摘 要：介紹了電液運動控制系統現狀、發展趨勢和系統設計方法，結合造波機電液運動控制系統的應用說明了該方法的特點。 關鍵詞:電液控制;伺服系統;設計方法 引言 運動控制起源于早期的伺服控制。簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度或力等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。運動控制技術主要是伴隨著數控技術、機器人技術和工廠自動化技術的發展而發展的。 電液伺服控制技術作為連接現代微電子技術、計算機技術和液壓技術的橋梁，已經成為現代控制技術的重要構成。由于它具有線性好、死區小、靈敏度高，動態性能好、響應快、精度高等顯著優點，因而得到了廣泛的應用。電液運動控制主要是以液壓缸、液壓馬達為執行機構，以比例閥或伺服閥配放大器為功率放大單元，以位置、速度或壓力傳感器組成信號反饋單元，配以必要的控制單元組成閉環運動控制系統。其廣泛應用于包裝、印刷、紡織、鋼鐵和裝配工業中。 1 現狀及發展趨勢 目前廣泛應用的運動控制系統中主要由電－伺服／ 步進電機（以下簡稱電－電機）、電液二種，以電－電機應用最為廣泛。目前電－電機控制主要由伺服電機和步進電機兩種主要執行機構（若需直線運動， 可以在機構上加一些裝置如滾珠螺桿加以轉化），運動控制卡和控制器構成。目前此類系統結構應用較成熟，遍及工業控制的各方面。相比較而言，電液運動控制系統特點鮮明，善于處理以直線運動為主的位置、力控制，但由于應用場合和規模的限制， 在成熟度及系統應用推廣等方面較電－電機運動控制系統落后，且系統設計復雜，對技術人員要求高，所以，目前國內一些大型的電液自動化設備主要依賴于國外進口。 目前電液運動控制系統大部分器件已經產品化、標準化。如，比例閥、伺服閥有相應的產品系列和相關標準，位移、壓力等傳感器檢測元件各廠家都有通用型可替代產品，伺服缸、液壓馬達等執行元件都有相關產品系列和標準供選型設計參考。系統設計中需要設計人員關注的是系統的核心－液壓運動控制器，目前控制器存在多元化、多樣化和不通用的特點。電液運動控制器從結構上主要分為以下三大類，1） 基于計算機標準總線的運動控制器；2）Soft 型開放式運動控制器；3） 嵌入式結構的運動控制器。目前國內運動控制系統設計人員設計電液運動控制系統主要針對特定項目，因規模不大數量不多， 系統設計人員首先滿足的是系統的功能要求，其次才會考慮系統通用性、可靠性、調試便捷性、操作性能等方面的要求。因此，針對特定項目開發的運動控制系統可移植性差，沒有通用性，而且無相關標準約束，不利技術進步，還會帶來資源浪費。其存在主要問題是：（1）設計開發周期長，開發出的系統不具備通用性，電液運動控制系統性能不一定能夠達到最優化。對機電液運動控制技術的推廣幫助不大。（2）系統可靠性不高，通用性不強，造成資源浪費。因此很有必要設計模塊化電液運動控制系統，以簡化系統設計和調試工作。 電液運動控制系統的未來發展方向將有傳統的放大執行單元逐步轉變為開放式的模塊化系統，參見圖1。控制器將有模塊化的專用控制器取代目前的幾大類控制器，該控制器需有總線接口用于和上位機進行信息交互，開放式的軟件結構用于液壓系統參數設定和相關運動參數設定，通用電氣接口用于調制器、傳感器等電氣連接。 2 設計要點 在系統設計前，首先要明確控制要求和控制精度，然后選定元器件，設計液壓系統和電氣控制原理圖。最終將原理圖以實物的形式展現出來，通過現場調試達到預設的要求。 2．1 液壓系統 在設計液壓系統時，首先要確定液壓系統中需要控制什么參數，其中主要考量系統流量、壓力、驅動元件的運動方向及速度、驅動元件的停止位置及有無加速度控制等。然后根據具體要求選用液壓元件，若精度要求不高，可考慮使用比例控制系統。一般比例控制系統可達到位置控制精度3mm，速度控制精度（帶壓力補償器）3％，加減速（斜坡時間）0．5s。更高的控制要求可以選擇高頻響比例閥控制系統，從而保持設定值不受外來干擾所影響，并在不同的工作壓力下保持穩定的速度，在不同的輸出力下保證相同位置， 在帶偏載的情況下作同步運動。其控制精度能夠達到：位置誤差低于1mm，壓力誤差低于0．1MPa。若控制要求還高，可以通過選擇響應更快、性能更好的伺服閥來提高系統的控制精度。 2．2 電氣系統 電氣系統配合液壓系統完成運動控制要求，其主要為傳感器信號檢測回路、控制信號回路和控制計算單元。其中傳感器的選擇要滿足分辨率比需要的控制精度高五到十倍并有優良的直線性能和小的遲滯（高動態響應）要求，否則可能帶來控制失敗或達不到要求。控制器要選擇開放式結構的模塊化控制器，其分辨率（AD ／ DA 位數）愈高愈好，如果采用數字式控制器，掃瞄時間則愈短愈好，控制算法應專為液壓傳動作優化，并需要模塊化的需用于位置控制而可開關的積分器，用作閥芯平滑化及遮蓋保償的非線性增益，追蹤誤差補償，PID 控制，及閥門輸出控制器等等。 2．3 綜合 選用通用型液壓電氣元件和模塊化液壓控制器，構成圖2 所示的運動控制系統，除上述提到的液壓和電氣上要求外還需要滿足機械安裝、現場信號防干擾等方面的要求。 3 應用舉例 現介紹一電液運動控制系統實例的設計思路。在介紹該系統之前，為方便說明，先對實例的流程做簡單說明。該實例為液壓造波機系統，圖3 為造波機造波流程圖，由圖可見，系統根據給定的要求產生期望波浪的控制信號，由此信號轉換為離散的電壓時序信號送液壓伺服驅動模塊。液壓控制單元根據檢測的位移信號和給定的控制信號比較得出‘偏差’ 信號， 在控制周期內驅動造波機產生水波浪。造波機的控制信號控制造波機產生波浪的過程中，勢必存在一定的誤差，同時波浪在傳播過程中會有一定的波浪變形，直接由計算所得的控制信號驅動造波機產生的波浪與輸入值有一定的差別，因此可能需要調整多次才能夠達到理想的波形。 電液運動控制系統結構圖見圖4。其控制邏輯順序為：移動控制室上位機發送開關量信號控制液壓動力系統起停信號，通過現場總線送PLC 操控電機和壓力保護等器件的起停。系統壓力建立起來后，上位機根據用戶要求的造波波形和相關的轉換關系，將波形轉換為離散控制時序信號分時送控制信號到液壓控制器，在控制周期內，控制器接收上位機的運動控制參數并完成其控制驅動執行機構運動。周而復始，控制器依次完成上位機送來的運動控制參數，驅動執行機構推動造波板運動，將這一系列造波板的運動疊加就可以得出期望的波形。同時控制器將檢測的位移信號、壓力信號回傳給上位機供系統監控。 液壓控制器在系統中的控制作用為：接收上位機發送過來的控制信號和檢測的位移信號比較得出偏差信號，用此信號做控制器的輸入，經控制器運算（PID 控制算法）求出控制電壓送比例伺服閥放大器， 放大器通過此電壓信號控制比例伺服閥的“閥芯”運動，完成對液壓缸的控制，液壓缸通過四連桿機構推動造波板造出要求的水波。控制過程中，控制器通過采集液壓缸的壓力信號，做系統監控、壓力保護。控制過程中，三液壓缸要求運動同步， 控制系統總體控制結構采用單獨回路控制，通過檢測液壓缸的壓力可以有效地控制系統的推力，在達到同步控制要求的同時也很好的起到系統保護和糾偏的功能。 現場應用中，該系統能夠很好地完成各參數要求，控制效果良好。 4 結論 電液運動控制系統設計和普通液壓系統存在一定差別，通過開放式電液控制模塊能夠簡化系統設計，豐富系統調試手段，并能夠有效地提高系統控制精度，系統設計人員在掌握此模塊化設計方法后，對技術推廣和系統應用有很大的好處。 參考文獻 [1] Help Document of WIN－PED． Application Version 5．10,Rexroth Bosch Group,2004 [2] Rexroth 公司樣本手冊 [3] 吳根茂、邱敏秀、王慶豐《新編實用電液比例技術》[M]．浙江大學出版社2006