英文作者：Peter Nachtwey / Delta Computer Systems
中文校译：腾益登
*本文约4500字，建议阅读时间15mins*
引言
最好的控制器和软件也无法克服设计拙劣的液压系统。
本文要点
典型的伺服液压运动控制系统，伺服阀都是尽可能的靠近油缸安装。一些专家也推荐对此类液压应用采用特殊设计的控制器。
对油缸缸径的仿真也验证了，油缸缸径越大，压力也越相对稳定。
典型的伯德图显示了阀芯的幅值响应和相位滞后相对于控制信号频率的函数。
阀的测试特性曲线显示了不同阀的工作特性。只要经过阀的压差稳定，具有伺服阀品质阀芯的线性阀可以提供比例于控制信号的流量。
正文
全球化竞争要求我们的工厂运营者面临着永无止境的让设备更高效运行的任务之中。这常常要求我们的运动控制系统更高速，更精确。但是在一个闭环控制系统，更高的速度和精度必须始于良好的元件设计。无论你是多么在意控制器和软件，如果流体控制系统中的油缸和阀没有得到很好的设计选型或者正确的安装，系统的性能就会大打折扣。
油缸设计选型
对于线性执行器，系统应用要求通常侧重于设定行程和循环周期。设计者决定油缸规格尺寸以及油压大小。现实中的一个共性问题就是试图通过降低油缸尺寸来达到提升执行器速度的目的。工程师常常假定，对于给定的流量，油缸越小，加速更迅速，运行更快。然而，这只适用于轻载。对于中、重载使用的执行器，其提供的力而不是流量限制了加速、匀速以及减速。因为活塞直径决定输出力，太小的油缸就永远无法得到所需的速度和循环周期。
设计者首先考虑到的就是使用非常简单的公式V = Q/A，但是这只有当质量m=0的时候才是计算精确的。当计算流量时，只使用公式Q = VA。
事实上，没有很简单的工具来优化油缸的直径。这里讨论两个公式，每个都有其优点和局限性。我们建议用这两个公式来计算油缸面积，取其大者。第一个公式来自Jack Johnson的著作：Design of Electrohydraulic Systems for Industrial Motion Control（工业运动控制电液系统的设计）。
基于在两个工作点给定的力和速度，它精确的计算了油缸所需的面积。举个例子，一个点就是当油缸运行到端部：F = ApPs 和 V = 0。另外一个点就是在期望的运行速度下所需的力大小。当加速度为零时，这样的公式计算是正确的，但是没有考虑到当执行器加速和减速时油液的压缩和膨胀。这也会导致让人相信提升系统压力是一个很好的减小油缸规格尺寸的办法，然而这不适用于加速和减速很快的场合。
对于高性能运动控制，Delta Computer Systems公司提出了第二个公式用以确保系统的自然的频率高于运动频率的3~4倍。举个例说，如果加速频率是5Hz，执行器的自然频率就应该约20Hz。这取决于β：
β是油液的不可压缩性常数或者叫体积弹性模量。其通常取200,000 psi，但是当油液里含有气体时，其值大大降低。
这个式子也在试图降低油缸的规格尺寸，因为它做了一些乐观的假设。重要的一点就是阀直接装在油缸上。如果不是这种情况，就是需要考虑连接至油缸的软管长度。软管的横截面通常比油缸的小很多。在阀和油缸之间的软管或者硬管使计算复杂化并降低了系统性能。正是因为这个原因，尽可能的把阀就近油缸安装，并且采用硬管连接。
阀的考量
上述所讨论的第一步首先计算油缸规格，可以确保系统有良好的动态响应，满足加速、减速的要求。这也通常意味着需要计算系统所需的压力。
下一步就是需要决定阀的规格（额定流量），在计算完油缸尺寸之后，这是直驱而入的一步。需要注意的是：伺服阀和伺服比例阀的额定流量通常是基于压降ΔP = 70 bar (1,015 psi)而其它比例阀通常基于压降ΔP = 10bar (145 psi)。这个差别是很大的。1000psi压降的流量大约是150psi压降的流量的2.65倍。然而，选择合适的阀不只是一个额定流量的选择，因为大多阀还有很多功能选项需要考虑。
选择什么类型的阀
第一个需要确定的就是用伺服阀还是比例阀。两者主要的区别就在于阀芯是如何移动的（编者注：不同观点请查看 比例阀和伺服阀的区别，谁说清楚了）。比例阀采用电气线圈和磁铁推动阀芯移动，工作原理有点像音响的音圈。另外一方面，伺服阀利用一个很小的力矩马达控制先导压力，接着控制主阀芯移动。
产生移动阀芯的力和阀的响应各不相同。伺服阀通常移动更快，因为液压力与阀芯质量的比率很高，虽然一些比例阀具有与伺服阀类似的响应。比例阀必须产生足够的力来移动阀芯，内置LVDT，电磁铁螺线管以及克服弹簧对中力。
伺服阀先导级高精度的制造误差要求和较小的精密节流孔，提高了成本，也使得其抗污染能力降低。因此对于很多应用，人们转向使用比例阀。尽管如此，伺服阀依然有其用武之地。比如他们常常在大流量应用方面有更好的工作表现。
在一些情况，比例阀并没有足够的功率去克服由于大流量产生的伯努利力，阀会短暂的失去控制直至伯努利力降低。当处理诸如此类故障的时候，人们常常判断是控制器的问题而与阀无关。能记录控制信号，阀芯以及执行器位移的示波器或者其它的诊断工具，有助于解决此类问题。在这样的应用中，伺服阀就是一种更安全的设计选择。它们表现得更好，因为其更快，响应更线性，也因而更容易控制。
比例阀放大器
比例阀需要一个放大器，把运动控制器的输出电压转化成高的电流信号，从而驱动阀芯。对于伺服比例阀，放大器比较由控制信号或参考信号与LVDT反馈过来的阀芯位置信号所产生的偏差。一些放大器用简单的比例控制，而一些采用PI或者PID控制。如果放大器没有很好的与阀适配，阀的性能就会打折扣。最好的办法就是选择带集成电子的比例阀，有助于确保放大器得到很好的匹配。采购独立的放大器卡需要额外的努力和知识来调整放大器增益，从而阀芯会相对于控制信号能够快速响应。
伯德图
伯德图是选择阀的一个必须工具。它用对数表，并显示阀芯的幅值响应与相位滞后，其是控制信号频率的函数。通常，幅值响应在最初的几Hz区间曲线平坦，接着迅速下降。相位滞后在最初的几Hz也相对较小，曲线平坦，但在高频区间则迅速上升。
伯德图上相位滞后90°的点决定了阀的额定频宽。在该点，幅值通常接近+6 dB，或者约是原始值的一半。例如，正弦信号也许在10Hz的时候工作很好——此区间伯德图显示增益下降或者相位上升皆很少，但是在40Hz的时候阀就不一定能很好的工作，此时阀响应也许只有一半的幅值。带前馈增益的运动控制器可以补偿阀增益和相位滞后的损失。在较高的频率区间，控制器提高控制信号，以弥补阀增益的下降。但是控制器不能提供超出100%的控制信号。因此设计者必须要么在系统里留有足够的空间用以额外的控制信号，要么使用更高频率的阀，以使得在整个频率应用范围，阀能够具有增益下降或者相位滞后皆都小的特点。
阀规格
另外一个事实就是并不是所有阀的制造商都在同一条件下测试伯德图。不同的制造商在不同的阀芯位移定义其额定值。100%的控制信号与5%控制信号相比，阀芯行程响应通常会差很多。这也就意味着同样定义为30Hz的两个阀，假设一个阀额定值使用5%的控制信号而另外一个阀使用50%的控制信号，实际上其是不同的。许多伯德图显示频率响应时使用5%或者25%的正弦信号。5%的额定值在对阀颤振约为0%的应用非常适用，诸如压力和力控制系统。然而，它们并不适用于高速应用，因为此时阀工作行程将达到100%。一个好的原则就是取0~100%的上升时间，乘以4，然后除以1，从而得到全行程的频率。
具有高频响的线性阀对于高性能位置/压力控制系统是必须的。当然，光有阀的性能是不够的，也需要一个好的运动控制器来补偿阀的响应以及执行器和负载的弹簧质量效应。为了最大化一个设计良好的液压系统的性能，同时需要选择一个合适的运动控制器。他们应该具有这样的特征，诸如独立的上升和下降增益调节，位置-压力/力控制，同时也可以直接连接至磁致伸缩位移传感器等。
阀芯选择
之所以定义为比例阀，是因为阀芯位移与驱动阀工作的控制信号成比例。然而，流量却不一定成比例。比例阀通常有不同的阀芯结构，选择合适阀芯结构对于系统性能的最大化相当重要。
伺服比例阀阀芯
对于位置和压力/力控制，选择伺服比例阀。只要通过阀的压降保持不变，阀芯提供的流量与控制信号成正比例。这类阀拥有稳定的增益，因为响应是线性的。
正遮盖阀芯
非线性阀芯具有多种型式，也有多种命名。最常用就是正遮盖或者O型机能阀芯，其表现为有一个死区或者零位区域，因为当控制信号很小的时候，阀没有流量输出。这也许可以减小泄漏，手动控制时使系统停止更为容易，但是它也可能对于位置或者压力控制系统来说并不是一个很好的选择，因为阀芯必须快速移动离开中位之后才能实现精密调整。
死区越大，阀芯移动离开死区的时间越长。在这很短的毫秒时间内，阀几乎没有流量输出，导致输入至运动控制器的位置和压力都没有变化。这种反馈的非连续性限制了运动控制器用以保持精确的位置和压力控制的能力。因此正遮盖阀只是用于阀芯不需要快速移动跨过死区的场合，比如运动方向改变不是非常快速或频繁。皮带传送机的速度控制就是一个良好的应用案例。
双增益或变增益阀芯
一些阀的流量增益随着控制信号改变。这些阀通常在控制信号接近零的区域流量增益低，当控制信号将近±100%的时候流量增益高。带槽口或者双增益的阀有着明显的低增益和高增益区间，而非线性阀有着连续的变增益特性。对于手动操控系统，两种类型的阀都可以提供精确调整，无论工作流量处于低速还是高速区间。
对于手动或者开环控制这不是问题，但是非线性阀使得整个系统非线性和闭环控制更困难。当阀在高增益和低增益区间工作切换时，控制器必须能快速改变增益。理论上，阀的线性化（补偿变增益时作为控制信号的函数）可以利用运动控制器来调节。然而，这需要匹配阀的具体特性，因此限制了它的应用。对于低增益区间给定的流量变化，阀芯必须移动更多，从而降低在该区间的响应，降低了系统性能。
带开口槽的阀芯在闭环控制只用于低速时，工作非常好。开环或者手动控制可以用在高速区间，此时阀处于高增益区间。这样，阀在高增益和低增益两个区间切换工作时，就没有必要快速改变闭环控制器的增益。然而，对于大多的位置和压力控制应用，最好避免采用带开口槽的或者非线性阀。
更大也许更好？
金属制造工业的制造商们面临着这样一个问题，就是伺服系统没有达到设计的性能要求。液压仿真认为油缸没有提供足够的力控制更大的负载，数学模型建议采用更大规格尺寸的油缸，并安装适合的更大规格的液压阀。
图形分析也显示，小尺寸的油缸是如何不能提供足够的力，使大型负载加快减速。更小尺寸的油缸在油缸端盖排油（压力降为零），而有杆腔端压力超出了系统压力。系统无法控制，因为活塞杆端的油液流至供油单元，实际上使得减速降低。
大规格的油缸可以以同一速率加速负载，但是其更大的活塞面积意味着压力改变不会太大。整个循环周期里油缸压力基本处于压力范围的中间，为保证良好控制，经过活塞的压力损失很大。
提高油缸直径也就是提高系统的自然频率（刚度），让运动控制器可以处理更快的加速和减速控制。当正确调试的时候，就会提高系统性能。然而需要记住的是，更大的油缸需要更大的阀和更多的油。过大的油缸成本会更高，并且更大的阀响应会更慢，在某些情况，提高阀的规格尺寸并不能提高系统的响应。
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原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：关于比例与伺服液压系统的一些设计指导意见
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