李小海
佛山伊之密精密橡胶机械有限公司
摘要：液压传动系统由于其独特的优点，即具有广泛的工艺适应性、优良的控制性能和较低廉的成本，在当今工业领域使用非常广泛，如汽车，船舶及自动化机械设备。如何进行有效的液压控制，本文阐述了液压控制的工作原理以及液压系统应用中的注意事项，对液压控制的应用进行了探讨分析。
关键词：传动系统；液压控制；工作原理；应用
引言：随着中国工业化的快速发展，自动化设备被使用在了各行各业。本文介绍了液压系统的组成，对其实际应用进行了论述，对机械设计中液压机械控制系统的应用进行了具体的分析和研究，同时可供工程师设计提供参考。
1、自动化设备中液压系统的组成
一个完整的液压系统，需要由以下机构组成：
1、油缸，机械装置通过油缸运动，实现机械动作或机械动力。
2、油缸控制需要一套方向阀组
3、油泵动力源，动力源由1）、电机；2）、油泵；3）、PQ（Pressure -Quantity of flow）阀组 组成
4、液压油
如图：
2、液压控制的应用
2.1、油缸的控制
为实现一个油缸的控制，在设计时必须要考虑，这个油缸是起到什么作用？它可以推动机械装置产生运动或者通过多个油缸实现一连串的完整动作。实现这一整套液压设备的运行，控制系统需具备简单的方向阀，PQ阀组的控制。油缸的控制从控制上来讲，运动时需要打开方向阀，打开泵给出油，并且达到一定压力就可以。但实际控制过程中如果没有很好的运用液压流体的和执行机构的特性，会在使用过程中出现液压控制不稳定或者异响大的问题。
因此针对一个油缸的控制，首先要知道如下一些知识，方向阀的开启，它不是瞬间打开的，阀芯的移动是通过给定电压，线圈产生磁力，从而使得阀芯移动，这个过程实际需要约30ms的时间。同时油泵通过流量阀和压力阀在控制过程中也需要控制时间，大概约10ms。之后，可以预想到，液压油从PQ阀组位置去到油缸中间是有管路的。这个液压油流动距离需要时间，这个和泵的排量有关，同时跟管的管径大小也有直接关联（这里先不考虑这个关系，假设是合理管径）。当在给出油缸运行命令时，需要给出方向阀信号，此时延时30ms左右开始给出PQ阀信号，系统开始起压，液压油开始流动到油缸，到达时液压油推动油缸活塞运动，产生机械动力。这里假设，如果方向阀和PQ阀同时给出信号会有什么情况呢。因为PQ阀信号快于方向阀信号，液压油就会在方向阀阀芯处产生压力。阀芯在有阻力的情况下，方向阀打开慢了。同时因为液压油冲击阀芯也会产生阀芯尖叫声。这样很难达到较好的控制效果。了解以上信息原理，在停止油缸控制上也是相反的思路。即先停止PQ阀信号，延时10ms开始进行关方向阀信号。液压机构按上面的顺序执行，整个机械运行非常平稳，但这里面的相关延时时间可以通过控制软件进行预设，找到合理的时间值。如果要考虑机械运行安全问题，在安全需要的情况，必须同时关闭PQ阀和方向阀信号，此时机械动作会立即停止，但因为运动的惯性问题，会发现有很大机械响动。
2.2、重力缸的控制
机械装置如果存在上下运行的情况。因为机械运行件存在自身的重量和运动后的惯量，油缸在向上运行时通过克服重力，这个在控制上没有发生改变。但在向下重力方向运动时，会出现控制失速的情况，且当给出关闭运行动作信号时，油缸会滑行一个距离，这种通过软件是没有办法进行控制的。那么液压系统上就需要在重力方向增加一个溢流阀，通常也称平衡阀，这样在向下运行时，油缸运行会有一个背压，速度自然就变得可以控制。同时如果需要考虑安全方面的问题，光一个平衡阀也是不行。因为平衡阀的泄漏也是存在的，会造成机械装置重力原因下滑，造成安全问题。这里为了增加安全性，可以增加一组液控单向阀。如下图：
当然在有些机械运行的过程中或许需要2个方向都需要有背压，以便解决机械惯性或者被动移动的问题，这个时候可以使用双向平衡阀组。
2.3、位置的控制
为实现这一项控制的要求，本身要对油缸的行程进行测量。这里可以采用线性测量传感器，目前测量传感器有很多种类，传送信号也很多，如电压或者电流信号，也有通过通讯传送实际的位置信息。同时液压方面可以采用双向的伺服阀，通过给定伺服阀DC -10V~10V的信号。控制上采用闭环位置控制，从而可以实现预设位置和实际位置的控制。这里只是简单阐述控制方法，具体的控制精度和达成值的速度，和控制系统的闭环控制软件的算法有关，越高级的算法效果会更好。由于成本的问题，采用方向阀的控制，不能单纯的采用打开和关闭来做位置定位，要结合PQ阀的控制实现。这里还需要考虑油缸运行的惯性和力的大小，从而实现位置接近预设值时需提前减速，如果减速效果不好的情况还要考虑关闭阀组，强行减速，到一定可控速度后再打开方向阀进行位置控制。这都需要通过配合软件控制算法结合硬件去实现。
2.4、PQ阀组的控制
对于PQ阀控制的使用。从控制上会存在这样的关系，设定值到标定控制系统硬件输出值，再到模拟信号到阀组上，那么这个过程的控制将会影响很大。这里可以先来分析一下，在实际使用过程中，如果采用闭环的比例阀，那么给到阀组的输入和输出将会是直线性的，系统输入也会是一条直线。但往往因为成本的压力，会选用普通的比例阀。这样的阀在线性上会是一条曲线，特别是在开始和结尾的部分如下图黑色线
蓝色是直线控制，在低值和高值情况下比例阀的实际值偏离很大。
这样的情况下，在控制系统上需要将设定值和模拟量硬件输出值以一条曲线的方式对应。这里可以通过一个线性列表来实现，可将控制效果逼近这条曲线。线性列表可以采用20等分的对比控制，它将设定值分成20份，分别对应模拟量实际值输出。如需要更高的控制要求可以把20等分列表提高到30，40以及更高，但列表等分过多，会影响控制系统的查表时间。当然在更高级的控制里，会把液压系统的流量通过测定液压马达转速来确定流量阀的曲线，通过系统自动测定转速来实现等分数；压力通过系统增加一个压力传感器测定实际压力来确定压力阀的曲线。这样做的目的主要是因为这些阀的生产过程实际会存在制造误差，那么这个曲线也会产生一个偏移。通过这种方式可以使得液压系统的控制更加准确。另一个还要关注的是，提高控制精度，还和针对模拟量输出模块的精度选型有关。通常价格较低的模块是12位。精度提高，就需要使用到16位。再高就需要使用到双精度模块即-32767~32767，范围更宽。PQ阀的电气设备要求，一般会有DC -10V~10V，DC 0~800mA等电信号。对于控制系统的模拟输出模块不支持0~800mA输出的，需要采用模拟放大板。放大板采用输入DC 0~10V，输出采用PWM方式，通过PWM的输出实现0~800mA的直流控制。
结束语：
通过对油泵的PQ阀控制和油缸的方向阀控制的理解和运用，可将一个单一的机械动作通过液压系统实现。针对多路控制的复杂自动化机械液压动力设备，可把每一个单一控制的液压单元组合起来即可形成自动化控制。一个国家的经济发展离不开工业的发展，特别是更多的自动化机械设备大量采用了液压系统。在不断的应用过程中，对不断发现的问题和不足加以改进和优化，使之得到更好的发展。
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[4] 张婴璇.机械设计制造中液压机械控制系统的应用解析[J].南方农机，2018，49(7)：169.
论文作者:李小海
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
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