计算机控制液压系统的结构和组成

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第197页（2627字）

计算机控制的领域是非常广泛的，控制对象从小到大，从简单到复杂都可以用计算机控制。计算机既可以控制单个液压元件的运动方向，也可以调节液压系统的压力或流量。既可完成对单个回路参数的简单控制，也可进行复杂规律和多变量解耦控制、最优控制和自适应控制等。下面介绍几个典型例子，从而能对计算机控制有一个概貌性认识，了解计算机控制液压系统的结构及组成。

(1)逻辑控制系统

在液压传动系统中，往往要求几个执行元件按照一定顺序动作或要求它们同时动作，所以在自动化过程中对发出的各种信号需要进行综合和加工，形成所需要的控制信号去控制执行元件。信号的加工和综合就是逻辑运算，逻辑运算可以通过电路或流体回路实现。逻辑控制系统中的液压部分是用电磁换向阀或电液换向阀来控制液压缸或马达的动作，其控制部分则用微机来代替常规的逻辑电路或流体逻辑回路。如图6．2－1所示的液压系统具有四个输入信号a，b，c，d，按其不同的组合来控制电磁阀f₁，f₂及液压缸e₁，e₂的动作。其动作要求为：当b，c，d无信号时或有信号时，或仅b有信号时，电磁阀f₁通电，液压缸e₁伸出，液压缸e₂保持收缩状态；当d有信号时，电磁阀f₂通电，液压缸e₁缩回，e₂伸出；当c有信号时，f₁，f₂通电，液压缸e₁，e₂均伸出；a有输入信号时，电磁阀f₁，f₂断电，液压缸e₁，e₂均收缩。

图6．2－1 液压逻辑控制系统

采用微型计算机进行控制时，要解决输入、输出信号与计算机匹配的问题。当输入信号为机械或压力信号时，可通过行程开关、按钮或压力继电器等转换元件，将它们转换为电信号后再接入计算机的输入接口，将计算机的输出接口接到电磁阀的输入电路，控制换向阀的动作。由于计算机的输出电平低于触发电磁阀所需的电压，所以计算机与电磁阀之间还需要装继电器或固态开关。计算机内部则通过编制软件来实现逻辑控制。

(2)开环控制系统

一般的开环控制系统如图6．2－2所示。控制器根据输入值去控制执行机构完成被控参数的要求。

图6．2－2 开环控制系统

在计算机控制中将控制器用计算机替代，计算机的输出信号是数字信号，如果执行机构是数字式元件，如：高速开关阀或数字式比例阀，就可以直接接到液压缸或液压马达上。如果是常规的比例阀或电液伺服阀就需要在计算机输出口接一个数—模转换器(D／A)。

(3)闭环控制系统

闭环控制系统是将输出信号反馈后和输入信号比较再进行控制的系统，因此具有控制精度高的优点，适合于控制性能要求高的系统。由于计算机完成控制功能的不同，有下列几种形式。

A．计算机作输入信号处理器的控制系统

图6．2－3 所示的一个闭环连续控制系统，系统的输入、输出均是模拟量，计算机接收从键盘、数据存储装置或是更高一级管理计算机中获得的原始数据，数据输入该系统前必须经过数—模转换(D／A)，转换成模拟量才行。因此，计算机的作用是电液系统的指令信号发生器。

图6．2－3 计算机作输入信号处理器的控制系统

B．计算机闭环控制系统(数字控制系统)

图6．2－4中所示的是一个轧钢厚度控制系统。图中，计算机和数—模转换器及模—数转换器等作为一个数字控制器，代替连续式闭环系统中的求和点和校正电路组成的模拟式控制器，除了实现校正电路功能之外，通过软件还能实现比一般模拟式电路难以实现的功能，获得比较优良的控制功能。为了实现数字信号与模拟信号之间的转换，在计算机输出端采用数—模转换器(D／A)，在反馈回路的厚度传感器后面增加一个模—数转换器(A／D)，以便在计算机上方便地进行信号处理。

图6．2－4 轧钢厚度计算机控制系统方框图

图6．2－5是具有不同采样周期的飞机自动驾驶仪计算机控制系统，系统中速度反馈和位置反馈采用不同的采样周期T₁，T₂。

图6．2－5 多采样周期的飞机单轴自动驾驶仪计算机控制系统

由上述例子可以看出，控制对象可以不相同，控制参数也有千差万别的变化，但对于计算机数字控制系统都有共同的工作原理和结构。

C．计算机最优控制和自适应控制

在最优控制中，由计算机组成最优反馈控制器，以受控对象的状态作为反馈，根据预先设定的性能指标，使系统在随机干扰作用下，保持最优的性能指标。在自适应控制中，由计算机组成的控制器能够根据受控对象的外界环境和工作条件的变化，使控制器本身的参数或结构自动作出相应的变化，保持最优性能。这两种控制方法都比较复杂，采用模拟式控制器难以实现，而且价格昂贵，只有与计算机结合，控制方法才能得到广泛的应用。一个典型的状态反馈计算机控制系统如图6．2－6所示。

图6．2－6 状态反馈计算机控制系统

对于上述的闭环控制系统和最优控制和自适应控制两类计算机控制系统，它们的基本组成都是由控制对象、执行器、测量环节和数字控制器(包括多路开关、采样保持器、模—数转换器、数字计算机、数—模转换器和保持器)组成。

下面以计算机闭环控制系统为例，说明如何用微机对液压系统进行控制。