1.4 现代液压技术

液压控制系统是在液压传动系统和自动控制技术与控制理论的基础上发展起来的，它包括机械-液压控制系统、电气-液压控制系统和气动-液压控制系统等多种类型。电液控制系统是电气-液压控制系统的简称，是指以电液伺服阀、电液比例阀或数字控制阀作为电液控制元件的阀控液压系统和以电液伺服或比例变量泵为动力元件的泵控液压系统，它是液压控制中的主流系统。

1.4.1 液压控制系统与液压传动系统的比较

液压控制系统有别于一般液压传动系统，它们之间的差异可通过下面列举的液压速度传动系统和电液速度伺服控制系统示例加以说明。

图1-3所示为两种形式的液压速度系统原理图。图1-3（a）所示的液压速度传动系统主要由液压缸、负载、电磁换向阀、单向调速阀及液压能源装置组成。其工作原理为：当电磁铁CT1通电时，电磁换向阀左位工作，液压油经电磁换向阀、单向阀进入液压缸右腔，活塞在压力油的作用下向左快速移动，运动速度由液压泵的输出流量决定；当电磁铁CT2通电时，电磁换向阀换向，右位工作，液压油经电磁换向阀直接进入液压缸左腔，活塞在压力油的作用下向右移动，液压缸右腔的油经单向调速阀、电磁换向阀回油箱，回油流量受单向调速阀的控制。因此，可通过调节单向调速阀的节流口大小改变负载的运动速度。需要指出的是，单向调速阀虽然具有压力和温度补偿功能，其输出的流量不受负载和温度变化的影响，但它不能补偿液压缸、单向阀等液压元件泄漏的影响，所以在负载增加时，系统的速度也会由于泄漏的增加有所减慢。

图1-3（b）所示为电液速度伺服控制系统，它主要由指令元件（指令电位器）、伺服放大器、电液伺服阀、液压伺服缸、速度传感器（测速发电机）、工作台及液压能源装置组成。其工作原理为：当指令电位器给定一个指令信号ur时，通过比较器与反馈信号uf比较，输出偏差信号∆u，偏差信号经伺服放大器输出控制电流i，控制电液伺服阀的开口，输出相应的压力油驱动液压伺服缸，带动工作台运动。

由图1-3（b）所示电液速度伺服控制系统的工作原理可知，液压伺服缸活塞的运动方向由控制电流的正负极性决定，而运动速度由电液伺服阀的输出流量即控制电流的大小确定。系统由于加入了检测、反馈构成了闭环控制，故具有抗干扰、抗环内参数变化的能力，该电液速度伺服控制系统对温度、负载、泄漏等影响因素均有自动补偿功能，能在有外部干扰的情况下获得精确的速度控制。

从图1-3分析可知，液压控制系统与液压传动系统在工作任务、控制原理、控制元件、控制功能和性能要求等方面均有区别。两者之间的主要区别如表1-2所示。

1.4.2 液压控制系统的分类

（1）按能量转换的形式分类

① 机械-液压控制系统（也称机液伺服控制系统）。

② 电气-液压控制系统（即电液控制系统）。

③ 气动-液压控制系统（或称气液控制系统）。

④ 机、电、气、液混合控制系统。

（2）按控制元件的类型分类

① 阀控系统又称节流控制系统，是指由伺服阀或比例阀等液压控制阀利用节流原理控制输给执行元件的流量或压力的系统。

② 泵控系统又称容积控制系统，是指利用伺服（或比例）变量泵改变排量的原理控制输给执行元件的流量或压力的系统。

（3）按被控制物理量性质分类

① 位置（或转角）控制系统。

② 速度（或转速）控制系统。

③ 加速度（或角加速度）控制系统。

④ 力（或力矩）控制系统。

⑤ 压力（或压差）控制系统。

⑥ 其他控制系统（如温度控制系统等）。

（4）按输入信号的变化规律分类

① 伺服控制系统  这类系统的输入信号是时间的函数，要求系统的输出能以一定的控制精度跟随输入信号变化，是一种快速响应系统。因此，有时也称随动系统。

② 定值调节系统  若系统的输入信号是不随时间变化的常值，要求其在外干扰的作用下，能以一定的控制精度将系统的输出控制在期望值上，这种系统称为定值调节系统，亦即恒值控制系统。

③ 程序控制系统  程序控制系统的输入量按所需程序设定，它是一种实现对输出进行程序控制的系统。

1.4.3 液压伺服系统

液压伺服系统是由液压动力机构和反馈机构组成的闭环控制系统，它能控制物体的位置、方向、姿态等，并能追踪任意变化之目标的控制系统。 输出量（位移、速度、力等）能够自动地、快速地、准确地复现输入量的变化规律。同时，还对输入信号进行功率放大，因此它也是一个功率放大装置。

伺服控制系统分为机械液压伺服系统和电气液压伺服系统(简称电液伺服系统)两类。 机械液压伺服系统应用较早，主要用于飞机的舵面控制和机床仿形装置上。随着电液伺服阀的出现，电液伺服系统在自动化领域占有重要位置。很多大功率快速响应的位置控制和力控制都应用电液伺服系统，如轧钢机械的液压压下系统；机械手控制和各种科学试验装置(飞行模拟转台﹑振动试验台)等。

（1）机液伺服系统

图1-4所示为一简单的机液伺服控制系统原理图。

图1-4中供油是来自恒压油源的压力油，回油通油箱。液压动力元件由四边滑阀和液压缸组成。滑阀是一个转换放大元件，它将输入的机械信号（阀芯位移）转换成液压信号（流量、压力）输出，并加以功率放大。液压缸为执行元件，输入是压力油的流量，输出是运动速度或位移。在这个系统中，阀体与液压缸缸体做成一体，构成了机械反馈伺服控制回路。其反馈控制过程是：当阀芯处于中间位置（零位）时，阀的四个窗口关闭，阀无流量输出，缸体不动，系统处于静止平衡状态。若阀芯1向右移xi，则节流窗口a、b便各有一个相应的开口量xｖ、xi，压力油经窗口a进入液压缸无杆腔，推动缸体右移xp，液压缸左腔的油液经窗口b回油箱。在缸体右移的同时，也带动阀体右移，使阀的开口量减小，即xv-xi-xp。而当缸体位移xp等于阀芯位移xｉ时，xv为0，即阀的开口关闭，输出流量为零，液压缸停止运动，处在一个新的平衡位置上。如果阀芯反向运动，则液压缸也反向跟随运动。这就是说，在该系统中，滑阀阀芯不动，液压缸缸体也不动；阀芯向哪个方向移动，缸体也向哪个方向移动；阀芯移动速度快，缸体也移动速度快；阀芯移动多少距离，缸体也移动多少距离。液压缸的位移（系统的输出）能够自动地、快速而准确地跟踪阀芯的位移（系统的输入）运动。系统的原理框图如图1-5所示。

该系统是一个靠偏差工作的负反馈闭环控制系统，其输出量是位移，故称为位置控制系统。由于其输入信号和反馈信号皆由机械构件实现，所以也称机液位置伺服控制系统。还因它的机液转换元件为滑阀，靠节流原理工作，也称阀控式液压伺服系统。

图1-5是机液伺服控制系统的情况，其反馈为机械连接形式。事实上，反馈形式可以是机械、电气、气动、液压之一或它们的组合，所以液压控制系统还有电液控制和气液控制等多种形式。

（2）电液伺服系统

电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。电液伺服系统又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统。

① 模拟伺服系统  在图1-6所示模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低(绝对精度低)。伺服系统的精度在很大程度上取决于检测装置的精度。模拟式检测装置的精度一般低于数字式检测装置，所以模拟伺服系统分辨能力低于数字伺服系统。另外模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响，因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行有效控制。

② 数字伺服系统  在图1-7所示数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。因此数字伺服系统又分为全数字伺服系统和数字—模拟伺服系统两种。

最常见的有电液位置伺服系统﹑电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统。 

图1-8所示为一个典型的电液位置伺服系统原理图。其工作原理是：由计算机（指令元件）发出数字指令信号，经D/A转换器转换为模拟信号uｒ后输给比较器，再通过比较器与位移传感器传来的反馈信号uｆ相比较，形成偏差信号∆u，然后通过校正，放大器输出控制电流i，操纵电液伺服阀（电液转换元件）产生较大功率的液压信号（压力、流量），从而驱动液压伺服缸，并带动负载（被控对象）按指令要求运动。当偏差信号趋于零时，被控对象（负载）被控制在指令期望的位置上。该电液位置伺服控制系统的原理框图如图1-9所示。

（3）电液控制系统的基本组成

电液控制系统与其他类型液压控制系统的基本组成都是类似的。不论其复杂程度如何，都可分解为一些基本元件。图1-10所示为一般电液控制系统的组成。

① 输入元件  输入元件是指将指令信号施加给系统输入端的元件，所以也称指令元件。常用的有指令电位器、信号发生器或程序控制器、计算机等。

② 比较元件  也称比较器。它将反馈信号与输入信号进行比较，形成偏差信号。比较元件有时并不单独存在，而是由几类元件有机组合构成整体，其中包含比较功能，如将输入指令信号的发生、反馈信号处理、偏差信号的形成、校正与放大等多项功能集于一体的板卡或控制箱。图1-11所示的计算机电液伺服/比例控制系统，其输入指令信号的发生、偏差信号的形成、校正，即输入元件、比较元件和控制器（校正环节）的功能都由计算机实现。

③ 放大转换元件  该元件将比较器给出的偏差信号进行放大，并进行能量转换，以液压量（如流量、压力等）的形式输入执行机构，控制执行元件运动。例如伺服阀、比例阀或数字阀及其配套使用的控制放大器，都是常见的放大转换元件。

④ 检测反馈元件  该元件用于检测被控制量并转换成反馈信号，加在系统的输入端与输入信号相比较，从而构成反馈控制。例如位移、速度、压力或拉力等各类传感器就是常用的检测反馈元件。

⑤ 液压执行元件  该元件按指令规律动作，驱动被控对象做功，实现调节任务。例如液压缸、液压马达或摆动液压马达等。

⑥ 被控对象  它是与液压执行元件可动部分相连接并一起运动的机构或装置，也就是系统所要控制的对象，如工作台或其他负载等。

除了以上基本元件，为改善系统的控制特性，有时还增加串联校正环节和局部反馈环节。当然，为保证系统正常工作，还有不包含在控制回路中的液压油源和其他辅助装置等。

（4）电液控制系统的特点

电液控制系统具有下列液压系统的优点。

① 单位功率的质量小，力-质量比（或力矩-惯量比）大  由于液压元件的功率-质量比和力-质量比（或力矩-惯量比）大，因此可以组成结构紧凑、体积小、质量小、加速性好的控制系统。例如优质的电磁铁能产生的最大力大致为1.75MPa，即使昂贵的坡莫合金所产生的力也不超过2.157MPa；而液压缸的最大工作压力可达32MPa，甚至更高。统计资料表明，一般液压泵的质量只是同功率电动机的10%～20%，几何尺寸为后者的12%～13%；液压马达的功率-质量比可达7000W/kg，因受磁饱和限制，电动机的功率-质量比约为700W/kg，即液压马达的功率-质量比约为相同容量电动机的10倍。

② 响应速度快  由于液压动力元件的力-质量比（或力矩-惯量比）大，因此加速能力强，能够安全、可靠地快速带动负载启动、制动和反向。例如中等功率的电动机加速需要一至几秒，而同等功率的液压马达加速只需电动机的1/10左右时间。由于油液的体积弹性模量很大，由油液压缩性形成的液压弹簧刚度也很大，而液压动力元件的惯量又比较小，因此，由液压弹簧刚度和负载惯量耦合成的液压固有频率很高，故系统的响应速度快。与具有相同压力和负载的气动系统相比，液压系统的响应速度是气动系统的50倍。

③ 负载刚度大，控制精度高  液压系统的输出位移（或转角）受负载变化的影响小，即具有较大的速度-负载刚度，定位准确，控制精度高。由于液压固有频率高，允许液压控制系统，特别是电液控制系统有较大的开环放大系数，因此可获得较高的精度和响应速度。此外，由于油液的压缩性较小，同时泄漏也较小，故液压动力元件的速度刚度较大，组成闭环系统时其位置刚度也大。液压马达的开环速度刚度约为电动机的5倍，电动机的位置刚度很低，无法与液压马达相比。因此，电动机只能用来组成闭环位置控制系统，而液压执行元件（液压缸或液压马达）却可用于开环位置控制。当然若用闭环位置控制，则系统的位置刚度比开环要高得多。相比气动系统，由于气体可压缩性的影响，气动系统的刚度只有液压系统的1/400。

④ 容易按照机器设备的需要，通过管道连接实现能量的分配与传递；利用蓄能器很容易实现液压能的贮存及系统的消振等；也易于实现过载保护和遥控等。

除了以上一般液压系统都具有的优点外，需要特别指出的是，由于电液控制系统引入了电气、电子技术，因而兼有电控和液压技术两方面的特长。系统中偏差信号的检测、校正和初始放大采用电气、电子元件来实现，系统的能源用液压油源，能量转换和控制用电液控制阀完成，它能最大限度地发挥流体动力在大功率动力控制方面的长处和电气系统在信息处理方面的优势，从而构成了一种被誉为“电子大脑和神经＋液压肌肉和骨骼”的控制模式，在很多工程应用领域保持着有利的竞争地位。对中大型功率、要求控制精度高、响应速度快的工程系统来说是一种较理想的控制模式。

由于电液控制系统中电液转换元件自身的特点，电液控制系统也存在以下缺点。

① 电液控制阀的制造精度要求高，高精度要求不仅使制造成本高，而且对工作介质即油液的清洁度要求很高，一般都要求采用精细过滤器。

② 油液的体积弹性模数会随温度和空气的混入而发生变化，油液的黏度也会随油温变化。这些变化会明显影响系统的动态控制性能，因此，需要对系统进行温度控制和严格防止空气混入。

③ 同普通液压系统一样，如果元件密封设计、制造或使用不当，则容易造成油液外漏，污染环境。

④ 由于系统中的很多环节存在非线性特性，因此系统的分析和设计比较复杂；以液压方式进行信号的传输、检测和处理不及电气方式便利。

⑤ 液压能源的获得不像电控系统的电能那样方便，也不像气源那样容易贮存。

1.4.4 液压控制系统的适用场合

液压控制系统一般都带检测反馈形成的闭环控制，具有抗干扰能力，对系统参数变化不太敏感，控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活，但要考虑稳定性问题，设计较复杂，制造及维护成本较高，因此，多用于要求系统性能较高的场合。当然，不同类型的液压控制系统也各有其适用的场合。

（1）阀控系统与泵控系统的适用场合

阀控系统是利用节流原理工作的，故也称节流控制系统，其主要控制元件是液压控制阀（如伺服阀、电液比例阀或数字控制阀等），具有响应块、控制精度高，可利用公共恒压油源控制多个不同的执行元件的优点，其缺点是功率损失大、系统温升快，比较适用于中小功率的快速高精度控制场合。泵控系统又称容积控制系统，是用控制阀去控制变量泵或液压马达的变量机构，使其排量参数按系统控制要求变化的系统。由于泵控系统无节流和溢流损失，故效率高、节能，但响应速度比阀控系统慢、结构较复杂，适用于大功率而响应速度要求不高的控制场合。

（2）机液控制系统、电液控制系统的适用场合

机液控制系统的指令给定、反馈和比较都采用机械构件，优点是简单可靠，价格低廉，环境适应性好，缺点是偏差信号的校正及系统增益的调整不方便，难以实现远距离操作；另外，反馈机构的摩擦和间隙都会对系统的性能产生不利影响。

机液控制系统一般用于响应速度和控制精度要求不是很高的场合，绝大多数是位置控制系统。

电液控制系统的信号检测、校正和放大等都较为方便，易于实现远距离操作，易于和响应速度快、抗负载刚度大的液压动力元件实现整合，具有很大的灵活性和广泛的适应性。特别是电液控制系统与计算机的结合，可以充分运用计算机快速运算和高效信息处理的能力，可实现一般模拟控制难以完成的复杂控制规律，因而功能更强，适应性更广。电液控制系统是液压控制领域的主流系统。