（机械电子工程专业论文）新型数字同步阀及其在同步系统中的应用研究.pdf

江苏大学硕- - k - 学4 i - e e - _ 空_ 摘要 同步阀是一种结构简单、工作可靠、造价低廉的液压同步控制元件。由于 同步阀固有的缺陷，其同步精度不高，使用范围也受到限制，无法解决液压同 步系统中高精度控制问题。 为此，文中首先对一种新型的数字同步阀进行了理论分析。该阀充分利用 了直接数字控制的突出优点，由步进电机驱动，直接接收数字信号实现控制， 并适用于闭环控制系统，其结构新颖，抗干扰能力优越，控制灵活可靠。 其次，文中介绍了该阀在双缸同步系统中的应用，剖析了其工作原理。在 此基础上，建立了同步系统的数学模型，同时，运用现代控制理论建立了线性 化的仿真模型，利用m a t l a b 进行动态过程的数值仿真，并绘制成时间响应曲 线，对仿真结果作了定性分析。 最后，讨论了数字同步阀中步进电机的选择问题，并介绍了同步控制系统 的硬件构成和软件设计。 本文的工作为该数字同步阀的研究及其应用打下了一定的基础，也为后续 的数字阀为控制元件的产品完善作了前期准备。 关键词t 同步阀，数字控制，步进电机，液压同步系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s y n c h r o n o u sv a l v ei sat y p eo fc o m p o n e n t st h a th a v es i m p l es t r u c t u r e r e l i 曲l e c a p a b i l i t ya n dl o wp r i c ei nh y d r a u l i cs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m f o ri t sc o n n a t u r a l l i m i t m i o n ，t h es y n c h r o n o u sp r e c i s i o ni s n o th i g h ，i t sl , l s ei s l i m i t e d ，s ot h a tt h e p r o b l e mo f h i g hs y n c h r o n o u sp r e c i s i o ni sn o ts o l v e d f i r s t l y , t h i st h e s i sm a k e sar e s e a r c ho fan e wt y p eo fd i g i t a lv a l v ei nt h e o r i e s t h ed i g i t a lv a l v ew i t hs t e p p i n gw o r k i n g m o d e ，h a sa d v a n t a g e so fd i g i t a lc o n t r 0 1 i t r e c e i v e st h ed i g i t a ls i g n a lt oa c h i e v et h ef e e d b a c kc o n t r o ls oi ti sa p p l i e dt of e e d b a c k c o n t r o ls y s t e m a n di th a sn o v e ls t r u c t u r e ，e x c e l l e n ta n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t y , f l e x i b l e a n dr e l i a b l ec o n t r o l p e r f o r m a n c e s e c o n d l y , i ti s i n t r o d u c e dt h a tt h en e w - t y p e dd i g i t a lv a l v ei s a p p l i e dt o t h e d o u b l e c y l i n d e r e ds y n c h r o n o u ss y s t e m t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ei sa n a l y z e d t h e n ，a m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h i s v a l v ei se s t a b l i s h e do nt h i sb a s e al i n e a r i z e d s i m u l a t i n gm o d e li ss e tu pw i t hm o d e mc o n t r o lt h e o r ya n dt h ed i g i t a ls i m u l a t i o no f t h ed y n a m i c p r o c e s si sc a r r i e do nb ym a t l a b t h e r e s u l t so f t h e d i g i t a ls i m u l a t i o n a r ed r a w ni nt i m e p r o c e s sd i a g r a mo f c u r v e sa n dt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i si sm a d e l a s t l y , t h es e l e c t i o no fs t e p p i n gm o t o rf o rd i g i t a lv a l v ei sd i s c u s s e d ，a n dt h e d e s i g n a t i o n o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f s y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n g s y s t e m i s i n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n t so ft h i s d i g i t a ls y n c h r o n o u sv a l v ea n dt h ea p p l i c a t i o nt o h y d r a u l i cs y n c h r o n o u ss y s t e mc a nb ef o u n d e do nt h e s er e s u l t s a n di ti sr e a d vf o r t h e p e r f e c f i o no f t h ed i g i t a lv a l v e k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u s v a l v e ，d i g i t a lc o n t r o l ，s t e p p i n g m o t o r , h y d r a u l i c s y n c h r o n o u ss y s t e m i i 、躅8 1 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于 ，在年我解密后适用本授权书。 不保密囹 学位论文作者签名：搿z 复 v 州、年；只| 9b 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：趔篡互 日期：年月肛日 江苏大学硕士学位论文 符号对照表 4 一补偿阀芯下端承压面积，。 a 。，一左右油缸压力腔承压面积，m 。 a 。，左右油缸有杆腔承压面积，”2 。 b 一阀芯运动粘性阻尼系数，n m 且一活塞i 运动粘性阻尼系数，n m ，一滑阀流量系数 c 岛一锥阀流量系数 d l 一主阀芯通道直径，m d z 一补偿阀阀座通道直径，。 只一有摩擦力等因素引起的阻力， e ，一左右侧补偿阀芯稳态液动力， g 一重力加速度，r i g s 。 也一补偿阀弹簧刚度，n m ”7 一运动件质量，它等于补偿阀芯质量加上补偿阀弹簧质量的三分之一，堙 五一油缸f 运动件质量，堙 ”一输入脉冲数 只一油源压力，p a 只，匕一分别为左右补偿阀控制腔口，d 2 的油液压力，p a 只，一分别为左右负载腔6 j ，b 2 的油液压力，p a 只一为弹簧腔的油液压力，较大负载腔的压力，即只，较大者，p 口 v 江苏大学硕士学位论文 只。一无杆腔的油液压力，p a 只一左右油缸有杆腔的回油压力，p a q ，见，如一分别为油源流量和通往口，、日2 两油室的流量，m ，s q ，如一流出油室口z 、2 通向负载腔6 j 、b 2 的流量，m ，s ，一需要的驱动转矩，n m 乃一负载转矩，n 。 一惯量所产生的转矩，n 。 r 一丝杆的导程，m 一油源进口到同步阀主阀芯中间台肩部分的容积。m ， v o 一油室口，、d 2 的容积，m 3 k 。一无杆腔与管道的容积，一2 3 民一左右油缸有杆腔的容积，m 3 砀，x x 。一分别为补偿阀弹簧预压缩量，左、右补偿阀芯开度，m 一左右油缸活塞的位移，m 工，一主阀芯的位移，m x 肿一主阀芯位于中位时，一次节流口的单边开度，m d 一补偿阀阀芯下部的半锥角，弧度 屈一油液体积弹性模量，p 口 p 一油液密度，k g m 3 0 一步进电机转角，度 i = 1 , 2 v i 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着航天航空技术和现代机械加工业等的发展需要，越来越多的各类金属加工设备、 冶金机械、工程机械及航天与航空驱动装置等对高精度的位置同步控制技术的需要正日益 迫切。其中，液压位置同步控制占据了非常重要的地位i 】j 。这是因为同其它同步控制方式 相比，液压位置同步控制具有结构简单、组成方便、易于控制和适宜大功率场合的特点。 尤其是随着现代控制理论及计算机控制技术的发展和与之融含，液压同步控制在许多要求 同步控制的各类主机上都得到了应用。为此，有关同步控制元件，诸如同步阀等的性能提 高和新型阀的开发研究，以及有关液压位置同步系统中最为典型的电液同步系统的高精度 同步控制问题的研究，也就成为人们关注的热点之一。 1 1 电液位置同步控制和面临的主要问题 1 1 1 电液位置同步控制的基本概念 电液位置同步控制是液压位置同步控制中最为典型的一种类型，同时它也是目前得到 应用最多的一种形式。所谓液压位置同步控制，即是借助以流体( 液压油) 为工作介质来 传递、分配和控制能量的液压系统，使得两个或多个被控对象的输出位移保持相同。电液 位置同步控制则是利用以电液控制元件等组成的电液控制系统来实现被控对象的输出位 移相同，实现位胃同步控制任务的电液控制系统习惯上被称之为电液位置同步系统，而它 又往往是闭环的。 在电液位置同步系统中，尤以电液伺服阀和电液伺服变量泵等组成的电液伺服位置同 步系统和以电液比例变量泵等组成的电液比例位置同步系统在实际中应用最多。八十年代 以来，电液数字阀和电液数字变量泵得到较大发展，电液数字位置同步系统的使用也日渐 增多【2 】【3 】。 一般来说，电液伺服阀控制精度高、响应快，但造价高、抗污染能力差，因而由它组 成的电液位置同步系统主要适用于要求高同步精度的场合。尽管电液比例阀的频率响应 低、精度低，但因其造价偏低、抗污染能力强、其它性能也良好，所以由它组成的电液位 置同步系统已大量用于系统频率响应适中而需要较高同步精度的场合。而相比之下，有各 种电控变量泵组成的电液位置同步系统实质上都属容积式液压控制系统，因而它效率高， 但响应慢，适用于大功率和系统频响不高的场合。 1 1 2 电液位置同步控制的实际应用 目前，电液位置同步控制在包括航空航天设备、各类金属压力加工、冶金设备和工程 机械等在内的很多技术领域都得到了实际应用。 ( 1 ) 液压折弯机是采用电液位置同步控制技术的一种通用的金属板料折弯机械 4 1 a 1 1 6 。 江苏大学硕士学位论文 它的用途就是能在常温下利用简单模具将板科弯成各种型材和构件，以供汽车、船舶、飞 机及家电制造业的需要。为保证板料折弯成形的质量，其关键就在于控制推动活动横梁运 动且布置于横梁两端的两个液压缸保持位置同步运动。现在对于重型液压折弯机或同步精 度要求较高的小型液压折弯机，一般均采用电液伺服阀或电液比例阀组成的电液位置同步 控制；而对于大型液压折弯机，则多使用电控变量泵等组成的另一类电液位置同步系统【4 】。 ( 2 ) 与折弯机相比，卷板机则是以弯卷圆筒或锥形壳体为目的的主要加工设备。它在 锅炉、压力容器及建材机械制造中有着广泛的应用。为使钢板弯曲到规定的形状，则要求 卷机上的活动辊升降时，其两端支承架精确同步。对此，现在已采用电液位置同步控制来 实现两支承架的同步运动【7 j 。例如在文献1 7 】中就介绍了种多缸同步跟踪随动系统( 亦即 电液位置同步系统) 来达到卷板枫的同步控制目的。该系统的主要特点就是靠各缸相互跟 踪、小流量补油来实现平稳的同步控制。 ( 3 ) 液压机是另一类普遍采用电液位置同步控制技术的金属成形加工设备。其中汽车 纵粱液压机是汽车制造行业必不可少的大型设备之一。该机一般使用多个液压缸并联工 作，因此，各液压缸的位置同步驱动就成为其技术关键。现在多采用以电液比例元件等组 成的电液位置同步系统来实现多缸的同步运动吲。如国内研制的3 0 0 0 0 k n 和3 5 0 0 0 k n 两 种汽车纵梁液压机均采用了此技术【9 l 【1 0 】。其中前者采用了以电液比例阀等元件组成闭环调 速系统来实现整机的各缸位置同步，而后者则使用电液比例变量泵等元件组成的电液位置 同步系统来实现液压机的同步驱动。另外文献】也提出了种使用单片机系统控制两台油 压机同步工作的电液位置同步控制方案。而在文献【1 2 j 中则对2 1 6 0 0 0 k n 电缆压铝液压机 的电液位置同步控制系统作了详细介绍。 ( 4 ) 工作平台的顶升与下降，以及大型设备的提升也是应用电液位置同步控制较多的 场合。如文献【1 引和【1 4 j 所介绍的胜利二号钻井平台的四缸同步驱动就是一个典型的例子。 该平台分内、外两层，要求通过分别将内、外船体平台交替地同步顶升与降落，并由牵引 缸牵引来完成内外船体平台交替地前进。由于该平台之大，完成这一工作的难点主要在于 内、外船体平台是否能很好的同步上升与下降。为此，在文献【l4 】中采用了由电液比例变量 泵、自整角机作为误差检测装置组成的四缸电液位置同步系统，保证了四个顶升缸同步跟 踪指令信号，较好地实现了内、外船体的同步升与降。而文献【”1 中则应用磁尺位移传感器 及电液比例变量泵等组成的电液位置同步系统，并借助计算机控制实现了四缸同步运动。 文献l l 5 j 对泵控多缸同步系统建立数学模型，进行了动态分析，并提出了同步系统模拟试验 和计算机在线检测的新方法。 此外，文献0 6 中介绍 e 块双层升降舞台的电液位置同步系统，文献中介绍了同步 系统在双缸液压电梯中的应用。而在文献【1 8 】1 1 9 ) 1 2 0 ) 中则对大型结构件的电液位置同步提升技 术做了介绍除上述应用实例外，电液位置同步控制还在旋压机【2 ”、连铸设备【2 2 】、大型电 液伺服飞行仿真转台和航空航天驱动装置1 2 3 1 1 2 4 】上得到了应用。 一2 一 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外同步阀研究现状的分析与评述 1 2 1 同步阀的种类及应用 众所周知，同步阀又被称之为分流集流阀，其主要作用就是能自动分配从油源进入两 个或多个液压执行器中的油液流量( 或是集合来自两个或多个液压执行器中的油液流量) ， 使得液压执行器保持位置同步或按一定比例关系运动，事实上，同步阀也就是一种流量自 动分配装置。 对国内外现有产品，从实现功能上可以将同步阀分为分流阀、集流阀、分流集流阀、 可调式分( 集) 流阀；而从结构形式上又可以将其区分为滑阀套筒式和挂钩式两种【2 ”。这 里，可调式和自调式分( 集) 流阀是分别将其的次节流口做成了可调式和自调式结构。 从控制原理上看，上述同步阀都是利用负载压力反馈来补偿因负载压力变化所引起的 流量变化，它们实质上都属“压力反馈间接补偿流量”的一类流量分配阀。为了便于 区别，在本文中则将一次节流口为固定式结构的单级同步阀称之为“常规同步阀”。分( 集) 流精度或分( 集) 流误差是衡量同步阀性能好坏的重要指标。 与电液伺服阀等控制阀类相比，同步阀由于其结构简单、功能单一，自问世以来已经 在许多同步精度要求相宜和适中的开环液压位置同步系统中得到了广泛应用。这是因为由 同步阀等组成的丌环液压位置同步系统与由电液伺服阀或电液比例阀等组成的闭环电液 位置同步系统相比，前者具有系统简单、维护方便、使用可靠、造价低廉的优点。然而， 因为现有同步阀固有的缺陷使得它的分流精度不高，所以就导致它所控制的液压执行器的 位置同步误差大，也就大大限制了同步阀的实际使用范围。另外，这种类型的阀还不能实 现电控制。这些是在高精度同步控制中继续使用同步阀所必须要解决的问题。 1 _ 2 2 国内外同步阀的研究现状 为了提高常规同步阀的分流精度，丰富其功能和扩大其应用范围，自七十年代以来国 内外的众多学者和专家都做了大量的工作。可以说，二十多年来对常规同步阀的改进及有 关新型同步阎的开发研究工作就一宣未有中断。 在同步阀的研究方面，外国人中应推t a n g e r ( 1 9 7 2 年) 的工作较早【2 6 】。在文献 2 6 中，他 提出了在常规同步阀基础上配带上一旁路泄油口结构的分流阀。显然，该阀的分流精度提 高是一旁路泄漏损失为代价的。因此，它的使用范围受到了限制。 1 9 7 9 年加拿大的k w a n 等人对常规分流阀分析研究的基础上指出：增大分流阀阀芯的 有效面积，将明显减小分流误差【2 7 1 。为此，他们设计了一种借助于机械反馈连接的两级滑 阀分流阀。其目的就是通过用补偿柱塞来增加主阀芯的有效面积，以此来减小阀的分流误 差。理论分析与实验表明该阀在较大的压力和流量范围内的分流误差不大于1 。然而， 此阀结构复杂、制造成本高，因此，它未能在实际中得到推广使用。 之后，c h a n 等人( 1 9 7 9 年、1 9 8 0 年和1 9 8 1 年) 又扩展了k w a n 等人的工作30 1 。他 们的主要贡献是对常规滑阀型分流阀的静态特性进行了细致的理论分析，找出了影响分流 江苏大学硕士学位论文 精度的主要原因在于作用在阀芯上的液动力和摩擦力：并建立了减小分流误差的设计准 则。另外，他们也是首次借助于计算机对分流阀的分流精度进行了预测。在理论研究的基 础上，c h a n 等还设计了一个具有特殊阀口结构的高精度单级分流阀。正是利用了这一特殊 的阀口减小了作用在阀芯上的液动力，使该阀达到了9 8 的分流精度。 1 9 8 1 年美国人h e l l s t e m 也撰文着重分析了滑阀式分流阀在使用过程中会发生的故障 及导致故障的原因，并提出了两种解决的办法口“。 从1 9 8 8 年起f e d o r o f f 等人开始关注分流阀的动态特性对阀的分流精度的影响 3 2 3 3 】。 文献 3 2 1 中指出：在多数应用中负载是动态变化的，因此，人们能够评价同步阀的动态及静 态性能是重要的。为此，他们对一种常规分流阀的动态性能进行了研究，主要涉及阀的广 义建模和仿真，并用大量的实验工作用于辨识相关工作参数和验证仿真的结果。他们的研 究初步表明：如果能够减小阀的过渡过程，则阀就能承受较高频率的负载干扰。由此可见， 减小常规同步阀的过渡过程是重要的。 另外，f e d o r o f f 等人也在文献【3 3 】中对一种自动调节高精度分流集流阀的动态性能进行 了深入研究，不仅提出了阀的一种线性化模型，而且利用键和图技术建立了阀的一种较复 杂的模型。他们的研究重点主要是在于分析当工作流量发生大范围变化时这种阀的性能， 以及该阀在分流和集流工况下的性能差异原因。 与此同时，自七十年代中期以来，在国内也有许多学者和专家致力于同步阀的研究。 如倪兆铭、何存兴与1 9 7 5 年就较为系统地提出了分流阀设计的若干理论问题 3 4 】。他们在 对常规分流阀工况分析的基础上，给出了分流阀设计的固定节流孔和可变节流孔的设计准 则，此外，还深入探讨了固定节流孔的压差、液动力等对分流精度的影响。应该说他们的 研究结果是很有意义的。 为了克服常规同步阀一般要求通过阀的流量相对恒定的缺点，杨世祥于1 9 8 0 年设计了 自调式和可调式两种同步阀，大大改善了同步阀的使用性能，扩大了其应用范围瞰1 。据文 献口5 】报道，所设计的自调式同步阀，当通过它的流量在1 0 - - 6 0 1 m i n 的范围内变化，偏载达 1 5 m p a 时，阎的分流误差为1 3 。这两种阀正是分别在常规同步阀上增加手调装置和 自调装置构成的。 1 9 8 4 年，张运祺研制了一种新型液压分流集流阀f 3 6 1 1 3 7 1 。该阀采用了“外配阀外置唇边 活塞式”结构，主要用来减小对阀的静、动态性能的影响，阀的分流和集流误差不超过i 5 。 另外，他还对几种结构的分流阀和分集流阀的结构特点及性能做了系统的对比研究【3 8 1 。这 以后，张本人在原有研究的基础上也研制了种自调式分集流阀【3 9 】，并且还对一种分集流 的动态性能进行了理论分析和数字仿真研究【4 0 1 ，为预见阀的性能和有关参数的选择提供了 依据。 除上述学者和专家的工作外，任锦堂等在t 9 8 7 年就明确提出了分，集流阀的优化设计 思想1 。他们在建立分集流阀优化数学模型的基础上，通过对优化设计方法的合理选择， 对一种常规同步阀进行了优化设计。但值得一提的是，这种优化设计是一种静态优化法， 所得到的优化参数可能是局部最优而不是全局最优。 - d 一 江苏大学硕士学位论文 随后在1 9 8 9 年，姚丁曦、周庆熊研制了一种“分流量检测误差反馈先导控制” 的分集流阀，此阀的分流误差可控制在1 以内1 4 2 】。然而分析其原理会发现，该阀仍然属 于“间接补偿流量”原理的一类同步阀。所不同的是它不进行压力检测与反馈，而是进行 流量检测，并把检测到的两个分流量的误差以位移力反馈的形式反馈至先导控制级， 进而由先导级输出的压力差信号控制主阀的运动，以达到主阀分流量相等的目的。另外， 该阀的结构也是复杂的。 进入九十年代，周文等对一种带有先导控制级的新型分流阀进行了理论分析与实验研 究 4 3 1 1 4 4 1 。他们的研究证明：这种带有先导控制级的分流阀与常规同步阀相比，在容许的误 差下，前者的流量范围要宽，并且前者的分流精度高、初始流量超调小；其缺点就是存在 先导控制流量的损失，而且还不能作为集流阀使用。陈寿富等对液压同步回路中的分流阀 建立了数学模型，分析其动态性能，探讨了阎芯与阀体之间间隙等几何尺寸对其性能的影 响程度和稳定工作的条件1 4 “。 1 2 3 现存的主要问题 综上所述，国内外已有许多学者和专家在同步阀的性能改善与提高，以及新阀的开发 研究上都做了许多工作。总结这些工作，可以将它们归为下列三仑内容，即： ( 1 ) 理论上深刻揭示了影响常规同步阎分( 集) 流精度提高的主要因素： ( 2 ) 依据常规同步阀开发研制了多种新型较高精度的同步阀； ( 3 ) 乖l j 用计算机仿真技术探讨了提高同步阀静、动态性能的可能途径。 然而，当人们回顾这些己有的研究工作并不难发现，尽管人们对同步阀进行过大量的 富有成效的工作，但是由于这些工作并没有真正涉及到同步阀原理和功能上的彻底变革， 所以也就不可能消除同步阀因其工作原理的固有特性所引发的动态误差、积累误差。另外， 怎样用同步阀去实现液压执行器的高精度电闭环同步控制问题还一直未获得很好的解决。 本文认为现存的主要问题在于： ( 1 ) 现有研究工作都是围绕着如何提高常规同步阀的分( 集) 流精度而展开的。这其 中，虽然从理论上分析与探讨了影响这类阀分( 集) 流精度的主要原因，又从结构上采取 措施，开发了包括可调式和自调式同步阀在内的较高精度的同步阀，但是归根结底，在阀 的控制原理上未有突破，这些阀仍然属于“压力反馈间接补偿流量”的一类同步阀。 因此，如果不采用新的补偿办法或在阀的控制原理上有所变革，企图欲使此类同步阀获得 更高的分( 集) 流精度，是有局限性的。 ( 2 ) 现有同步阀都还是仅具有单一控制形式的开环控制阀。即它们在液压位置同步系 统中仅仅是依据自身的分( 集) 流精度来完成对两个或多个液压执行器的速度与位置的开 环同步控制，而不能实现对液压执行器的电闭环位置控制。这样即使现有同步阀有很高的 分( 集) 流精度，但是由于液压系统的泄漏和其它各种扰动都会造成液压执行器的速度、 位置的不同步。这也正是许多需高精度位置同步控制的主机上都普遍采用价格比较昂贵的 电液伺服阀或电液比例阀的原因所在。 ( 3 ) 已有同步阀只能作为单一的流量分配阀使用，而不能像调速阀或节流阀那样能够 一5 一 兰茎垄堂堡主兰堡垒墨 _ 一 。 根据需要对迸( 出) 液压执行器的流量进行调节。所以，对大多数有变速且需位置同步控 制要求的工作主机而言，势必就要在同步阀的基础上再增加调速阀或节流阀来共同担当此 任。这样就必然要相应加大主机的构成成本和增加了控制与调节的复杂性，给实际应用增 添了难度。 上述问题的存在，严重地妨碍了现有同步阀在当今同步控制精度要求越来越高、功能 要求愈加丰富的主机上的应用。同时，这也给深入开发研究新原理、多功能的新型同步阀 留有了广阔的空间。 1 3 数字阀的研究现状的分析与评述 1 3 、1 数字阀的种类及其控制系统 随着电子技术的发展和计算机技术的广泛应用，液压元件及其控制系统也向着数字化 方向发展，数字阀这种液压元件已逐步进入工业部门用于控制机械设备。数字阀种类繁多， 它是各种液压阀与步进电机进行组合形成的一种新型液压元件或者是高速开关与液压阀 的结合。数字阀的结构形式见诸于世的已有多种，按阀芯结构有转阀和滑阀之分：按工作 过程有单级、双级之分；按反馈形式有位置直接反馈和电反馈等。 由数字阀组成的液压控制系统、或对数字阀的控制，归结起来，主要是对步进电机和 高速开关的控制，在各类单片机广泛应用的今天，采用单片机系统控制数字阀已成为一个 方向。目前，对数字阀系统的控制，按工程应用主要有开环与闭环两种形式【4 。 1 3 1 2 国内外数字阀的研究现状 为了适应机电技术的高度综合以及机电一体化技术的发展，对数字阀的研究及应用开 发也在深入进行。自八十年代以来国内外的众多学者和专家都做了大量的工作。可以说， 二十多年来对数字阀的开发研究工作硕果累累。 上世纪八十年代初期，r o b i n s o 在文献【4 ”提出了电液阀的数字控制思想，标志着一种新 颖的数控液压元件数字阀的诞生。1 9 8 6 年，骆涵秀在文献1 4 8 】中介绍了数字式电液控制 系统和元件，为后人设计数字阀的提供了参考。 1 9 9 1 年，蒋晓夏、刘庆和对数字式溢流阀进行了研究1 4 9 】；赵颖初、奚福明于1 9 9 2 年 在文献【5 0 】中提出了数字式调速阀。同时，数字方向流量阀在市场上也有产品出现。康大增 5 l j 研制出了锥阀式数字压力阀，其专利号为f 1 5 8 8 5 1 0 2 7 9 0 。 1 9 9 1 年，王少丹、骆涵秀对脉宽调制式数字调压阀系统进行了初步研究【5 2 1 。近年来， 国内外已就数字式调压阀做了大量的研究，并有不少成功试制产品。但我国数字调压阀的 研究仍处在起步阶段。离普及应用尚有较大的距离。数字调压阀的结构设计还不尽合理， 对数字式调压阀的分析尚没有直接、完备的数学模型，对调压阀各种静动态特性的分析大 都只能通过试验来进行。陈锦耀等在文献【5 3 】中提出了一种新的数字调压阀节流机构孔 交叉式节流机构，在对普通电磁调压阀静动态特性分析的基础上，建立了数字调压阀的传 江苏大学硕士学位论文 递函数模型。这一模型可作为数字调压阀设计过程中性能分析和参数优化的依据以及控制 系统设计的参考。 1 9 9 9 年，北京的航天工业总公司院第11 研究所研制了数字量调节阀p 。其可以不 经过数模转换的中间环节接受电子计算机发出的数字量脉冲信号，并按其指令实施开关动 作。它既可以直接由电子计算机按预定程度进行开环调节，又可以接收电子计算机发出的 脉冲信号指令实施闭环调节。其动力装置采用步进电机，由于传动系统和执行机构不同， 运动形式分为直线性和旋转性。上述两种运动形式的数字量调节阀，其专利号分别为 z l 8 5 2 0 4 3 5 5 和z l 8 8 2 2 1 1 9 0 0 。张国臣通过液流试验作出了直线型和旋转型数字量调节阀流 量特性曲线和误差值分析，检测了调节阀的调节特性和调节精度。然而，该调节阀一般只 在流量较小，压差较小情况下使用。 数字阀中的另分支高速开关数字阀，由于具有较高的开关速度、结构简单、抗 污染、抗干扰能力强，并且易于和计算机相联，可以利用软件伺服来取代昂贵的机械构件， 实现数字式电液控制。这必将使复杂的传动回路得以大大简化，使得控制过程简单灵活。 所以说将高速开关数字阀与计算机相结合实现电液系统自动控制，是今后液压控制系统的 发展方向之一。数字阀可以直接接收数字信号，是计算机与液压系统之间的桥梁，通常阀 工作在“o n ”和“o f f ”两种状态下。它利用液压系统的低通滤波特性，但阀的阻尼以及 阀芯相对于电信号晚应滞后的特征，开关阑有一定的工作死区，而对于一个阀控制系统， 阀的死区能否得到有效的补偿，直接关系到系统的定位精度及稳定性。对此一些学者也提 出过一些有效的措施，但多集中在数字润元件上，如研究高性能的开关数字阀，改善阀的 结构和数字放大器。力求缩小数字阀的切换时滞，或对阀的滞后时间通过测定后进行附加 脉宽补偿。以消除阀响应死区的影响。但这一方法在实际实施中较为困难，考虑到高速开 关阀数字系统采用的软件伺服这特点，朱建公从系统的角度研究了回路形式和控制方 法，基于这一观点，他在文献【5 州中提出一种通过联合p w m 控制提高系统精度的方法及其 系统构成。 另外，文献【56 l 对数字伺服阀进行了频域分析；文献【5 7 1 介绍了一种数字化阀门执行机构。 1 3 3 现存的主要问题 电液数字阀具有许多优点，如对负载变化、各种干扰以及非线性因素不敏感等。其最 大优点是可利用单片机，通过编制合适的软件直接控制，实现对液压执行机构的直接数字 控制，它不必再编码与模拟量之间作往复转换，也无需采用昂贵的线性放大器，而成本大 为降低：可靠性与静态控制精度得到提高，这在开环系统中更为突出。 然而，人们不难发现，对于由步进电机与液压阀进行组合形成的数字阕，步进电机与 液压阎之间的耦合接口方式就成为设计先进新型数字阀的关键。而高速开关数字阀的死区 问题也直困扰着众多学者。数字式同步阀目前还没有相关报导，这说明把常规同步阀与 步进电机完美耦合，一种新型的同步系统液压执行元件的问世，它有望解决以往电液同步 系统的高精度问题，这正是本文作者选题所要研究的。 江苏大学硕士学位论文 1 4 选题的意义与目的 从上述对电液位置同步控制的应用以及国内外同步阀、数字阀研究存在的主要问题的 论述中不难看出： ( 1 ) 作为同步控制元件的现有同步阀不可能满足高精度液压同步系统的需要。之所以 如此，是因为现有同步阀分( 集) 流精度不高、控制功能单一和不能实现电闭环控制。因 而，开发新型高精度、多功能的同步阀对于液压同步控制的多层次复合控制及高精度需要 都是有积极意义的。 ( 2 ) 数字式同步阀的开发及其控制的研究的前景是光明的。 正是基于上述的观点，本文选择新型数字同步阀的开发研究及其在位置同步系统中的 应用研究作为研究课题，其目的就是要： ( 1 ) 开发一种具有闭环控制功能的全新意义的同步阀，即该阀具有通过阀本身电闭环 补偿来实现同步系统的高精度位置闭环控制的作用，从而为电液位置同步系统提供了新的 控制元件和控制方式； ( 2 ) 以提高位置同步系统的控制精度为主要目标，分别从理论仿真和实验准备两方面 为数字同步阀在位置同步系统中的应用做前期探讨。 因此，可以说选择这样的研究课题，不仅具有理论意义，而且也有着很大的工程实际 意义。这正是本文选题的出发点。 1 5 主要研究工作 围绕选题，本文的主要研究工作在于： ( 1 ) 基于新型数字同步阀的非线性模型，对具有闭环控制功能的新型数字同步阀的性 能进行了分析与研究，并对性能进行了理论分析与仿真研究，为阀的结构参数设计、性能 的改进与提高提供了理论依据。 ( 2 ) 建立了基于新型数字同步阀同步回路的数学模型，并用现代控制理论状态空间法建 立了其仿真模型，并用数字仿真方法对其动态性能及分流误差作了分析，分析表明基于数 字同步阀的双缸位置同步系统不适宜工作于开环状态，需要电闭环控制。 ( 3 ) 对数字同步阀中步进电机的选择作了较详细的讨论，并对基于数字同步阀的同步 系统软硬件设计作了有益的构思。 江苏大学硕士学位论文 第2 章新型数字同步阀的原理、结构及理论分析 新型数字同步阀的结构设计及静态分析参阅文献匏】。鉴于篇章的连续性及完整性，本 章首先对可进行闭环同步控制的新型数字同步阀的构想及其工作原理做了简明的介绍，接 着建立了其的数学模型，对其结构参数对理论分流误差的影响作了较系统的仿真分析，为 其进一步研究提供了理论参考。 2 1 引言 机械工程中，应用多缸液压同步控制的场合很多，但要保证两个或两个以上液压执行 机构的绝对同步或严格的速比是非常困难的。在有同步要求的场合，工程上目前应用最广 泛的方法就是采用同步闽( 分流阀) ；然而，由于目前可供选用的同步阀不具备对系统闭环 控制的功能，即使它自身制造精度及分( 集) 流精度都很高，但由于实际液压系统的复杂性， 泄漏、摩擦及其它因素的干扰都会造成被控对象速度不同步及位置不同步，而这种不同步 现象不是靠仅具有自身压力反馈功能的传统同步阀能解决的，因此限制了同步阀的广泛应 用。如果能开发一种能用数字闭环控制的同步阀，一方面能结合计算机控制技术，直接用 数字量实现控制，另一方面能使阀工作于闭环液压同步系统中，通过闭环补偿来实现液压 执行器位置的高精度控制。这样不仅可以实现运用同步阀的同步回路的闭环控制，而且可 以取代一部分由昂贵的液压伺服阀组成的同步控制系统。 迄今为止，国内市场上提供的分流阀产品由于完全依靠阀本身的精度来控制执行元件 的同步驱动，雨不对执行元件进行检测与反馈，所以很难消除或抑制各种影响因素。因此， 本文把数字技术和液压技术结合起来，利用各自的优势开发新型的液压元件一数字同步 阀- 在该阀的设计中采用了“阎体自身负载反馈一系统大回路状态反馈”的思想，进行了 理论分析与探讨。 2 2 基本工作原理 新型数字同步阀与传统同步阀的不同之处在于，它不是按照传统的设计思想中使两出 口流量相等来达到两液压执行器位置的同步，而是直接以被控对象的位移差、速度差为反 馈信号来调节两个一次节流口的流量，因而不断消除动态误差和积累误差，使两液压执行 器位置同步。这样，液压系统的泄漏、负载变化、各组成部分的制造和安装误差等影响因 素就可以得到很好的抑制和消除，形成了全闭环控制系统。 应用这一原理设计的鄹步阀装置，在内部形成了一个负载压力反馈，就有可能大幅度 江苏大学硕士学位论文 降低因偏载引起的分流误差。其工作原理如下： 该阀用步进电动机作先导驱动元件，动力通过联轴器、丝杆、螺纹板等传动装置，将 步进电动机的旋转运动转变为主控滑阀的直线运动。计算机通过驱动电路发出受控脉冲信 号，驱动步进电机转动，与其输出轴相连的联轴器带动丝杆使之随轴转动，丝杆和螺纹板 组成丝杆螺母副带动同步阀主控滑阀运动，这样便实现了步进电动机的旋转运动到同步阀 主控滑阀的直线运动的转换。为了消除步进电机工作时，由于其传动部分之间的间隙而产 生的主控制滑阀的位移误差，使用了消隙弹簧。步进电动机驱动主控滑阀运动，调节一次 节流口开度，即改变通流面积，调整两分流口的流量分配。 图2 1 新型数字同步阀液压原理图 f i g 2 1h y d r a u l i cp r i n c i p l ec h a r to f n e wt y p ed i g i t a ls y n c h r o n o u s v a l v e b i a l 图2 2 新型数字同步阀的结构原理图 f i g 2 2s t r u c t u r ep r i n c i p l ec h a r to f n e wt y p ed i g i t a ls y n c h r o n o u sv a l v e 1 步进电机及其驱动部分2 、6 补偿阀芯 3 、5 补偿阀弹簧4 梭阀 7 消隙弹簧8 阀体9 主控制滑阀 江苏大学硕士学位论文 该阀的液压原理参照图2 1 ，恒流量油源的油流q 。进入该阀，油流分别经过两个控制 油口x p l 和x 分成q 。和q 。两股油流，然后分别经过两二次节流口，输入至执行机构。 此外，还有当负载压力变化时，较大负载端的压力由梭阀选择并反馈到两补偿阀芯另一侧 的弹簧腔，引起两补偿阀芯各自移动，使二次节流口各自调整自己的开度，即调整各自的 节流压降，进而进一步调整一次节流口前后油液压差，使该数字同步阀不但根据负载压力 变化，而且同时可由系统反馈改变一次节流口的开度来实现流量分配的双重控制。这样既 可保证在执行元件静态时的同步，而且也能保证动态时能及时纠正同步误差。 图2 2 为该新阀的结构图，由图可以看出，新型的数字同步阀主要由步进电机及传动 装置1 ，两补偿阎芯2 、6 ，两补偿阀弹簧3 、5 ，梭阔4 ，消隙弹簧7 ，阀体8 及主控制滑阀 9 等主要零部件组成。 2 3 数字同步阀数学模型的建立 数字同步阀的系统框图如图2 3 所示。 图2 3 数字同步阀系统框图 f i g 2 3s y s t e mf r a m ed i a g r a mo f d i g i t a ls y n c h r o n o u sv a l v e 2 3 1 步进电机数学模型 步进电动机作为数字同步阀动力装置的最大优点是不经任何数模变换，步进电动机 直接接受电子计算机发出的数字脉冲信号，从而准确地进行右转、左转和停止等动作，无 超调和停滞。加之步进电动机本身具有控制性能好、步距精度高及没有误差积累等优点， 是数字同步阀调节系统比较理想的动力装置。 由于步进电机的固有频率要远远大于同步阀，因此在近似的动态特性分析中，可以把 步进电机的传递函数写成： q 例= 鬻= 吼 ( 21 ) o ，一步迸电机步距角，对于4 0 齿，三相六拍工作方式为1 5 度。 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 传动装置数学模型 由数字同步阀系统框图2 3 知，给定控制脉冲信号”，步进电机角位移信号0 ，5 ，为 同步阀主阀芯位移，阀芯位移和步进电机转角关系式为： x 。= 古p 。 所以，易得到传动装置的传递函数为： g 舻酱一 、 2 。3 + 3 同步阏数学模型 数学模型是进行时域特性分析计算的基础。参照图2 1 和图2 3 ，建立同步阀数学模型。 为了便于分析，作如下假设：油源为恒流源，忽略步进电机的影响，不计阀芯的自重、 瞬态液动力及阀的泄漏，左右补偿阀芯完全对称。 1 进口流量连续性方程： o , - 鳊咆：一暑鲁= 。 ( 2 3 ) 2 左、右补偿阀芯的运动力平衡方程式： 当两负载腔压力不等时，设p b l p b 2 ，得 北喝m ，) - c 山( 分剐一占鲁= m 参 亿4 1 纵骆啪一丸。a o q - x a 2 ) 一c 而( 分黝一曰鲁= m 争( 2 5 ) 式中， c 。= 2 棚l z s i n 2 c t 3 左右腔流量连续性方程： 盱4 鲁也一蚤鲁= 。 q6 一4 鲁一毒警：“ ( 2 ，) 4 各阀口流量方程： q 扩c 、( x p ，+ xp ) 再葡 q n = c 1 ( x 。- x 。) 诃两 g ，= c ：b 而丽 一1 ，一 ( 2 1 0 ) 兰莶查堂堡主芏堡堕圭 式中， r _ g 。= c ：屯：r 只：一只：， c 。= c 乳斑、2 jp ，c 2 = c q ：翮2 s i n 8 n 2 p 2 4 速度同步误差仿真分析 ( 2 1 1 ) 2 41 速度同步误差计算 根据以上的模型方程，可以得到由负载偏差以，归d 引起的速度同步误差。按速 度同步误差定义，二出口流量差与总进口流量一半的比值的百分数，可写为如下两种表达 式： 6 ：些! 二竺。d 伽 0 s q ， 或6 ：望尘二望。j d 慨 o - 5 q ， ( 2 1 2 ) 24 2 负载及主要结构参数对速度同步误差的影响 通过求解联立方程( 2 3 ) 至( 2 1 1 ) ，再代回到式( 2 1 2 ) ，即可求出随负载偏差和其它主要结构 参数变化的同步误差值6 。如果主控滑阀不动( 相当于开环) ，次节流口处于中位，即 x ，2 0 ，其仿真结果如图2 4 至图27 所示。其中，图25 至2 7 为偏载忍，一2 0 s m p o 时， 弹簧剐度、半锥角以及承压面直径与同步误差的关系曲线。 图2 , 4 是出油口压差与同步