液壓與氣壓傳動系統控制方法探析

王立永

摘 要：當前，隨著液壓與氣壓傳動系統控制方法向智能化控制方向發展，傳統的控制方法已無法滿足自動化設備需求。本文通過闡述液壓與氣壓傳動的特點及其應用，分析控制元件閥的控制方法，結合液壓與氣壓傳動傳動系統在實際生活與工業領域的應用，梳理液壓與氣壓傳動系統的控制方法。歸納出目前主要面臨的難點與解決方案，及比例PID控制方法進行探索，最后對液壓與氣壓傳動系統控制技術的發展給出總結和展望。

關鍵詞：液壓與氣壓傳動系統 控制方法 比例PID控制 發展

1 引言

在工業領域液壓與氣壓傳動技術普遍應用，他的一些傳動優點是機械傳動、電氣傳動無法代替的。液壓與氣壓傳動技術在實際使用中，面臨很多實際問題。合理將機械部分、電氣部分、控制部分的安裝與調試，并在工作過程中的故障如何處理成為關鍵。也是目前職業院校技能大賽的賽項，從而提高學生的實踐能力，達到與企業相接軌的目的。《液壓與氣壓傳動技術》課程作為機械類、機電類的專業課，是必須掌握的專業知識。液壓與氣壓傳動的控制方法是目的降低工作過程故障率，提高生產效率以及保證質量條件之一。工業領域控制方法的發展正向自動化、智能化的方向發展，而流體自動化控制是目前的發展方向。研究流體系統控制方法也是現在面臨的問題。

2 液壓與氣壓傳動的特點及應用

液壓與氣壓傳動系統可以根據工業的需要搭建成各種回路，通過傳動系統的控制元件控制流體流量、壓力、方向改變執行元件的狀態。控制元件調節流量可實現執行元件的無極調速，是傳統機械無法實現和替代的優點。這些控制元件除了普通的手動控制之外，可以通過一些控制軟件進行自動控制、遠程控制。廣泛的應用在半自動化和全自動化生產線，是智能制造不可缺失的部分。液壓與氣壓傳動的器件作為三化產品，在市面上很容易購買。在設計和維修過程中可根據需求直接購買，大大縮短了設計和制造及其提高了生產效率。液壓與氣壓傳動在傳動過程中需要經過兩次能量轉換，傳動效率低。并且在傳動過程中采用的工作介質為液壓油和壓縮空氣是可壓縮，難以保證定比傳動。液壓油對溫度比較敏感，溫度發生變化時物理特性發生變化，傳動效果隨之發生變化。工作過程中發生故障難以檢測，只能停機一一排查。液壓傳動輸出力大、傳動平穩等的特點，廣泛應用飛機起落架的升起和落下，盾構機挖掘隧道以及沖壓機沖壓模型等，使用了液壓傳動獨特的特點。氣壓傳動采用的工作介質為壓縮空氣，利用空氣來源廣泛等特點，廣泛應用于氣動機械手、氣槍、自動門等。總之，液壓與氣壓傳動應用于生活和工業各個領域，是不可缺少的部分。

3 液壓與氣壓傳動系統控制方法

液壓與氣壓傳動系統主要對控制元件閥的控制，控制元件閥改變工作介質液壓油與壓縮空氣的方向、壓力、流量實現控制。如果要系統到達需要的控制結果本質是對閥的控制，而閥的控制方式有手動、電動、液動、電液動及其伺服控制。手動控制進行手動操縱閥的操縱桿或通過機械物塊的撞擊實現控制，可靠性高、自動化差等特點，一般用于系統調試和維修保養過程。電動控制通過電磁鐵控制閥芯的移動改變方向及其管路的通斷，此種控制方法可靠、反應迅速，但是控制過程中有沖擊系統穩定性差。液動控制是利用液體推動閥芯的移動，液體推動平穩性好、可靠取決于閥體的質量和使用時長。電液動控制用電磁鐵通斷控制油路從而控制閥芯移動，此種控制反應迅速可靠性高、成本高，發生故障難以診斷。伺服控制利用電氣的模擬信號進行控制流量、壓力精確可靠，也是閥體工業領域最優越的控制方法，可伺服控制閥的成本高，是目前工業領域應用比較少的主要原因。

閥的控制方式有手動、電動、液動、電液動控制及其伺服控制，手動控制通過手動或機械物塊的撞擊就可以實現，而電動、液動、電液動及其伺服控制必要有相應的電氣裝置進行控制。常見的電氣控制元件有接觸器、繼電器、單片機、變頻器、微型計算機、PLC等，根據各自的特點應用在系統相應的位置。接觸器、繼電器工作原理通過低壓控制高壓，在液壓與氣壓傳動系統中主要用于泵站的起停，以及系統的一些邏輯控制。變頻器通過設置參數進行控制，通過傳感器檢測的信號反饋給變頻器從而控制。微型計算機控制在數控機床的液壓系統中比較常見，通過數控裝置控制和調節流體的參數。此控制技術需要應用組態技術和其他一些電氣元件配合完成，用于系統不變更控制。單片機與PLC是利用程序進行控制，用于搭建的系統經常更換的控制。目前工業領域自動化設備中液壓與氣壓的控制應用微型計算機較多，自動化設備的液壓回路原理不需經常更換。而在職業院校教學設備中PLC控制較多，在教學過程中根據需求搭建回路，此控制方法中PLC編程就成為關鍵。學生必須掌握一定的編程邏輯和指令，才可以支持系統正常工作。

4 液壓與氣壓傳動系統控制分析

液壓與氣壓傳動系統在工程機械中的應用，裝載機、推土機、挖掘機液壓系統中需要輸出力大，控制簡單可靠。他的控制系統是直接手動控制閥實現，也是目的最普遍使用的控制方法。在輕工機械中的應用，打包機、商品包裝機采用氣壓系統，而系統通過按鈕控制電磁閥實現，傳動迅速、空氣的來源容易、成本低得到了廣泛應用。在建筑機械中的應用，打樁機、液壓千斤頂、平地機的液壓系統采用普通手動控制閥可以滿足。在汽車工業中的應用有高空作業車、自卸式汽車、汽車起重機、小轎車等，大多使用液壓系統手動和按鈕控制閥。在冶金機械、鑄造機械、鍛壓機械、紡織機械中的應用，采用液壓系統傳動要求輸出的力可控、位置可靠的優點，而系統的控制元件電磁閥為按鈕控制。在機械制造中的應用，組合機床、沖床、自動線、氣動扳手有的設備采用液壓系統，有的設備采用氣壓傳動，有的設備采用液壓與氣壓傳動系統。系統控制有微型計算機控制的、有PLC控制的各不相同。

液壓與氣壓傳動系統控制根據系統的不同采用不同的控制方法，對于一些簡單最普通設備，采用手動閥或按鈕控制電磁閥即可。對于一些數控設備等，液壓與氣壓傳動系統比較復雜，數控設備需要實現全自動化或半自動化控制，采用數控設備的控制裝置控制電磁閥，即微型計算機控制。對于一些自動線設備，這種設備是機電一體化的產物有機械、電氣、液壓、氣壓部分等。需要各部分相互協調，目前普遍采用PLC控制。

采用PLC控制液壓與氣壓傳動系統，機械、傳感器、液壓與氣壓部分安裝與調試。首先需要進行機械部分的安裝與調試達到要求，同時進行檢測信號的傳感器的安裝與調試。其次根據要求設計液壓與氣壓回路，在設計的過程中可以借助FluidSLM仿真軟件進行輔助，根據要求對液壓、氣動回路進行科學設計，并對不同設計方案進行全面比較和綜合分析，完成對最佳設計方案的優化，這一過程有助于增強創造能力[1]。然后進行液壓與氣壓部分的安裝與調試，安裝時保證不漏油不漏氣，一定要保證管路連接正確以防損壞設備。最后按模塊手動給泵站通電進行液壓與氣壓部分的調試，調試液壓與氣壓系統各自的方向、流量、壓力達到要求。此時機械、傳感器、液壓與氣壓部分調試完成，接下來進行電氣部分的安裝與調試。首先進行PLC的選擇，目前使用最廣的PLC有三菱和西門子兩大品牌，目前市場相比較三菱價格便宜。其次PLC主模塊和擴展模塊的選擇，選擇PLC輸出電路形式為晶體管還是繼電器，擴展模塊需要數字量還是模擬量，根據需求選擇和搭建。然后根據系統要求PLC的編程，本質上PLC程序成為系統能否按要求工作的關鍵，也是保證系統正常工作前提。最后PLC模塊根據程序進行接線。此時PLC部分已完成接下整機調試。如果按以上要求調試設備基本可以正常工作，但是設備在運行過程中有可能有各種故障，根據實際情況解決即可。可有一些故障因為執行元件未及時到達指定位置，傳感器未檢測到信號，PLC在執行程序時邏輯錯誤使發生設備故障。這種故障是目前自動化設備最常見的故障，此故障只能從PLC程序的編寫和傳感器選擇進行解決。如果保證自動化設備正常工作，傳感器信號檢測和PLC程序的合理編寫成為關鍵，也是自動化設備面臨的問題。

對于液壓與氣壓傳動系統PLC控制而言，在運行的過程中會有一些小故障。這也是目前自動化設備很常見的故障問題。可是對于液壓與氣壓傳動系統的傳動介質是液壓油和壓縮空氣，發生故障不便檢測。所以在設計過程中，機械部分的安裝與調試保證機械部件動作可靠，管接頭密封性好。電氣部分的傳感器靈敏可靠，接線正確。控制程序邏輯合理。在設備運行中發生故障可依據PLC監控畫面的狀態判斷。PLC監控信號正常，電磁閥已通電，機械部分無動作，斷電排除機械部件和管路是否堵塞。PLC監控信號無輸入信號，觀測工件是否到位和傳感器位置是否正確，并檢測傳感器是否損壞。PLC監控信號正常，機械部分動作錯誤，首先檢測接線是否正常，如正常則檢測電磁閥是否安裝正確。液壓與氣壓傳動系統PLC控制故障處理方法如圖1所示，可以很好快速檢測出故障。對于工業領域可以提高生產效率。

5 液壓與氣壓傳動系統基于PLC的比例PID控制

在液壓與氣壓傳動系統中，流體的壓力取決于負載。執行元件在運動過程中受到的作用力會發生變化，系統的壓力也會發生變化。對于壓力控制基本的溢流閥、減壓閥、順序閥性能都會受到影響，從而影響液壓與氣壓傳動系統正常工作，造成系統不平穩、震動等故障。對于節流閥當壓力發生變化，通過節流閥的流量也會發生變化。在液壓與氣壓傳動系統中，流體的速度取決于流量。所以當壓力發生變化時，通過節流閥的流體的速度也會發生變化。對于液壓與氣壓傳動系統需要穩定工作，必須保證不受外界環境的影響。對于液壓與氣壓傳動系統都會受到外界環境的影響，保證系統正常工作必須加相應的反饋控制。反饋系統的類型有開環控制、半閉環控制、閉環控制，開環控制無反饋信號如傳統閥來控制。半閉環控制對輸出端的信號進行反饋，閉環控制對輸出的信號進行反饋，半閉環控制與閉環控制相比后者的反饋性能更好。電液比例控制技術是近幾年逐步急速興起的技術之一，將電控制技術與液壓與氣壓技術等多種技術相結合于一體。具有液壓與氣壓技術控制性能好，也具有電子技術控制方便、可靠等優點。已經應用液壓驅動的機器人、叉車以及航空工業領域等。電液比例控制技術就是應用了比例PID控制，也是目前最可靠、穩定的控制技術。PID控制系統對控制對象實時檢測與給定的數據比較產生誤差比例、積分和微分進行控制的控制系統，比例PID控制方法是其中之一。目前應用于PID控制的閥有比例壓力閥、比例換向閥、比例調速閥。對于PLC的比例PID控制檢測信號的方法有兩種，其一，通過比例控制閥檢測信號；其二，通過傳感器檢測信號。將檢測到的信號發送給PLC控制程序，PLC控制程序通過檢測的信號比較發出指令控制比例閥。隨著比例控制器的發展，在電液比例控制領域，已經形成了典型比例控制放大器如圖2所示，其一般由電源變換電路、輸入接口、信號處理電路、調節器、顫振信號發生器、前置放大級、功率放大級、測量放大器等部分組成[2]。PLC在此電路中執行的任務是信號處理，而微小的信號必須經過放大處理才可以應用于PLC，所以除檢測信號外必須處理放大信號。比例控制器的研究最早出現在發達國家液壓元件公司，我國目前大部分公司沒有自主研發的比例放大器。比例放大器在電路信號處理中起關鍵的作用，在比例PID控制系統中不可缺少。PLC的比例PID控制是目前在液壓與氣壓控制系統精密的控制，可以廣泛應用于液壓與氣壓系統的設計，及其工業領域。比例PID控制除PLC的編寫外，主要是控制算法的編寫。控制算法可以通過Matlab軟件等完成函數計算及其處理。

6 結語

液壓與氣壓傳動系統是工業和生活中不可缺失的部分，對于一些簡單系統通過按鈕控制即可實現。對于復雜系統需要實現邏輯控制，必要有相應的電氣輔助設備。液壓與氣壓傳動系統的故障，認真分析問題發生的原因，然后及時采取針對性的措施，建立更加完善的技術體系，加強對關鍵環節技術的研究[3]。

參考文獻：

[1]儲勝國. FluidSIM軟件在液壓與氣動技術教學中的應用[J]. 造紙裝備及材料， 2021， 50（02）： 141-142.

[2]趙楊. 多路閥用比例控制器及位置控制算法研究[D].燕山大學，2022.DOI：10.27440/d.cnki.gysdu.2022.002381.

[3]李明相， 陳忠潤. 液壓與氣壓傳動技術的應用[J]. 集成電路應用， 2022，39（02）： 190-191.