对于单执行机构或负载差异不大的多执行机构， 采用比例阀构建速度比例控制系统， 基本可以实现较好的速度比例控制特性。 但是对于负载差异较大的多执行机构， 单纯采用比例阀构建的速度比例控制系统， 其性能并不能满足使用要求， 原因在于， 相差较大的多个负载之间存在干涉， 导致共用油源的并联液压系统之间存在压力干涉， 从而破坏各路执行元件的速度比例控制特性。
为了解决多执行机构负载差异导致的速度控制问题， 需要对负载差异进行补偿控制。 目前常用的阀前补偿技术、 阀后补偿技术、 电气补偿技术都属于此技术路线。 下面以起重机为例， 构建基于阀芯压差反馈的起重机执行机构电液控制系统。
一、 工程起重机执行机构电液控制系统
起重机一般包括三大部分： 上车系统、 底盘系统和臂架系统。 起重机上车系统是一个基本平台， 一般布置有动力系统、 液压油源系统、驾驶操作系统、 散热系统等； 底盘系统包括行走驱动系统、 转向系统、制动系统和支腿系统等； 臂架系统是完成预定功能的主要装置， 是起重机的工作装置。
图3－15所示为汽车起重机的总体结构， 其中， 箱型伸缩臂架具有伸缩、 变幅和卷扬等功能。
对于应用最为广泛的伸缩臂起重机， 其臂架具有伸缩、 变幅和卷扬等功能， 臂架的伸缩和变幅动作由液压缸驱动， 卷扬由液压电动机驱动。 臂架工作时， 伸缩油缸驱动臂架进行伸缩、 变幅油缸驱动臂架进行变幅、 卷扬电动机驱动吊钩进行升降， 如图3－16所示。
液压缸与液压电动机的速度和方向由比例阀控制， 为了增加臂架动作的平稳性和安全性， 在液压缸和液压电动机上加装了平衡阀。
图3－15 汽车起重机的总体结构
1—副钩；2—主钩；3—主臂；4—变幅缸；5—上车操纵室；
6—回转支撑；7—转台；8—副卷扬；9—主卷扬；
10—支腿；11—底盘
图3－16 臂架工作示意图
1—主卷扬减速机；2—副卷扬减速机；3—钢丝绳；4—定滑轮组；
5—动滑轮组；6—吊钩；7—主臂；8—变幅油缸；
9—转台；10—液压电动机
在起重机工作过程中， 负载压力和油源压力都不是固定的， 对于操作手期望的油缸速度和电动机转速， 需要存在一个最佳的主控制阀开度与平衡阀开启压力相配合。 目前， 国内起重机的主控制阀普遍采用滑阀式比例方向阀进行控制， 由于比例方向阀的A、 B口由同一根阀杆控制， 故其开度是相对固定的。 油缸或电动机在驱动负载工作时存在启动和制动不平稳状况， 详细说明如下：
启动过程： 在比例阀开始打开并驱动油缸或电动机动作时， 负载的大小影响着比例阀开度的启动点， 即使比例阀本身已经打开了一个物理开口试图驱动油缸或电动机， 但由于负载的作用使比例阀并不产生流量， 此时是一个没有流量、 建立压力的过程， 如图3－17所示。
图3－17 启动过程流量
但是由于比例阀的驱动油口和回油口是由一根阀芯控制的， 二者往往同时打开物理开口， 在驱动开口建立压力的时候， 回油口已经失去了背压作用， 执行机构可能产生非预期的动作， 特别是在负负载工况， 执行机构可能产生剧烈抖动。 这种现象的本质是驱动口与回油口没有同步， 即使在比例阀的物理开口上做到了同步， 但负载的作用使驱动开口的启动点偏移了。
制动过程： 起重机臂架是大惯性负载， 制动过程的平顺性不但关系到操控性， 还关系到整车稳定性、 结构件寿命和吊装作业质量。 驱动口的开度和回油口的开度都会影响制动的平顺性， 其中， 驱动口的开度减小导致驱动力减小， 回油口的开度减小导致制动力增加， 由于二者是由一根阀芯控制的， 故二者往往同步关小物理开口， 这时驱动力和制动力同时起作用， 是不合理的。 理想的制动过程应该是首先关小驱动口并保持回油口不变， 再根据回油压力逐步关小回油口。 回油压力要有限制， 如果回油压力过高， 会导致制动腔压力冲击、 驱动腔吸空、 系统出现振动和噪声等。
现有的比例阀的开度基本不能与负载相适应， 导致臂架的伸缩、变幅与卷扬动作的平顺性和节能性不好， 动作不够精细， 这是国产起重机与国外高性能起重机在臂架控制方面的主要差距。 针对上述问题，本书提出一种新型的电液系统控制方案， 主控制阀的A、 B油口实现独立的电气控制， 提高了臂架的可控性和平顺性。
二、 起重机臂架系统的新型控制方案
起重机的主控制阀采用滑阀式比例方向多路阀组， 其液压原理如图3－18所示。
图3－18 上车多路阀液压原理
多路阀组从左到右分别控制主卷扬电动机、 副卷扬电动机、 变幅油缸、 伸缩油缸和回转电动机， 除回转电动机外， 其余执行机构均为重力负载工况， 需要在重力的一侧设置平衡阀。
根据滑阀的结构可知， 每一片阀的A、 B油口的开度都由同一根阀芯的行程决定， 不能单独进行控制， 这就导致在油缸或电动机的工作过程中平衡阀不能适时开闭， 影响执行机构的动作平顺性和节能性。
本书针对此问题提出了一种全新的电液控制方案： 采用开关阀组代替原来的比例阀组， 在开关阀组的每个A、 B口串接一个电比例节流阀， 通过合适的控制程序对电比例节流阀进行实时计算和控制， 实现A、 B油路液阻的分别控制和最优匹配。
从控制的角度看， 两个卷扬电动机的控制条件是相同的， 伸缩油缸和变幅油缸的控制条件也是相同的， 所以下面分别阐述油缸与电动机的控制结构和控制方法。
三、 起重机液压油缸的新型控制方案
1． 油缸伸长控制方案
油缸伸长的液压原理如图3－19所示。
图3－19 油缸伸长的液压原理
1，4—节流阀；2—液压缸；3—平衡阀
油缸的伸长速度V由供给压力Ps、负载力F、进口节流阻尼系数Ku和出口节流阻尼系数Kd共同决定。
当油缸伸长时， 不需要平衡阀工作。 为了防止平衡阀工作， 需要通过控制出口节流阻尼系数Kd使出口节流的压力Pd小于平衡阀的开启压力P∗，由图3－19可得：
Qu＝AuV （3－1）
Qd＝AdV （3－2）
AuPu＝F＋AdPd（3－5）
由式 （3－1） ～式 （3－5） 可得：
式中 Au——无杆腔有效面积；
Ad——有杆腔有效面积。
油缸的速度V可以通过式（3－1） 中的流量Qu来控制，流量Qu可以通过控制式（3－6） 中的进口节流阻尼系数Ku和出口节流阻尼系数Kd来控制，出口节流阻尼系数可以通过式（3－2） 和式（3－4） 求得：
因此，控制出口节流阻尼系数Kd时， 可根据油缸速度对应的操作手柄倾角Vo和压力传感器测出的油源压力Pd， 通过控制器计算出式 （3－7） 中的出口节流阻尼系数Kd， 以此控制比例阀的开度。
但是， 在油缸未动作时， 不能通过压力传感器检测出口节流压力，所以必须指定出口节流的阻尼系数Kd。如前面所述，为了不让平衡阀工作，出口节流压力Pd必须低于平衡阀的开启压力P∗，设定为Pdo，则进口节流阻尼系数由式 （3－1） 和式 （3－3） 可得：
因此， 控制进口节流阻尼系数需要与油缸速度对应的操作手柄倾角Vo、压力传感器检测的供给压力Ps、进口节流压力Pu，通过控制器计算出进口节流阻尼系数， 并以此信号控制比例阀开度。
但是油缸未伸出之前不能通过压力传感器检测进口节流压力， 所以必须指定进口节流的阻尼系数Ku，根据式（3－5），油缸开始伸出之前的进口节流压力Pu使用负载压力PL加上出口节流压力Pd与面积比之积所得的和即可， 即：
负载压力PL是进口节流阀和出口节流阀处于关闭状态时压力传感器检测出的进口节流压力，此时，压力Pd＝Pdo。
油缸未伸出之前，液压装置处于非工作状态，进口节流的压力Pu为大气压力，负载压力PL未知。此时，进口节流压力设定比实际压力稍低， 进口节流阻尼系数设定的稍小， 液压缸工作后产生负载。 因为实际进口节流压力设定值为检测到的进口节流阻尼系数， 所以对油缸的工作不会有太大影响。 以上控制过程如图3－20所示。
2． 油缸收缩控制方案
油缸的收缩速度V由供给压力Ps、负载力F、进口节流阻尼系数Kd和出口节流阻尼系数Ku共同决定。
当油缸收缩时， 为了使平衡阀打开， 需要通过控制进口节流阻尼系数Kd使进口节流的压力Pd高于平衡阀的开启压力P∗，由图3－21可得：
图3－20 油缸伸长工作简图
AuPu＝F＋AdPd（3－12）
由式 （3－1）、 式 （3－2）、 式 （3－10） ～式 （3－12） 可得：
油缸的速度V可以通过流量Qd来控制，流量Qd可以通过控制进口节流阻尼系数Kd和出口节流阻尼系数Ku来控制，进口节流阻尼系数可以通过式 （3－2） 和式 （3－10） 求得， 即
因此，控制进口节流阻尼系数Kd时，可根据油缸速度对应的操作手柄的倾角Vo与压力传感器测出的油源压力Ps和进口节流压力Pd，通过控制器计算出式（3－14） 中的进口节流阻尼系数Kd，以此控制比例阀的开度。
图3－21 油缸收缩的液压原理
1，4—节流阀；2—液压缸；3—平衡阀
但是， 在油缸未动作时， 不能通过压力传感器检测进口节流压力Pd，所以必须指定出口节流的阻尼系数Kd。如前面所述，为了让平衡阀工作，压力Pd必须高于平衡阀的开启压力P∗，设定为Pdo，则出口节流阻尼系数由式 （3－1） 和式 （3－11） 可得：
因此，控制出口节流阻尼系数Ku需要与油缸速度对应的操作手柄的倾角Vo、压力传感器检测出来的出口节流压力Pu，通过控制器计算出口节流阻尼系数Ku，并以此信号控制比例阀开度。
但是油缸未收缩之前不能通过压力传感器检测出口节流压力， 所以必须指定进口节流的阻尼系数Ku，根据式（3－12），油缸开始收缩之前的出口节流压力Pu使用负载压力PL加上进口节流压力Pd与面积比之积所得的和即可， 即：
负载压力PL是进口节流阀和出口节流阀处于关闭状态时压力传感器检测出的出口节流压力，此时，压力Pd＝Pdo。以上控制过程如图3－22所示。
图3－22 油缸缩回工作简图
四、 起重机液压电动机的新型控制方案
1． 卷扬上升控制方案
如图3－23所示，卷扬上升时转速是由供给压力Ps、负荷力矩T、进口节流阀阻尼系数Ku、出口节流阀的阻尼系数Kd共同决定的。
卷扬上升时， 为避免平衡阀工作， 必须通过调节出口节流阀的阻尼系数Kd来控制，使出口节流压力Pd低于平衡阀的开启压力P∗。
由图3－23可得：
Q＝n DM（3－16）
图3－23 卷扬上升的液压原理
1，4—节流阀；2—液压马达；3—平衡阀
PuDM＝T＋PdDM（3－19）
由式 （3－16） ～式 （3－19） 可得流量Q为
可通过式 （3－16） 控制流量来控制液压马达的转速n。
由式（3－20） 得流量Q，其可通过控制进口节流阀阻尼系数Ku以及出口节流系数Kd来控制。
由式 （3－16） 和式 （3－18） 可得出口节流阻尼系数：
因此，对于出口节流阻尼系数Kd的控制，可使用与电动机转速对应的手柄倾角no、压力传感器检测出来的压力Pd，用控制器演算出式（3－21） 中出口节流阀的阻尼系数Kd，然后使用此信号控制出口节流比例阀的开度。
但是卷扬开始上升之前出口节流压力Pd不能用传感器检测出来，必须指定出口节流阻尼系数Kd。
正如上面所述，为避免出口节流压力Pd使平衡阀工作，所以必须使压力Pd低于平衡阀的开启压力P∗。
由式 （3－16） 和式 （3－17） 可得进口节流阻尼系数：
因此，关于控制进口节流阀阻尼系数Ku，应使用与电动机转速对应的手柄倾角no、压力传感器检测出来的供给压力Ps，通过控制器演算出式（3－21） 中出口节流阀的阻尼系数Ku，使用此信号控制出口节流阀的开度。
但是卷扬开始上升之前进口节流压力Pu不能通过传感器检测出来，必须指定进口节流阻尼系数Ku。
由式 （3－19） 得：
Pu＝T／DM＋Pd
所以卷扬开始上升之前进口节流的压力Pu指定为负荷压力PL＝T／DM及出口节流的压力Pd之和较好。
上述控制过程可用卷扬上升时的控制简图3－24说明。
图3－24 卷扬上升工作简图
2． 卷扬下降控制方案
卷扬下降时的液压原理如图3－25所示。
如图3－25所示， 卷扬下降时转速由供给压力Ps、 负荷力矩T、 进口节流阀阻尼系数Ku、 出口节流阀的阻尼系数Kd共同决定。
图3－25 卷扬下降的液压原理
1，4—可调节流阀；2—卷扬液压电动机；3—平衡阀
卷扬下降时， 为使平衡阀打开， 必须通过控制进口节流阀阻尼系数Kd使进口节流压力Pd高于平衡阀的开启压力P∗∗。
由图3－26可得：
PuDM＝T＋PdDM（3－25）
由式 （3－2） ～式 （3－4） 可得流量Q为
液压电动机转速n可通过控制流量来控制。
流量Q可以通过控制进口节流阀阻尼系数Kd以及出口节流系数Ku来控制。
由式 （3－16） 和式 （3－24） 可得进口节流阻尼系数：
因此， 控制进口节流阻尼系数时， 可用与电动机转速对应的手柄倾角no、压力传感器检测出来的输入压力Ps和进口节流压力Pd，然后用控制器演算出进口节流阻尼系数Kd，通过此信号控制比例阀的开度。
但是卷扬下降之前进口节流处压力Pd不能通过传感器检测出来，必须指定进口节流阻尼系数Kd。
如前面所述，为使进口节流压力打开平衡阀，必须将压力Pd设定得高于平衡阀的开启压力P∗∗。
由式 （3－16） 和式 （3－23） 可得出口节流阻尼系数
因此，关于控制出口节流阀阻尼系数Ku时， 应使用与电动机转速对应的手柄倾角no、压力传感器检测出来的出口节流压力Pu，通过控制器演算出口节流阻尼系数Ku， 使用此信号控制比例阀的开度。
但是卷扬下降之前出口节流压力Pu不能通过传感器检测出来，必须指定出口节流阻尼系数Ku。
由式 （3－25） 可知
Pu＝T／DM＋Pd
所以卷扬开始下降之前指定出口节流的压力Pu为负荷压力PL＝T／DM加上出口节流的压力Pd。
负荷压力PL＝T／DM是进口节流阀和出口节流阀关闭，且解除液压制动器通过传感器检测出的出口节流的压力。 另外， 进口节流的压力Pd为Pdo。图3－26反映了卷扬下降时的控制简图。
图3－26 卷扬下降的工作简图
上述电液系统控制方案在国内某公司100吨起重机上装机试验， 对臂架的控制效果有显著改善。 在传统的REXROTH比例阀系统上测试变幅油缸的速度， 其曲线 （采样间隔80ms） 如图3－27所示。
可见， 负载导致比例阀的流量起点后移， 此时回油口打开， 导致油缸的速度过冲， 给定速度为15 mm／s， 而实际速度尖峰则达到25mm／s， 且存在多次速度波动， 速度平顺性不佳。
采用自制的双阀芯比例阀对进出油口进行分别控制， 并采用前面所述的控制算法， 速度过冲和速度波动现象有明显改善， 其速度曲线如图3－28所示。
可见， 在负载口独立控制后， 实际速度与给定速度的误差在10％左右， 基本消除了启动的速度过冲和启动延时， 对起重机臂架运动的平顺性有显著改善。
图3－27 传统比例阀系统上所测速度曲线
图3－28 双阀芯比例阀系统上所测速度曲线
国内现有的起重机在臂架的平顺性控制上存在缺陷， 根源在于液压系统主控制阀的A、 B油口不能独立控制， 导致与执行元件之间的匹配不合理， 不能随外负载的变化情况及时改变。 针对此问题提出了创新性的解决方案， 将传统的比例方向阀的功能分为开关方向阀和比例节流阀， 通过液压系统参数的在线监测和实时计算， 对比例节流阀的开度进行实时控制， 使液压系统的参数能够及时跟随外负载的变化，实现动态最优控制。
随着电气系统可靠性的提高和成本的降低， 全电控的高性能起重机将引领国内起重机技术的发展趋势。 后续的研究主要集中在两个方面： 加减速过程的平稳性控制和节流阀压力流量特性的精确控制。
当油缸或马达减速时，压力Pd、Pu也随之变化，所以控制器对节流阀阻尼系数的控制频率要尽量与压力的变化频率保持一致， 如果控制器的更新频率比压力的变化频率慢， 则可能导致油缸或电动机的震荡。
在所分析的节流阀的压力流量特性中， 流量与压力的平方根成正比， 但是实际流量压力特性可能并非如此， 所以实际应用时的压力流量特性需要根据试验进行修正。
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