第八章 气 动 比 例/ 伺 服 系 统
8.1 电-气 比 例/ 伺 服 控 制
8.1.1.概述
气动系统在自动化设备中的基本功能是按预定的设计要求，输出驱动或控制物理量。 常见的气动系统输出驱动物理量，为直线气缸(摆动马达)的位置(摆角)、运动速度、作用力等。常见的气动系统的输出控制物理量，为气体的压力或流量。 这些输出量可分为断续式和连续式两大类。电-气比例/伺服控制技术，旨在实现连续式的驱动和控制输出。 利用电-气比例/伺服控制技术实现的连续式驱动或控制系统，其输出的驱动物理量，可以在设备的运行中根据设定量和当前量不断地进行调整，从而达到无级、连续可控目的。
比较早期的气动比例/伺服系统，大都采用机械控制方式（参考图4.4-21）。例如，将最终输出量转换为机械弹簧位移或气压信号，然后反馈至无级调节气阀，从而实现对输出量的连续控制。
随着现代电子工业的迅速发展，曾经比较广泛应用的纯气动、纯机械控制系统逐渐 减少。而由数字电路、模拟电路实现控制，由气动执行元件输出驱动物理量的电－气一体化设备占有更大的优势，被越来越广泛地采用。因此，从这一意义上说，本章介绍的气动比例/伺服控制技术，更多的是电-气比例/伺服控制技术。
电-气比例/伺服控制系统出现的技术背景，一方面，自动化的覆盖面越来越广，从原先只应用于简单、重复的工艺过程扩大到复杂的工艺过程。另一方面，对自动化机器在性能和功能上都提出了越来越高的要求：机器的节拍时间更短，运动精度更高；要求能与计算机直接联接，从而更快和更准确地进行生产管理；并且由于产品的多样化使柔性生产设备得到越来越广泛的应用，这类设备要求能非常快捷地对之进行重新编程，以实现同一机器对不同种类或尺寸的工件进行加工，从而大幅度降低设备投资，并实现小批量产品的生产自动化。
采用气动比例/伺服控制系统，可以十分方便地实现设备的实时、多级和无级调节，降低设备生产节拍，提高设备寿命，实现柔性生产。国际天然气价格
8.1.2 电-气比例/伺服控制系统的基本组成
图4.8-1表示了一个典型的气动比例/伺服控制系统的基本组成。由图可知，气动比例/伺 服控制系统或电气比例/伺服控制系统主要由四部分组成，它们分别是：控制阀（比例控制阀）、气动执行元件、传感器、控制器（比例控制器）。imrt
1．比例控制阀 接受控制器发出的控制信号，并产生相应的气体流量或压力。因此，它的功能形式与控制器紧密相关。
随着现代电子技术的飞速发展，电子模拟、数字器件的性能不断改善，价格 上不断降低，目前在实际应用的绝大部分设备中都采用电控制器。因此，比例控制阀的输入信号，大多为电压或电流信号。控制气阀的核心功能，便是将输入的电信号按一定的规律转换为气压或流量驱动量。可见，控制气阀在电-气比例/伺服控制系统中起了电-气接口作用。
图4.8-1. 典型的气动比例/伺服控制系统的基本组成
2．气动执行元件 在比例控制阀输出的流量或压力作用下，产生运动速度或作用力。最常用的气动执行元件是气缸，也可以是摆动马达。
3．传感器 用于闭环式气动比例/伺服控制系统中，这时控制器需要不断地监测执行元件的运动状态，据此计算其输出控制量。因此，传感器的检测量往往是电-气比例/伺服控制系统的最终控制量。由传感器输给控制器的电信号，又称为反馈信号。
4．比例控制器 通常具备两方面功能，首先是实现闭环控制，即根据传感器测量信号和设定 信号，按一定的控制规律计算并产生与控制气阀匹配的控制信号；其次是实现机器的工作顺序控制，产生系统输出量的设定值。控制器的实现方式有模拟式和数字式两种。
8.1.3 电-气比例/伺服控制系统的基本原理
电-气比例/伺服控制系统的实现原理、控制方法可以有许多种。从系统控制方式上，可分为开环控制和闭环控制两类；从控制气阀功能上，可分为开关式和连续式两类；从系统的最终输出量的物理形式，可分为压力控制系统、力控制系统、定位系统、速度控制系统等等。
1．开环控制系统 不需要测量最终输出量的传感器。这时，控制器与气动执行元件间 的信号流程是单向的，即控制器输出设定控制信号(电)，经控制气阀转换为气压或流量 驱动信号，最后经气动执行元件产生输出功率。而气动执行元件的最终输出状态，反馈到控制器，因此，控制器输出的控制设定信号，不受执行元件的当前状态影响。开环控制系统的优点是，系统组成简单，不存在控制稳定性问题；其缺点是控制精度低。
2．闭环控制系统 全部包含上述的四个部分，信号流程是：
控制器输出控制信号(电)，通过控制气阀输出气驱动信号(气)，并作用于气动执行元件输出功率(机械运动)。执行元件的当前状态，又通过传感器转换为电信号反馈到控制器，从而完成闭环控制回路。.
在以上的闭环回路中，控制器通过传感器输出的反馈信号，产生相应的控制信号，不 断地纠正气动执行元件输出状态与希望状态的偏差。闭环控制系统的优点是，控制精度高，能减少气源压力、摩擦力、环境温度和其它因素变化对控制精度的影响，可以实现任意位置定位。在实际设计中，要注意的因素是系统的稳定性。
3．比例/伺服系统 采用的控制气阀，可分为开关式和连续式两类。由开关式控制气阀组成的系统，有PCM（脉码调制）、PWM（脉宽调制）控制系统。为了保证系统的稳定性和控制精度，要求开关控制阀的频响较高。由连续式控制气阀组成的系统，通过连续控制信号控制执行机构，要求控制阀的线性较好。
8.2 组 成 参与式教学电-气 比 例/ 伺 服 控 制 系 统 的 台风圣帕基 本 元 件
8.2.1．控 制 阀
气动比例技术的基本工作原理是，通过连续控制和调节气体的流动方向、流量或压力，实现被控对象的运动方向、位置、速度和力的控制。
在电-气比例/伺服控制系统中采用的控制阀，可以有以下几种：
高速开关阀；
比例/伺服流量阀；
比例/伺服压力阀。
控制气阀在气动比例/伺服控制系统中起电-气接口作用，因此，所有控制气阀都带有电机械转换器。
常用于高速开关阀的电机械转换器有：
电磁式；
压电式。
常用于比例/伺服阀的电机械转换器有：
比例电磁铁；
动圈式力马达。
上述各种电机械转换器的工作原理和结构，与液压阀上采用的类似，请参第三篇第三章。
在电液比例技术发展的初期，比例阀常用比例电磁铁作为电机械转换器，驱动功率大，加上其他多方面的因素，其动态性较差；而伺服阀采用动圈式力马达或动铁式力矩马达为电
机械转换器，驱动功率小，加上其他多方面的原因，其动态性较好。电-培智学校气比例/伺服控制技术的发展，晚于电液比例伺服控制技术。其发展初期，人们套用电液比例技术，电-气比例阀与电-牛志美气伺服阀的区别，体现在结构和动态特性上：在结构上，根据配用电机械转换器来区分，凡配用比例电磁铁的，称为电-气比例阀；配用动圈式力马达的，称为电-气伺服阀；在性能上，根据阀的动态特性来区分，动态特性较差的为电-气比例阀；动态特性较好的，称为电-气伺服阀。
这种区分是在20世纪七十年代的技术条件下形成的。但随着现代电液比例/伺服技术的发展，出现了配用新型大电流比例电磁铁、无零位死区、高频响的电液伺服比例阀。比例阀与伺服阀的界限越来越模糊了（参见第三篇第三章）。电-气比例/伺服技术也有相似的发展，既经济、抗气源污染，又具有良好频响特性的各种新型气动控制阀不断涌现。在现今，如果仍然用传统的原则来区分电-气比例阀与伺服阀，必然会出现混乱。如本章将介绍的方向流量阀，配用比例电磁铁为电机械转换器，其频响可达到125Hz。按照传统的区分方法，该控制阀从结构角度，属于比例阀；但从动态性能角度，又属于伺服阀。为了避免概念上的混乱，参照电液控制技术中“电液伺服比例阀”的称呼，本手册在气动控制领域，称高频响的电-气控制阀为“电-气比例/伺服阀”。
8.2.1.1 比例/伺服流量阀
由于气体是可压缩介质，所以，一方面对气体流量的测量要比液体流量难；另一方 面气体流量对气动执行元件运动速度的影响程度，也受压力、温度的直接影响。因此，气动比例/伺服流量阀的输出量，往往不直接是气体流量，而是阀的开口面积。
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