（机械电子工程专业论文）基于流量放大原理和电反馈原理的比例阀研究(1).pdf

全文摘要 本论文分析了目前常用比例阀的类型、功能、特性，并 针对其不足提出新的改进方案，即：以流量放大，电反馈两个 原理为基础，通过对流量闭环控制及压力流量复合的计算分 析、确定卜最小控制压差及流量控制范围，确定主阀结构、功 能特性研究等，提出了“流量负载压力变化位移修正” 的控制原理和压力流量双闭环控制原理，并进一步论述了利用 一个比例控制器和一个“电一机械转换器”就可完成独立的压 力或流量控制功能以及流量压力复合控制功能。 文章还在对瑞典v a l v i s t o r 阔的插装比例阀研究的基础 上，提出了一种新的流量控制原理，即；通过对流量控制和“液 压晶体管”原理的分析、流量控制特性及阀内腔主要结构件的 设计计算，在主阀和导阀之间增设先导减压阀，并进一步对 v a l v i s t o r 阀的流量控制阀之无压力补偿先导减压阀、加入压 差补偿减压阀后的控制特性进行了仿真计算和负载特性仿真 计算，结果表明：增设压力补偿先导增压阀后，其控制特性曲 线变得非常线性，从而消除了液压系统负载压力变化对主阀输 出流量的影响。 关键词：流量放大，电反馈，复合控制 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h et y p e ，f u n c t i o na n dc h a r a e t e r t s t i c so fu s u a lp r o p o r t i o n a lc o n t r o l v a l v e sa n dr a i s e san e wm o d i f i e a t i v ev e r s i o ni nt h e g 址o ft h e i rd r a w b a c k t h a ti s , b a s i n g0 nt h ep r i n c i p l eo ff l o wa m p l i f i c m i o na n de l e c t r i c a lf e e d b a c ka n dt h r o u g h o u t c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s f l o wc l o s e dl o o pc o n t r o la n dp r e s s u r ef l o wc o m b i n a t m n + d e t e r m i n a t i o no f t h em m i n l u l nc o n t r o l l e dd m s u r ed f f c r e r k ：ea sw e l la sf l o wc o n t r o l l i n g r a n g ea n ds t r u c t t m so f m a i nv a l v ea n dr e s e 口c ho ft h ed y n a m i cm a ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dc o n t r o lp r i n c i p l eo f ”f l o w - l o a dp r e s s u mc h a n g e - d i s p l a e e m e n t r e v i s i o n ”a n dp r e s s u r e t l o wd o u b l ec l o s e dl o o p a n df l d x 吐2 e re x p o u n d st h a tu s i n ga p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e ra n dae l a c t r i cm e c h a n i c a ln 旨n s c h c e fc a ns e p a r a t e l ys e r v et h e c o n t r o lf u n c t i o no f p r e s s u r eo ff l o wa sw e l l f l o wp r e s s u r ec o m b i n a t i o n t h r o u g hr e s e a r c h i n gp r o p o r t i o n a lc a r t r i d g ev a l v eo fv a l v i s t o rv a l v em a d ei ns w e d e n ， t h ep a p e rr a i s e san e wp r m c i p l eo r lf l o wc o n t r 0 1 t h a ti s , t h r o u g ha n a l y s i so ft h e p r i n c i p l e0 1 1f l o wc o n t r o la n d ”h y d r a u l i ct r a n s i s t o r ”，d e s i g na n dc a l c u l a t i o no ff l o w c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ca sw e l la sm a i np a r t si nv a l v el n l rc h a m b e r , ap i l o t e dr a d u c i n s v a l v ew i l lb ei n s t a l l e db d 砷w 煳m a i nv a l v ea n dp i l o tv a l v e a f t e rap r e s s u r e - d i f f e r e n c e e o m p e n s a 磕a gr e d u c i n gv a l v ew a sa d d e d 抽t h en o n - p r e s s u r ec o m p e n s a t i n gp i l o t e d r e d u c i n gv a l v eo ft h ef l o wc o n t r o lv a l v ei nv l a l v i s t o rv a l v e ，t h ec a l c u l a t i o no i lc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i ce l l l u l a t i o r la n dl o a dc h a r a c t e r i s t i ce m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tt h e r e s u l to ft h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a ta f t e rp r e s s u r ec o m p e n s a t i n gr e d u c i n gv a l v ew a s a d d e d , t h el m e a r i t yo ft h ec o n t r o lc h a l a c t c r i s t i c sh a sb e e ng r e a t l yu n p r o v e dt h u s e l i m i n a t m gi n f l u e n c eu p o no u t l e tf l o wb yl o a dp r e s s u r e c h a n g eo f t h eh y d n m l i cs y s t e m a n di m p r o v i n gp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh y d r a u l i cc o m p o n a n t k e yw o r d ：f l o wa m p l i f i c a t i o n ，e l e c t r i c a lf e e d b a c k , c o m b i n a t i o nc o n t r o l 主要符号表 符号意义符号 意义 k d i电流比例增益w v 主阀的面积增益 k e功率驱动电路增益u q s 设定信号 l d比例电磁铁线圈等效动态电感q y 通过先导流量 r比例电磁铁线圈电阻q cj 捌，反趺镯镕辞荀瞪过的 漩 ( 包括供电电源等效电阻)q r 流 赫欹觥勋绷 黼 k v比例电磁铁线圈电压 i比例电磁铁线圈电流 k i f 电流力增益 c h液容 v容腔体积 e系统的油液体积弹性模量 a ( x ) 节流口的开口面积 p 节流口两端的压差 m与节流口开头有关的指数 c d流量系数 c d m a x 紊流 q v o 通过阀的流景基准值 f ( ao ( ) 脚层流 q v实际通过阀的流量 q 蜘剩耀野鼬曼瓶r 字i 生 燃 a a0 0 需要的改变面积量 a0 ( ) 阀郑蒲胡硐| x 初跬鹾犏踅酬之后为澎绋捅量 黼变委柏翁凇 x 对应基准流量的初始设定 位移 流过主阀流量 供给负载流量 主阀液动力 主阀阀芯直径 阀心和阀套配合长度 阀芯锥度 反馈弹簧的刚度 初选钢丝直径 选定弹簧外径 节距 弹簧单圈刚度 有效圈数 总圈数 自由高度 压并高度 卫魑髓 应力 旺啦乳全j l 2 p d d t 时n n 肪m n 基于流量放大原理和电反馈原理的比例阀研究 第一章绪论 1 1 引言 40 年代出现的电液伺服技术，促进了液压技术的向前发展。但 是电液伺服阀由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻制造成本和维 护费崩比较高，系统能耗较大等不足，难以为普通工_ e 用户所接受。面 传统的开关型控制系统又不能满足高质量液压主机的要求，因此人们 希望开发一种价廉、可靠、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，这也可以说是7 0 年代初以来电液比例技 术得以迅速发展的背景。如令，作为连接现代微电予技术，计算机控 制技术和大功率丁程控制设备之间的桥梁，这一技术已在丁业领域获 得广泛应用，正如一些权威人上指出的那样，代表着流体控制技术的 发展方向【1 , 2 1 。电液比例阀立u 同电子技术中的晶体三极管、二极管一样， 是这一技术的组成核心。所以为研制性能优良、结构简单、成本低廉、 能同时为牛产厂家和用j t 欢迎的电渡比例阀提供理论和设计依据，为 推动整个液压技术领域的向自f 发展就具有重要的理论意义和实用价 值。目前常h j 的比例嘲可归纳为以下几种形式。 1 2 比例压力控制闷研究工作综述 1 967 年瑞士布林格尔公司生产的n 比例方向节流阀用于船 太原埋工大学硕士学位论文 体表面除锈涂漆工艺，出现了毗界上最早的比例阀p j 。l9 71 年和 19 72 年日本油研公司相继申请r 比例压力阀和比例流量阀的专利 1 4 】，引起了许多围家及公司的广泛重视，推动了比例技术的发展。返 期间出现的比例压力阀( 溢流阀、减j 玉阀) 基本上是以传统手调液压 阀为基础发展而米，区别仪是用比例电磁铁取代，阈上原有的弹簧手 调机构，阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，小流量阀采用直接 作用式结构，大流量阀仍采用，19 36 年美国人哈雷维克斯 ( h a r r y v i c k e r s ) 发明的“差动式压力控制原理”垆蚓。冈一i 包含受控 参数的反馈闭环，摔制压力随着负载流量不同而改变是这种阀的主要 弱点，且因比例电磁铁性能较差，这种阀工作频率低( 仅有1 5 h z ) ， 稳态磁环较大( 4 7 ) ，体积也大，所以多用在开环系统f j 80 年代初，我国浙江大学的路甬 教授提出了压力直接检测原 理8 1 ，他设计的应用这一原理的比例溢流阀还获得了德国发明专利一j 。 按此原理，国内外研制的比例溢流阀、减压阀、手调型溢流阀和减压 阀的性能都获得了显著得提高，实现r 人们长期以来所追求的等压力 特性【1 “”j 是第代比例压力阀。 进入80 年代中期，比例压力控制技术的又一进展是出现了被控 压力一压力传感器检测，电器闭环校正的新一代阀，采用这种原理可 将电一机械转换器的非线性和先导阀的非线性扰动都包括在闭环之 内，因而可实现无静差控制，同时利用电器校正也可以很方便的改变 阀的稳定性和快速性。文献【1 5 1 7 】介绍的采用力矩马达驱动单喷嘴挡 板阀作先导级的压力直接电检测型比例溢流阀和减压阀，其稳态特性 达到了几乎完美的程度。油研公司同期推出的这种比例溢流阀更将电 控器、测量放大器、烁力传感器与阀集成为一体，阀上还带有压力数 字显示及报警装置| 1 7 馆墙i 。同时国内浙江大学也研制成功了采用这 一原理和p i d 技术的三通型比例压力阀，获得j ，同样效果1 1 。近年来 围外为完善这一技术，还发展了将a d 、d a 转换器、测最放大器与 检测单元集成为一体的压力传感器，降低了生产成本、提高了可靠性 1 太原理工大学硕士学位论文 和精度f 2 ，可以说这一技术将成为比例压力控制的主要手段。 在模拟比例元件发展的同时，数字式的比例控制阀也获得_ ：r 蓬勃 的发展。由步进电机驱动的增量式数字压力阀和用开关电磁铁操纵的 高速开关型数字压力阎都已达到了实用阶段讲】。同模拟式阂相比， 数字阀的优点是更抗污染，开环控制精度高，无须数模、模数转换器 就拧直接与计算机接口连接，不足之处是受控制功率的限制，系统频 宽较底，便应用受到了限制。 此外日本油研公司开发的一种带溢流阀的比例减压阀具有三通结 构，当油液从减压阀的：次压力口流人时，其回油口自动开启，阔就 起溢流阀的功能盼“2 ”，可避免动力、弹性等负载造成的压力冲击。 浙江大学的液压研究所开发的插装形三通比例减压阀也具有上述功 能，并可保证阀在无负载流连时的控制性能和双向通油的能力，完善 了压力撺制功能陋2 9 o 为改善压力阀的性能，国内外的科学工作者做了大量的研究工作。 受检测条件的限制，早期的研究工作多是应用经典的控制理论方法对 阀的静动态性能从理论 ：作出解析，为陵汁提供了一定的理论依据 姐引，3 2 3 ”。近几年随着计算机和测试技术的发展使人们能采用数字仿 真及试验测试的方法对压力阀的机理作进一步的揭示。其中最值得提 及的有：1 德国阿亨工大的d w 曲b m 在l9 78 年完成的题为“特 别考虑到液动力时先导溢流的静态和动态性能”的博_ ：论文中p ”， 对传统的先导溢流阀的静动态性能做r 大量的试验和数字仿真研究， 并着重研究了液动力问题。2 阿亨工大的h l z i r a m c h m a n 在其1 9 8 4 年完成的题为“先导式液压阀静动态性能的研究”博士论文中对多种 形式减压阀的静动态性能进行了全面的仿真和试验研究，并首次研究 了压力直接电检测的比例减压阀f 3 ”。3 阿亨工大的f z c h n e r 于 1 9 8 7 年完成了题为“采用压力直接机械检测与电检测的先导压力阀” 的博士论文【3 ”，重点研究r 直接检测的比例压力阀，并特别研究了采 用直接电检测的比例溢流阀。4 我国浙江大学的郁锣i 正在其博士论文 3 太原理t 大学硕士学位论文 工作中分别研究了采j _ = | 系统压力直接检测和主阀芯速度反馈的比例溢 流阀和减压阀，并提出了采用主阀的三通结构来改善比例减压阀在无 负载时的控制性能 3 7 1 。此外国内吴良宝、田树军等人对待先导油量恒 定器的减压阀，和多利t 先导级结构的直接检测型溢流阀进行了仿真和 实验研究陋3 9 】，文献【4 0 、4 1 】分别从阻尼网络及振动理论方面对溢流 阀噪声产生的机理及消除等方而作了理论分析和实验研究工作，取得 了一定的效果。文献【4 2 就先导式锥阀的液动力进行了分布参数及可视 化研究，给出了锥阀芯表面压力场的分布规律。文献【4 3 】提出在主阀芯 上丌不同的圆形槽的方法改善了先导式溢流阅的压力流量特性。文献 f 4 4 1 研究_ ：r 在滑阀卜开槽的方式来消除滑阀的稳态液动力并用这种方 法设计了单级的打流量溢流阀，取得了双级控制同样的效果。文献 4 4 、 4 5 分别对采用导向柱塞的单级溢流阀和带液动力补偿凸台的直动型 锥阀进行r 研究。 在对已开发使用的压力阀性能进行大量分析和描述性研究的同 时，不少人致力于从结构原理上对阀进行改进。这方面有： 1 1982 年3 月瑞j = 苏黎世工大的a v v a m o v i c 在第五届a f k 国 际会议上发表了随动型溢流阀的结构和性能的论文，提出用丰阀芯与 导阀芯之问的位置随动反馈束提高雎力直接检测型以流阀的快速性和 稳定性方法并获得成功，该阀具有较好的压力流蹙特性。 2 文献【5 6 】介绍的比例溢流阀，增加了先导阔调节弹簧的位移 电闭环，提高了阀的稳定性和控制精度，其稳态磁环已小于0 5 。 3 1983 年2 月德国阿亨工大的ew e i n g a n t e n 应用线性液阻代 替圆孔阻尼器，使溢流阀的动态超调量及快速性获得改善。 4 文献【90 】开发研究了采用液动力补偿的大流量直动型比例溢流 阀，简化了阀的结构，文献 7 4 】还对这种阀所采用的液动力补偿方法作 了进一步研究。 5 1981 年9 月德国r e x r o t h 公司最一申请了采用压力传感器检 4 太原理工大学硕士学位论文 测被控输出压力的“压力调节阀”专利，该阀的压力传感器与比例 电磁铁集成为一体。1 9 8 6 年日本的油研公司申请了压力直接电检测比 例溢流阀的专利4 ”。1 9 8 6 年德国p a r k e r 公司申请了采用系统压力间接 电检测的比例溢流阀的专利i 蛔，这些都推动了压力电检测技术的向前 发展。 1 3 比例流量控制阔研究工作综述 f t 前最基本的比例流量控制阀为仅控制阀口开度的比例节流阀。 早在6 0 年代末就出现了比例电磁铁直接驱动的单级比例节流阀 4 9 1 ，这 种阀由于受电一机械转换器输出力及行程限制和稳态液动力的影响， 只适用于小流量的场合，且位置刚度也较低。为改善这种阈的性能， 近年来大多数直动型比例节流阎都采用了阀芯位移电检测的闭环控制 原理f 5 “。直动式阀的最大优点是其动特性，l 乎与工作压差无关，所以 他在很低的工作压差下工作。当负载需求的流量较大时就必须采用先 导型的结构，最新一代的先导型比例节流阀，同样采用了电闭环原理， 其性能亦非常优良。 8 0 年代中期，节流阀的另一发展是国外首先出现了位移电反馈型 三通比例节流阀 2 1 】这种阀能对两个方向的油流进行控制，只用一个阀 就可以控制差动液压缸的双向动作。同期国内浙江大学也研制出了采 用双向比例电磁铁控制双可变节流臼作先导阀和主阁位移力反馈的三 通节流阀1 4 “，该阀与耐高压双向动态流量传感器配套构成的三通型比 例流量阀还获得了发明专利【4 ”。此外美国的m o o g 公司利用压力电反 馈和位移电反馈技术研制成比例方向、压力、宵流阀p “，能同时对负 载腔压力和节流口开度进行精确控制。 另外，流过节流口的流量除取决于节流口的通流节面积外，还与 节流口前后的压差有关。最初的流控阀就是采用压差定值阀对系统的 压力变化进行补偿。使得节流口前后的压差保持恒定，从而实现输入 信号对流最的单调控制。最早的比例流控阀也采用r 这一控制原理。 5 太原理_ l 大学硕士学位论文 这种阀的不足之处是由于受作用在减压阀芯上液动力的影响。负载压 差变化时等流量特性不佳，另外由于减压阀必须采用常开结构，在启 动和负载压力突变时会产生很大的流量超调【l 。采用先导型的定差减 压阀可改善这种阍的等流量特性捧i 。这种阀的补偿阍如采用一溢流阀， 并于节流阀并联连接，可构成二通型调速阀。此阀的特点足工作是系 统压力始终随负载压力的变化而升降，效率较高。日本油研公司利用 节流阀的电反馈提高r 这种阕的控制精度1 1 。该阀的等流量特性同样 可以采用先导型溢流阀而获得改善”l 。作为这种调速阀的补充，日本 少f 专，工菜株式会社推出了一种名为优先型的流控阀。该阀的定 差减压阀采用，三通型结构，就使得_ 二通调速闽控制回路也具有节能 的特性，同时还可以带动两个负载，、而三通流控阀则只能控制单个执 行机构。 8 0 年代初，流量控制技术的一大发展是出现了含流量闭环控制的 比例流量阎，该类阀采用阎口特殊造型的：通插装阀实现流量一位移 或流量一压差的线性转换f 4 “。图1 3 1 是采用这传感器及不同反馈形 势的比例流控阔的结构原理图。 其中图a 为流量一压差转换反馈型。工作时输入力与传感器两端 的压差进行比较，控制精度完全取决于流量传感器的流量压差转换精 度而与负载的变化无关。图b 所示采用了流量位移力反馈控制，流 量传感器与导阀芯同轴布置，其位移通过一个弹簧转换为力反馈到导 阀芯端面与输入力进行比较，该阀的控制精度取决于流量传感器的流 量位移转换精度和反馈弹黄的位移一力特性。图c 所示为流量力反馈 型的三通调速阀。图d 所示阀采用了流量电反馈原理，将流量传感器 的位移用一电感式位移传感器转换成电压后再与输入电压直接比较对 流量进行控制，该阀由于将电一机械转换器包含在闭环之内。进一步 提高了阀的流量控制 6 太原理工大学硕士学位论文 a ，龋熟 嵩 赫 劂 圈1 3 - 1 新原理比例流量月结祷原理 精度。阿亨工大还研制了主阀芯位移和流量传感器位移双电反馈的比 例流控阀 】，用主阀芯位移电反馈来改善阀的稳定性。此外也有采用 流量传感器先导阀芯随动反馈的比例流控闽。采用流量反馈原理的阀 同采用负载压差补偿的阀相比，虽然基本组成相同，只是油路连接关 系略有改动，但由于前者是闭环控制系统，所以稳态等压力特性有很 大提高，同时也消除了原有阀中的动态流量超调。 虽然早在19 世纪中叶就出现了应用差压补偿原理的流量控制 阀。其控制原理也一直沿用至今，但是与压力阀不同，因流控阀本身 由两个相互独立工作的压差补偿阀和一节流阀组成，几乎不存在不稳 定因素和噪音、啸叫等缺陷，所以人们对它的研究并不像对压力阀那 样深入和广泛，而研究工作的重点也是放在如何减少动态过程中的流 量超调和稳态等流量偏差及些结构参数的优化。其中较突出的工作 有：1 德国阿亨工大的r m t r u d z i n s k i 在其博士论文中对多种结构形 式流量阍的性能做r 全面的理论分析和实验研究，并对动态流量超调 做了重点研究1 7 “。2 我国浙江大学的路甬祥教授于80 年代初提出， 7 太原理工大学硕士学位论文 “流量位移一力反馈”等新原理。极大的改善了比例流量控制阀的 性能，并获得多项发明专利。3 瑞典l i n k o p i n g 大学的br a n d e r s s o n ， 在l984 年完成的博士论文中提出一种新的比例节流阀，该阀利用 在主阀芯卜- 开槽的方法实现位移一流量反馈，并同时产生主阔芯的速 度反馈，所以稳定性好。在此基础上，他还提出一种新的流量控制原 理，即“流量放大”原理，仅通过控制先导阀的流量就可对主阀的流 量进行控制，简化了流量阀的结构【3 34 “。4 我国学者吴东平l9 8 8 年在日本完成的博士论文中，就文献【4 5 】所提流控阀的动静态性能进行 了全而深入的研究口。”j 。他还提出在文献 3 3 1 所提节流阀的基础上采 用“面积补偿法”来消除困负载压力变化造成的流量改变，使阀的输 出流量在一定范围内不受负载压力的影响，是一种较简单的先导控制 型比例流量阀。此外国外的伊藤清( 日本) ，wh a h m a n g s c h e f f e l ，y o d a ( 德国) 等人对先导型控制阀的性能进行了理论分析和 实验研究【” 3 。国内路甬祥、吴根茂、周洪等人对流量反馈型流摔 阀的性能进行了较深入的研究郴3 9 4 2 1 。王庆丰对流摔阀的压力补偿器 进行了研究，采用“测压点”及流场变化补偿方法提高了阀的控制精 度f 4 。 1 4论文的研究目的和意义 1 4 1 现有技术的不足和有待改进之处 综上所述，对于传统开环控制的比例鲥而言，其性能的任何一点 改进和提高，都会增加阀结构的复杂性和制造难度。如采采用被控制 量直接电检测原理，这既可简化结构，又可提高性能，同时为只能控 制、故障自身诊断，参数优化和多功能复合控制提供了方便，是电液 比例技术的发展方向，但还存在如下有待改进之处：1 电闭环阀成本 较高，目前只能为一些特殊用户所接受：2 目前的电闭环阀无一例外 的都采用了模拟p i d 调节器，并在检测或反馈通道出现故障对阀就无 法正常工作，甚至处于危险工况，所以必须增加额外的安全保护装置： 3 电闭环阀一般来说要产生不稳定问题；4 受同6 口动态流量检测手段 8 太原理工大学硕士学位论文 的限制；还不能真正的实现输出流量的电闭环控制，而利用位移传感 器和二通插装阀来检测动态流量，对流道有阻断作用，仍无法构成复 合控制阀；5 目前比例阀种类较多，为用户造成不便。因此提供新 的控制方法利动态流量检测原理，并利用模拟和数字两种方式解决上 述问题。就很有理论和实际意义。 i 4 2 论文i 扮研究对象 本论文的研究对象如图1 , 4 1 和14 2 所示。图1 4 1 所示阀采用 新提出的“流量一负载压力变化一位移修正”控制原理和压力流量双 闭环控制原理，因而只用一个比例控制器。一个电一机械转换器就可 完成独立的压力或流量控制功能及流量压力复合控制功能。当用于实 际时，可根据对控制信号的切换实现目前多种比例阀的功能。图14 2 所示阀采用了流量放大原理，是本文的研究重点。 1 4 3 论文的主要研究内容 针对国内外电液比例阀所面临的主要问题就本论文提出的研究对 象，主要进行以下几个方面的研究工作。 1 研究比例阀各组成环节的特性，建立它们的数学模醒。 2 研究a 、b 两种先导液压半桥对阀性能的影响。 3 针对常用的四种插装型液压主阀，采用新流量控制原理控制流量 时的性能进行研究，并进行常闭和常开两种 二况的研究。 4 对新设计的流量放大型比例流量阀的动，静性能进行全面的理论 分析，汁算机仿真和实验研究，并确定主要结构形式和参数。 9 太原理工大学硕士学位论文 第二章电液比例控制阔系统学研究 21 榻述 任何结构的电液比例压力或流量阀都可用图2 1 1 表示其基 本构成和控制原理。其中单一功能的阀只能控制压力或流量中的一个 波压变景，而另一个则作为负载变化量或干扰因素。就框图所示，任 何一个比例涮都可看成一复杂的控制系统。它拭由控制单元，电机械 转换单元、先导液桥、液阻网络、级间容腔、功率输出级、负载客腔 和检测反馈单元八大部分组成，所以这八个单元的运动特性及它们之 间的耦合关系就决定_ 所构成比例阀性能的好坏。 h 面卜篙磐匦孙 磊 i 器 崦fej 叫等臣 换 器 液压反馈 机械反镄 _ 一皇星壁卜 图2 卜1 比倒闷的结构及控制原理框图 输出 2 2 比例控制单元对阀性能的影响 比例控制单元由比例放大器和调节器( 电闭环控制阀才有) 两部 分组成。比例放大器的的作用是为电一机械转换器提供不随外界环境 变化及扰动而变动的恒定电流和给出某种形式的设定值。比例放大器 按其功率放大级的工作状态可分为模拟式和开关式两大类，他们都用 电流负反馈的恒流原理工作。高性能比例阀要求控制器应具有良好的 稳态控制性能、高的动态频响、好的可靠性、强抗干扰能力及完整的 1 0 r 一 级问容腔 液阻羽络 1 先导阀 太原理工大学硕士学位论文 辅助功能，特别是对电气闭环控制的阀而言，控制器的动态频宽将直 接影响调节器对阀的校正结果。图2 2 1 是采用两种不同形式的 控制器时实测电闭环比例溢流阀的静动态性能曲线。 1 5 5 t 萱1 5 出 l 厂 二二 ；_ 二二二 嘲2 2 1 比例放大器动态响应对闭环阀性能的影响 上述表明，当控制器频响低时，如普通v t _ 4 0 0 0 犁比饲放大器， 频宽约40 t iz ，由于其相位的滞后，使得微分校丁f 已几乎不起作用， 小流量时，已无法使电闭环比例溢流阀稳定( 曲线d ) ，丽稳态时困比 例调节增益k p 无法提高，控制精度也较低( 曲线a ) 。同样情况，采 用高频晌的放火器，可使闭环阀的动态稳定性和控制精度获得很大的 提高( 曲线c 、b ) ，因此，选用浙江大学新研制的b k t 型高响应比例 放大器。该控制器在其功放级采用了负电位的“反击载荷”原理，大 大缩短了控制电流f 降时的时问常数，小信号时，频宽已达20 0h z ，其传递函数相对整个阀系统可视作总增益为k 。k 。，比例环节即 等吨p t 。 ( 2 2 1 ) 太原理工大学硕士学位论文 其中k 。为电流比例增益，k 。为功率驱动电路增益。 2 3 电一机械转换器 电一机械转换器的作用是将输入的电信号转换成与之成比例的力 或位移来驱动先导级阀芯，它是电液比例阔的关键部件其静动态性 能将对阔产牛直接影响。对它的要求足：稳态，电流一力特性具有良 好的线性度、较小的滞回和死区。动态，阶跃响鹿快，频响高。目前 比例阀中常用的电一机械转换器有动铁式力矩马达和比例电磁铁两 种，其中比例电磁铁行程大，价格低，静特性好，被广泛应用。力矩 马达结构紧凑，输出力大，动态频响高，用来提高比例阀的频响及用 米控制电闭环的比例阀，但其稳态滞回较大。 本论文仍采用比例电磁铁作为电一机械转换单元。其电磁环节的 数学模型为： 堋= 厶警+ j q ) r + k 篆 ( 2 3 1 ) 即从比例放大器功放级平均电压到电磁铁线圈平均电流之传递函数 为： g ：2 暑啬= 可f 品( 2 3 2 ) 式中，ld ：比例电磁铁线圈等效动态电感； r ： 比例电磁铁线圈电阻( 包括供电电源等效内阻) ； k v ：比例电磁铁线圈电压； i ： 比例电磁铁线圈电流。 从电磁铁线圈电流到产生电磁力的过程又表现为一延迟环节，即动态 吸力的变化滞后于电流的变化，故线圈电流到电磁铁吸力的传递函数 g j f s = k e 。 t 2 3 3 ) 其中k ，为电流一力增益。 当采用高频响控制器后，电磁铁输出力频宽在峰值为额定倩的 太原理工大学硕士学位论文 50 时就达到10 0hz ，波动最为额定值的10 时则可达20 0hz ，而比例阀的频宽多在20hz 以下，所以采用这种转换器已 不构成限频因素，可将其视为一比例环节。图24 3 中曲线c 、d 是 作者应用不同的电一机械转换单元所测的比例减压阀的频率响应曲 线，可见采用新的转换单元，( bkt 放大器与优化后的的比例电磁 铁) ，不仅可用来控制电闭环的比例阀，而且可提高现有比例阋的动态 响应快速性。 另外，值得提及的是德国aachen 工大已成功地将普通开关 型电磁铁j = j 于比例阀，用这种方式控制的比例阀的动态频宽已达一再 多hz ，由于同比例电磁铁相比，开关电磁铁具有输出力大，动态响 应快，结构简单、成本低的优点。无疑为比例阀的电一机械转换器提 供了一种新的选择。 2 4 先导控制液压半桥 电液比例元件内部必须将电一机械转换器输出的微小功率加以转 换和放大，才能控制主功率级的t 作状态，从而实现对大功率液流的 控制功能。先导液桥就是这样一种放大和转换的中间环节。先导液桥 共有三种基本方式，分别称为a 型、b 型及d 型液压半桥。如果将 可变液阻上的位移或力作为先导液桥的输入，主级控制腔的压力或流 量作为液桥的输出，先导液桥实质上是一个机械一液压转换器。圈2 4 一l 是三种比例阀常用的先导液桥结构形式及原理。 1 3 太原理工大学硕士学位论文 图2 4 - 1 常用先导藏桥的结构及原理 a ，a 型液桥 b ，b 型液桥 c ，c 型液桥 d 滑阀 e ，锥阀 喷嘴挡板阀 此外，先导液桥对主阀响应的快速性也有很大影响。因a 型液桥 的压力流量增益均是b 型桥的两倍，用它作先导级就能使主阉| ：腔的 压力响应速度较采用b 型液桥时提高一倍。f i i i 主阀控制腔压力响应的 快慢直接关系到整个阀响应速度的快慢，所以这种方案可以使阀的响 应速度提高许多，这一结果己为试验所证实。图2 4 2 是比例溢流 阀采用a 、b 两种不同液桥时实测对控制信号的阶跃响应曲线和频率 响应曲线，可见采用a 型半桥时响应曲线的纯滞后，调节时间和上升 时间较采用b 型半桥时均有减少，幅频宽和相频宽均有较大提高。且 因减小r 先导阀以前环节的滞后，还增加了阀的稳定性。但应注意的 足对于益流阀，当负载容腔过大时，这一效果将不显著，这主要是因 为在这种情况卜阀的最低转折频率已非嘶而成为与这一容腔有关的 频率国。4 。 1 4 太原理t 大学硕士学位论文 广b 两一 1 ： f 1t y p e m d g e 渺2 忡8 嗡 002040 6 t i m e t s 图2 4 - 2 先导液桥对比倒溢流阀动态响应的影响 md 叫“ ，1 6 q , - 6 3l m i n l f i e q u e n o y h 4 l s o 4 9 0 管 8 t v 萨n n 蹦 “：? 忍： m m h ” 夕 。， q y | - - 6 3l m i n l f , m q a e a * ym 图2 4 3 先导渡桥对比倒减压阀的影响 比例阀对先导控制液桥的要求是：1 可变液阻的控制力要小， 先导级移动部件y 有较小的惯性j 嘈保证较高的灵敏度。2 先导液 桥的控制流量要小，以使减小控制功率的消耗。3 液桥的输出压力 p 。和对排油腔的流量q 。应与控制信号y 呈近似的线性关系和较大的 增益。4 同定和可变液阻均应采用对小流量敏感的结构，同时要兼 顾通流面积以防止阻塞。 2 5 级间液阻网络 由于典型的液桥儿乎小存在动态阻尼作用，因而人们就在先导阀 和主阎之问加入一阻尼网络来得到使阀稳定工作的阻尼。图2 5 1 是常用的三种阻尼网络。嘲络巾液阻r1 用来与先导阔一起构成b 型 液桥，r2 是主阀芯波动对产生阻尼作州所必不可少的液阻，称为动 态液阻。另外r3 的存在使阀的阻尼大大增强。在网络l 中阻尼作用 1 5 如 n 憾 汜 6 o 目毒d口工d 太原理工大学硕士学位论文 丰要由r2 来控制，要获得大的阻尼必须将r2 的小孔直径做得很小。 在嘲络2 中r 2 同时影响动态阻尼，在阻尼孔直径较大时也能获得较大 的阻尼。对提高阀的抗污染能力非常有益。实验还表明，网络2 中的 液阻r l 并不起多大作用，因而可简化为网络3 的形式。但这种网络会 使阀产生一定的压力偏差和增大溢流阀的卸荷压力。图2 5 - 2 是分别采 用1 和2 两种液阻网络时比例溢流阀的负载流量阶跃响应仿真曲线， 其结果可证实以卜- 的分析。 2 4 1 2 b 匦匈茜 s 嚏产 n e t w o r k j 一， 善 九& i ，、n b 一 t 7 f 7 r i ，。 l 叫哦2 卅 c 宦 7 面 图2 5 - 1 常用阻尼罔络 & ，3 日p l h f 则 髫7 v 厂_ 1 | d r l = o 、8m m d r 2 = lm m lw i t h n e t w o r kl 2w i t h n e t w o r k2 3w i 出n e t w o r k3 00 10 20 30 4 t i m e t s 图2 5 2 液阻网络对比倒溢流阔阶跃响应的影响 以上液阻网络只是利用液阻两端的压差来产生阻尼作用，其效果并不 很显著，最新研究成粜是利用动态时这一压差反馈到滑阀式先导阀芯 1 6 矗d连曾j*毫l山 太原理工大学硕士学位论文 的两端而，利用端面积将这一压差进一步放大，使阻尼作用大大加强， 只要很小的液阻就能产生足够的阻尼作用，使阀稳定工作，它不仅对 主阀的运动起阻尼作用，同时还影响导阀的运动，即在先导级和主功 率级之间建立r 级间反馈。从理论上分析，它相当于增加，主阀芯的 速度力反馈。论文中第3 章的比例节流阀即采用j ，这种阻尼嗍络。 2 6 液压控制阔络中的容腔 由图2 1 一l 知，比例阀中必存在级间控制容腔和负载容腔这两个液 容，当考虑油液的压缩性时，它们必会对阀的控制性能产生影响。这 是因为某一容腔内的瞬态压力产生于该容腔内的净流量( 即流入和流 出该容腔流量有代数和) 对时间的积分，其关系如下： p ( f ) = f z q a t + p ( t 。)( 2 6 1 ) o h 式中o7 h 为液容 ， 矿 lh2 1 7 一 ( 2 6 2 ) 由此可知，同样的净流量，容腔体积v 越人，液容7 h 就越大，压力p ( t ) 的变化率就越小，即压力的过渡过程时间越长。由流量计算公式 知h 也将影响输出流量的动态响应。因此要进行快速的压力和流量控 制时，就必须尽可能减小负载容腔体积v ，同时也必须减少油中的含 气量及避免使用软管连接以便提高整个系统的油液体积弹性模量e ， 减小液容o h 。此外，当我们评价、比较一个阀特别是压力阀的快速性 时必须计及这一容腔大小的影响。 相对于负载容腔，控制容腔的体积都非常小，其构成的一阶环节 的转折频率常在几百h z 以上，所以对阀的动态快速性影响甚微，般 均作为比例环节处理，但应注意的是这一容腔与先导液桥中的液阻构 成的r c 网络，在这一容腔较大时将产生显著的延时作用，对阀的快 速性和稳定性都带来影响。因此也应使其尽可能小。 1 7 太原理上大学硕士学位论文 2 7 主功率控制级 同电子控制回路采用大功率的功放管控制大的输出电流一样，为 了用小的控制信号实现对大功率液流进行控制也必须应用功率输出级 一主阀。传统的主阀结构形式主要有锥阀和滑阀两大类。八十年代以 来这一环节的发展趋势是采用通流能力强的二通插装阀作为各种液压 阀的主功率级。图27 1 是五种常用的插装式主阀的结构原理及面积增 益。它们也有锥恻( a 、c ) ，滑阀( b 、d 、e ) 之分。应用于不同的控 制阀又可以是常开或常闭两种工况。有关它们结构参数对波动力，流 量系数，启、闭时间等静动态性能的影响，文献1 0 3 等都己做了大量 的研究，这里不再熬述，本文的重点是通过研究，确定一种能同时满 足控制压力和流量两个参量要求的阀形状。 锥阍矩形 倒锥 三角彤圆形 穆 母拇溉簪 形式 i b 1 1弛 d 、j 一 e ) c ， 盏鞴 翎j 舛 i1 月ji1i i t lf 疗llir i 】iij 卅flj ，i ，l -lllir lj i ， i il 【f fir lilff lfffii 州ll if ，iii 闰日通流 t l if llfii iilj1 li i lii 面积 佣li ii ，i l iji il wifii iil f z刖 ，-_ l， 对曩f 凶，椭 _ 咖，二 4 卜m 1 “+ - 当徽铲 关系式 一扣 l 冉 f - q i( h i t “删 图2 7 1 插装式主罔结构原理图 2 8 仿真方法 因比例阀的，t 作范围并不局限于某个工作点附近，有些因素的影 响紧靠理论分析也很难r 解，所以定量的研究还依赖于阀完整数字模 型的数字仿真。本论文在仿真中应用了德国阿亨工大开发的d s h ( d i g i t a ls i m u l a t i o no f h y d r a u t i es y s t e m ) 专用程序系统。因该程序考虑 1 8 太原理工大学硕士学位论文 了油液和管壁当量弹性随压力变化的函数关系，液阻及阀口流量系数 随雷诺数r e 的变化规律，并用四阶龙格库塔法直接求解描述系统运 动特性的非线性微分方程组，所以仿真与实验结果能实现良好吻合。 图28 1 中曲线ab 分别为传统开环比例溢流阀与减压阀的仿真和试 验对比曲线。但这种方法受阀控制容腔的影响，计算步长必须很小， 因而仿真时间较长。 a t e dc l 】n r e sa e da l w e s 厂 l 。 ， 矿 山 n ， 夕。 a 、乡 h 1 3 01 9 0 02 0 图2 8 - 1 比例压力阀仿真与试验对比曲线 1 9 弘 n 瞳 0 f考薯轧t轧当pid 太原理工大学硕士学位论文 第三章新型比例压力流量复合控制阀特性研究 摘要：提出了负载压力变化，阀开口面积校正的闭环流量控 制原理，在此基础上进一步提出只用一个比例阀复合控制压力和 流量的原理，从而仅用结构上最简单的比例节流阀，即可实现目 前需5 种比例阀及其中任二种阀组合才具有的功能。通过对应用 这二项原理后，不同结构原理和主阀结构形式对阀动静态特性影 响的分析、比较和试验研究，获得了优化的结构彤式和控制方法。 3 1 概述 电液比例流量阀是国内外应用非常广泛的电液控制元件，根 据控制原理目前的比例流量阀可分为二类。常用的一种是由比例 节流阀与定差减压阀组合而成，通过定差减压阀补偿节流阀口两 端压筹恒定来实现流量与阀开口的线性控制。存在的问题是，卜h 于补偿减压阀采用常开结构，在系统肩动和负载压力变化时会产 生大的流量超调，引起冲击：受液动力的影响，输出流量越大， 达到稳定流最所需的压差也随着增大，使控制特性变差l l 】。另一种 原理是应用：通插装阚与位置检测元件组成流量传感器对流量阅 环控制。，该原理使流量控制特性获得了很大提高，解决了采用压 著补偿原理存在的不足1 2 1 。但通过分析，上述二种方法仍存在许多 不足有待进一步改进，如受结构限制，流量阀输出流量要较相同 通经的节流阀小一倍左右，使阀的体积增大许多；定差减压阚和 流量传感器增加了节流损失、成本和阀结构的复杂程度，也容易 引起阀工作的不稳定 3 , 4 1 。 另外在许多的液压控制过程中，由于工艺的要求，常常要求 既控制流量义控制压力，最典型的例子就是塑料注塑机的控制过 程，在注射的初始阶段，需要控制注射速度而限制压力，在随后 的保压过程则要求螽接控制压力。如果应用现有的方法就必须再 增设一压力控制元件，