氣動控制技術展望

李凌峰

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶，163318）

氣動控制技術展望

李凌峰

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶，163318）

本文主要敘述了氣動位置控制技術的發展現狀,并在此基礎上分析了現階段氣動位置控制的主要方法、控制策略以及現有的研究成果,并對氣動位置控制發展趨勢作了展望。

氣動;控制

近些年以來,氣動系統由于它的污染程度較小、生產成本較低、對生產環境的適應性也較高,再加上氣動相關科學技術與電子計算機技術的高效結合，進一步降低了其生產成本,因此這一技術在自動化相關領域實現了較為廣泛的使用。氣動位置控制系統作為這一技術的前沿領域，也得到了極大程度的發展,并且業已在工業自動化技術當中處于非常重要的地位。

1 流體的脈沖控制技術概述

流體的脈沖調制及控制技術主要是采用和位移信號能夠相對應的脈沖信號，直接使閥循環進行通、斷的運動,使之能夠形成間斷性的脈沖流體,最終實現控制平均流量輸出的效果。在實際生產當中使用最為廣泛的是脈寬調制(PWM)以及脈沖調制(PCM) 這兩種方法。

脈寬調制即為調整脈沖其高電平的寬度,也就是閥的運行時間從而達到控制平均流量的目的。此類系統最大的優點在于系統的工藝較為簡單,使用性能可靠,對各類污染的抵抗能力較強；其缺點主要為系統的噪因較大以及系統上各類閥門的使用壽命過短等。在這一系統進行工作的過程中,各類閥門進行開關時間對整個系統作出正確響應速度的影響十分明顯,如果想使系統作出快速響應,就必須使用性能較高的各類開關閥門, 因此研究人員提出了脈碼調制技術。

脈碼調制技術能夠使用價格較為低廉的通用閥就可以完成高效的控制。我國對這一技術進行了較為深入的研究，并取得了一定的成果。這一技術的主要缺點主要其能夠達到的精度主要由閥的最小開口面積所決定,所以需要其盡量較小,該類系統所能達到的調速上、下限主要由閥的最大流量所決定,而其又是由閥的數量所決定的。因為受到計算機位數以及系統成本等因素的限制,系統上閥的數量不宜過多。因此如果閥的總體數量不變,就會出現系統其能夠達到的控制精度和調速范圍之間,穩定工作和快速工作之間產生矛盾。為了解決這一問題，研究人員又提出了廣義脈碼調制的方法(GPCM)。

GPCM 技術的主要原理即為在合理降低閥的最小開口面積的基礎上,有把所有開關閥門的有效開口面積采用一定的編碼方法進行排列標定,用來提升最大開口面積,最終達到提高閥門流量的目的。經過實驗能夠發現,如果使用GPCM技術能夠較為有效的增加整個系統的動態響應能力,并且能夠使用普通開關閥來進行工作,因此即減小了系統的成本猶如,又能夠增加整個系統的可靠性。

2 比例伺服閥控制技術研究

氣動比例伺服系統是一個能夠實現連續穩定控制的系統,其所使用的控制閥是比例閥或者伺服閥。其中，比例閥主要分為壓力比例閥以及流量比例閥兩大類。伺服控制閥在一般情況下也可以將其稱之為比例方向控制閥。在實際的使用時一般并不需要進行嚴格的區分,而是把這兩類統稱比例伺服閥；而把比例閥以及伺服閥所組成的系統統稱是氣動伺服系統。氣動比例/伺服控制系統其所能達到的輸出量是隨著輸入量從而按照一定的比例，最后形成連續性變化系統,并以電流用來控制其閥門的開啟的幅度，從而達到控制流量的效果。這一系統能夠實現壓力以及流量在出現連續性變化時進行較高精度的控制。

氣動比例/伺服控制系統其主要的優勢在于系統運行的速率高、能夠輸出的功率較大、系統整體的壽命也較長,因此在工業自動化領域的當中擁有強大的競爭力。通過使用伺服控制系統不但能夠將驅動系統的動作時間減少20%,而且可以相當程度的減小驅動系統于制動以及氣動過程中所產生的振動,進而提升了產品質量,并減小了設備的生產損耗。但是如果氣動伺服系統的精度提高,那么相應的對傳感器以及組成反饋控制回路的電子元器件要求也會提高。所以氣動比例/伺服系統能夠健康發展的關鍵性問題主要即為與之相應的傳感器以及高性能電子元件是否可以得到廣泛的使用,這主要取決于其制造的成本以及性能是否安全可靠?？傮w來說,以上兩種控制方法各有其優勢及缺點。運用流體脈沖進行調制控制的方法主要用開關閥門作為主要的控制元件,和計算機連接簡易,其成本也較為低廉,但是這一系統存在生產噪音較大以及設備壽命短等問題,導致近些年來發展一直不快,仍然處于實驗研究時期,如果可以解決以上問題,其應用前景光明。在比例伺服閥控制系統當中,比例閥以及伺服閥的主要特點類似,即信號的頻寬較高、而且系統做出響應的速度也較快,但伺服閥需要的成本較昂貴,因此在并沒有獲得廣泛的應用；比例閥由于其造價相對較為低廉,因此發展很快,大量的公司都研發了各類商業類型的氣動比例閥,并獲得了較為廣泛的使用。所以,該類技術將成為氣動位置控制系統以后得發展關鍵。

3 相關技術的展望

氣動位置控制近些年來的發展十分迅速,在自動控制專業中表現出了極大的發展潛力。提升這一系統的控制精確程度以及使用可靠性是該領域目前及今后發展的關鍵?，F階段,僅應用線性控制的技術方法已經難以精確控制高度非線性的復雜系統。所以,隨著控制閥應用在技術以及性能上不斷進行改進,在控制過程中可根據系統的動態特征和行為合理地選擇控制閥,同時采取“靈活機動”的有效控制策略,將在很大程度上改善氣動位置控制系統的性能?？傊?氣動位置控制系統的研究雖然取得了很多成果,但隨著工業自動化的發展,對系統的性能還需進一步改善,以滿足實際的工業應用日益增長的需要。因此,對氣動位置控制系統的研究和學習是一項艱巨而重要的任務。

[1] 史維祥.流體控制發展的一些動向.液壓氣動與密封, 2001(2)

[2] 寧舒 .氣動位移系統的計算機“PCM”控制初探.液壓與氣動,1991(1).

[3] 劉榮, 王宣銀 .廣義脈碼調制液壓位置控制系統的建模與仿真研究.中國機械工程, 2001(4).

[4] 范萌,彭光正 .單出桿低摩擦氣缸位置伺服控制系統的分析與研究.機床與液壓, 2003(2).

李凌峰，男，1992年9月3日，東北石油大學機械科學與工程學院在讀本科生

Pneumatic control technology is predicted

Li Lingfeng
(College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing,163318,China)

Briefly describes the development of pneumatic position control technology,analyzes the basic method of pneumatic position control,control strategy and the existing research results,and the development trend of pneumatic position control is discussed.

pneumatic；control

系統結構示意圖