英文：J. C. Jones，穆格澳大利亞有限公司

1 前言

本文概述當(dāng)今電液伺服閥和比例閥的發(fā)展歷程，并討論設(shè)計是如何影響它們的應(yīng)用。

伺服閥是什么，而比例閥又是什么？兩種裝置的閥芯移動均與輸入信號成比例。人們對伺服閥的定義似乎更易于趨同，而比例閥則被視為具有比例功能且逐步被要求具有越來越多伺服閥特性的直動閥（DDV）。

兩種裝置均能比例的移動閥芯，我不打算嚴(yán)格地定義它們。兩者的差別也會因人而異。這將在附錄中進一步討論。

2 伺服閥和比例閥的發(fā)展歷史

2.1 戰(zhàn)前

二戰(zhàn)前，過程控制領(lǐng)域發(fā)生了幾件重要事件。氣動元件被用于計算、控制和信號傳輸，這導(dǎo)致了對控制閥的需求。

阿斯卡尼亞調(diào)節(jié)器公司（Askania Regulator Company）和阿斯卡尼亞－沃克德國公司（Askania-Werke, Germany）開發(fā)出一種采用射流管原理的閥，并注冊了專利。該閥可將流體壓力轉(zhuǎn)化成一股射流的動量，該射流被引導(dǎo)進入兩個接收器，射流的動量在接收器中重新轉(zhuǎn)化為壓力或流量。

與此類似，福克斯波羅（Foxboro）開發(fā)出噴嘴擋板閥，該閥利用擋板靠近銳緣阻尼孔所形成的圓柱形遮擋阻尼孔區(qū)域進行工作，圖2。

圖2 噴嘴擋板閥

德國的西門子（Siemens）開發(fā)出雙路輸入閥，該閥通過彈簧接受機械輸入，通過移動線圈、永磁鐵馬達(dá)接受電氣輸入。該閥被用于閉環(huán)位置控制，成為用于飛機自動飛行控制領(lǐng)域閥的先驅(qū)。

2.2 二戰(zhàn)后

二戰(zhàn)末期，伺服閥閥芯外一般有閥套，閥芯由一個直動式馬達(dá)驅(qū)動，通常是一個直流電磁鐵推動一根彈簧，即閥芯的單級開環(huán)控制。

控制理論的成熟已使伺服閥的應(yīng)用得以鞏固，軍事上對于尖端技術(shù)的需求正推動著伺服閥的大量研究和開發(fā)。

1946

-英國汀斯利（Tinsley）注冊了第一個二級閥的專利。

-雷神貝爾飛機公司（Raytheon and Bell Aircraf）：帶反饋的二級閥。

-美國麻省理工學(xué)院（MIT）：真正的力矩馬達(dá)代替電磁鐵，這意味，更低的功率&改善的線性度。

• 高增益閉環(huán)電氣反饋以減少一級中高摩擦的影響。

1950

- W. C.穆格（W. C. Moog）：第一個二級閥，采用帶單噴嘴阻尼孔的無摩擦一級閥，圖3。

• 分辨率較高和響應(yīng)較高

圖3 單噴嘴二級伺服閥（1950年）

1953 - 1955    

- T. H.卡爾森（T. H. Carson）：二級伺服閥，帶無摩擦一級+機械力反饋，圖4。兩者均為重大革新，并且：

• 改善分辨率同時改善響應(yīng)并減少因溫度和供油壓力變化所產(chǎn)生的漂移。

• W. C.穆格：同上，但帶機械對稱的雙噴嘴阻尼孔橋路。

• 進一步減少零位漂移。

• 沃爾平（Wolpin）：將力矩馬達(dá)從流體中隔離，即 “干”式力矩馬達(dá)。

• 解決了“濕”式力矩馬達(dá)因磁性污染微粒所致的固有可靠性問題。

圖4.機械反饋二級伺服閥(1955)

1957 

- R.阿特奇利（R. Atchley）：帶阿斯卡尼亞射流管的二級伺服閥，圖5。

• 單一進油口，意味著故障形式得以改善。

 

1959

-R.阿特奇利：帶電反饋(EFB)的三級伺服閥

圖5. 射流管伺服閥(1957)

1959年2月的《液壓與氣動》雜志用12頁篇幅對所能找到的所有形式的伺服閥進行了一次全面精彩回顧，反映了當(dāng)時日新月異的發(fā)展?fàn)顩r。單級閥、二級閥、帶或不帶反饋的、噴嘴擋板先導(dǎo)閥、滑閥先導(dǎo)閥、射流管先導(dǎo)閥、雙輸入閥以及大流量三級閥的制造廠商，有大約20多家。

可見，眾多制造廠商以及不同設(shè)計理念競爭激烈，力求脫穎。回顧往昔，我們可看見各種迥異的設(shè)計理念最后統(tǒng)歸為幾個優(yōu)選要點：大多數(shù)采用帶力矩馬達(dá)和帶反饋的二級設(shè)計。

1960年可列舉出的重要特性摘要

可見，大多數(shù)現(xiàn)代特性均已列出！

l  從二級反饋至一級（即閉環(huán)閥芯控制）：

• 可靠性改善，線性更好，在諸如污染、壓力變化和慣性力的外部干擾下零位穩(wěn)定性更好。

l  質(zhì)量輕且位移小的力矩馬達(dá)：

• 允許更高的閉環(huán)增益，動態(tài)性能更好，進而提高零位穩(wěn)定性。

l  液壓一級輸出驅(qū)動壓力（DP）可達(dá)供油壓力的50％（常規(guī)）甚至更高：

• 閥芯驅(qū)動力大，可克服污染/淤塞。

• 打開中央先導(dǎo)閥，避免先導(dǎo)閥淤塞。  

l  無摩擦一級+從工作介質(zhì)中隔離：

• 分辨率盡可能高且不會因油帶來金屬微粒集聚于磁回路。

l  機械對稱一級：

• 因溫度和壓力變化所產(chǎn)生的零位漂移最小。

以上是從二戰(zhàn)末期到1960年，電磁鐵直接驅(qū)動控制閥（開環(huán)）向帶反饋的二級閥（閉環(huán)）變化的過程。

比例閥的發(fā)展有著類似的歷程，最早的形式也是用產(chǎn)生直接推力的電磁鐵作用于彈簧以開環(huán)的方式控制閥芯。后來在閥芯位置采用了閉環(huán)形式，其原因與伺服閥相同。

伺服閥的發(fā)展主要與軍事用途相適應(yīng)，在軍事上，電液系統(tǒng)用于雷達(dá)驅(qū)動、火箭發(fā)射裝置導(dǎo)向平臺的驅(qū)動和控制。在這些用途中，早期伺服控制的實現(xiàn)與維護所帶來的高昂費用是可以接受的。它們的用途拓展到導(dǎo)彈的飛行控制和“有限授權(quán)（limited authority）”的飛行控制系統(tǒng)。

隨后的太空時代不僅有類似的工作要求，還對高速下大質(zhì)量物體的定位提出了空前的可靠性要求。該用途就是通過驅(qū)動火箭引擎的噴嘴或?qū)⑤^小質(zhì)量葉片定位于排氣流之中來實現(xiàn)飛行控制。非常復(fù)雜的亢余電液機械系統(tǒng)被開發(fā)出來。

同時，工業(yè)上的用途也得以發(fā)展。軋機、打鉚機、彎管機等機器設(shè)備開始實現(xiàn)數(shù)字控制（NC），大多數(shù)使用電液系統(tǒng)。

2.3 工業(yè)閥

有些公司開始開發(fā)僅用于工業(yè)用途的閥。

另一些公司如穆格（Moog）最初采用“工業(yè)化”的航空閥以滿足工業(yè)專用閥的需求。最早在1963年，“73”系列閥就降低標(biāo)準(zhǔn)，采用了當(dāng)時較低的工業(yè)過濾標(biāo)準(zhǔn)，配有一個保護先導(dǎo)級的最后一級過濾器，同時還配有一個可更換的較粗的過濾器。

這種發(fā)展延續(xù)下來，出現(xiàn)了更多款式的閥，都具備上述全部關(guān)鍵的“1960”特性，但又有以下特點：

l  閥體較大（相對于航空閥）以便于加工，采用鋁而不用鑄鋼。

l  一級分開，便于調(diào)整和維護。

l  較少關(guān)注于高壓，例如，采用1000 to 2000 psi，而不采用飛機常用的3000 psi。

l  努力實現(xiàn)閥型標(biāo)準(zhǔn)化

一個日益增長的用途是飛行動作模擬，該用途逐步用于各個領(lǐng)域，從而孕育了測試行業(yè)，以至于從硬紙盒到汽車所有東西都被放在電液自由度平臺上上進行實驗。

機器人出現(xiàn)并采用電液系統(tǒng)多年。塑料制造業(yè)借助于電液系統(tǒng)的驅(qū)動和精確度，加上閉環(huán)控制對重復(fù)性能的改善，從而提高了吹模和注模部件的質(zhì)量。電液控制系統(tǒng)的使用使生產(chǎn)諸如照相機和鏡頭這樣的產(chǎn)品第一次成為可能。

氣和蒸汽輪機使用伺服閥進行可靠的速度控制。

鋼鐵業(yè)是一個獨特的分支。在這里，液壓驅(qū)動是必須的，電液系統(tǒng)的可控性被充分用于諸如厚度控制之類的用途。有時大流量意味著三級閥需要滿足與小流量閥相同的控制要求。這些鋼鐵業(yè)工藝用途一直是高性能伺服閥的領(lǐng)地，而新材料處理用途則被比例閥占領(lǐng)。比例閥通過對重型鋼卷的平滑控制可提高產(chǎn)量和靈活性。

2.4 在歐洲大約1970年后的發(fā)展

在歐洲，或許可以穆格德國分公司作為代表，電液閥的應(yīng)用比在美國更專注于高壓。典型的3000 psi / 210 bar / 21 MPa相當(dāng)普遍，上限常達(dá)5000 psi。閥設(shè)計的演變基于確保在如此高壓下的穩(wěn)定性和壽命。

1973 

穆格德國：意識到工業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)化的需要，穆格將某些個性化閥口形式統(tǒng)一為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的NG / CETOP閥口形式。

博世（Bosch）：博世板式伺服閥是在閥發(fā)展歷程中一個有趣的里程碑，它研發(fā)了一個具有射流管先導(dǎo)級、一個霍爾效應(yīng)反饋傳感器，以及對于伺服閥重要的“第一次”：用于閉環(huán)控制的集成電子放大器，圖6。

1974

穆格比例閥。穆格德國將帶二級先導(dǎo)閥的直控閥（DCV）主閥與帶電反饋的隨閥攜帶的電子元件組合在一起。這種三級閥為塑料注塑業(yè)提供了一款低價大流量閥，圖7。

除了它采用“按圖加工”的零位，而非配研的零位，它在絕大多數(shù)特性方面達(dá)到了伺服閥水平。

威格仕（Vickers）：威格仕KG比例閥采用力馬達(dá)先導(dǎo)閥進行壓力補償。沒有反饋到第一級。

力士樂（Rexroth）、博世和其他公司采用各自的標(biāo)準(zhǔn)直控閥的雙電磁鐵進行比例控制，每個電磁鐵控制閥芯的一個方向。

圖6 帶集成EFB的伺服閥

圖7 帶集成EFB的比例閥

3 控制閥相關(guān)技術(shù)的發(fā)展

回顧影響控制閥設(shè)計、制造和應(yīng)用，并與之齊頭并進的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不無裨益。

3.1 電子元件

最早的閥輸入是機械，但是其全部控制潛力只能通過電氣界面實現(xiàn)，這樣，伺服閥成為電氣控制和液壓動力源兩個界面之間的結(jié)合點。

真空管放大器使電液控制成為可能，固態(tài)技術(shù)的提高使之成為現(xiàn)實。

固態(tài)電子元件的歷史始于單晶體管，最終采用許多組晶體管，制成了用于邏輯控制的高增益運算放大器。同時，晶體管被小型化并被成千上萬地集成，制成了數(shù)字計算機。

由晶體管和線性輸出組成的運算放大器使伺服閥只需± 10 到 ± 100 mA的低電源輸入。

以市場的低價部分為目標(biāo)的比例閥，需要等待稍長的一段時間，以獲得同樣較低價、并能滿足1～4 A要求的電子元件。這些驅(qū)動級采用脈沖寬度調(diào)制，而非線性。

低價的雜交電子元件的出現(xiàn)，降低了價格，減小了尺寸，提高了抗震性能，并且，隨著“表面安裝”元件的繼續(xù)發(fā)展，允許一級電子元件隨閥裝置于伺服和比例閥上。

3.2 控制理論

3.2.1 連續(xù)時間-模擬

二戰(zhàn)后，勞斯（Routh）, 奈奎斯特（Nyquist）, 波德（Bode）等人為連續(xù)時間控制理論奠定了堅實的基礎(chǔ)，頻率響應(yīng)和根軌跡等方法使得設(shè)計符合穩(wěn)定性和工作特性要求的系統(tǒng)成為可能。

實現(xiàn)這些控制理論的電子硬件變得更便宜且更可靠。

3.2.2 不連續(xù)時間-數(shù)字

六十年代早期，電腦首次取代了完整的過程模擬儀器系統(tǒng)，數(shù)字控制理論和硬件從此發(fā)展起來。

不同的硬件階段環(huán)環(huán)相扣，被稱為直接數(shù)字控制、小型計算機控制、微型計算機控制，最后，數(shù)字控制得以全面使用。

理論的一個重大突破是1952年的Z變換，這個已存在了好幾百年的拉普拉斯變換的離散方程的運用。其它基礎(chǔ)性的理論進展隨之而來：狀態(tài)矢量空間理論、優(yōu)化和隨機控制以及適應(yīng)性控制。

現(xiàn)在我們正考慮將模糊邏輯與上述理論結(jié)合，這或許可消除明確定義復(fù)雜系統(tǒng)中的每一個變量的煩惱。

我們再次強調(diào)在高性能回路中的伺服閥需采用正確的控制理論以獲得它們最好的性能。盡管比例閥的目標(biāo)通常是次關(guān)鍵的應(yīng)用場合，但是運用和精通閉環(huán)控制技術(shù)同樣可使它們在應(yīng)用中受益匪淺。

3.3 過濾技術(shù)

控制閥對過濾的要求是：

l 保護先導(dǎo)閥

l 延長主閥的壽命

3.3.1 保護先導(dǎo)閥

內(nèi)部

安裝在控制閥中的內(nèi)置閥過濾器對一級阻尼小孔提供絕對最后機會保護。

直到60年代，可供選擇最好的過濾器是戰(zhàn)后發(fā)明的燒結(jié)青銅過濾器。這種深度型過濾器容易過載，并且還允許微粒移動。伺服閥結(jié)果獲得“對污染太敏感”的壞名聲。網(wǎng)眼的運用使得與污染相關(guān)的故障大幅減少。對于不同的先導(dǎo)閥，過濾器網(wǎng)眼間隙可在20～100微米之間。

外部

現(xiàn)在濾除可能堵塞先導(dǎo)級的25～50微米顆粒相對容易。β15 > 75或更好（沒有旁路單向閥）的過濾器很容易找到。

3.3.2 主閥的壽命和平穩(wěn)動作

刃口節(jié)流臺肩的壽命、避免微粒卡入閥芯-閥套之間的間隙均有賴于主供油路的過濾。濾除可能淤塞閥芯-閥套之間3～6微米間隙的顆粒是困難的。具有較大閥芯的比例閥間隙值為8 - 12微米。

3.3.3 過濾器的級別

多年以來，過濾器是個“黑魔術(shù)”，每個制造商均按照名義或絕對參數(shù)對其產(chǎn)品劃分等級，各自所用方法相互之間無法對比。

關(guān)于如何科學(xué)探討過濾技術(shù)，70年代的學(xué)術(shù)研究為制造商們提供了統(tǒng)一的測量方法，推動了過濾技術(shù)的巨大進步。

多次通過實驗是最著名的方法，通過這一方法，俄克拉荷馬（Okalahoma）州立大學(xué)制定出Beta等級。盡管該分級制度仍有一些缺點，但提供了在世界各地實驗均適用的過濾等級數(shù)據(jù)。同時，ISO分級被用于定義油的清潔度和污染的程度等級。這種分級已發(fā)展到從小至2微米的顆粒開始考慮，這也意味著將來分級起點將更高。

這樣，新的理論取代了“黑魔術(shù)”，確保了污染控制的理性方向。

然而，事情并不是那么簡單。我們至今仍常常在應(yīng)用中遇見伺服閥粗糙的“最后機會”過濾器堵塞，這表明上述知識并未被正確地運用于系統(tǒng)過濾的選擇及其維護。

3.4 材料

3.4.1 反饋彈簧上的反饋球

反饋彈簧與閥芯連接的地方通常是懸臂反饋彈簧端部的一個精密的鋼球。鋼球的磨損造成反饋路徑上的松動，從而影響閥的穩(wěn)定性和壽命。油越干凈，這種磨損則越小。

替代材料有碳化鎢和藍(lán)寶石。還有一種選擇是為小球設(shè)置一個藍(lán)寶石導(dǎo)向套。

3.4.2 阻尼孔

阻尼孔最早是鉆出來的，后來采用放電加工機(EDM)加工而成。

對于液壓惠斯登橋路中的微小的溫度和供油壓力變化，阻尼孔必須保持穩(wěn)定。

70年代中葉，蘭寶石阻尼孔作為一種降成本的手段從鐘表制造業(yè)引進而來。

3.4.3 閥芯與閥套

除了在90年代，在以水作為介質(zhì)的特殊用途中采用陶瓷閥芯與閥套，閥芯與閥套的材質(zhì)沒什么變化。

3.4.4 力馬達(dá)磁鐵

80年代，為電馬達(dá)而開發(fā)的稀土磁鐵克服了通用鋁鎳磁鐵輸出力小的缺點。這使得力馬達(dá)具有較大輸出力成為可能，穆格采用它們進一步研發(fā)出抗污染和抗流體力更強的單級閥，圖8。

圖8. 直動閥

4 設(shè)計問題和對應(yīng)用的影響

4.1 現(xiàn)有先導(dǎo)閥技術(shù)

	直接驅(qū)動先導(dǎo)閥		兩級先導(dǎo)閥
	電磁鐵	力馬達(dá)	噴嘴擋板	射流管
閥芯驅(qū)動力 重要相關(guān)： -流體力 -細(xì)片剪切能力 -二級的頻率響應(yīng)	低	中	高	高～最高
頻率響應(yīng) 重要相關(guān)： -主閥的頻率響應(yīng)	低～中	中～高	高～最高	高
阻尼 重要相關(guān)： -主閥的頻率響應(yīng)	低	低	中	低
動態(tài)線性 -   重要相關(guān)： -正弦波實驗	低～中	中	中～高 矛盾： 小=好 大=差	低～中
零位穩(wěn)定性 重要相關(guān)： -位置和壓力控制	低～中	中～高	高	高
現(xiàn)場維護性	高	低	低	低

表1 現(xiàn)有先導(dǎo)閥的特性

4.1.1 閥芯驅(qū)動力

表2.是各制造廠商所生產(chǎn)CETOP 5 [10通徑]控制閥的回顧，可見可能的壓力級別范圍很寬。

閥芯驅(qū)動裝置		典型閥芯驅(qū)動力[N]
比例電磁鐵 比例電磁鐵 線性力馬達(dá) 液壓先導(dǎo)閥 液壓先導(dǎo)閥	力控制 位置控制 位置控制 減壓到5～20 bar 滿量程壓力210 bar	50 to 100 100 400 50 to 200 2000

表2 閥芯驅(qū)動力比較[參考文獻5]

對先導(dǎo)閥所能提供給主閥的驅(qū)動力要求：

l  克服導(dǎo)致閥口關(guān)閉的流體力。這些流體力的最大極限只能等于所能提供的驅(qū)動力。

l  克服微小污染物的卡阻，剪斷卡在臺肩處的所有細(xì)片。這些力并非可忽略不計，相反可達(dá)200到1000 N。

l  提供滿足二級頻率響應(yīng)的加速度。對于閥，這又將是個極限。

在閥芯位置采用閉環(huán)控制的優(yōu)點是：如果閥芯沒有按指令動作，它能帶來較大的力糾偏。例如，給一個開環(huán)閥20％驅(qū)動信號，閥芯移動行程的20％，此時，彈簧的反作用力也是20％。如果出現(xiàn)等于閥芯驅(qū)動力10％的流體力，閥芯將關(guān)閉10％。一個處于相同情況下的閉環(huán)閥，將只需要1～4％的閥芯偏差就可產(chǎn)生10％的額外驅(qū)動力，也就是說，閥芯具有硬得多的控制特性。

僅這種特性已使得閉環(huán)控制閥的抗污染故障能力大為增強。

在這方面，電氣反饋比機械反饋又前進了1～2步，它通過采用更高增益的環(huán)路，使得抗干擾（無論因污染還是因流體力引起）效果更好。

圖9顯示流體力如何影響控制，可見即使?jié)M足產(chǎn)品說明書條件，對CETOP 5比例電磁閥的階躍輸入仍已導(dǎo)致劇烈振動。

圖9  階躍輸入[參考文獻5]

4.1.2 動態(tài)線性

對于實驗用途，正弦波盡可能完美是重要的。為達(dá)到此目的，控制閥的每一級必須盡可能是線性的。

這里有個矛盾是：為了先導(dǎo)閥的線性，通常需要小行程。這就不可避免地需要更小型、更精確，因此也更昂貴的先導(dǎo)閥，典型的就是較小形式的噴嘴擋板先導(dǎo)閥。

如果先導(dǎo)閥是線性的，以一個好的反饋傳感器為中心的緊湊反饋環(huán)是使動態(tài)線性最大化的第二步。帶電氣閉環(huán)的電反饋提供了最具潛力的解決方案。

在一些比例閥中，小先導(dǎo)閥與大閥芯配合使用，比例區(qū)間可達(dá)15％。這樣的閥無一例外具有良好穩(wěn)定的靜態(tài)特性，以及快速的小信號階躍和頻率響應(yīng)。但對于大信號，即超過15％的信號，將出現(xiàn)速度飽和，從而使正弦波變?yōu)槿遣ā８哳l時所需的加速度力增加，當(dāng)其超過先導(dǎo)閥所能提供的最大驅(qū)動力時，將發(fā)生進一步失真。

圖10 一個比例閥被限制的線性動態(tài)區(qū)域

盡管閉環(huán)閥芯控制的優(yōu)點很多，但其固有的缺點是比開環(huán)閥慢。因此，開環(huán)閥有時仍用于對高響應(yīng)要求極高的場合。

4.1.3 控制和穩(wěn)定性－頻響和阻尼

一級的頻響和阻尼對于所有閥的控制和穩(wěn)定性均至關(guān)重要。

噴嘴擋板的自然諧振頻率可毫不費力地做到300～1000Hz。同時，它的阻尼約為0.3，適中卻便于使用，這可簡化閥芯位置環(huán)路。

另一方面，電磁鐵或力直接驅(qū)動馬達(dá)慢得多，這使得圍繞它形成閉環(huán)更為困難。不得不采用更復(fù)雜和要求苛刻的控制技術(shù)，例如加速度控制，以獲得基本合理的頻率響應(yīng)。

對于單級閥，還有一個不能完全忽視的困難，就是負(fù)載的動態(tài)性能也會影響閥的穩(wěn)定性，這一點與二級閥不同。

先天閥芯驅(qū)動力較低，加之這種附加負(fù)載依賴因素使得直接驅(qū)動閥的穩(wěn)定性比二級控制閥更為重要。事實上，正如許多傳統(tǒng)的液壓元件，在某些負(fù)載不穩(wěn)定的環(huán)境中，它們趨向于不穩(wěn)定。

4.2 基于用途選擇閥

	開環(huán)	閉環(huán)用途
		位置	速度	壓力/力
頻率響應(yīng)	不可能重要	閥或負(fù)載可能限制可用的增益	閥或負(fù)載可能限制可用的增益	閥幾乎總是環(huán)路增益的限制條件
零位對正/狀況 -壓力增益	較重要	軸向?qū)φ蓭碜罴褖毫ΓM而帶來最佳位置控制	正遮掩ok	軸向?qū)φ蓭碜罴褖毫刂?/span>
靜態(tài)特性 -滯環(huán) -分辨率	對于控制重復(fù)性能重要	重要	重要	對于精確控制尤其重要
零位穩(wěn)定性  -溫度 -供油壓力 -振動	不可能重要	重要，但控制器可補償長期漂移	重要，但控制器可補償長期漂移	重要，但控制器可補償長期漂移
一級閥芯驅(qū)動力 -頻率響應(yīng)（加速度） -抗阻塞和細(xì)片剪切能力	重要，對于能克服因污染阻塞以及其他原因產(chǎn)生的閥芯卡阻力	同左	同左	-見上述頻率響應(yīng) -同左，尤其如果長期在小流量下保持壓力
線性 -準(zhǔn)靜態(tài)    -動態(tài)	有些重要	僅對于正弦實驗重要	同左	同左

表3

4.2.1 位置環(huán)+零位對正/壓力增益+零位穩(wěn)定性

對于一個位置控制環(huán)，零位對正（壓力增益）和零位穩(wěn)定性可被用來給出最惡劣工況：控制閥驅(qū)動需要保持負(fù)載靜止不動。再結(jié)合增益，就是評價所有情況下位置精確性的簡捷方法。所需的總閥驅(qū)動包含補償閥誤差或不確定性（如滯環(huán)、分辨率、溫度或供油壓力所致漂移）之所需，以及產(chǎn)生推動負(fù)載的驅(qū)動壓力之所需。

表4對采用不同閥芯控制方式：電反饋[EFB]、機械反饋[MFB]以及開環(huán)的伺服和比例閥作了一個比較。首先應(yīng)注意的是：在“典型閥芯不確定性”方面，電反饋優(yōu)于機械反饋，機械反饋優(yōu)于無反饋即開環(huán)。其次，相對于典型的“按圖加工”的比例閥零位，伺服閥經(jīng)選配的零位在各種負(fù)載變化的情況下，產(chǎn)生的誤差較小。

閥芯控制方式	最常用的	閥芯不確定性[%]					典型總閥芯不確定性	+	誤差對于最大ΔP	=	總閥驅(qū)動
	方式	滯環(huán)	分辨率	D T 55°C	D Ps 70 bar	D Pt 35 bar			% 輸入 100% D Ps		[%]
伺服閥
電反饋		0.5	0.1	2	1		2	+	3	=	5
機械反饋		3	0.5	2	2	2	3	+	3	=	6
開環(huán)		6	>>2.5	11	42	42	12	+	3	=	15
比例閥
電反饋		1	0.3	1.5			2	+	53	=	7
機械反饋		3	2				5	+	53	=	10
開環(huán)		6	>>2.5	11	42	42	12	+	53	=	17

注：

1. 典型總閥芯不確定性，有些武斷：>> 1/2滯環(huán)+分辨率+ 1/2 D T55°C + 1/2 D Ps70 

2. D Ps= 40% Ps, D Pt= 10% Pt

3. 假定一個機加工的準(zhǔn)零位具有典型的± 3%正遮掩。

表4 閥設(shè)計百分比誤差比較

 

附錄

1 伺服閥和比例閥的區(qū)別

下表列出區(qū)別所謂伺服閥和比例閥的部分特性。所列的為兩類閥所具特性的兩極，實際上，兩類閥的變種均可能具有中間地帶的特性。定義因制造商而異，也常因制造商的市場目標(biāo)不同而不同。

有些制造商用一種伺服閥，去掉其某種導(dǎo)致價格昂貴的特性而生產(chǎn)出一種比例閥；而與之相反，有些制造商用一種直接控制閥，改進其性能也生產(chǎn)出一種比例閥。這導(dǎo)致被稱為“比例閥”的閥范圍很廣。

	伺服閥	“中間地帶”	比例閥
應(yīng)用場合	-閉環(huán)	- - - - - -	-開環(huán)
價格	-較高，可能昂貴	- - - - - -	-較低
閥芯	-閥芯和閥套	- - - - - -	-閥芯和閥體
零位狀況	-軸向?qū)φ阏谘冢?/span>	- - - - - -	-正遮掩量大，最大達(dá)20％
閥芯行程	-較短	- - - - - -	-較長
動態(tài)性能	-優(yōu)良	- - - - - -	-較差
靜態(tài)性能	-優(yōu)良	- - - - - -	-較差，可能差
尺寸和重量	-多數(shù)較小	- - - - - -	-多數(shù)較大

兩極區(qū)域所列特性是選擇其中一類閥的典型原因。

作者傾向于認(rèn)為零位可清楚地將伺服閥與比例閥區(qū)分開來。

例如，穆格所制造的比例閥除了零位狀況，在所有特性方面均可與伺服閥媲美，甚至具有更好的行程-獨立動態(tài)性能。

傳統(tǒng)應(yīng)用

具有優(yōu)良動態(tài)和靜態(tài)性能的軸向?qū)φ欧y用于大多數(shù)要求很高的位置和壓力控制環(huán)。

較便宜的正遮掩比例閥優(yōu)先用于物料運輸系統(tǒng)的加速-減速控制，通常為開環(huán)，由限位或接近開關(guān)觸發(fā)產(chǎn)生斜坡電信號。

應(yīng)用的分界線常常根據(jù)哪種閥的抗污染能力更強而劃分。

附錄

2 關(guān)于閥零位重要性的解釋

2.1 位置和壓力控制環(huán)

在其歷史上，伺服閥大部分時間都用于這些場合，在零位區(qū)域控制工作油口的壓力。

在此區(qū)域，P口到工作油口到T泄漏油口之間存在一種液壓橋路關(guān)系。通過這種方式，流量控制閥可控制流量。對于一個軸向?qū)φy，所有這些發(fā)生在零位附近的±3 %行程之內(nèi)。為此，也為了獲得好的零位性能，顯然需要好的閥芯位置控制。

通過配研閥芯與閥套，并且分別研磨與閥套上相應(yīng)臺肩配合的閥芯上的4個節(jié)流臺肩，可獲得這些好的零位性能。這些臺肩磨過后，需用空氣或油測量檢查，這一工藝重復(fù)多次，直到獲得所需零位為止。這樣一個高重復(fù)精度的零位是伺服閥的一個昂貴之所在，但它使得泄漏量、工作油口壓力和壓力增益具有可重復(fù)性。

圖11.壓力曲線的變化

較低級的伺服閥采用可互換的閥芯閥套，零位壓力和流量特性波動范圍較大。若零位壓力和流量能得以補償或應(yīng)用場合允許，這些閥的工作性能也能令人接受。

只有閥芯行程較長時，才能采用這種可互換閥芯技術(shù)。

2.2 速度控制環(huán)

當(dāng)速度要求超過5％閥開度時，零位狀況不重要，可采用正遮掩控制閥。

2.3 帶死區(qū)補償?shù)恼谘?/span>

正遮掩量達(dá)20％的比例閥最早采用該項技術(shù)。通過電氣修正命令從正遮掩的一邊跳到另一邊，從而實現(xiàn)補償“跳過”死區(qū)。

該技術(shù)現(xiàn)在有時用于精度要求一般或零點附近動態(tài)要求低的位置環(huán)。

所受制約是：閥跳過死區(qū)的動態(tài)響應(yīng)和壓力特性通常“軟得象玉米糊”。

優(yōu)點之一是可以少用一個用于執(zhí)行器液壓鎖緊的輔助閥。