摘 要：介紹了電液運(yùn)動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合造波機(jī)電液運(yùn)動控制系統(tǒng)的應(yīng)用說明了該方法的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞:電液控制;伺服系統(tǒng);設(shè)計(jì)方法 引言 運(yùn)動控制起源于早期的伺服控制。簡單地說，運(yùn)動控制就是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度或力等進(jìn)行實(shí)時的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動。運(yùn)動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。 電液伺服控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要構(gòu)成。由于它具有線性好、死區(qū)小、靈敏度高，動態(tài)性能好、響應(yīng)快、精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。電液運(yùn)動控制主要是以液壓缸、液壓馬達(dá)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以比例閥或伺服閥配放大器為功率放大單元，以位置、速度或壓力傳感器組成信號反饋單元，配以必要的控制單元組成閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)。其廣泛應(yīng)用于包裝、印刷、紡織、鋼鐵和裝配工業(yè)中。 1 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 目前廣泛應(yīng)用的運(yùn)動控制系統(tǒng)中主要由電－伺服／ 步進(jìn)電機(jī)（以下簡稱電－電機(jī)）、電液二種，以電－電機(jī)應(yīng)用最為廣泛。目前電－電機(jī)控制主要由伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)（若需直線運(yùn)動， 可以在機(jī)構(gòu)上加一些裝置如滾珠螺桿加以轉(zhuǎn)化），運(yùn)動控制卡和控制器構(gòu)成。目前此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用較成熟，遍及工業(yè)控制的各方面。相比較而言，電液運(yùn)動控制系統(tǒng)特點(diǎn)鮮明，善于處理以直線運(yùn)動為主的位置、力控制，但由于應(yīng)用場合和規(guī)模的限制， 在成熟度及系統(tǒng)應(yīng)用推廣等方面較電－電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)落后，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對技術(shù)人員要求高，所以，目前國內(nèi)一些大型的電液自動化設(shè)備主要依賴于國外進(jìn)口。 目前電液運(yùn)動控制系統(tǒng)大部分器件已經(jīng)產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化。如，比例閥、伺服閥有相應(yīng)的產(chǎn)品系列和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，位移、壓力等傳感器檢測元件各廠家都有通用型可替代產(chǎn)品，伺服缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件都有相關(guān)產(chǎn)品系列和標(biāo)準(zhǔn)供選型設(shè)計(jì)參考。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)人員關(guān)注的是系統(tǒng)的核心－液壓運(yùn)動控制器，目前控制器存在多元化、多樣化和不通用的特點(diǎn)。電液運(yùn)動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為以下三大類，1） 基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動控制器；2）Soft 型開放式運(yùn)動控制器；3） 嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制器。目前國內(nèi)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)電液運(yùn)動控制系統(tǒng)主要針對特定項(xiàng)目，因規(guī)模不大數(shù)量不多， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員首先滿足的是系統(tǒng)的功能要求，其次才會考慮系統(tǒng)通用性、可靠性、調(diào)試便捷性、操作性能等方面的要求。因此，針對特定項(xiàng)目開發(fā)的運(yùn)動控制系統(tǒng)可移植性差，沒有通用性，而且無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)約束，不利技術(shù)進(jìn)步，還會帶來資源浪費(fèi)。其存在主要問題是：（1）設(shè)計(jì)開發(fā)周期長，開發(fā)出的系統(tǒng)不具備通用性，電液運(yùn)動控制系統(tǒng)性能不一定能夠達(dá)到最優(yōu)化。對機(jī)電液運(yùn)動控制技術(shù)的推廣幫助不大。（2）系統(tǒng)可靠性不高，通用性不強(qiáng)，造成資源浪費(fèi)。因此很有必要設(shè)計(jì)模塊化電液運(yùn)動控制系統(tǒng)，以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。 電液運(yùn)動控制系統(tǒng)的未來發(fā)展方向?qū)⒂袀鹘y(tǒng)的放大執(zhí)行單元逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式的模塊化系統(tǒng)，參見圖1。控制器將有模塊化的專用控制器取代目前的幾大類控制器，該控制器需有總線接口用于和上位機(jī)進(jìn)行信息交互，開放式的軟件結(jié)構(gòu)用于液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和相關(guān)運(yùn)動參數(shù)設(shè)定，通用電氣接口用于調(diào)制器、傳感器等電氣連接。 2 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先要明確控制要求和控制精度，然后選定元器件，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)和電氣控制原理圖。最終將原理圖以實(shí)物的形式展現(xiàn)出來，通過現(xiàn)場調(diào)試達(dá)到預(yù)設(shè)的要求。 2．1 液壓系統(tǒng) 在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時，首先要確定液壓系統(tǒng)中需要控制什么參數(shù)，其中主要考量系統(tǒng)流量、壓力、驅(qū)動元件的運(yùn)動方向及速度、驅(qū)動元件的停止位置及有無加速度控制等。然后根據(jù)具體要求選用液壓元件，若精度要求不高，可考慮使用比例控制系統(tǒng)。一般比例控制系統(tǒng)可達(dá)到位置控制精度3mm，速度控制精度（帶壓力補(bǔ)償器）3％，加減速（斜坡時間）0．5s。更高的控制要求可以選擇高頻響比例閥控制系統(tǒng)，從而保持設(shè)定值不受外來干擾所影響，并在不同的工作壓力下保持穩(wěn)定的速度，在不同的輸出力下保證相同位置， 在帶偏載的情況下作同步運(yùn)動。其控制精度能夠達(dá)到：位置誤差低于1mm，壓力誤差低于0．1MPa。若控制要求還高，可以通過選擇響應(yīng)更快、性能更好的伺服閥來提高系統(tǒng)的控制精度。 2．2 電氣系統(tǒng) 電氣系統(tǒng)配合液壓系統(tǒng)完成運(yùn)動控制要求，其主要為傳感器信號檢測回路、控制信號回路和控制計(jì)算單元。其中傳感器的選擇要滿足分辨率比需要的控制精度高五到十倍并有優(yōu)良的直線性能和小的遲滯（高動態(tài)響應(yīng)）要求，否則可能帶來控制失敗或達(dá)不到要求?？刂破饕x擇開放式結(jié)構(gòu)的模塊化控制器，其分辨率（AD ／ DA 位數(shù)）愈高愈好，如果采用數(shù)字式控制器，掃瞄時間則愈短愈好，控制算法應(yīng)專為液壓傳動作優(yōu)化，并需要模塊化的需用于位置控制而可開關(guān)的積分器，用作閥芯平滑化及遮蓋保償?shù)姆蔷€性增益，追蹤誤差補(bǔ)償，PID 控制，及閥門輸出控制器等等。 2．3 綜合 選用通用型液壓電氣元件和模塊化液壓控制器，構(gòu)成圖2 所示的運(yùn)動控制系統(tǒng)，除上述提到的液壓和電氣上要求外還需要滿足機(jī)械安裝、現(xiàn)場信號防干擾等方面的要求。 3 應(yīng)用舉例 現(xiàn)介紹一電液運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)例的設(shè)計(jì)思路。在介紹該系統(tǒng)之前，為方便說明，先對實(shí)例的流程做簡單說明。該實(shí)例為液壓造波機(jī)系統(tǒng)，圖3 為造波機(jī)造波流程圖，由圖可見，系統(tǒng)根據(jù)給定的要求產(chǎn)生期望波浪的控制信號，由此信號轉(zhuǎn)換為離散的電壓時序信號送液壓伺服驅(qū)動模塊。液壓控制單元根據(jù)檢測的位移信號和給定的控制信號比較得出‘偏差’ 信號， 在控制周期內(nèi)驅(qū)動造波機(jī)產(chǎn)生水波浪。造波機(jī)的控制信號控制造波機(jī)產(chǎn)生波浪的過程中，勢必存在一定的誤差，同時波浪在傳播過程中會有一定的波浪變形，直接由計(jì)算所得的控制信號驅(qū)動造波機(jī)產(chǎn)生的波浪與輸入值有一定的差別，因此可能需要調(diào)整多次才能夠達(dá)到理想的波形。 電液運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。其控制邏輯順序?yàn)椋阂苿涌刂剖疑衔粰C(jī)發(fā)送開關(guān)量信號控制液壓動力系統(tǒng)起停信號，通過現(xiàn)場總線送PLC 操控電機(jī)和壓力保護(hù)等器件的起停。系統(tǒng)壓力建立起來后，上位機(jī)根據(jù)用戶要求的造波波形和相關(guān)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將波形轉(zhuǎn)換為離散控制時序信號分時送控制信號到液壓控制器，在控制周期內(nèi)，控制器接收上位機(jī)的運(yùn)動控制參數(shù)并完成其控制驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動。周而復(fù)始，控制器依次完成上位機(jī)送來的運(yùn)動控制參數(shù)，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動造波板運(yùn)動，將這一系列造波板的運(yùn)動疊加就可以得出期望的波形。同時控制器將檢測的位移信號、壓力信號回傳給上位機(jī)供系統(tǒng)監(jiān)控。 液壓控制器在系統(tǒng)中的控制作用為：接收上位機(jī)發(fā)送過來的控制信號和檢測的位移信號比較得出偏差信號，用此信號做控制器的輸入，經(jīng)控制器運(yùn)算（PID 控制算法）求出控制電壓送比例伺服閥放大器， 放大器通過此電壓信號控制比例伺服閥的“閥芯”運(yùn)動，完成對液壓缸的控制，液壓缸通過四連桿機(jī)構(gòu)推動造波板造出要求的水波。控制過程中，控制器通過采集液壓缸的壓力信號，做系統(tǒng)監(jiān)控、壓力保護(hù)?？刂七^程中，三液壓缸要求運(yùn)動同步， 控制系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)采用單獨(dú)回路控制，通過檢測液壓缸的壓力可以有效地控制系統(tǒng)的推力，在達(dá)到同步控制要求的同時也很好的起到系統(tǒng)保護(hù)和糾偏的功能。 現(xiàn)場應(yīng)用中，該系統(tǒng)能夠很好地完成各參數(shù)要求，控制效果良好。 4 結(jié)論 電液運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和普通液壓系統(tǒng)存在一定差別，通過開放式電液控制模塊能夠簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，豐富系統(tǒng)調(diào)試手段，并能夠有效地提高系統(tǒng)控制精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在掌握此模塊化設(shè)計(jì)方法后，對技術(shù)推廣和系統(tǒng)應(yīng)用有很大的好處。 參考文獻(xiàn) [1] Help Document of WIN－PED． Application Version 5．10,Rexroth Bosch Group,2004 [2] Rexroth 公司樣本手冊 [3] 吳根茂、邱敏秀、王慶豐《新編實(shí)用電液比例技術(shù)》[M]．浙江大學(xué)出版社2006