（机械电子工程专业论文）基于电液比例阀的液压试验台加载系统研究.pdf

摘要 本论文是针对长安大学现有的电液比例压力流量控制系统试验台的二次开发，在现 有的实验设备下，我们已经搭建好了电液比例泵控马达系统和电液比例阀控马达系统， 但是如何能够在实验室条件下给马达加载，并且能够对所加载荷进行很好地控制，却没 有做过专门的研究。本论文就根据实际的需要，设计和搭建了电液比例加载系统。 首先确定了加载的方式：利用比例溢流阀和比例节流阀通过改变二次元件出口压力 大小最终实现对马达的加载。然后，利用液压试验台现有的元件，设计和搭建了电液比 例溢流阀加载系统和电液比例节流阀加载系统，并对加载系统的核心元件一比例阀的结 构和工作原理做了详细的分析。随后又对这两个系统的加载原理和适用的情况做了分 析。 针对所设计的比例加载系统，建立了它们的数学模型，然后分析得出系统的动态品 质和稳态特性还不能满足实际加载的需要，于是提出了模糊p i d 控制策略。利用现有实 验资料，并通过m a t l a b 软件绘制出了比例加载系统的电压一扭矩关系曲线，然后， 利用s i m u l i n k 软件对系统进行动态仿真，通过分析仿真结果，得出模糊p i d 控制作为电 液比例加载系统的控制方法是良好的。 关键词：电液比例加载系统数学模型p i d 控制仿真 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa v a i l a b l ef o r t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp r e s s u r e - - f l o wc o n t r o l s y s t e ml a b o r a t o r yt a b i nc h a n g a nu n i v e r s i t y u n d e rt h ee x i s t i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n t ，w e h a v eb u i l tag o o dp r o p o r t i o no fe l e c t r o h y d r a u l i cp u m pc o n t r o l l e dm o t o rs y s t e ma n dt h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o l l e dm o t o rs y s t e m ，b u th o w c a l lw ep u to nal o a d t ot h em o t o ru n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，a n dh o wc a nw ec o n t r o lt h ea p p l i e dl o a d ，w e h a v ed o n en os p e c i f i cr e s e a r c h t h i st h e s i sb a s e do na c t u a ln e e d s ，d e s i g na n dc o n s t r u c tt h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ll o a d i n gs y s t e m f i r s tw ed e t e r m i n et h ew a yh o wt op u to nal o a dt ot h em o t o r ：u s et h ep r o p o r t i o n a l v a l v eb yc h a n g i n gt h ee v e n t u a lr e a l i z a t i o n s i d eo ft h e o u t l e tp r e s s u r eo ft h es e c o n d a r y c o m p o n e n t s w eu s et h ee x i s t i n gc o m p o n e n t so fh y d r a u l i ct e s ts t a n d ，d e s i g na n db u i l dt h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l r e l i e fv a l v e l o a d i n gs y s t e ma n d t h e e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lt h r o t t l ev a l v el o a d i n gs y s t e m ，w ea n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fp r o p o r t i o nv a l v e s w h oa r ec o r ec o m p o n e n t so fo u rs y s t e m s t h e nw ea n a l y z e dt h ep r i n c i p l e sa n da p p l i e so ft w o s y s t e m s t h er a t i of o rt h ed e s i g n e dl o a d i n gs y s t e m ，w ee s t a b l i s ht h e i rm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d t h e nw ea n a l y s i st h a tt h eq u a l i t ya n dt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co fs y s t e m sc a nn o tm e e tt h e a c t u a ln e e d s ，s ow ep r o p o s e daf u z z y _ i dc o n t r o ls t r a t e g y s u b s e q u e n t l y ，w eu s et h e a v a i l a b l ei n f o r m a t i o na n dt h em a t l a bs o f t w a r et od r a wt h ev o l t a 舒岫r q u ec b r v eo f s y s t e m s ，t h e nw eu s et h e s i m u l i n ks o f t w a r e ，b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w e o b t a i n e dt h a ta 矗l z z y _ i dc o n t r o ls t r a t e g yi sg o o df o re l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ll o a d i n g s y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r 伊一b y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l ；e l e c 协卜_ 1 1 y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e l o a d i n gs y s t e m ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；p i dc o n t r o l l e r ；s i m u l a t i o n 长安大学硕士学位论文 1 1 电液比例控制技术概论 第一章绪论 电液比例控制技术是一门新兴的科学技术。它不但是液压技术中的一个分支，而且 也是控制领域中的一个重要组成部分。在此之前，我们常采用开关控制和伺服控制。开 关控制它不能够满足控制系统高质量的要求，伺服控制却对流体介质清洁度要求十分苛 刻，并且制造成本和维护费用都比较高，系统能耗也比较大【1 1 。电液比例控制技术，正 是适应开发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的要求而 发展起来的。如今，电液比例控制技术已经成为工业机械、工程建设机械及国防尖端产 品不可或缺的重要手段。 电液比例控制系统与电液比例控制技术我们习惯上这样认为，把使用比例控制原件 ( 包含比例阀、比例控制泵以及比例放大器) 的液压系统称之为电液比例控制系统。对 于比例控制技术，严格地说，就是实现元件或者系统的被控制量与控制量之间保证线性 关系的一种技术手段，可以依靠这一手段来保证输出量能够随着输入量的变化而按比例 地变化【2 】。 o ， 1 1 1 比例阀的概述 电液比例控制技术使用最多最广泛的原件就是比例阀，比例阀的发展主要有两个途 径，一是用比例电磁铁取代传统液压阀的手动调节装置或者取代普通电磁铁发展起来； 二是由电液伺服阀简化结构、降低精度发展起来的。大多数比例阀具有类似普通阀的结 构特征。它与普通液压阀的主要区别在于，其阀芯的运动采用比例电磁铁控制，使输出 的压力或流量与输入的电流成正比，所以可以用改变输入电信号的方法对压力、流量进 行连续控制。有的阀还兼有控制流量大小和方向的功能。这种阀在加工制造方面的要求 接近于普通阀，但是其性能却大大提高。同时它的采用还能使液压系统简化，所用液压 元件数量大为减少，且可用计算机控制，自动化程度明显提高【3 】。 1 1 2 比例技术与伺服技术的比较 我们先看线性控制理论技术的基本要求，那就是：要实现输出量与输入量的线性关 系。电液比例控制系统和电液伺服控制系统都是线性系统，并且从控制原理的角度看貌 似差别不大，但两种控制技术产生的历史背景不同，并且采用的技术手段和适用的范围 第一章绪论 也不一样。它们最主要的不同在于系统所采用的控制原件不同，电液比例控制系统的控 制原件主要是比例阀和比例泵，而伺服控制系统采用的控制原件主要是伺服阀。下面， 具体介绍一下这两种系统的区别和联系。 ( 1 ) 控制元件的适用范围不同 首先看电液比例控制系统中的控制元件，它主要有比例压力控制阀，比例流量控制 阀和比例方向控制阀，它们主要控制的参数有单方向的压力或者流量，或者方向+ 流量， 或者压力+ 流量【4 j 。伺服控制系统的控制元件有流量伺服阀、压力伺服阀和压力流量复 合伺服阀，它们控制的参数主要有流量+ 方向、压力+ 方向、流量+ 压力+ 方向，但是，对 于伺服原件，它们的功率级均采用了用节流原理来实现对流量和压力的比例控制。 ( 2 ) 控制元件采用的驱动方式不同 比例控制元件是利用比例电磁铁作为驱动装置，其入电信号通常为几十到几千毫 安。比例电磁铁的主要特点是：电阻小，感性负载大，但是响应低。伺服控制元件主要 采用力马达或者力矩马达作为驱动装置，其输入信号一般为十至几百毫安。相比比例电 磁铁，力马达和力矩马达的输出功率比较小，驱动力小，但是响应快。 ( 3 ) 控制元件的性能参数不同。 表1 1 比例阀与伺服阀的性能比较 特性类别伺服阀伺服比例阀无电反馈比例阀带电反馈比例阀 滞环( )o 1 _ 0 5o 2 一0 53 _ 7 0 3 一l 中位死区( )理论上为零理论上为零孓- 2 05 - 2 0 频宽h z1 0 0 1 5 0 0 5 0 - 一1 5 0l ol 咐o 过滤精度 1 3 9 - 一1 5 1 l 1 6 1 3 一1 8 1 41 6 1 3 一1 8 1 41 6 1 3 一1 8 1 4 ( i s 0 4 4 0 6 ) 应用场合闭环控制系统闭环控制系统开环控制系统及开环控制系统及 闭环速度控制系闭环速度控制系 统统 观察上表，通过对这几种阀性能的比较，发现伺服阀的性能是最优的，伺服比例阀 的响应较伺服阀偏低，普通的比例阀，包括无电反馈和电反馈类型的，它们的死区比较 大，达到5 1 0 ，频宽比较低，滞环较大。但是普通的比例阀应用范围更广，可以应 用于开环控制系统和闭环速度控制系统，而伺服阀和伺服比例阀，通常只能用于闭环控 2 长安大学硕士学位论文 制系统。 ( 4 ) 应用的侧重点不同 继续观察表1 1 ，发现电液伺服阀几乎没有零位死区，通常工作在零位附近，特别 强调零位特性只应用在闭环控制系统。这类系统对控制精度和响应速度要求高，在对系 统快速性有特别高要求的场合，伺服控制仍然是理想的解决方案。 伺服比例阀基本没有零位死区，既可在零位附近工作，也可在大开口即大流量工况 下运行。伺服比例阀主要用于对性能要求不是特别高的闭环控制系统。 普通的比例方向阀对于零位特性没有特殊的要求，它主要用于开环系统，以及闭环 速度控制系统。当应用于速度控制系统中时，必须在比例放大器中采取快速越过死区的 措施来减小死区的影响，并使之工作在大开口状态。 ( 5 ) 中位机能种类不同 比例换向阀具有与普通换向阀相似的中位机能，这使比例阀可以适用于更多的设备 工况。伺服阀的中位机能只有o 型，力士乐产品为e 型，适用工况单一。 鼍。 ( 6 ) 阀的额定压降不同 伺服阀需要很高的阀口压降，通常为7 m p a ，即单阀口为3 5 m p a 。普通的电液比例 方向阀对阀口压差没有严格的要求，表征其额定流量的单阀口压差一般为0 5 m p a 或 1 5 m p a 伺服阀和比例方向阀对额定压降的不同要求，导致比例系统的效率较高，伺服 系统的效率较低，两种系统的运行成本也不同。 1 1 3 电液比例控制技术的发展状况 早期的比例阀出现于六十年代后期，最主要的特征就是将比例电磁铁应用于控制阀 中，代表产品有瑞士b e r i n g e r 公司的k l 比例复合阀。七十年代末期，是比例控制技术 发展最快的一个阶段，各种内反馈原理的比例阀都相继问世。到了八十年代，比例元件 的设计原理得到了完善，电控器的特性大大增强，阀的动态特性和稳态精度都有了进一 步的提高。九十年代至今，出现和伺服比例阀，它可以解决闭环控制要求死区小的问题。 同时，计算机技术也与比例元件结合在了一起，出现了数字式比例元件和系统，“数字 式”也逐渐将会成为比例控制技术发展的最主要趋势 4 1 1 5 1 。 1 1 4 比例控制技术的构成、分类及特点 电液比例控制系统，由电子放大及校正元件、电液比例控制元件( 含电一机械转换 元件在内的比例阀，电液比例变量泵及变量马达) 、动力执行单元及动力源、工程负载 3 第一章绪论 及信号反馈处理单元等组成。见下图： 图1 1 电液比例控制系统原理图 系统的指令及放大元件采用电子设备。电一机械转换元件为比例电磁铁，它可以将 比例放大器输出的电信号转换成力或者位移信号。液压转换或放大元件是比例阀、比例 泵和比例马达。液压执行元件为液压缸和液压马达，它们的输出的参数为力和位移，或 者是转矩和角速度。信号处理单元可采用模拟电子电路，数字式微处理芯片及微型计算 机来实现。 电液比例控制系统存在两类检测反馈闭环。一类是动力执行元件的输出参数( 压力、 力、位移、转速、转矩等) 检测反馈闭环，设置这种反馈闭环的系统，就是我们通常所 说的闭环控制系统。第二类是控制元件内部，对整个系统而言就是中间参量的小闭环。 仅设置这类反馈闭环，对整个控制系统而言，均属于通常我们所说的开环控制系统【5 】。 比例控制系统可以分为节流比例控制系统和容积比例控制系统，后者又可以分为液 压泵调节或液压马达调节。节流控制的优点是动态响应快，利用公共恒压油源可控制不 同的执行元件，但功率损失较大。容积控制方式的突出优点是没有节流损失和溢流损失， 因而效率高，系统温升小。现代容积控制多是通过电液节流控制元件，对液压泵或者液 压马达的排量参数进行控制而实现的。 如果按照被控参数的不同来分类，我们可以将电液比例控制系统分为以下几类：( 1 ) 位置控制系统，( 2 ) 速度控制系统，( 3 ) 加速度控制系统，( 4 ) 压力控制系统，( 5 ) 力 4 长安大学硕士学位论文 控制系统，( 6 ) 其它参数控制系统。 1 2 课题研究的内容 本文是基于电液比例压力流量试验台的电液比例加载系统的研究，其主要的研究内 容如下： ( 1 ) 首先根据本课题的研究目的，并且结合实际，在现有的电液比例压力流量试验 台上，选择合适的元件，搭建电液比例加载系统，为已经搭建好的泵控马达系统和阀控 马达系统进行加载。然后，确定加载方式，选用比例溢流阀和比例节流阀，通过改变二 次元件出口的压力来改变其输入扭矩，实现给马达加载。最后，针对加载系统中用到的 比例阀做了简单的介绍，介绍了它们的结构以及工作原理。 ( 2 ) 为了更好地分析系统的特性，建立了电液比例溢流阀加载系统和电液比例节流 阀加载系统的数学模型，并写出了它们的传递函数，对于模型中的参数，也做了确定。 建模过程中，重点是比例溢流阀、比例节流阀以及二次元件的建模。 一 ( 3 ) 利用软件对电液比例加载系统仿真后发现系统的稳态特性以及动态品质还不能 满足实际加载的要求，因此，本文设计了参数自整定的模糊p i d 控制器，以此来实现对 ， 电液比例加载系统的校正。 ( 4 ) 根据试验台数据，利用m a t l a b 软件绘制出了电液比例加载系统输入电信号和输 出扭矩的关系曲线，然后利用s i m u l i n k 软件对系统进行动态仿真，并对仿真结果进行分 析。 1 3 小结 ( 1 ) 本章主要介绍了电液比例控制技术的发展、特点、分类以及与伺服控制技术的 比较。 ( 2 ) 给出了本论文研究的主要内容。 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 课题来源于长安大学现有的电液比例压力流量控制试验台，本试验台为综合性实验 装置，它是集机械、电控、液压与仪表等设备为一体，能对泵、马达以及阀进行性能测 试。目前，我们已经针对该试验台对其进行了二次开发，利用现有元件搭建和设计了电 液比例泵控马达系统以及电液比例阀控马达系统。但是，对于试验台来说，加载系统也 是它的核心系统，是试验台的重要组成部分，试验台的性能也取决于加载系统的性能， 而我们目前尚为对该试验台的加载系统进行详细分析和研究。因此，本论文的主要目的， 就是利用试验台现有元件搭建电液比例加载系统，对搭建的系统进行详细分析和设计， 并进行动态仿真，使其能够在实验室条件下按照实验要求给泵控马达系统和阀控马达系 统实现模拟加载。 2 1 电液比例加载系统概述 对于液压试验台来说，加载系统为它的核心系统，加载系统的性能决定试验台的性 能。而以往我们在实验室条件下给液压系统加载的时候，往往采用的是摩擦片，在需要 加载的时候，利用摩擦片增加马达输出轴上的摩擦力，相当于增加了马达输出轴上的转 矩，使马达的输出转速降低，从而实现了加载。而随着电液比例技术的发展，特别是比 例阀技术的成熟与发展，我们将比例元件引入到加载系统之中，可以通过电信号，来控 制所加载荷的大小，这样，就大大提高和增强了加载系统的加载精度及控制性能。 2 1 1 电液比例加载系统的性能要求 对于电液比例加载系统，对它的要求可以归纳为以下几剧6 】： ( 1 ) 要有良好的动态性能。对加载系统的要求主要有：稳定性、快速性、准确性( 控 制精度) 要足够高。 ( 2 ) 要有良好的控制特性。我们要求所设计的加载系统应该可以方便地与测试系统、 控制系统相互结合，按照所要求的加载模式为系统提供动态载荷。 ( 3 ) 加载系统应能够快速地实现阶跃加载，正弦波加载，甚至能实现实际工况中采 集来的平稳及非平稳随机随机过程加载等特征工况。 ( 4 ) 加载功率大，效率高，这一点是大功率传动实验台的主要特征。 ( 5 ) 加载系统应具有功率回馈能力，将加载工作时吸收的功率回馈于动力电网。 6 长安大学硕士学位论文 ( 6 ) 对于液压试验台来说，加载系统还需要考虑安全保护措施，如果所加载荷过大， 会影响到系统的正常工作，甚至会带来难以估量的危险和损失。 2 1 2 加载方式的选择 由于电液比例技术应用到我们的加载系统中，我们需要设计的电液比例加载系统的 核心元件为加载泵和比例阀，通过比例阀来控制加载泵出口的压力，以此来改变加载泵 的输入转矩，实现对马达的加载。在加载系统中，还需要对加载元件有一定的特殊要求， 以此来满足系统的要求，便于提高系统的加载精度和系统的控制性能。 首先，对加载泵有特殊要求。目前经常所使用的泵，只能进行单向旋转，当用其给 泵控马达系统或者阀控马达系统中的马达实现加载时，如果马达反向转动，则连接在马 达输出轴上的加载泵将无法给马达加载，甚至损坏加载裂引。为了弥补这方面的不足， 我们选用d s l 二次元件作为加载泵。d s l 二次元件具有极高的频响特性，可以实现正 反两个方向旋转，兼有泵、马达双重性能。采用它，即可满足实际加载试验的需要。 其次，还需要选取合适的比例阀。比例阀种类有很多，有比例压力控制阀，比例流 量控制阀，比例方向控制阀等。我们在选取阀的时候，应该重点考虑其所控制的对象参 数。由于需要利用比例阀来控制加载泵的出口压力，以此来改变加载泵的输入扭矩，因 此我们选用电液比例溢流阀和电液比例节流阀，作为需要设计的电液比例加载系统的控 制元件。最后，确定好对马达实现加载的加载方式：利用电液比例溢流阀实现对马达的 加载和利用电液比例节流阀实现对马达的加载。 利用比例溢流阀加载的基本原理是：通过改变输入到比例溢流阀的电信号来改变主 阀芯的开启压力，以此改变d s l 二次元件的出口压力，进而改变d s l 二次元件输入轴 上的扭矩大小，实现了给马达加载的目的。 利用比例节流阀实现加载的基本原理是：通过给比例节流阀输入电信号来改变阀芯 位移，进而改变主阀芯的开口面积大小，流量一定的前提下比例节流阀开口面积的变化 会引起阀进出口前后压差的变化，以此来改变了d s l 二次元件出口压力，进而改变二 次元件输入轴上的扭矩，实现了对马达加载的目的。 2 2 基于液压试验台电液比例加载系统的搭建 我们需要选用液压试验台现有元件，搭建电液比例加载系统，并对系统的原理和性 能进行分析，找出比例阀的输入电信号和二次元件输入轴上扭矩之间的关系，以便更好 7 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 地利用所加电信号来实现对马达所加载荷的控制。 2 2 1 电液比例加载系统的搭建 图2 1电液比例加载系统液压原理图 上图为我们搭建的电液比例加载系统的液压原理图，其中单向阀c 9 _ - c 1 2 组成桥 式回路，j f l o - j f l 4 都为截止阀。当利用比例溢流阀b y a 7 实现加载时，应该关闭节 流加载回路上的截止阀j f l 3 、j f l 4 、j f l 0 ，打开溢流加载回路上的截止阀j f l l 和j f l 2 ， 这时候，比例溢流阀和d s i 二次元件的出油口串联，而节流加载回路是关闭状态，这样， 就可以使用比例溢流阀来实现加载。同理，当打开截止阀j f l 3 、j f l 4 、j f l 0 ，同时关闭 j f l l 、j f l 2 的时候，溢流加载回路被关闭，节流加载回路接通，就可以使用比例节流阀 实现加载。 从图中还可以看出，d s l 二次元件实际是一个比例变量泵，它的内部变量机构采用 了比例流量方向阀控双作用液压缸的结构，通过给比例流量方向阀b y a l 0 输入电信号， 就可以实现对d s l 二次元件排量的调节。但是，在利用比例阀实现对马达加载的过程 中，需要首先将d s l 二次元件的排量设为一个定值，在二次元件排量不变的情况下给 马达加载，因此二次元件在本次设计中实际是作为一个定量泵来使用的。 2 2 2 电液比例加载系统元件的选取 比例加载系统主要由加载泵，比例溢流阀，比例节流阀，比例放大器以及一些辅助 8 长安大学硕士学位论文 元件组成。 ( 1 ) 加载泵的选取。 前面讨论过，我们需要选用d s l 二次元件作为加载泵，因此选用 a 4 v s g 2 5 d s l 型轴向柱塞液压泵，它为德国力士乐原装进口件，可以正反两个方向旋 转，具有泵、马达双重性能，并且还具有极高的频响特性。搭建加载系统时，将二次元 件安装在马达的输出轴上，作为马达的负载实现给马达加载。 ( 2 ) 比例溢流阀的选取 我们选取标号为b y a 7 的比例压力阀，它的型号是d b e m 2 卜5 列1 3 5 ，为德国力士 乐原装进口件，属于先导控制式比例溢流阀，它主要由装在阀套中的先导阀、比例电磁 铁和主阀芯组成。对于这类阀，可以通过改变输入到阀的电信号大小来调节先导阀所受 比例电磁铁推杆推力的大小，以此来改变该类型比例溢流阀调定压力值的大小。 ( 3 ) 比例节流阀的选取 我们选取标号为b y a 8 的比例流量阀，它的型号为f e s 2 5 c a - 3 0 31 5 ，为德国力 士乐原装进口件，属于先导式二通比例节流阀，它也主要由先导阀、比例电磁铁和主阀 芯三部分组成，可以通过改变输入到阀中的电信号大小来调节主阀芯的位置，以此来实 现对流量的控制。 ( 4 ) 比例放大器的选用 为了使比例加载系统获得预期的功能，我们在系统的搭建过程中，要选用比例放大 器。概括起来，对比例放大器的基本要求是：能及时产生有效的控制信号。它是一个能 够对弱电的控制信号进行整形、运算和功率放大的电子控制装置【l o l 。 针对比例溢流阀b y a 7 ，我们选用型号为v t - v s p a l 1 的比例放大器，该型号比 例放大器输入信号的设定值为o _ - 9 v ，一般控制电一位置反馈的直动式和先导式比例压 力阀【7 】【3 引。 针对比例节流阀b y a 8 ，我们选用型号为v t _ v 砌) a l 一5 0 的比例放大器，该型号 比例放大器输入信号的设定值为o _ - 9 v ，适用于控制型号为f e s 2 5 和f e l 6 的先导式比 例节流阀【7 】【3 9 】。 ( 5 ) 传感器的选取 我们需要选择传感器来检测d s l 二次元件出油口的压力和流量大小。其中，对于 标号为b p 4 和b p 5 的压力传感器，我们选取型号为e a t i 卜5 4 0 0 l 的传感器，它们 9 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 用来检测d s l 二次元件工作油口的压力。对于标号为b q 5 的流量传感器，我们选用型 号为l c 卜1 5 传感器，它用来检测d s l 二次元件泄流油口的流量大小。 由于利用d s l 二次元件为马达加载，我们需要搭建的比例加载系统还需要选用扭 矩传感器，针对比例加载系统，选用j c z c 型号的扭矩传感器，并将其安装在二次元件 的输入轴上，用来测量二次元件输入轴上扭矩的变化。 ( 6 ) 供油泵的选取 我们选取的供油泵p 5 为国产高性能叶片泵，噪声低，叶片和定子的使用寿命较长， 流量损失小，流量均匀，工作平稳，并且采用插装式结构，内部零件做成组件形式，互 换性好，维修方便。 ( 7 ) 控制泵的选取 选用国产高性能的轴向柱塞变量泵，它的作用是为d s i 二次元件提供控制油。 2 3 基于电液比例溢流阀加载系统的分析与设计 2 3 1 电液比例溢流阀加载原理 我们选用电液比例溢流阀与d s l 二次元件组成的加载模块实现对马达的加载，加 载部分的元件连接方式如图：比例溢流阀连接在d s i 二次元件出口处。 图2 2电液比例溢流阀加载原理图 当信号发生器产生的电信号经比例放大器输入到比例溢流阀中，比例溢流阀主阀芯 会形成一个预压力值，当我们调节输入信号大小的时候，比例溢流阀中先导阀所受的比 l o 长安大学硕士学位论文 例电磁铁推杆的推力发生变化，这样，先导阀的开启压力会发生变化，比例溢流阀的预 设压力值也就发生了变化。由于比例溢流阀与二次元件出油口相连，从而二次元件出油 口的压力p 发生变化，这样，引起二次元件输入轴上的扭矩t 的变化，实现了对马达的 加载。 2 3 2 电液比例溢流阀的结构和特性 为了研究电液比例溢流阀加载系统，我们必须要对比例溢流阀的结构和特性进行详 细分析。我们选用的比例压力阀的型号为d b e m 2 卜5 】( 3 1 5 ，它是德国力士乐原装进口 件，属于先导式比例溢流阀，查阅力士乐样本文件，得到该阀的结构如图所示： 1 审 x ab 1 5 拱箍a y 1 4 图2 3d b e 型比例溢流阀的结构 l 先导阀? 2 一比倒电磁铁? 3 主阀芯74 、6 、9 节流口：5 环形腔：7 - - - 半圆孔j8 控 制孔；1 0 弹簧，1 1 一阀座71 2 先导提升阀? 1 3 - - x 油口71 4 - y 油口；1 5 先导阀芯 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 d b e m 型比例阀为先导控制比例溢流阀，功能是用来限定液压系统的压力。这类 阀可以根据输入的电信号来调节系统的压力值大小。该类阀主要由以下三部分组成：装 在阀套中的先导阀1 ，比例电磁铁2 和主阀芯3 1 9 1 1 3 3 1 。 下面研究该比例溢流阀工作时候的基本原理：油液由a 口进入到比例溢流阀，对 主阀芯3 的底部产生一作用力。同时，油液经过节流口4 、6 和环形腔5 进入到主阀芯 的上腔，使主阀芯的弹簧加载面上也受到油液压力的作用。油液再进过半圆孔7 、控制 孔8 和节流口9 ，对先导阀芯产生液压力，如果液压力超过比例电磁铁推杆所输出的推 力，则先导阀的油路连通，先导油路上的油液通过y 口流回油箱，此时主阀芯的上下 两端将会产生压力差，并且压力差的大小足以克服弹簧1 0 的弹簧力，使主阀芯向上移 动，a 口与b 口处于连通状态，不再有压力升高，比例溢流阀通过油口1 3 卸荷并限制 最大压力。 根据力士乐资料，我们给出该比例溢流阀的液压参数和电气参数： 表2 1 比例溢流阀b y a 7 的液压参数 最高工作压最高设定压最大流量先导流量滞环( )线性度( ) 力( b a r )力( b a r )( l m i n )( l r a i n ) 3 5 03 1 52 0 00 5 1 8 最高压力调最高压力调 节值的士1 5节值的士3 5 表2 2 比例溢流阀b y a 7 的电气参数 电源最小控制电最大控制电线圈电阻 线圈电阻通电率( ) 流( m a )流( m a )( q ) ( 常( f 2 ) ( 高温) 温) 2 4 v d c 1 0 01 6 0 05 47 81 0 0 下面对比例溢流阀的特性进行分析和介绍，比例溢流阀的静态特性主要由控制特 性、负载特性、最低开启压力来反映【3 】【4 】【5 1 。 1 2 长安大学硕士学位论文 基 蚕 乏 圹 汐 乃 乃 ， 力 o2 0幻 趵1 0 0 设定值( ) 图2 4 比例溢流阀的控制特性 藏曩 图2 5 比例溢流阀的负载特性 从比例溢流阀的控制特性图2 4 中可以看出，比例溢流阀存在死区和滞环。从比例 溢流阀的负载特性图2 5 中可以看出，比例溢流阀也存在较大的调压误差( 稳态误差) ， 并且带有滞环特征。因此，我们在设计液压系统的时候，应该要确保通过比例溢流阀的 最小流量大于比例溢流阀压力稳定时所需要的最小流量。图中a b c d 围成的面积代表比 例溢流阀的功率域，它规定比例溢流阀压力和流量的变化范围。 图中几条曲线的具体含义是：a b 表示比例溢流阀中的比例电磁铁存在一定的初始 控制电流，该电流产生一个初始的压紧力作用在阀芯上，造成打开阀芯需要的油压力较 大。c f 代表阀内的摩擦力为0 时压力和流量的关系曲线。c f 和c g 分别表示摩擦力存 在时，阀芯关闭和开启时的压力和流量关系曲线。 在比例溢流阀的选取方面，还有特定的规定，因为不同的比例溢流阀有着不同的压 力等级( 压力等级通过改变阀口的孔径来实现) 【3 】【5 】，如4 0 b a r , 2 0 0 b a r , 3 1 5 b a r 等，因此 在选取的时候，一方面要尽量使输出压力的最大值所对应的控制信号接近额定值，输出 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 压力的最小值所对应的控制信号大于死区。另一方面，通过比例溢流阀的最小流量应大 于比例溢流阀输出稳定压力所需的最小流量，只要最低调节压力满足要求即可。 2 4 基于电液比例节流阀加载系统的分析与设计 2 4 1 电液比例节流阀加载原理 利用比例节流阀实现对马达的加载首先要基于公式：q ，= 觑( 瓦) 卸。系统工作过 程中，比例节流阀的流量吼为常数，我们通过调整阀芯的位置来调节阀口通流面积 4 ( 瓦) 的大小，这时候，阀口的压力降会发生变化，当通流面积减小的时候，卸会增大， 由于比例节流阀出口与油箱相连，则其进口压力p 会增大，p 的增大会导致d s l 二次 元件的出口压力的增大，同时二次元件输入轴上的扭矩也就相应地增大，就实现了对马 达的加载。 下图为利用比例节流阀实现加载的液压原理图： 图2 6 电液比例节流阀加载原理图 2 4 2 电液比例节流阀的结构和特性 搭建比例加载系统选用的比例节流阀为型号f e s 2 5 a _ 3 0 3 1 5 的德国力士乐原 装进口件，我们查阅力士乐样本文件，得到了该比例节流阀的结构以及部分参数，阀的 结构如下图所示，可以看出，f e s 型阀是先导式二通比例节流阀，用于流量的无极闭环 1 4 长安大学硕士学位论文 控制。该阀主要由四部分组成：盖板l 、节流阀芯3 、主阀2 、带比例电磁铁的先导阀 4 【9 】【3 4 1 。 6 7 1 1 2 1 4 l 2 9 8 图2 7f e s 型比例节流阀结构图 l 盖板，2 主阀? 3 节流阀芯? 4 先导阀? 一比例电磁铁76 一电子控制器? 7 叫童移传 感器78 节流口j9 一阀座；l o 弹簧? l l 密封圈，1 2 控制腔 1 3 弹簧71 4 、1 5 、1 6 承压 面 下面说明该比例节流阀的工作原理： 给比例节流阀通入电信号，比例电磁铁5 会推动先导控制滑阀4 克服弹簧力1 3 ， 打开控制腔1 2 和y 口的通路；控制腔1 2 的油液会通过y 口流出，导致控制腔压力降 低，因此节流阀芯3 向开启方向移动。当减小输入到比例电磁铁5 的电流时，弹簧力 1 3 会克服电磁力推动先导滑阀4 ，打开控制腔1 2 和x 口的通路，这时控制腔1 2 的压 力将会增加，油液压力会作用于承压面1 4 ，加上弹簧l o 产生的弹簧力，使节流阀芯3 向关闭方向移动。 下面给出该阀的液压参数和电气参数： 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 表2 3比例节流阀b y a 8 的液压参数 工作压控制压回油压 最低进 最大流量滞环 响应灵反向回 力( b a r )力( b a r )力( b a r )口压力 ( l l m i n )( ) 敏度差( ) ( b a r )( ) 1 5伊一3 1 5 o 1 2 3 6 00 2 o 1 o 1 5 表2 4 比例节流阀b y a 8 的电气参数 电压类型公称电流( m a )线圈电阻( q )线圈电阻( q )暂载率( ) ( 常温)( 高温) 2 4 v d c1 0 0 01 2 71 9 31 0 0 电液比例节流阀的稳态特性用控制特性和负载特性来表示，动态特性用输入阶跃特 性和频率特性来表示【3 】【4 1 5 1 。 ( i ) 对用于节流加载的比例节流阀，当阀口开度一定时，流量的改变会影响到液阻 的大小，从而会影响阀进出口的压差大小。 ( 2 ) 比例节流阀的负载特性本质上是阀口的压力一流量特性，如图所示： o 印。肇_ 印一 肇 a ) 阀芯的等位移特性 ”以流量为输出的负载特性 图2 8 比例节流阀的负载特性 ( 3 ) 比例节流阀实际上存在一个在一定工作压力下制约其最大流量的功率范围。我 们在使用的时候如果超过了阀的功率域，阀芯上的液动力将大于比例电磁铁的推力，阀 芯的位移会出现图2 9 右图所示的饱和现象，使阀芯变得不可控，比例节流阀将丧失比 例特性。 1 6 长安大学硕士学位论文 o 厶p x v 蕾“ ， 差 0 图2 9比例节流阀功率域以及超过功率域时阀芯的位移 ( 4 ) 电液比例节流阀的输入阶跃特性和频率特性如图所示。 0 t 频率l t z 图2 1 0 比例节流阀的阶跃响应特性及频率响应特性 2 5 电液比例溢流阀加载系统与电液比例节流阀加载系统的比较 我们分析完两个加载系统的加载原理，以及分析完选用的两个比例阀的结构和特性 之后，有必要对这两个加载系统加以比较，来说明两个加载系统的不同之处以及各自适 用的场合。 ( 1 ) 电液比例溢流阀加载系统特点和适用场合 首先先来研究电液比例溢流阀加载系统。比例溢流阀的工作原理主要是通过电信号 来调节阀的调定压力。我们在输入电信号时候，关键是控制和改变先导阀上的弹簧力和 其受到的液体压力之间的关系。当先导阀受到的电磁铁推力小于其受到的液压力时候， 先导阀芯开启，这时候，主阀芯上下两端压力差克服主阀芯上端弹簧的弹簧力使主阀芯 向开启方向移动，此时，虽然主阀芯进出油口相通，但是进出油口却有着很大的液阻， 阀的进口压力为设定值，出口压力接近于零( 与油箱相连) 。如果我们想增大阀进油口 1 7 第二章电液比例加载系统的搭建与设计 的压力，通常是给比例溢流阀加一个特定的阶跃信号，这个时候，先导阀芯会突然关闭， 但是，在很短的时间内，先导阀所受的油液压力会继续将先导阀打开，此时，主阀的进 油口处压力值已经改变，即d s l 二次元件的出口压力已经发生了改变。我们继续增大 输入的电压值，先导阀芯与主阀芯始终重复着前面的动作，直到出现过载情况。通常我 们对电液比例溢流阀加电信号的时候加阶跃信号，并且所加信号值越大，比例溢流阀的 预设压力值越大，相应二次元件的出口压力值越大。 查阅所选用的阀的资料，我们找到该阀的最小控制电流为1 0 0 m a ，最大控制电流 为1 6 0 0 m a ，相对应的比例溢流阀压力的调节范围为1 5 3 5 m p a ，同时我们发现，阀的 调定压力值比较大，因此，对于电液比例溢流阀加载系统，适合于给马达加较大的负载。 ( 2 ) 电液比例节流阀加载系统特点及适用场合 前面我们分析过所选用的比例节流阀的结构，并且知道该阀的工作原理主要是改变 阀节流口面积大小来实现阀口压力的调节的。所加电流越大，节流口的开口度越大，这 时阀进口的压力值反而越低，因为在这个过程始终保持着通过d s i 二次元件的流量不 变，所以d s l 二次元件出口处的压力反而降低。因此，使用比例节流阀实现加载时候， 先使节流阀开口开到最大，同时所加的电信号也是最大值，然后通过减小输入的电信号， 逐渐使阀的节流口面积减小，最终关闭。这个过程中可以看出，对于比例节流阀实现的 加载，我们在控制的时候一般是加斜坡信号对比例节流阀加以控制，来逐渐地改变主阀 开口度的大小，以此来改变压力大小，实现加载目的。 然后我们再看该阀的技术参数，最高允许的工作压力为3 1 5 m p a ，电磁铁最大电流 为1 5 1 a ，所以，加载时候，先给阀输入1 5 1 a 的电流，这个时候主阀芯开口度最大， 主阀进油口压力值此时特别小，然后，通过逐渐减小电流值最终来实现加载目的。从原 理上可以看出，电液比例节流阀加载系统更适合于给马达施加小负载。 2 6 小结 ( 1 ) 首先对马达的加载方式做了确定：利用比例溢流阀和比例节流阀，通过改变二 次元件出口压力，进而改变二次元件的输入扭矩，最终实现对马达的加载。 ( 2 ) 利用液压试验台的现有元件，根据需要搭建了电液比例阀加载系统。 ( 3 ) 对比例溢流阀加载系统和比例节流阀加载系统实现加载的原理做了阐述，并对 加载系统的核心元件一比例溢流阀和比例节流阀的结构和工作原理，以及性能做了详细 1 8 长安大学硕士学位论文 的阐述和分析。 ( 4 ) 对两个加载系统做了比较。 1 9 第三章电液比例加载系统数学模型的建立 第三章电液比例加载系统数学模型的建立 3 1 建立电液比例控制系统数学模型的方法和步骤 我们需要建立的电液比例溢流阀加载系统和电液比例节流阀加载系统都属于闭环 控制系统，为了更好地研究输入信号和输出信号的关系，以及更好地对控制策略进行研 究，我们需要建立两个系统的数学模型。 建立闭环控制系统的数学模型，就是求出系统的传递函数，是闭环控制系统设计的 关键内容。传递函数是设计人员分析、校核系统静态、动态、稳定性性能和进行系统校 正的依据【1 0 1 。 总的来说，建立电液比例控制系统的动态数学模型可以按照如下步骤进行： ( 1 ) 根据拟定的系统方案和参数估算的结果确定组成系统的各个环节( 如信号发生 装置、比较环节、反馈环节、执行元件、负载、控制放大器和比较控制元件) 。 ( 2 ) 按照信号在系统中的传递过程将上述各个环节依次连接起来，构成系统框图。 ( 3 ) 根据系统和选定元件对应的技术参数，求出各个环节的传递函数，并填入系统 框图，得到初步的系统传递函数方框图。 对于比例流量控制元件，它的增益是由输入输出特性( 也称为控制特性) 曲线确 定的，当流量控制元件的使用条件( 压力) 与样本上的测试条件不一致时，则要按照节 流n 口的流量一压力特性表达式吼= 剧卸进行换算，求得比例控制元件在实际系统 中的增益。这也是比例控制系统参数计算的重要内容【1 1 】。 ( 4 ) 对初步获得的传递函数方框图进行分析与校核，若结果满足要求，数学模型便 可基本确定。若结果不能满足要求，则要进行校正。 3 2 电液比例溢流阀加载系统数学模型的建立 针对电液比例溢流阀加载系统，为了能够更好地对所加载荷进行控制，需要研究输 入的电信号与比例溢流阀阀口压力之间的关系，以及与二次元件输入轴上的扭矩t 之间 的关系，以此关系作为参考，我们就可以根据需要，调整电信号的大小，来调节二次元 件输入轴上扭矩的大小，满足我们各种工况的加载要求。 首先建立起比例溢流阀加载系统控制原理的基本组成框图： 2 0 长安大学硕士学位论文 图3 1电液比例溢流阀加载系统基本组成框图 3 2 1 比例溢流阀数学模型的建立 ( 1 ) 比例放大器的数学模型： 比例放大器在这里主要实现的是将输入的电压信号转变为电