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"问题阀"的真相:智选液压阀一实现精确控制

        仅靠高性能的运动控制器是无法保证液压系统整体性能的。即使是最好的控制器,也无法弥补设计不当的系统和选择不当的系统元件。正如在《选择最佳的液压伺服控制阀》中提到的那样,伺服比例阀的特性对闭环运动系统的性能影响极大。有时设计者选择增加的元件,比如平衡阀,会干扰比例阀和伺服阀的运作。紧迫的工期有时会导致不谨慎的系统设计和错误的元件选择(往往看哪些当时有现货)。匆忙选择元件的结果,经常是设计者花费大量令人沮丧的时间试图达到所期望的系统性能。对液压阀的一些常见问题有更好的理解,能帮助设计人员缩短系统的设计周期和实现更精确的运动。

图2-3-1.比例伺服阀与运动控制器及液压缸组成的典型闭环控制系统

DELTA全系列液压伺服控制器
常见的阀的漂移问题 
漂移是液压控制系统中一个比较棘手的问题。这里将讨论两个漂移的话题,一是相对简单的执行机构的连续漂移,另一个是更难以捉摸的空值(Null,通常是0或者VOID)漂移。执行机构的连续漂移通常发生在阀处在空值范围之外、没有控制信号(电源未接通)的情况下,导致液压缸出现缓慢移动或漂移。但有些时候这种漂移也有好处,比如把空值调置为每当系统失去控制信号时,使执行机构缩回到安全位置。 但当漂移率过高或漂移方向相反时,系统就会出问题。比如说漂移率过高时,也许高达10%的控制信号要用来补偿阀在空值范围之外的漂移。如果这10%的控制输出仅够用来抵消漂移和保持位置,那就只剩下90%来使执行机构向与漂移相反的方向移动,而执行机构在这个方向上的速度可能也有全速的90%。因此,在要求快速运动的应用场合,使用带有强烈空值偏差的阀,会阻碍执行机构到达期望的最大速度。 调整阀的空值(此时视为“零位”)十分简单,只需要调节伺服阀的调节螺拴或转动比例阀放大器的旋钮就可实现。先将控制信号调零,然后调节螺拴或旋钮直至执行机构停止漂移即可。或者,当闭环系统的执行机构保持位置不变时,调节螺拴或旋钮直到输出到阀的控制电压为零即可。空值也可以通过调整运动控制器中的偏置或空值参数进行补偿,但要记住,这种方法无法克服上文提到的速度限制的缺陷。 如果运动控制器在闭环算法中存在积分环节(I),它在闭环控制模式下会自动补偿漂移。然而,滥用积分环节(I)去补偿空值会导致意想不到的系统行为。例如,因为积分控制环节在开环控制时不起作用,所以在缓慢移动或I作周期内的任何部分使用开环运动时,空值都无法得到修正。因此,最好不要依赖使用闭环控制的PID算法来补偿漂移,而是通过调整阀的空值位置.或调节运动控制器的偏置或空值参数来补偿漂移。 空值状态不断变化的漂移状态,叫做空值漂移。空值漂移是一个更为严重的问题。空漂移可能由背压、液动力,或缺少对阀芯的控制等因素引发。空值漂移要求控制器不断变化输出到阀的控制信号,以保持位置不变或压力恒定。这给位置和压力控制的性能和重复性带来损害。尽管使用高性能控制器能对空值漂移有一定补偿,但也只是在误差足够小的情况下能达到有限的效果。阀芯控制对减小空漂移至关重要。高性能的伺服比例阀控制器内部,往往带有能根据控制信号来驱动阀芯运动的控制环节,如图2-3-1所示。 理想状态下,当控制信号为50%时,阀芯会移动到最大流量50%的位置,假如让控制信号归零,阀芯则回到室值或零点位置。随着阀芯越来越接近0%的位置,位置的误差变小,需要的纠错的补偿力也变小。这个补偿力可能不足以克服实际摩擦力或液动力,这样就会产生一个微小的空值或零点误差。因为阀芯控制器不能产生足够的力使误差降到零位,所以只带有比例控制的阀就无法保证精确的位置控制。带有积分环节的PI比例控制器(或带阀芯控制的比例控制器)中的积分环节,能使阀芯实际位置与期望位置之间的误差最终降低为零,并使室值漂移最小化。
带有死区的阀 
使用中心位置封闭的阀(闭中心阀)来消除空值和空值漂移现象是一个很诱人的想法。闭中心阀在零点附近存在死区,阀芯在死区内时,油路不接通,如图2-3-2a所示。有些阀的死区为20%,意思是控制器必须输出阀所需的最大信号的20%,才能达到开启油路的临界点使油液开始流动。闭中心阀不适用于在阀芯必须在零点位置来回移动,来保持位置和压力的应用当中。很多运动控制器具有死区参数,可以对死区提供部分补偿。在上面的例子中,当阀芯需要移动时,输出信号可以直接向阀芯的移动方向阶跃至最大值的20%。遗憾的是,阀芯仍需一定时间来移动,所以许多应用中这种方法的帮助并不太大。通常,为了实现对活塞位置及压力的控制,控制器必须命令阀快速地将油液引入活塞缸的每一侧。这意味着阀芯必须在自身最大行程40%的范围内快速移动,才仅仅达到保持位置的要求。 当阀芯处于死区时,阀口互不接通。在阀芯移动通过死区的这段时间内(大概为几毫秒),位置或压力传感器测得的有效信号为零。阀的生产厂家常常以阀芯滑动的快慢来评价阀的性能,但在很多应用中,阀在零点位置附近控制流量的能力比阀芯的速度更为重要。闭中心阀在零点附近的响应显然不是控制计算所要的线性关系,见图2-3-2a。由于其在零点附近的响应和极端非线性的负面影响,在伺服系统中应该避免使用闭中心阀,而应该以更为适合的零重叠阀代替,如图2-3-2b所示。 只有当阀芯的滑动只限于死区外的单侧,并始终在这一单侧区域内移动的应用之中,闭中心阀才可能准确而可靠地进行系统控制。比如速度控制就是以这种方式进行控制的例子,执行元件的运动速度由阀芯向某一方向的偏移量决定。闭中心阀还可以用在压力控制的应用中,如在阀的A口和B口间存在节流孔的情况下,阀芯必须滑过死区,使通过节流孔泄漏的液压油可以用于补偿并保持压力。
平衡阀 

平衡阀(Counterbalance BlockingE Valve) 是一种在失去压力时防止负载下落的安全截止阀。不过,在液 压伺服系统中使用平衡阀往往会造成重大的问题。一个基本原则是,在伺服控制系统中应该只有一个阀是用来主动控制系统流量的。除伺服阀以外,任何其他改变流量的阀都会影响控制系统的性能。 在闭环控制系统中,一定要确保平衡阀的正确使用。在典型的带有垂直油缸的回路中,平衡阀会装在液压缸底部有杆腔油口与伺服阀之间。这意味着,伺服阀和平衡阀必须同时打开,液压缸才能向下移动。平衡阀由先导端口的感应压力控制,每当压力高于阈值时,平衡阀就会开启。为了便于管路安装,先导端口有时与液压缸顶部的无杆腔油口相连接,如图2-3-3所示。 在这样的系统结构中.当伺服阀试图控制活塞杆向下运动时,可能会出现由于液压缸供压端(无杆腔压力未达到阈值而无法开启平衡阀的情形。而当压力最终达到阈值使平衡阀打开后,顶部无杆腔聚集的压力和垂直载荷的重量共同作用,又会使负载下降过快。为了降低速度,控制器会减少通过阀的流量,这又导致液压缸顶部无杆腔的压力下降低过阈值而使平衡阀突然关闭,造成液压缸痉挛性停止。(压力降低是因为液压缸无杆腔相对于有杆腔需要更多的液压油,无杆腔无法及时获得足够的液压油来保持自身压力。)随后控制器会再次增加控制信号使液压缸向下运动,这又使无杆腔的压力再次增加,周期重复循环。

这种情况下,液压缸下降时会出现“口吃”现象。我们可以通过降低平衡阀阈值使它加快开启来缓和这种现象,但这样做仅仅是对系统设计缺陷加以抑制而已。更好的办法是将平衡阀的先导端口连接到供压油管,使平衡阀在运作过程中始终处于打开状态,以尽量减小对伺服阀的干扰和影响。


图2-3-3.平衡阀会干扰控制,特别是当它的先导端口不和油缸的供压管路连接时干扰尤为严重

 

电磁控制的截止阀:一个很好的替代品:
        在伺服控制的系统中,使用以通电时打开、断电时紧急关闭的逻辑来控制的常闭截止阀,通常会好很多。正常操作情况下,常闭截止阀不会影响执行机构的运动,也不会干扰流量控制,所以不会对运动控制器的性能造成影响。万一系统出错或断电,常闭截止阀会立即关闭、锁定液压缸的位置,如图2-3-4所示。

图2-3-3.平衡阀会干扰控制,特别是当它的先导端口不和油缸的供压管路连接时干扰尤为严重

总结 

适当的液压系统设计和伺服比例阀的选择,是最大限度提高闲环运动控制性能所必不可少的。即使是最好的运动控制器,在设计不合理的液压系统和选择了不理想、不正确的阀的时候,它所能发挥的作用也是有限的。因此在项目开始时,设计合理的液压系统并选择合适的伺服阀,有助于缩短项目的启动时间,确保更长时间的平稳、高速和准确的运动控制,减少设备损坏,增加机器的正常运行时间,从而提高生产力。