二自由度電液比例控制系統開發

王海鵬 劉少軍 王金寶

某工程機械，為了通過剛性牽引裝置和連接裝置，實現與損傷車輛的快速連接，完成牽引作業，在機械的尾部加增了一套剛性牽引裝置，牽引裝置的剛性牽引桿通過液壓馬達和液壓油缸來控制，實現其上、下、左、右運動。液壓油缸和液壓馬達采用通過電液比例控制系統進行控制，從而實現控制的精確性和操作的簡單性。

剛性牽引裝置的組成

液壓控制系統

液壓控制系統按功能分為二自由度控制手柄、電液控制子系統等部分。其工作原理：操縱人員處于安全處，通過操縱二自由度控制手柄來控制操作工作現場的剛性牽引桿，操縱者用手直接操縱控制手柄，使剛性牽引桿與被牽引目標接近，再調整液壓缸的位置和姿態，使剛性牽引裝置與被牽引車輛的牽引部位準確對接。

一、電液控制系統設計

每一只剛性牽引桿由一支液壓缸和一個液壓馬達控制，均采用電液比例方向閥控制，根據輸入信號大小不同，來控制比例方向閥輸出油液流動方向和流量大小，從而控制液壓絞盤馬達的轉速和旋轉方向，液壓缸伸縮方向和速度。

液壓控制系統應保證剛性牽引桿在一定的運動范圍內實現水平擺動、垂直俯仰動作。采用三位四通電液比例方向閥控制提升馬達、水平擺動缸，使得剛性牽引桿能夠實現二個自由度的動作。

二、電液比例方向閥

本系統中電液比例方向閥采用三位四通的帶閥芯位置反饋的直動式比例方向閥，它通過比例電磁鐵直接推動閥芯左右移動來工作的。此閥的比例電磁鐵帶有直線型差動變壓器式位移傳感器，傳感器的動鐵心與電磁鐵的銜鐵機械固連。其工作過程如下：輸入控制信號，電磁鐵受到激勵，閥芯移動相應的距離，同時也帶動位移傳感器的鐵心離開平衡位置。于是，位移傳感器感應出一個位置信號，并反饋到比例控制器。輸入信號與實際值（反饋信號）比較，并產生一個差值控制信號，糾正任何實際輸出值對給定值的偏差，最后得到準確的位置。由于有閥芯位置反饋，它的控制精度較無位置反饋的要高。

三、電液比例控制器設計

1.電液比例控制原理

比例方向閥及其控制器是電液控制子系統的核心，由它實現對液壓缸的速度控制和換向控制，其電液比例閥控制原理如下圖。

比例方向閥的開口面積可以從零到最大變化，它根據控制電流的大小連續地控制閥口開度，輸出相應的流量，達到最佳的控制效果。系統中控制信號一般為弱電流信號，因此需電液比例控制器來進行處理。通過電液比例控制器能夠及時地產生正確有效的控制信號。為了使剛性牽引裝置實現規定動作，電液比例液壓系統實現預期的控制功能，必須對比例方向閥進行正確的控制，對電液比例控制器的要求是：能及時地產生正確有效的控制信號。及時地產生正確有效的控制信號意味著除了有產生信號的裝置外，還必須要有正確無誤的邏輯控制和信號處理裝置。正確有效的控制信號意味著信號的幅值和波形都應滿足比例閥的要求，與電-機械轉換裝置相匹配。

電液比例放大器總體框圖

2.電液比例控制器

因此，電液比例控制器是一個能夠對弱電控制信號進行整形、運算和功率放大的電子控制裝置。根據控制要求，該放大器主要包括斜坡信號發生器、PID調節器、傳感器驅動電路、斷路檢測器、功率放大器、信號處理電路、閥芯快跳電路、電源等。

（1）斜坡信號發生器

斜坡信號主要由發生器積分電路等組成，用于控制信號的上升變化和下降變化的速度。其電路原理如圖所示。通過斜坡時間的設定，調整負載的加速、減速時間。使負載以可調的速率無沖擊的啟動、轉換、停止，提高生產率。

（2）位移傳感器驅動電路

比例電磁鐵的位移傳感器是電感式位移傳感器，需有振蕩電路對傳感器線圈提供穩定的載波電壓。振蕩器產生一定頻率和幅值的信號激勵比例電磁鐵的位移傳感器，位移傳感器的鐵芯與閥芯同步運動，當鐵芯偏離中心位置時，線圈兩端感應出與鐵芯偏移量成正比的電壓信號，送回電液比例控制器，經解調和匹配放大變成與輸入給定可比較的直流電壓信號。

（3）斷路檢測電路

為了確保系統安全，必須提高反饋通道的可靠性，因此在本放大器中設計了傳感器斷線檢測電路。因為在很多情況下，傳感器斷路會造成反饋值為零，導致過大的偏差信號，從而引起電液比例控制器太大的輸出值，因此它是一個安全保護電路。

（4）PID調節器

為了優化比例閥的性能，本放大器專門設計了PID調節器。PID調節器由比例積分器、比例微分器組成。其主要任務是當給定值發生變化時，調節控制對象的實際值與新的輸入值相對應，消除或減小干擾量對調節量的影響。若出現任何偏差，PID調節器都會產生一個糾偏信號給輸出功率放大部分，向電磁鐵發出控制信號，使閥芯保持在準確的位置上。

（5）功率放大器

功率放大器的作用是對各種控制信號進行綜合和放大，向電—機械轉換裝置提供足夠大的驅動電流。

（6）穩路電源

電液比例控制器的內部電路中需要穩定的+12V電壓，因此必須設計穩壓電路。穩壓電路的功能是對蓄電池提供的直流電壓作進一步的平滑濾波后，一部分供功放器作功率放大，另一部分經穩壓后分離出正負電壓源供內部運放電路使用。

（7）閥芯快跳電路

由于比例閥的節流邊有約為20%的覆蓋量，通常正反兩個方向均有死區存在，且其大小不同。為了提高控制質量，需設法消除死區。本項目采用階躍信號使閥芯產生快跳，迅速越過死區。

（8）實際值處理電路

由于電液比例控制器大閉環反饋回路中，采用的是電感式位移傳感器，送回的信號是一定幅值的正弦波，而控制電磁鐵采用的是直流電壓，所以不能直接參于控制，必須將其轉換為直流。電路原理圖如11所示。

該控制系統能夠較好的實現對剛性牽引裝置的控制，能夠實現剛性牽引架的仰俯、水平擺動控制，控制精度達到誤差小于5mm，較好的實現了預定功能。