偏差不太大的時(shí)候可以補(bǔ)償該變化。

為了最小化零飄的影響，閥芯顯得尤為重要。一個(gè)良好設(shè)計(jì)的伺服比例閥控制器具有內(nèi)部控制環(huán)，其使得閥芯位置比例于控制信號(hào)，見圖1。理想的情況是，當(dāng)控制器發(fā)送至閥50%的控制信號(hào)時(shí)，閥芯位置將停留在50%的流量控制位置。

圖1

現(xiàn)在假設(shè)控制器輸出0%的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)閥芯移至零位，或者0%的位置。當(dāng)閥芯越來越接近0%零位的時(shí)候，誤差將變小，因此校正誤差的力也變小。該力也許不足以克服真實(shí)的摩擦力或者液動(dòng)力，因此，一個(gè)很小的零位偏差依然存在。

只有比例控制的閥將無法達(dá)到期望的位置，因?yàn)閬碜蚤y芯控制器的力不足以大，從而把偏差減小至零。PI（比例積分）控制器因?yàn)橛蟹e分環(huán)節(jié)，最終可以減小閥芯期望位置和實(shí)際位置的偏差至零，并且減小零飄影響。

對(duì)死區(qū)的處理

似乎，通過使用閥芯中位封閉的閥來消除零偏和零飄顯得非常有趣。這些閥的閥芯被加工成在零位具有死區(qū)，即沒有油液流動(dòng)，如圖2所示。一些閥的死區(qū)達(dá)到20%，這意味著控制器輸出控制信號(hào)達(dá)到20%的時(shí)候，油液才會(huì)開始流動(dòng)。這些閥如果應(yīng)用在閥芯必須在零位來回運(yùn)動(dòng)從而確保位置或壓力的工況，將會(huì)有問題。

圖2

許多運(yùn)動(dòng)控制器具有死區(qū)參數(shù)調(diào)節(jié)，可以部分補(bǔ)償死區(qū)影響。在如上所示例子，可以在閥芯移動(dòng)方向上給一個(gè)20%的初始設(shè)定值。不幸的是，在許多應(yīng)用中，這并不有效，因?yàn)殚y芯移動(dòng)還是需要消耗時(shí)間的。

通常，控制器必須與閥快速響應(yīng)，使得執(zhí)行器活塞兩側(cè)的油液快速進(jìn)出，從而確保位置或者活塞兩側(cè)的差動(dòng)力。這意味著閥芯必須快速移動(dòng)，行程可能達(dá)到閥芯行程的40%——只是為了保持位置！

當(dāng)閥芯在死區(qū)位置時(shí)，沒有油液流動(dòng)。因此，在閥芯移動(dòng)離開死區(qū)的期間（可能幾毫秒或更多），由位置或者壓力傳感器測出的結(jié)果就是零。

液壓閥制造商通過他們的閥芯能夠移動(dòng)有多快來評(píng)定他們的閥，但是在許多應(yīng)用中，他們是如何很好的控制零位流量則顯得更為重要。零位的特性，如圖2（a）所示，顯然不是控制算法想要的線性響應(yīng)。由于在響應(yīng)方面的負(fù)作用，以及零位的極端非線性特征，具有死區(qū)的閥應(yīng)該避免應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)中——而應(yīng)采用具有零遮蓋的閥，如圖2（b）。

具有死區(qū)的閥唯一能夠被可靠應(yīng)用在精密控制的場合就是該閥閥芯將移動(dòng)至某一側(cè)，并只在該區(qū)域工作。速度控制就是其應(yīng)用的一種案例——液壓執(zhí)行器的運(yùn)行速度被控制，其通過閥芯移至一側(cè)能夠有多快速度來實(shí)現(xiàn)。

平衡閥和鎖止閥

圖3

在此種結(jié)構(gòu)中，就有可能出現(xiàn)伺服閥總是試圖讓活塞桿伸出，但是流量被截?cái)嗔?，因?yàn)橛透谉o桿腔的壓力不足以打開平衡閥。

電磁通斷截止閥

圖4