电液控制系统的特点与分类

1.电液控制系统的特点

数十年来，液压传动技术的发展受到了电气传动发展的不断挑战，但认真地讲，两者之间也是取长补短、相互结合的，液压传动技术的进步在很大程度上依赖电子技术的发展。也就是说，电和液压的合作成分实际上大于竞争的成分。大家知道，电气或电子技术在信号的检测、放大、处理和传输等方面比其他方式具有明显的优势，特别是现代微电子集成技术和计算机科学的进展使得这种优势更显突出。因此，工程控制系统的指令及信号处理单元和检测反馈单元几乎无一例外地采用了电子器件。但是，在功率转换放大单元和执行部件方面，液压元件则具有更多的优越性，其主要特点如下：

1）液压执行元件的功率密度大，也就是功率-质量比和转矩-惯性矩比（或力-质量比）大，可以构成体积小、质量轻、响应速度快的大功率控制单元。对于中、大功率的系统，这一优点尤为突出。因为电气元件的最小尺寸取决于最大的有效磁通密度和功率损耗所产生的发热量，与电流密度有关。最大有效磁通密度受磁性材料的磁饱和限制，而发热量的散发又比较困难。所以电气元件的结构尺寸较大，功率-质量比和力矩-惯量比小。而液压元件功率损耗所产生的热量可由油液带到冷却器去冷却，它的尺寸主要取决于最大工作压力。由于最大工作压力可以很高（目前可达32MPa甚至更高），所以液压元件的体积小、质量轻，而输出力或力矩却很大。据统计，一般液压泵的质量只是同功率电动机质量的10%～20%，几何尺寸约为后者的12%～13%。液压马达的功率-质量比一般为相当容量电动机的10倍，而力矩-惯量比为电动机的10～50倍。

2）液压控制系统的负载刚度大、精度高，即输出位移受外负载的影响小，定位准确，位置误差小，精度高。这一点是电动机和气动控制系统所不能比拟的。

液压控制系统的输出位移（或角度）受负载变化的影响小，即有较大的速度-负载刚度（速度-力或转速-力矩曲线斜率的倒数很大），定位准确，控制精度高。由于液压固有频率高，允许液压控制系统特别是电液伺服系统有较大的开环放大系数，因此可以获得较高的精度和响应速度。另外，由于液压系统中油液的体积弹性模量很大，压缩性很小，故液压动力元件的速度刚度大，组成闭环系统时其位置刚度也大。液压马达的开环速度刚度约为电动机的5倍，电动机的位置刚度很低接近于零，更无法与液压马达相比。因此，电动机只能用来组成闭环位置控制系统，而液压执行元件（液压马达或液压缸）却可以用来进行开环位置控制。当然，闭环液压位置控制系统的刚度比开环时要高得多。

3）液压控制系统快速性好，响应快。由于液压动力元件的力矩-惯量比（或力-质量比）大，因此可以安全、可靠并快速地实现频繁的带负载起动、制动与正反向直线或回转运动，而且具有很大的调速范围。例如，加速中等功率的电动机需一至几秒，而加速同功率的液压马达的时间只需电动机的1/10左右。由于液压系统中油液的体积弹性模量很大，由油液压缩性形成的液压弹簧刚度很大，而液压动力元件的惯量又比较小，所以由液压弹簧刚度和负载惯量耦合成的液压固有频率很高，故系统的响应速度快，是电气执行元件所不能比拟的。与具有相同压力和负载的气动系统相比，液压系统的响应速度是气动系统的50倍。

液压控制系统还有一些其他优点，如运转时其工作介质兼有润滑作用，有利于散热和延长元件的使用寿命；容易按照机器的需要通过管道实现系统中各部分的连接，从而实现能量的分配和传递；利用蓄能器很容易实现液压能的储存及系统的消振等；易于实现过载保护，容易实现远程调控和无级调速等。

液压控制系统也存在某些缺点，主要有：因运转过程中，需经两次转换，常有较多的能量损失引起发热，所以效率偏低；由于流体介质的工作温度范围和闪点的限制，系统的工作稳定性易受温度影响，系统性能对温度很敏感，不宜在过高或过低温度下工作；对流体介质的清洁度管理要求高（因为污染的油液会使阀磨损而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作，这是液压系统发生故障的主要原因）；油液的体积弹性模量随温度和混入油中的空气含量而变化，油液的粘度也随油温变化而变化，因此油温变化对系统的性能有很大影响；容易引起油液外漏，污染环境；系统在高压下工作时，容易引起振动，产生噪声；液压元件制造精度要求高，成本高；由于液压系统中诸多环节具有非线性特性，因此系统的分析和设计较电气系统复杂；以液压方式进行信号的传输、检测和处理不如电气系统方便等。

2.电液控制系统的分类

电液控制系统除1.1.1节所述工程控制系统的分类以外，还可以根据液压控制元件的不同进行分类，有两种分类方法。(www.xing528.com)

1）按系统所用的电液控制阀不同分为电液伺服系统、电液比例系统和电液数字系统三类，见表1-2。

表1-2 电液控制系统的分类、构成及特点

（续）

2）按系统控制的液压元件类型不同，又分为节流控制系统和容积控制系统。节流控制系统又称为阀控系统，其主要控制元件是流量控制阀，这种系统的优点是动态响应快，利用公共恒压油源可控制不同的执行元件，控制精度高；缺点是功率损耗较大，效率低。适合中小功率快速高精度控制系统使用。

容积控制系统又称泵控系统，其实质是用控制阀去控制变量液压泵的变量机构，现代容积控制多是通过电液节流控制元件对液压泵或马达的排量参数（倾角或偏心量）进行控制而实现的。其突出的优点是节能，此类系统无节流和溢流损失故效率高，且刚性大，但响应速度慢，实现小流量调节困难，结构复杂，适用于功率大而响应速度要求不高的控制场合。

若按参数的不同来进行分类，则电液控制系统还可分为：①位置（或转角）控制系统；②速度（或角速度）控制系统；③加速度（角加速度）控制系统；④压力（或压差）控制系统；⑤力（或力矩）控制系统；⑥其他参数控制系统。