王立永

摘 要：當(dāng)前，隨著液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制方法向智能化控制方向發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方法已無(wú)法滿足自動(dòng)化設(shè)備需求。本文通過(guò)闡述液壓與氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用，分析控制元件閥的控制方法，結(jié)合液壓與氣壓傳動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際生活與工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，梳理液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方法。歸納出目前主要面臨的難點(diǎn)與解決方案，及比例PID控制方法進(jìn)行探索，最后對(duì)液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展給出總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng) 控制方法 比例PID控制 發(fā)展

1 引言

在工業(yè)領(lǐng)域液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)普遍應(yīng)用，他的一些傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)無(wú)法代替的。液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)在實(shí)際使用中，面臨很多實(shí)際問(wèn)題。合理將機(jī)械部分、電氣部分、控制部分的安裝與調(diào)試，并在工作過(guò)程中的故障如何處理成為關(guān)鍵。也是目前職業(yè)院校技能大賽的賽項(xiàng)，從而提高學(xué)生的實(shí)踐能力，達(dá)到與企業(yè)相接軌的目的?！兑簤号c氣壓傳動(dòng)技術(shù)》課程作為機(jī)械類、機(jī)電類的專業(yè)課，是必須掌握的專業(yè)知識(shí)。液壓與氣壓傳動(dòng)的控制方法是目的降低工作過(guò)程故障率，提高生產(chǎn)效率以及保證質(zhì)量條件之一。工業(yè)領(lǐng)域控制方法的發(fā)展正向自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，而流體自動(dòng)化控制是目前的發(fā)展方向。研究流體系統(tǒng)控制方法也是現(xiàn)在面臨的問(wèn)題。

2 液壓與氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)可以根據(jù)工業(yè)的需要搭建成各種回路，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制元件控制流體流量、壓力、方向改變執(zhí)行元件的狀態(tài)?？刂圃{(diào)節(jié)流量可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的無(wú)極調(diào)速，是傳統(tǒng)機(jī)械無(wú)法實(shí)現(xiàn)和替代的優(yōu)點(diǎn)。這些控制元件除了普通的手動(dòng)控制之外，可以通過(guò)一些控制軟件進(jìn)行自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制。廣泛的應(yīng)用在半自動(dòng)化和全自動(dòng)化生產(chǎn)線，是智能制造不可缺失的部分。液壓與氣壓傳動(dòng)的器件作為三化產(chǎn)品，在市面上很容易購(gòu)買。在設(shè)計(jì)和維修過(guò)程中可根據(jù)需求直接購(gòu)買，大大縮短了設(shè)計(jì)和制造及其提高了生產(chǎn)效率。液壓與氣壓傳動(dòng)在傳動(dòng)過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)換，傳動(dòng)效率低。并且在傳動(dòng)過(guò)程中采用的工作介質(zhì)為液壓油和壓縮空氣是可壓縮，難以保證定比傳動(dòng)。液壓油對(duì)溫度比較敏感，溫度發(fā)生變化時(shí)物理特性發(fā)生變化，傳動(dòng)效果隨之發(fā)生變化。工作過(guò)程中發(fā)生故障難以檢測(cè)，只能停機(jī)一一排查。液壓傳動(dòng)輸出力大、傳動(dòng)平穩(wěn)等的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用飛機(jī)起落架的升起和落下，盾構(gòu)機(jī)挖掘隧道以及沖壓機(jī)沖壓模型等，使用了液壓傳動(dòng)獨(dú)特的特點(diǎn)。氣壓傳動(dòng)采用的工作介質(zhì)為壓縮空氣，利用空氣來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣動(dòng)機(jī)械手、氣槍、自動(dòng)門等。總之，液壓與氣壓傳動(dòng)應(yīng)用于生活和工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，是不可缺少的部分。

3 液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制方法

液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要對(duì)控制元件閥的控制，控制元件閥改變工作介質(zhì)液壓油與壓縮空氣的方向、壓力、流量實(shí)現(xiàn)控制。如果要系統(tǒng)到達(dá)需要的控制結(jié)果本質(zhì)是對(duì)閥的控制，而閥的控制方式有手動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)、電液動(dòng)及其伺服控制。手動(dòng)控制進(jìn)行手動(dòng)操縱閥的操縱桿或通過(guò)機(jī)械物塊的撞擊實(shí)現(xiàn)控制，可靠性高、自動(dòng)化差等特點(diǎn)，一般用于系統(tǒng)調(diào)試和維修保養(yǎng)過(guò)程。電動(dòng)控制通過(guò)電磁鐵控制閥芯的移動(dòng)改變方向及其管路的通斷，此種控制方法可靠、反應(yīng)迅速，但是控制過(guò)程中有沖擊系統(tǒng)穩(wěn)定性差。液動(dòng)控制是利用液體推動(dòng)閥芯的移動(dòng)，液體推動(dòng)平穩(wěn)性好、可靠取決于閥體的質(zhì)量和使用時(shí)長(zhǎng)。電液動(dòng)控制用電磁鐵通斷控制油路從而控制閥芯移動(dòng)，此種控制反應(yīng)迅速可靠性高、成本高，發(fā)生故障難以診斷。伺服控制利用電氣的模擬信號(hào)進(jìn)行控制流量、壓力精確可靠，也是閥體工業(yè)領(lǐng)域最優(yōu)越的控制方法，可伺服控制閥的成本高，是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較少的主要原因。

閥的控制方式有手動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)、電液動(dòng)控制及其伺服控制，手動(dòng)控制通過(guò)手動(dòng)或機(jī)械物塊的撞擊就可以實(shí)現(xiàn)，而電動(dòng)、液動(dòng)、電液動(dòng)及其伺服控制必要有相應(yīng)的電氣裝置進(jìn)行控制。常見(jiàn)的電氣控制元件有接觸器、繼電器、單片機(jī)、變頻器、微型計(jì)算機(jī)、PLC等，根據(jù)各自的特點(diǎn)應(yīng)用在系統(tǒng)相應(yīng)的位置。接觸器、繼電器工作原理通過(guò)低壓控制高壓，在液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中主要用于泵站的起停，以及系統(tǒng)的一些邏輯控制。變頻器通過(guò)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行控制，通過(guò)傳感器檢測(cè)的信號(hào)反饋給變頻器從而控制。微型計(jì)算機(jī)控制在數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)中比較常見(jiàn)，通過(guò)數(shù)控裝置控制和調(diào)節(jié)流體的參數(shù)。此控制技術(shù)需要應(yīng)用組態(tài)技術(shù)和其他一些電氣元件配合完成，用于系統(tǒng)不變更控制。單片機(jī)與PLC是利用程序進(jìn)行控制，用于搭建的系統(tǒng)經(jīng)常更換的控制。目前工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化設(shè)備中液壓與氣壓的控制應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)較多，自動(dòng)化設(shè)備的液壓回路原理不需經(jīng)常更換。而在職業(yè)院校教學(xué)設(shè)備中PLC控制較多，在教學(xué)過(guò)程中根據(jù)需求搭建回路，此控制方法中PLC編程就成為關(guān)鍵。學(xué)生必須掌握一定的編程邏輯和指令，才可以支持系統(tǒng)正常工作。

4 液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制分析

液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用，裝載機(jī)、推土機(jī)、挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中需要輸出力大，控制簡(jiǎn)單可靠。他的控制系統(tǒng)是直接手動(dòng)控制閥實(shí)現(xiàn)，也是目的最普遍使用的控制方法。在輕工機(jī)械中的應(yīng)用，打包機(jī)、商品包裝機(jī)采用氣壓系統(tǒng)，而系統(tǒng)通過(guò)按鈕控制電磁閥實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)迅速、空氣的來(lái)源容易、成本低得到了廣泛應(yīng)用。在建筑機(jī)械中的應(yīng)用，打樁機(jī)、液壓千斤頂、平地機(jī)的液壓系統(tǒng)采用普通手動(dòng)控制閥可以滿足。在汽車工業(yè)中的應(yīng)用有高空作業(yè)車、自卸式汽車、汽車起重機(jī)、小轎車等，大多使用液壓系統(tǒng)手動(dòng)和按鈕控制閥。在冶金機(jī)械、鑄造機(jī)械、鍛壓機(jī)械、紡織機(jī)械中的應(yīng)用，采用液壓系統(tǒng)傳動(dòng)要求輸出的力可控、位置可靠的優(yōu)點(diǎn)，而系統(tǒng)的控制元件電磁閥為按鈕控制。在機(jī)械制造中的應(yīng)用，組合機(jī)床、沖床、自動(dòng)線、氣動(dòng)扳手有的設(shè)備采用液壓系統(tǒng)，有的設(shè)備采用氣壓傳動(dòng)，有的設(shè)備采用液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)控制有微型計(jì)算機(jī)控制的、有PLC控制的各不相同。

液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制根據(jù)系統(tǒng)的不同采用不同的控制方法，對(duì)于一些簡(jiǎn)單最普通設(shè)備，采用手動(dòng)閥或按鈕控制電磁閥即可。對(duì)于一些數(shù)控設(shè)備等，液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，數(shù)控設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制，采用數(shù)控設(shè)備的控制裝置控制電磁閥，即微型計(jì)算機(jī)控制。對(duì)于一些自動(dòng)線設(shè)備，這種設(shè)備是機(jī)電一體化的產(chǎn)物有機(jī)械、電氣、液壓、氣壓部分等。需要各部分相互協(xié)調(diào)，目前普遍采用PLC控制。

采用PLC控制液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械、傳感器、液壓與氣壓部分安裝與調(diào)試。首先需要進(jìn)行機(jī)械部分的安裝與調(diào)試達(dá)到要求，同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的傳感器的安裝與調(diào)試。其次根據(jù)要求設(shè)計(jì)液壓與氣壓回路，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以借助FluidSLM仿真軟件進(jìn)行輔助，根據(jù)要求對(duì)液壓、氣動(dòng)回路進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，并對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面比較和綜合分析，完成對(duì)最佳設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，這一過(guò)程有助于增強(qiáng)創(chuàng)造能力[1]。然后進(jìn)行液壓與氣壓部分的安裝與調(diào)試，安裝時(shí)保證不漏油不漏氣，一定要保證管路連接正確以防損壞設(shè)備。最后按模塊手動(dòng)給泵站通電進(jìn)行液壓與氣壓部分的調(diào)試，調(diào)試液壓與氣壓系統(tǒng)各自的方向、流量、壓力達(dá)到要求。此時(shí)機(jī)械、傳感器、液壓與氣壓部分調(diào)試完成，接下來(lái)進(jìn)行電氣部分的安裝與調(diào)試。首先進(jìn)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(chǎng)相比較三菱價(jià)格便宜。其次PLC主模塊和擴(kuò)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(kuò)展模塊需要數(shù)字量還是模擬量，根據(jù)需求選擇和搭建。然后根據(jù)系統(tǒng)要求PLC的編程，本質(zhì)上PLC程序成為系統(tǒng)能否按要求工作的關(guān)鍵，也是保證系統(tǒng)正常工作前提。最后PLC模塊根據(jù)程序進(jìn)行接線。此時(shí)PLC部分已完成接下整機(jī)調(diào)試。如果按以上要求調(diào)試設(shè)備基本可以正常工作，但是設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中有可能有各種故障，根據(jù)實(shí)際情況解決即可?？捎幸恍┕收弦?yàn)閳?zhí)行元件未及時(shí)到達(dá)指定位置，傳感器未檢測(cè)到信號(hào)，PLC在執(zhí)行程序時(shí)邏輯錯(cuò)誤使發(fā)生設(shè)備故障。這種故障是目前自動(dòng)化設(shè)備最常見(jiàn)的故障，此故障只能從PLC程序的編寫和傳感器選擇進(jìn)行解決。如果保證自動(dòng)化設(shè)備正常工作，傳感器信號(hào)檢測(cè)和PLC程序的合理編寫成為關(guān)鍵，也是自動(dòng)化設(shè)備面臨的問(wèn)題。

對(duì)于液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)PLC控制而言，在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)有一些小故障。這也是目前自動(dòng)化設(shè)備很常見(jiàn)的故障問(wèn)題?？墒菍?duì)于液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)介質(zhì)是液壓油和壓縮空氣，發(fā)生故障不便檢測(cè)。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械部分的安裝與調(diào)試保證機(jī)械部件動(dòng)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(shè)備運(yùn)行中發(fā)生故障可依據(jù)PLC監(jiān)控畫面的狀態(tài)判斷。PLC監(jiān)控信號(hào)正常，電磁閥已通電，機(jī)械部分無(wú)動(dòng)作，斷電排除機(jī)械部件和管路是否堵塞。PLC監(jiān)控信號(hào)無(wú)輸入信號(hào)，觀測(cè)工件是否到位和傳感器位置是否正確，并檢測(cè)傳感器是否損壞。PLC監(jiān)控信號(hào)正常，機(jī)械部分動(dòng)作錯(cuò)誤，首先檢測(cè)接線是否正常，如正常則檢測(cè)電磁閥是否安裝正確。液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)PLC控制故障處理方法如圖1所示，可以很好快速檢測(cè)出故障。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域可以提高生產(chǎn)效率。

5 液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)基于PLC的比例PID控制

在液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，流體的壓力取決于負(fù)載。執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的作用力會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)的壓力也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于壓力控制基本的溢流閥、減壓閥、順序閥性能都會(huì)受到影響，從而影響液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)正常工作，造成系統(tǒng)不平穩(wěn)、震動(dòng)等故障。對(duì)于節(jié)流閥當(dāng)壓力發(fā)生變化，通過(guò)節(jié)流閥的流量也會(huì)發(fā)生變化。在液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，流體的速度取決于流量。所以當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)節(jié)流閥的流體的速度也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)需要穩(wěn)定工作，必須保證不受外界環(huán)境的影響。對(duì)于液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)都會(huì)受到外界環(huán)境的影響，保證系統(tǒng)正常工作必須加相應(yīng)的反饋控制。反饋系統(tǒng)的類型有開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制，開環(huán)控制無(wú)反饋信號(hào)如傳統(tǒng)閥來(lái)控制。半閉環(huán)控制對(duì)輸出端的信號(hào)進(jìn)行反饋，閉環(huán)控制對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行反饋，半閉環(huán)控制與閉環(huán)控制相比后者的反饋性能更好。電液比例控制技術(shù)是近幾年逐步急速興起的技術(shù)之一，將電控制技術(shù)與液壓與氣壓技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合于一體。具有液壓與氣壓技術(shù)控制性能好，也具有電子技術(shù)控制方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)應(yīng)用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人、叉車以及航空工業(yè)領(lǐng)域等。電液比例控制技術(shù)就是應(yīng)用了比例PID控制，也是目前最可靠、穩(wěn)定的控制技術(shù)。PID控制系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象實(shí)時(shí)檢測(cè)與給定的數(shù)據(jù)比較產(chǎn)生誤差比例、積分和微分進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，比例PID控制方法是其中之一。目前應(yīng)用于PID控制的閥有比例壓力閥、比例換向閥、比例調(diào)速閥。對(duì)于PLC的比例PID控制檢測(cè)信號(hào)的方法有兩種，其一，通過(guò)比例控制閥檢測(cè)信號(hào)；其二，通過(guò)傳感器檢測(cè)信號(hào)。將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送給PLC控制程序，PLC控制程序通過(guò)檢測(cè)的信號(hào)比較發(fā)出指令控制比例閥。隨著比例控制器的發(fā)展，在電液比例控制領(lǐng)域，已經(jīng)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(hào)處理電路、調(diào)節(jié)器、顫振信號(hào)發(fā)生器、前置放大級(jí)、功率放大級(jí)、測(cè)量放大器等部分組成[2]。PLC在此電路中執(zhí)行的任務(wù)是信號(hào)處理，而微小的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)放大處理才可以應(yīng)用于PLC，所以除檢測(cè)信號(hào)外必須處理放大信號(hào)。比例控制器的研究最早出現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家液壓元件公司，我國(guó)目前大部分公司沒(méi)有自主研發(fā)的比例放大器。比例放大器在電路信號(hào)處理中起關(guān)鍵的作用，在比例PID控制系統(tǒng)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(tǒng)精密的控制，可以廣泛應(yīng)用于液壓與氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，及其工業(yè)領(lǐng)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(guò)Matlab軟件等完成函數(shù)計(jì)算及其處理。

6 結(jié)語(yǔ)

液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)和生活中不可缺失的部分，對(duì)于一些簡(jiǎn)單系統(tǒng)通過(guò)按鈕控制即可實(shí)現(xiàn)。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)邏輯控制，必要有相應(yīng)的電氣輔助設(shè)備。液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的故障，認(rèn)真分析問(wèn)題發(fā)生的原因，然后及時(shí)采取針對(duì)性的措施，建立更加完善的技術(shù)體系，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)的研究[3]。

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