運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)介與模塊化電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

　　運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制。簡(jiǎn)單地說，運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度或力等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。 電液伺服控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要構(gòu)成。由于它具有線性好、死區(qū)小、靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快、精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。電液運(yùn)動(dòng)控制主要是以液壓缸、液壓馬達(dá)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(hào)反饋單元，配以必要的控制單元組成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其廣泛應(yīng)用于包裝、印刷、紡織、鋼鐵和裝配工業(yè)中。

　　1 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 目前廣泛應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主要由電－伺服／ 步進(jìn)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱電－電機(jī)）、電液二種，以電－電機(jī)應(yīng)用最為廣泛。目前電－電機(jī)控制主要由伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)（若需直線運(yùn)動(dòng)， 可以在機(jī)構(gòu)上加一些裝置如滾珠螺桿加以轉(zhuǎn)化），運(yùn)動(dòng)控制卡和控制器構(gòu)成。目前此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用較成熟，遍及工業(yè)控制的各方面。相比較而言，電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)鮮明，善于處理以直線運(yùn)動(dòng)為主的位置、力控制，但由于應(yīng)用場(chǎng)合和規(guī)模的限制， 在成熟度及系統(tǒng)應(yīng)用推廣等方面較電－電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)落后，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)技術(shù)人員要求高，所以，目前國(guó)內(nèi)一些大型的電液自動(dòng)化設(shè)備主要依賴于國(guó)外進(jìn)口。 目前電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大部分器件已經(jīng)產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化。如，比例閥、伺服閥有相應(yīng)的產(chǎn)品系列和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，位移、壓力等傳感器檢測(cè)元件各廠家都有通用型可替代產(chǎn)品，伺服缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件都有相關(guān)產(chǎn)品系列和標(biāo)準(zhǔn)供選型設(shè)計(jì)參考。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)人員關(guān)注的是系統(tǒng)的核心－液壓運(yùn)動(dòng)控制器，目前控制器存在多元化、多樣化和不通用的特點(diǎn)。電液運(yùn)動(dòng)控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為以下三大類，1） 基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器；2）Soft 型開放式運(yùn)動(dòng)控制器；3） 嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要針對(duì)特定項(xiàng)目，因規(guī)模不大數(shù)量不多， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員首先滿足的是系統(tǒng)的功能要求，其次才會(huì)考慮系統(tǒng)通用性、可靠性、調(diào)試便捷性、操作性能等方面的要求。因此，針對(duì)特定項(xiàng)目開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可移植性差，沒有通用性，而且無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)約束，不利技術(shù)進(jìn)步，還會(huì)帶來資源浪費(fèi)。其存在主要問題是：（1）設(shè)計(jì)開發(fā)周期長(zhǎng)，開發(fā)出的系統(tǒng)不具備通用性，電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能不一定能夠達(dá)到最優(yōu)化。對(duì)機(jī)電液運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的推廣幫助不大。（2）系統(tǒng)可靠性不高，通用性不強(qiáng)，造成資源浪費(fèi)。因此很有必要設(shè)計(jì)模塊化電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。 電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的未來發(fā)展方向?qū)⒂袀鹘y(tǒng)的放大執(zhí)行單元逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式的模塊化系統(tǒng)，參見圖1?？刂破鲗⒂心K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(jī)進(jìn)行信息交互，開放式的軟件結(jié)構(gòu)用于液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定，通用電氣接口用于調(diào)制器、傳感器等電氣連接。

　　2 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先要明確控制要求和控制精度，然后選定元器件，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)和電氣控制原理圖。最終將原理圖以實(shí)物的形式展現(xiàn)出來，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試達(dá)到預(yù)設(shè)的要求。 2．1 液壓系統(tǒng) 在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，首先要確定液壓系統(tǒng)中需要控制什么參數(shù)，其中主要考量系統(tǒng)流量、壓力、驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)方向及速度、驅(qū)動(dòng)元件的停止位置及有無加速度控制等。然后根據(jù)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(tǒng)。一般比例控制系統(tǒng)可達(dá)到位置控制精度3mm，速度控制精度（帶壓力補(bǔ)償器）3％，加減速（斜坡時(shí)間）0．5s。更高的控制要求可以選擇高頻響比例閥控制系統(tǒng)，從而保持設(shè)定值不受外來干擾所影響，并在不同的工作壓力下保持穩(wěn)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(yùn)動(dòng)。其控制精度能夠達(dá)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(yīng)更快、性能更好的伺服閥來提高系統(tǒng)的控制精度。?