毕业设计（论文）基于混合模型参考自适应鲁棒控制电液比例位置控制系统的计算机仿真研究.doc

苏州大学沙洲工学院学 士 学 位 论 文题 目: 基于混合模型参考自适应鲁棒控制电液比例位置控制系统的计算机仿真研究Title: A study on computational simulations for electro-hydraulic proportional position control system based on hybrid reference model adaptive robust control strategies 专 业： 机械工程及自动化毕业生姓名 ： 指 导 老 师: 教授基于混合模型参考自适应鲁棒控制电液比例位置控制系统的计算机仿真研究摘要：本论文主要介绍了自动控制的基本概念、MATLAB以及其仿真工具箱Simulink在本论文中的使用。介绍了电液比例控制技术的基本概念以及发展历程。电液比例控制技术性能介于伺服和开关之间，它具有廉价、节能、维护方便、较好的控制精度和响应特性等特点。介绍了电液比例控制技术在位置控制的研究情况。一个是从电液比例液压控制系统的设计上，另一个主要是在控制策略上的研究现状。对微机控制电液比例液压系统进行了系统的设计，如位置控制系统设计，并对微机控制系统的主要元件进行了详细的阐述。最后给出整个微机控制电液比例液压系统的仿真方案。接着是电液比例液压控制系统的建模。本论问的重点是对模型参考自适应鲁棒控制算法的推导并且进行计算机仿真。并且对各种控制算法的仿真结果进行了简单的比较和分析，得出了一些初步的结论。对以后的工作提出了一些展望和改进的建议。关键词：电液比例控制技术，控制策略，位置控制系统，建模，模型参考自适应鲁棒控制，计算机仿真。A study on computational simulations for electro-hydraulic proportional position control system based on hybrid reference model adaptive robust control strategiesAbstract: This paper introduces the basic conception of automatic control, and the use of MATLAB and simulation toolbox Simulink in this thesis, and introduces the basic conception, development course and the technique of electro-hydraulic proportional control. The function of this technique is between serve system and switch, the characteristics of it are cheap, energy-saving, easy maintenance, preferable control precision and response characteristic. It is about the study of position control in electro-hydraulic proportional control. One is the design of electro-hydraulic proportional control system, and the other is the research of control strategy. Give a systematic design to the electro-hydraulic proportional hydraulic system controlled by computer. Finally a simulation scheme of this hydraulic system is given. And the following is the model building of this system. The emphasis of the paper deduces the control algorithm of model reference adaptive robust control and put up the computational simulation. Also there are comparisons and analysis for the simulation result of various control algorithm, it gives a few primary conclusions. Finally, some expectations and suggestion in the future work are put forward.Keywords：Electro-hydraulic proportional control technique，Control strategy, Position control system, Model building, Model reference adaptive robust control, Computational simulation目 录前言.(1)第一章：绪论.(2)§1.1 自适应控制系统的基本概念和应用.(2) §1.1.1 自适应控制问题的提出.(2) §1.1.2 自适应控制的基本内容及分类.(2) §1.1.3 自适应控制的发展及应用.(2) §1.2 鲁棒控制系统的概念.(3) §1.2.1 鲁棒控制的基本概念.(3) §1.2.2 鲁棒控制的发展及应用.(4) §1.3 MATLAB 的简单介绍(5)§1.3.1 MATLAB 的基本功能(5)§1.3.2 动态系统建模和仿真软件包Simulink.(5)§1.3.3 S函数(SystemFunction)的工作原理简介(6) §1.4 本章小结.(9)第二章：电液比例技术发展概述(10) §2.1 电液比例技术基本概念.(10)§2.2 电液比例技术发展概况(11)§2.3 电液比例控制系统的工作原理及组成.(12)§2.3.1 液压开关控制与比例控制比较.(12)§2.3.2 电液比例系统的组成.(14)§2.4 电液比例系统的分类. .(16)§2.5 电液比例控制的特点及应用.(16)§2.6 电液比例位置控制系统.(18) §2.6.1 电液比例减速定位位置控制.(18) §2.6.2 电液比例闭环位置控制系统.(18) §2.6.3 电液比例位置控制系统国内外研究状况.(19)§2.7 本课题的研究意义、研究内容、研究目标、研究难点与创新之处.(20) §2.7.1 课题的研究意义.(20) §2.7.2 课题的主要研究内容.(20)§2.7.3 本课题的研究目标.(21) §2.7.4 本课题的主要难点.(21) §2.7.5 本课题的创新之处.(21)§2.8本章小结.(21)第三章：电液比例液压控制系统设计及原理(22)§3.1 电液比例液压控制系统(22)§3.2 微机控制系统设计.(25)§3.3 位置控制系统设计.(27)§3.4 对控制系统的要求.(27)§3.5 本章小结.(28)第四章：电液比例液压控制系统理论建模分析和仿真(29)§4.1 微机控制电液比例液压控制系统数学模型建立(29) §4.1.1 数字控制器环节.(29) §4.1.2 比例放大器环节.(29) §4.1.3 电液比例方向流量阀环节.(29) §4.1.4 阀控缸负载环节.(33) §4.1.5 反馈环节.(42) §4.1.6 总的数学模型及传递函数.(42) §4.2 微机控制电液比例液压控制系统仿真分析(43)第五章：电液比例液压控制系统控制策略研究、仿真和实验分析.(46) §5.1 电液比例液压控制系统的增量式PID控制研究(47) §5.2 电液比例液压控制系统的混合自适应控制研究(49)§5.2.1 自适应控制原理.(49)§5.2.2 混合模型参考自适应原理.(51)§5.2.3 混合模型参考自适应控制方法对电液比例液压系统位置控制的实验研究.(51)§5.3 电液比例液压控制系统的鲁棒控制研究(57) §5.3.1 控制原理的描述.(59) §5.3.2 鲁棒跟踪控制器的设计.(60)§5.4 电液比例液压控制系统的自适应鲁棒控制(63)§5.5 电液比例液压控制系统各种仿真结果实验分析(63)§5.5.1 仿真的准备工作.(63)§5.5.2 系统仿真.(64) §5.5.3 仿真结果及分析.(65)§5.6 本章小结、不足及改进.(66)结论(67)参考文献.(68)致谢.(72)附录.(73)附： 撰写发表论文基于混合模型参考自适应鲁棒控制电液比例位置控制系统的计算机仿真研究 （中文版）A study on computational simulations for electro-hydraulic proportional position control system based on hybrid reference model adaptive robust control strategies (English version)前 言随着现代化工业的不断发展和进步，对现代控制系统提出了更高的要求。但是由于控制对象的不确定性，数学模型的参数和变化规律随着工作环境的改变而变化。因此人们提出了各种各样的控制方法来满足不同的控制系统的工作要求。如PID控制、自适应控制、鲁棒控制、鲁棒自适应控制。根据不同的系统，我们可以选用不同的控制方法。PID是一种比较传统的控制策略，它控制简单，易于调节，对于一般的要求，可以采用。从某种意义上说，鲁棒控制是一种保守的控制方法，它是以牺牲系统的控制精度，力图增强系统的抗干扰能力，达到提高系统稳定性之目的。而自适应控制是一种激进的控制方法，它可以解决一个完全未知或部分未知的系统的控制问题，而且在外界环境变化及被控系统自身参数变化的情况下，使被控系统渐进一致的跟踪参考模型，满足所希望的控制要求。但是由于外界环境激烈变化及强干扰、建模时不可避免存在的误差，所以自适应控制还存在着进一步提高鲁棒性的问题。因此，如何有机的结合鲁棒控制和自适应控制的思想，是目前亟待解决的研究课题。本文就是针对电液比例液压控制系统的控制要求，提出使用模型参考自适应鲁棒控制来满足系统的控制要求。使用MATLAB中的S-函数对它的控制算法进行编程，并且使用系统仿真工具箱Simulink对建立的实际模型进行仿真。寻求最佳的控制曲线，达到控制要求。同时也对各种控制算法的结果进行了简单的比较，使我们对它们有一个感性的认识。第一章 绪 论§1.1自适应控制系统的基本概念和应用§1. 1. 1 自适应控制问题的提出很多控制对象的数学模型随工作环境的改变而变化，其变化规律事先往往不知道。如导弹的飞行速度和高度的变化范围很大，因此导弹的数学模型参数可在很大的范围内变化。除了环境以外，控制对象本身也可以影响数学模型的参数。如导弹飞行过程中消耗燃料而引起的重量和质心的变化，影响了数学模型的参数。当数学模型的参数变化不大，可以用一般的反馈控制、最优控制等方法来消除或减小参数变化对控制品质的有害影响。如果参数的变化范围很大，上面的这些方法就不能很好的解决问题。所以为了解决参数变化范围大时，系统仍能自动地工作于最优或接近于最优的状态，就提出了自适应问题。自适应控制可以简单的的定义如下：在系统的工作过程中，系统本身能不断的检测系统参数或运行指标，根据参数的变化或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，使系统工作于最优或接近于最优的工作状态。自适应控制也是一种反馈控制，但他不是一般的系统状态反馈或系统输出反馈，而是一种比较复杂的反馈控制。自适应控制系统很复杂，即使对于线性定常的控制对象，其自适应控制亦是线性时变反馈控制系统，所以设计自适应控制比一般的反馈控制要复杂的多。§1. 1. 2 自适应控制的基本内容及分类自适应控制的种类很多，大致可以分为三类：自校正控制、模型参考自适应控制和其他类型的自适应控制。本论文主要介绍的是模型参考自适应控制，就是在在系统中设置一个动态品质优良的参考模型，在系统运行过程中，要求被空对象的动态特性与参考模型的动态特性一致，比如状态一直或输出一致。关于模型参考自适应控制，将在后面的章节有详细介绍。§1. 1 .3 自适应控制的发展及应用在五十年代末，由于飞行控制的需要，美国马省理工学院(MIT)怀特克(Whitaker)教授首先提出飞机驾驶仪的模型参考自适应控制方案，称为MIT方案。该方案中采用局部参数优化理论设计自适应控制规律，这一方案没有得到实际应用。用这一方案还需检验其稳定性，因此限制了其使用。在1966年德过学者帕克斯(P.C.Parks)提出采用立雅普诺夫(A.M.Liapunov)第二法来推导其自适应算法，以保证自适应系统全局渐进稳定。在用被控对象的输入输出构成自适应规律时，在自适应规律中包含输入输出的各阶导数，这就降低了自适应对于干扰的抑制能力。为了避免这一缺点，印度学者纳朗特兰(K.S.Narendra)和其他学者提出各自不同的方案。罗马尼亚学者波波夫(V.M.Popov)在1963年提出超稳定性理论，法国学者兰道(I.D.Landau)把超稳定性理论应用到模型参考自适应控制中，应此理论设计的模型参考自适应系统是全局渐进稳定的。自校正调节器是在1973年有瑞典学者阿斯特罗姆(K.J.Astrorm)和威特马克(B.Wittenmatk)首先提出来的。1975年克拉克(D.J.Clark)等提出自校正控制器。1979年威尔斯特德(P.E.Wellstead)和阿斯特罗姆提出极点配置自校正调节器和伺服系统的设计方案。自适应控制经过30多年的发展，无论在理论上还是在应用上都取得了很大的进展。近十多年来，由于计算机的迅速发展，特别是微处理机的广泛普及，为自适应控制的实际应用创造了有利的条件。自适应控制在飞行控制（如导弹、飞机、航天航空等）、卫星跟踪望远镜的控制、大型油轮的控制、电力拖动、造纸和水泥配料等方面的控制中的到应用。利用自适应控制可以解决一些常规的反馈控制所不能解决的复杂的控制问题，能够大幅度的提高系统的稳定精度和跟踪精度。§1.2 鲁棒控制系统的基本概念及发展应用§1. 2. 1 鲁棒控制的基本概念鲁棒问题是控制系统中的一个具有普遍性的问题。控制系统中的鲁棒性是指系统中存在不确定因素时，系统仍能保持正常工作的一种属性。当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。鲁棒控制（Robust Control）方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外科研人员的研究课题。鲁棒控制的早期研究，主要针对单变量系统（SISO）的在微小摄动下的不确定性，具有代表性的是Zames提出的微分灵敏度分析。然而，实际工业过程中故障导致系统中参数的变化，这种变化是有界摄动而不是无穷小摄动。因此产生了以讨论参数在有界摄动下系统性能保持和控制为内容的现代鲁棒控制。现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型，但需要一些离线辨识。一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。常用的设计方法有：INA方法，同时镇定，完整性控制器设计，鲁棒控制，鲁棒PID控制以及鲁棒极点配置，鲁棒观测器等。鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。过程控制应用中，某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且（1）不确定因素变化范围大；（2）稳定裕度小的对象。§1. 2. 2 鲁棒控制的发展控制系统的鲁棒性研究是现代控制理论研究中一个非常活跃的领域,鲁棒控制问题最早出现在上个世纪人们对于微分方程的研究中。Black首先在他的1927年的一项专利上应用了鲁棒控制。但是什么叫做鲁棒性呢？其实这个名字是一个音译，其英文拼写为Robust。也就是健壮和强壮的意思。控制专家用这个名字来表示当一个控制系统中的参数发生摄动时系统能否保持正常工作的一种特性或属性。就象人在受到外界病菌的感染后，是否能够通过自身的免疫系统恢复健康一样。20世纪六七十年代，状态空间的结构理论的形成是现代控制理论的一个重要突破。状态空间的结构理论包括能控性、能观性、反馈镇定和输入输出模型的状态空间实现理论，它连同最优控制理论和卡尔曼滤波理论一起，使现代控制理论形成了严谨完整的理论体系，并且在宇航和机器人控制等应用领域取得了惊人的成就。但是这些理论要求系统的模型必须是已知的，而大多实际的工程系统都运行在变化的环境中，要获得精确的数学模型是不可能的。因此很多理论在实际的应用中并没有得到很好的效果。到了1972年，鲁棒控制这个术语在文献中首先被提出，但是对于它的精确定义至今还没有一致的说法。其主要分歧就在于对于摄动的定义上面，摄动分很多种，是否每种摄动都要包括在鲁棒性研究中呢？尽管存在分歧，但是鲁棒性的研究没有受到阻碍，其发展的势头有增无减。鲁棒控制理论发展到今天，已经形成了很多引人注目的理论。其中 控制理论是目前解决鲁棒性问题最为成功且较完善的理论体系。Zames在1981年首次提出了这一著名理论，他考虑了对于一个单输入单输出系统的控制系统，设计一个控制器，使系统对于扰动的反映最小。在他提出这一理论之后的20年里，许多学者发展了这一理论，使其有了更加广泛的应用。当前这一理论的研究热点是在非线形系统中控制问题。另外还有一些关于鲁棒控制的理论如结构异值理论和区间理论等。鲁棒控制理论的应用不仅仅用在工业控制中，它被广泛运用在经济控制、社会管理等很多领域。随着人们对于控制效果要求的不断提高，系统的鲁棒性会越来越多地被人们所重视，从而使这一理论得到更快的发展§1.3 MATLAB 的简单介绍§1. 3. 1 MATLAB 的基本功能MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图象处理等学科的处理功能于一体，具有极高的编程效率。MATLAB是一个高度集成的系统，MATLAB提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或者两者的混合时间域里进行建模，它同样支持具有多种采样速率的系统。在过去几年里，Simulink已经成为教学和工业应用中对动态系统进行建模时用的最为广泛的软件包。MATLAB最吸引人的地方是它强大的矩阵运算能力，它的名称也是根据这一点Matrix Laboratory。而如果用C或FORTRAN来实现 ，那是非常复杂的。同以上的语言相比，MATLAB不但在数学语言的表达与解释方面表现出人机交互的高度一致，而且具有作为优秀高技术计算环境所不可缺少的如下特征：（1） 高质量、高可靠的数值计算能力；（2） 基于向量、矩阵和数组的高级程序设计语言；（3） 高级图形和可视化数据处理能力；（4） 广泛解决各学科专业领域内复杂问题的能力；（5） 拥有一个强大的动态系统仿真建模工具箱Simulink（6） 支持科学和工程计算标准的开放式、可扩充结构；（7） 跨平台兼容。§1. 3. 2 动态系统建模和仿真软件包SimulinkSimulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，它的一个很大的优点是为用户省去了许多重复的代码编写工作，用户不必一步步的从底层开始编写。而且它还支持图形用户界面，比MATLAB传统的命令行方式要亲切的多。Simulink为用户提供了许多内置库模块，它们是放在库中的。在在仿真过程中，我们所要做的工作就是从库模块中选择相应的模块，放入模型窗口，然后再把模块的输入输出端口按一定的顺序连接起来，设置相应的参数，就可以在计算机上实现仿真了。具体的操作可以阅读相应的参考书。以下是一个用Simulink中的模块构造的简单的例子：.§1. 3. 2 S函数(SystemFunction)的工作原理简介S函数是动态系统的计算机语言描述，在MATLAB里，用户可以选择用MATLAB语言还是C语言来编写S函数。S函数函数采用一种特殊的调用语法，使函数和Simulink方程解法器进行交互，这种交互与在解法器和Simulink之间发生的交互十分类试。S函数的形式十分通用，它能够支持连续系统、离散系统和混合系统，可以说几乎所有的Simulink模型都可以用S函数来描述。下面是Simulink S函数仿真流程图1-1在调用模型中的S-函数时，Simulink会调用用户定义S-函数方法(S-function routines),来实现每个仿真阶段要完成的任务。这些任务包括：（1）初始化阶段。它是仿真进行的第一步，先于第一个仿真循环，它初始化S-函数，在这个阶段，Simulink完成下面的工作： 初始化Simstruct包含S-函数信息的数据结构； 确定输入、输出端口的数目和大小； 确定模块的采样时间； 分配内存和Sizes数组。（2） 计算下一个采样点的时间。如果模型使用变步长解法器，那么就需要在当前仿真步确定下一个采样点的时刻，也即下一个仿真步的大小。（3） 计算当前主仿真步的输出。在这个调用完成之后，模块的的所有输出端口都对当前的仿真步有效，也即是说只有在一个模块的输出被更新之后，它才能作为其他模块的有效输入，去影响那些模块的行为。（4） 更新模块当前主时间步的离散状态。在这个仿真阶段中，所有的模块都要进行每个时间步一次的活动为当前时间的仿真循环更新离散状态。（5） 积分。这个阶段只有模块具有连续状态或者非采样过零点时，才会存在。如果它是S-函数，那么Simulink按最小时间步来调用S-函数的输出和微分S-函数方法。如果S-函数具有非采样过零点，（只有C-MEX）函数才有可能存在这样的情况），类似的，Simulink按照最小时间步来调用S-函数的输出和过零点部分，以便Simulink确定过零点的位置。对于M文件S-函数，Simulink通过传递一个flag参量给S-函数，告诉S-函数当前所处的仿真阶段，以便执行相应的子函数。于是，在写M文件S-函数，用图1-1 仿真执行流程图计算下一个采样点的时间（只对变采样速率模块适用）计算主时间步模块的输出更新主时间的离散状态在结束时完成特定任务计算微分 计算输出 计算微分 定位过零点仿真循环计算微分计算输出计算微分定位过零点初始化模型在结束时完成特定任务 积分（微时间步）户只需用MATLAB语言为每个flag对应的S-函数方法来编写代码即可。表1-1列出了仿真各个阶段对应的S-函数方法和M文件S-函数中与它们相应的flag值。表1-2是M文件S-函数可用的S-函数方法。表1-3表示了初始化Sizes字段的意义。表1-1 各个仿真阶段对应的方法 仿真阶段S-函数方法flag(M文件S-函数) 初始化 mdlInitializeSizes 0 下一个采样点的计算mdlGetTimeOfNextVarHit 4 输出值的计算 mdlOutputs 3 更新离散状态 mdlUpdate 2 微分的计算 mdlDerivatives 1 仿真任务的结束 mdlTerminate 9表1-2 M文件S-函数方法S-函数方法 说 明mdlInitializeSizes定义S-函数模块的基本特征，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和Sizes数组mdlGetTimeOfNextVarHit计算连续状态变量的微分mdlOutputs更新离散状态、采样时间和主时间步的要求mdlUpdate计算S-函数的输出mdlDerivatives计算下一个采样点的绝对时间，这个方法仅仅是在用户在mdlInitializeSizes说明了一个可变的离散采样时间mdlTerminate实现仿真任务必须的结束表1-3 Sizes各字段的意义 字 段 名 说 明 sizes.NumContStates连续状态的个数（状态向量连续部分的宽度） sizes.NumDiscStates离散状态的个数（状态向量离散部分的宽度） sizes.NumOutputs输出的数目个数（输出向量的宽度） sizes.NumInputs输入的数目个数（输入向量的宽度） sizes.DirFeedthrough有无直接馈入 sizes.NumSampleTimes采样时间的个数§1.4 本章小结本章主要介绍了自适应控制和鲁棒控制的基本概念以及一些发展的历史和应用。并对MATLAB的基本知识作了一个简单的介绍，其动态建模与仿真工具箱Simulink和S-函数的使用，也简单的给予介绍。这些是为下面的工作做准备的，因为所要研究的对象就是电液比例液压控制系统的基于Matlab-Simulink自适应鲁棒控制的计算机仿真，以上就是本论文研究中主要涉及的内容。第二章： 电液比例技术发展及概述摘要 本章介绍了电液比例控制技术的基本概念以及发展历程。由于电液比例控制技术性能介于伺服和开关之间。它具有廉价、节能、维护方便、较好的控制精度和响应特性等特点。阐述了该技术出现的必然性及在工业应用的优势。以大量的篇幅介绍了电液比例控制技术在位置控制的研究情况。一个是从电液比例液压控制系统的设计上，另一个主要是在控制策略上的研究现状。最后，作者提出了本课题的研究意义、研究内容及创新。关键词 电液比例技术，位置控制，液压系统§2.1 电液比例技术基本概念1,2,3在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制，都可以被称为电液比例控制系统。例如数字控制系统、脉宽调节（PWM）控制系统以及一般意义上的电液比例控制系统。从广义上讲，在应用液压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中，凡是系统的输出量，如压力、流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成比例地得到控制的，都可称为比例控制系统。虽然比例控制与伺服控制都可以用于开环和闭环系统。但就目前来说，前者主要用于开环控制，而后者主要用于闭环控制。理解伺服装置与比例控制装置的差别是有意义的。伺服控制装置总是带有内反馈，任何检测到的误差都会引起系统状态改变，而这种改变正是强迫这个误差为零。误差为零时伺服系统会处于平衡状态，直到新的误差被检测出来。比例控制装置是一种有确定增益的转换器。例如，比例阀可以把一个线性运动（手动或电磁铁驱动）转换成比例的油流量或压力，转换常数取决于阀的几何尺寸及它的制造精度。闭环比例阀也可以用于外部反馈闭环系统。在伺服控制系统中，平衡状态控制信号（误差）理论上为零，而比例控制系统却永远不会为零。电液伺服系统是较早主要在军事工程领域发展起来的电液控制技术，而电液比例控制技术，是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、制造维修费用高等，而它提供的快速性在一般工业设备中又往往用不着的情况，在近30年迅速发展起来介于普通控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支。在比例控制系统中，主控制元件可以有无限种状态，分别对应于受控对象的无限种运动。与比例控制对应的还有开关控制。由于开关控制中控制元件只有两种状态，即开启或关闭。因此要实现高质量的复杂控制时，必须有足够大量的元件，把各个元件调整成某一特殊的状态。必要时选通这一元件，从而实现使受控对象按预定的顺序和要求动作。比例控制和开关控制都可以是手动或按程序自动进行。不同的是在比例控制中，比例元件根据接受到的控制信号，自动转换状态，因而使系统大为简化。在工程实际应用中，由于大多数被控对象仅需要有限的几种状态。因而开关控制也有可取之处。开关元件通常简单可靠，不存在系统不稳定的情况。§2.2 电液比例技术发展概况17世纪帕斯卡提出著名的帕斯卡定律，奠定了液压传动的理论基础。流体传动已经历了很长的发展历史，然而，作为现代电液控制技术的发展却只需追溯到二次大战时期。当时出于军事需要，对武器和飞行器的自动控制系统的研究已取得了很大的进展。战争后期，喷气技术取得了突破性进展。由于喷气式飞行器速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度、功率和重量都提出了更高的要求。工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。1940年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机拖动，伺服电机惯量很大，成了限制系统动态特性的主要环节。直到50年代初才出现了高速响应的永磁式力矩马达。50年代后期又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快，控制精度最高的伺服系统。1958年美国学者勃莱克布恩等公布了他们在麻省理工学院的研究工作，为现代电液伺服系统的理论和实践奠定了基础。60年代各种结构的电液伺服阀相继问世，特别是以摩格为代表的采用干式力矩马达和级间力反馈的电液伺服阀的出现和各类电反馈技术的应用，进一步提高了电液伺服阀的性能，电液伺服技术业已成熟。电液伺服系统已逐渐成为武器和航空、航天自动控制以及一部分民用工业设备自动控制的重要组成部分。60年代后期由于人们对各类工艺过程进行了深入研究，对其精确数学模型有了比较深入的了解，因而对工艺过程控制提出了更高的要求。现代电子技术特别是微电子集成技术和计算机技术的发展，为工程控制系统提供了充分而且廉价的现代化电子装置。于是，各类民用工程对电液控制技术的需求就显得更加迫切和广泛4。但人们很快发现，由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失（阀压降）较大。使伺服技术难以为更广泛的工业应用所接受。在很多工业场合，要求有一般的高质量的控制手段，却并不要求太高的控制精度或响应性。现代工业的迅猛发展，要求开发一种廉价、节能、维护方便、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。这些为电液比例技术的发展提供了有利的条件。自60年代以来，为降低比例技术成本。一方面是在高性能的伺服阀的基础上发展了工业伺服技术。其特点是适当简化伺服阀的结构，降低它的制造精度，增大电机械转换器的输出功率水平和改善阀的抗污染性能。这虽然降低了制造成本，但因其结构复杂，价格仍然十分可观，