（机械电子工程专业论文）电液比例阀控马达速度控制系统的辨识与分析研究.pdf

摘要 本文介绍了电液比例控制系统的发展、原理及研究现状。在长安大学液压实验室现 有的电液比例压力一流量控制试验台的基础上搭建了电液比例阀控马达速度控制系统试 验平台，并对其电气系统和液压系统的组成部件及其工作原理进行了详细的分析介绍。 在对系统进行动态分析的基础上建立了阀控马达速度控制系统的数学模型。对阀控马达 速度控制系统进行辨识试验，在试验中，我们用1 2 5 0 频率响应分析仪给电液比例方向阀 输入幅值不变，频率变化的正弦信号，对系统进行频率特性测试，并采用最小二乘曲线 拟合法对系统进行辨识，估计出系统数学模型的参数，再分析系统性能指标。最后，采 用基于线性二次型最优控制的p i d 控制器对阀控马达系统进行校正，并通过m a t l a b 仿真，表明基于线性二次型最优控制的p i d 控制器能使阀控马达系统获得良好的控制效 果。 关键词：电液比例阀控马达， l q r 数学模型，系统辨识， p i d 控制器 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dp r i n c i p l e ，a n dp r e s e n ts t u d ys i t u a t i o no f 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 c o n t r o ls y s t e m ，p u t su pt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo ft 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 e - m o t o rs y s t e mb a s eo nt 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 l p r e s s u r e f l o wc o n t r o l l e de x p e r i m e n tp l a t f o r mt h a tn o wh a si nt h el a b o r a t o r yo fc h a n g a l l u n i v e r s i t y a n de v e r yc o m p o n e n ta n di t sw o r kp r i n c i p l eo fe l e c t r i c a ls y s t e ma n dh y d r a u l i c p r e s s u r es y s t e ma r ea n a l y z e di nd e t a i l ，e s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ev a l v e m o t o rs y s t e mb a s eo nm a k i n gd y n a m i ca n a l y s i st ot h es y s t e m t h et e x ti n t r o d u c e s i d e n t i f i c a t i o n e x p e r i m e n to fe 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 v a l v e - m o t o rs y s t e m ，i nt h e e x p e r i m e n t ，t h ea u t h o ri n p u tt h es i n es i g n a lo f i n v a r i a b l ea m p l i t u d ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c yt o 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 ld i r e c t i o nv a l v ef r o m12 5 0f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y z e r , b y t h em e a n so fc u r v ea p p r o x i m a t i o nb a s e do nl e a s t - s q u a r e ，t e s t sc h a r a c t e r i s t i co ff r e q u e n c y r e s p o n s ea n di d e n t i f yt h es y s t e mo fe 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 e m o t o rs y s t e m ，t h e n e s t i m a t e st h ep a r a m e t e r so ft h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ev a l v e - m o t o rs y s t e m t h e na n a l y s i s f u n c t i o ni n d e xo ft h ev a l v e - m o t o rs y s t e m a tl a s t ，ap i dc o n t r o l l e rt h a tb a s e do nl q r t h e o r y i s a d o p t e dt or e c t i f yt 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 lv a l v e - m o t o rs y s t e m ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l to fm a t l a b p r o v e st h a tt h ep i dc o n t r o lh a sg o o dr e s u l t k e yw o r d s ：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 e m o t o r m a t h e m a t i c a l m o d e l ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ， l q r，p i d c o n t r o l l e r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 刁担砷川年6 月g 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： z 粒丽 锈兹 砷年月g 日 杪1 年 月g 日 长安大学硕士论文 第一章绪论 1 1电液比例控制技术概述 1 1 1电液比例控制技术的形成和发展 电液比例控制技术是一门起步较晚，但发展极为迅速、应用已相当广泛的机电液一 体化综合技术。它是在以开环传动为主要特征的传统液压传动技术，和以闭环控制为特 征的电液伺服控制技术的基础上，为适应一般工程系统对传动与控制特性或有所侧重或 兼而有之的特别要求，从2 0 世纪6 0 、7 0 年代开始，逐步发展起来的流体传动与控制领 域中一个具有旺盛生命力的新分支。电液比例控制也是继电液伺服控制之后电液控制的 又一大重要进展。 现代电液伺服技术首先用于航空，继而用于一些重要工业设备的自动控制，迄今已 臻成熟。传统的电液伺服阀对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维修费用较 高，系统能耗也较大，难以为各工业用户所接受。而传统的开关控制又不能满足高质量 控制系统的要求。因此，人们希望开发出一种可靠、廉价、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。 电液比例控制技术从形成至今，大致上可划分为四个阶段【l 】： 从1 9 6 7 年瑞士布林格尔( b e r i n g e r ) 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油 研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生时期。此间，比 例技术开始在液压控制领域中作为独立的分支，并以开环控制应用为主。这一阶段的比 例阀仅仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压阀，以代替开关 电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计方法几乎没有变化，阀内不含受控参数的反馈 闭环，其工作频宽仅在l 5 h z 之间，稳态滞环在4 - - 7 之间。 比例技术的发展进入了第二阶段是从1 9 7 5 到1 9 8 0 年问。这是比例技术发展最快的 时期。此间，采用各种内部反馈原理的比例元件相继问世，耐高压比例电磁铁和比例放 大器在技术上已经成熟，比例元件的工作频宽已达5 1 5 h z ，稳态滞环亦减d , n3 左 右。其应用领域不断扩大。2 0 世纪7 0 年代后期比例变量泵和比例执行器相继出现，为 大功率系统的节能奠定了技术基础。应用领域扩大到闭环控制。 到了2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。这一阶段，比例元件的设 计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段。使阀 第一章绪论 的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了制造成本的原因，比例阀在 中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀相当。这一阶段的另一项重 大进展是比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种不同功能和规格的二通、三通型比 例插装阀，形成了电液比例插装技术。此外，由于传感器和电子器件的小型化，还出现 了带集成放大器的电液一体化比例元件。 从1 9 9 0 年至今，是比例技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项重要的新产品问 世。其一是推出了伺服比例阀( 又称高性能电液比例方向阀、比例伺服阀、闭环比例阀、 高频响应比例阀) 。这种电一机械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用伺服阀的结构 和加工工艺( 零遮盖阀口，阀芯与阀套之间的配合精度与伺服阀相当) ，解决了闭环控 制要求死区小的问题。它的性能与价格介于伺服阀与普通比例方向阀之间，但它对油液 的清洁度要求低于电液伺服阀，特别适用各种工业闭环控制。其二是计算机技术与比例 元件相结合，开发出了数字式比例元件和数字式比例系统，并形成了不同总线标准的数 字比例元件接口。 早期出现的数字比例控制产品采用脉冲控制方式，其输入信号按载频原理工作，控 制信号的频宽较模拟器件低。数字式电液控制器件的电一机械转换器主要是步进电动机 和按脉宽调制方式工作的动铁或动圈式力马达。数字阀的额定流量很小，只能用于小流 量控制的场合，如作为电液控制阀的先导控制级。 随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展，先是在比例放大器 中采用数字芯片，部分信号的处理、调整和运算采用编程手段实现。最近，电液数字控 制块、大型数字式控制系统相继开发应用，数字比例控制的产品已经由芯片级发展到了 系统级，即指令、比较、反馈、p i d 调节均由计算机系统实现。数字式电液系统实际上 是电液数一模转换系统，这项技术已日趋成熟，并形成了系列化的产品。 电液比例控制技术的应用已经相当普遍，在新系统设计和旧设备改造中正成为用户 的重要选择方案，对提高企业的技术装备水平和设备的自动化程度，发挥了极为重要的 作用。 目前，电液比例控制技术正在与新的控制策略紧密结合，表现出强大的技术优势。 并朝着以下趋势进行发展【2 】 3 1 ： ( 1 ) 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀 的性能使之适应野外工作条件，并发展低成本比例阀。 ( 2 ) 比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，此外出现比例 2 长安大学硕上论文 容积控制，为中、大功率控制系统节能提供新手段。 ( 3 ) 电子控制器向着专用集成电路方向发展，实现小型化、组合化，并达到高可靠 性目的。 ( 4 ) 电液比例阀向通用化、模块化、组合化、集成化方向发展，以实现规模经济生 产，降低制造成本，开发变量泵控制专用电液比例阀，以及阀与泵的结构性能匹配设计。 ( 5 ) 电液比例技术的主要基础元件的相互衔接愈来愈密切，零部件通用化程度不断 提高。 1 1 2电液比例控制系统的构成、分类及特点 ( 1 ) 电液比例控制系统的构成 电液比例控制系统的基本元件有：指令元件、比较元件、比例放大器、比例阀、液 压执行元件及检测反馈元件等。以上各组成部分中，液压控制元件( 如比例阀) 、执行 元件和负载的作用是密切相关的，把三者的关系称之为液压动力机构。此外，系统中还 可能含有各种校正装置，用来改善系统的动静态特性。系统可通过设置液压( 压力和流 量) 和机械参数中间变量检测反馈闭环，或者通过动力执行单元输出参数( 压力，力， 力矩，位移，速度和加速度等) 检测反馈闭环，改善其静态控制精度和动态品质。信号 处理可以采用模拟电子电路、数字是为处理芯片或微型计算机来实现。数字式集成电路 在精度、可靠性、稳定性等项均占有优势，其成本也越来越低廉，故应用日趋广泛，其 结构如下图1 1 【4 】： 指令元 图i i电液比例控制系统的框图 ( 2 ) 电液比例控制系统的分类 电液控制系统有很多分类的方法，按不同的分类方法可分成不同的种类，几种常见 的分类描述如下【5 】： 1 ) 按系统的控制方式分类，可将系统分为开环控制与闭环控制系统； 3 第一章绪论 2 ) 按系统输入信号的方式可分为手调输入式系统、程序输入式系统和模拟输入式 系统； 3 ) 按信号的连接特点分类，可分为反馈控制、前馈控制、含有反馈和前馈的复合 控制系统； 4 ) 按控制类型可分为压力控制系统、速度控制系统、加速度控制系统、力控制系 统、位置控制系统和流量控制系统； 5 ) 按控制参数可分为：单参数控制系统和多参数控制系统； 6 ) 按电液比例控制元件可分为阀控系统和泵、液压马达控制系统； 7 ) 按系统功用可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和 时变系统、确定系统和不确定系统等。 ( 3 ) 电液比例控制系统的特点： 电液比例控制系统主要有以下优点【6 l ： 1 ) 操作方便，能简单地实现自控、遥控和程控； 2 ) 工作平稳，灵敏度和控制精度较高，成效快； 3 ) 元件使用较少，结构简单，同时抗污染能力强； 4 ) 系统的节能效果好： 5 ) 可对液流的流量、压力及对执行器的方向、速度、力分别实现比例和连续控制， 并易无级调速，减少冲击； 6 ) 自动化程度高，易于实现编程控制，便于集机电液于一体化。 1 2 课题来源及研究意义 1 2 1 课题来源 长安大学液压实验室现有的电液比例压力一流量控制试验台是本课题的来源。试验 台集机械、电控、液压与仪表为一体，不仅能对泵、马达及阀单独进行性能测试，而且 对于由多元件组成的液压控制单元或系统，试验台预留了动力、控制、测试接口，以便 进行科研性试验，具有教学、科研与实用多重功能。本试验台为综合性试验装置，为机 电液控制系统、流体传动、自动控制及相关学科的科学研究提供了平台，可以在试验台 上进行多项目的若干试验。最突出的特点是，能完成工程机械中各种控制功能的模拟试 验和理论研究，填补我国阀控马达及泵控马达系统理论与性能研究的空白，为我国大功 4 长安大学硕士论文 率、高精度控制系统的研究奠定基础。本课题正是在此试验台提供的以上条件的基础上 构建电液比例阀控马达系统，对电液比例阀控马达速度控制系统进行分析研究。 1 2 2 课题研究意义 电液比例阀控液压马达是一种常见的液压动力执行元件，它的响应频率快，调节时 间短，动态特性好，效率高，尤其适用于负载进行旋转运行的场合。如雷达天线的回转 控制，车辆行走的驱动控制等。例如，最新研究的s h w 型道路高压冲洗车，采用阀控马 达驱动高压水泵的新技术，从而使车辆在变速行驶时，高压水泵的流量及压力保持稳定， 解决了传统洒水车水流量受行驶速度变化这个关键技术。可见，对电液比例阀控液压马 达系统进行分析研究具有现实意义。 本课题正是在长安大学实验室现有的试验台提供的条件的基础上构建了电液比例 阀控马达系统，使其能够对阀控马达控制系统进行试验研究，建立该系统的数学模型， 并通过试验辨识出系统数学模型中的参数，写出该系统的传递函数，可以由传递函数的 系数和我们已知的系统参数确定系统的其它参数，以便对其控制性能进行深入的分析， 使我们仿真得到的结果更接近系统的实际情况，为阀控马达的理论研究与性能分析奠定 基础。 通过本课题的研究，我们还可以扩展电液比例压力一流量试验台的功能，对此试验 台的功能进行进一步开发，使其能够进行阀控马达系统的相关试验。 1 3 本论文主要内容 搭建电液比例阀控马达速度控制系统试验平台，对该系统进行试验辨识，并对系统 进行性能分析，为满足系统性能指标要求，需要采用校正措施来改善系统快速响应能力 和系统稳态性能。论文围绕这个目的做了以下工作： ( 1 ) 对电液比例控制系统的形成、发展、分类、特点进行了详细调研； ( 2 ) 介绍了阀控马达系统工作原理，并对阀控马达试验台电气系统和液压系统的构 成、及各组成部件型号、功能等进行详细分析； ( 3 ) 对电液比例阀控马达速度控制系统进行理论分析建模： ( 4 ) 对电液比例阀控马达速度控制系统进行系统辨识试验，确定系统数学模型参 数； ( 5 ) 对本论文所研究的阀控马达系统采用了p i d 控制器对系统进行校正。 5 第二章 屯液比例阀挖马达速度控制系统试验平台 第二章电液比例阀控马达速度控制系统试验平台 2 1电液比例阀控马达速度控制系统原理 电液比例阀控马达速度控制系统结构原理如图2 1 所示。 图2 1电液比例阀控马达速度控制系统结构原理图 上图中，输入的速度指令由电压以给出。比较器用来测量输入和输出速度间的速度 偏差。输出速度由反馈转速传感器测得，再反馈至主信道。系统输入电压指令以与输出 速度反馈电压u ，之间的速度偏差电压u 。通过比例放大器放大，经电液比例方向阀转换 并输出液压能，带动液压马达旋转，从而驱动负载d s l 向着消除速度偏差的方向偏转。 当转速传感器的速度信号与输入指令一致时，始终按输入电压指令给定的规律变化。 图2 2 所示为电液比例阀控马达速度闭环控制系统方框图。 图2 2电液比例阀控马达速度闭环控制系统方框图 该系统工作原理为反馈控制原理或偏差调节原理【7 1 。这种控制系统通过负反馈控制， 6 长安大学硕士论文 因而具有自动纠正偏差的能力，可获得相当高的控制精度。但系统存在稳定性问题，而 且精度和稳定性的要求是矛盾的。 由图2 2 可知，组成电液比例阀控马达速度闭环控制系统的各基本元件及其作用如 下： ( 1 ) 指令元件 也称输入元件。它给定速度控制信号并加于系统的输入端。在有反馈信号存在的情 况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。 指令元件可以是机械的、电气的、气动的等，如靠模、指令电位器等。在我们研究 的控制系统中，指令元件是1 2 5 0 频率响应分析仪，试验过程中，由频率响应分析仪输 出速度控制信号。 ( 2 ) 比较元件 它的作用是把给定输入和反馈信号进行比较，得出偏差信号作为比例放大器的输 入。进行比较的信号必须是同类型的，比例放大器的输入量为电学量，因此反馈量也应 当转换为同类型的电学量。 本控制系统中，比较元件仍然是计算机，试验过程中，输出转速经速度传感器转换 为电压后，又经过放大器的放大和a d 转换后，作为反馈信号进入计算机，由计算机进 行比较，得出偏差信号。在我们试验中，我们研究的是开环系统。 ( 3 ) 比例放大器 由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大( 0 - - - ，8 0 0 m a ) ，而微机输出的控制 电流比较小，不足以推动电磁铁正常工作；而且偏差信号的类型或形状都不一定能满足 高性能控制的要求。所以要用比例放大器对控制信号进行功率放大和对输入的电信号进 行加工、整形和放大，使其达到电一机械转换装置的控制要求。 ( 4 ) 电液比例阀 电液控制的核心是比例阀。而在这种比例控制系统中最关键的元件就是电液比例 阀，它是将电信号转换成力或位移并加以放大以驱动负载的元件。比例阀内部由两大部 分组成，一是电一机械转换器，二是液压放大元件，还可能带有阀内的检测反馈元件。 电一机械转换器是电液的接口元件，它把经过放大后的电信号转化成与其电学量成正比 的力或位移。这个输出量改变了液压放大级的控制液阻，经过液压放大作用，把不大的 电气控制信号放大到足以驱动系统负载。这是整个系统的功率放大部分。 ( 5 ) 液压马达 7 第二章电液比例阀控马达速度控制系统试验平台 它是系统的执行元件，用于驱动负载d s l 。 ( 6 ) 传感器 它检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的反馈信号，往往又是信号转换器( 例 如机一电、机一液转换) ，用于满足比较的要求。 从方框图中可知，检测元件有内、外环之分。内环位移传感器是对阀位移的反馈检 测，通常用于改善阀的动、静特性。外环转速传感器直接检测输出量，是对系统的实际 输出量的反馈，用于提高整个系统的性能和控制精度。 2 2电液比例阀控马达系统试验平台 本试验台的电液比例阀控马达系统由阀控马达液压系统及相关的电气系统组成。其 中阀控马达液压系统主要由电液比例方向阀、电液比例马达及恒压油源( 开式泵p 1 ) 等组成；电气系统包括与液压系统相对应的比例放大器等元件。本试验台中，阀控马达 为一个开式液压系统，适用于工作过程中需要快速而平稳地转换速度的场合。而我们在 对其进行控制研究中，结合转速传感器，形成速度闭环控制系统，但以开环系统为研究 对象【8 1 。 2 2 1 试验台电气系统 图2 3 为阀控马达的电气系统图，从图中我们可以看到电气系统的组成包括： ( 1 ) 动力柜：动力柜主要安装电气系统的动力元件，各台电机的断路器、接触器、控制 变压器、直流电源等。动力柜向电器系统的用电设备提供电源，其输入电压为三相交流 3 8 0 v 的电压，针对不同的设备，通过直流和交流变压器t 1 、t 2 和t 3 ，提供有a c 3 8 0 v 、 a c 2 2 0 v 、a c 2 4 v 和d c 2 4 v 的电源； ( 2 ) 操作按钮台：在操作按钮台上有试验启动按钮s b l 和试验停止按钮s b 2 ，且都与 p l c 输入接口连接，试验启动采用常开按钮，试验停止采用常闭按钮。 ( 3 ) 系统的下位机p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，可编程控制器) ：p l c 的输入 接口与操作按钮台连接，接受操作指令，其输出接口与系统中的比例放大器( k b a ) 和 电机组的接触器( m 1 和m 6 ) 相连。p l c 通过实验操作台上的按钮控制整个电气系统 的运行和停止。 ( 4 ) 转速传感器：采用不同的检测传感器可以实现对位置、速度或力( 力矩) 的检测。 本论文针对讨论的是阀控马达系统的速度控制问题，选用了j c z c 型智能转矩转速传感 8 长安大学硕十论文 器。它是在原j c 型转矩转速传感器基础上利用美国l o n w o r k s 技术研制开发的 新一代智能型转矩转速传感器，用以测量阀控马达系统液压马达转动力矩和转速。 图2 3 阀控马达试验台电气系统图 9 第二章电液比例阀控马达速度控制系统试验平台 j c z c 型智能转矩转速传感器的测量精度等级为0 2 ，额定转矩为1 0 0 0 n m ，工作转 速范围为0 - - - 4 0 0 0 r m i n 。在超载不大于1 2 0 额定转矩时，仍能保证转矩测量精度；在 短时冲击负载不大予3 0 0 额定转矩时，负载消失后，转矩零点读数变化不大于士o 1 。 当转速低于6 0 0r m i n 时，为保证测量精度，必须启动传感器顶部的小电动机，并使电 机的旋转方向与弹性轴的转向相反【9 】。 ( 5 ) j w - 2 a 微机扭矩仪：该扭矩仪是采用电脑技术设计的一种具有一定智能的测定各种 动力机械和动力传输机械的扭矩、转速和功率的高精度电子仪器。它能与j c z c 型转速 传感器配套使用，测量阀控马达速度控制系统中马达的扭矩、转速和功率，并从左向右 依次显示在控制面板上，为我们实验时读取数据提供了很大的方便【1 0 1 。 ( 6 ) 1 2 5 0 频率响应分析仪：1 2 5 0 频率响应分析仪利用“正弦波”测量技术可对动力系 统或者电子系统的任何点与点之间进行增益及相位的精确测量，其频率范围为 1 0 i - t h z 2 0 m h z ，并可完成数据的采集、打印和存储。1 2 5 0 频率响应分析仪输出端与比 例放大器的输入信号端子连接，向电液比例方向阀的e m e l 一0 1 型比例放大器输入信 号；输入端与转速传感器连接，采集马达转速信号。， ( 7 ) 比例放大器：比例放大器控制比例阀中的比例 电磁铁。其作用是根据输入信号调整供给比例电磁 铁的电流，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀阀芯 上的力，以克服弹簧的弹力。电流增大，输出的力 相应增大，压缩复位弹簧使阀芯移动。 本论文选用的是与比例阀相匹配的e m e l 0 1 型比例放大器，它的工作电源为2 4 v o c ，额定输出电 流为3 a ，输入信号为0 一 士1 0 v d c 。图2 8 比例放大器与电液比例阀接线图】 它与电液比例阀接线图如图2 8 所示。图中，w 表示比例阀比例电磁铁插头，可将 比例电磁铁线圈与比例放大器连接起来，两个s 分别表示比例阀先导阀插头、主阀插头， 通过这三个插头，高性能电液比例方向阀的先导级、主级分别与比例放大器相连，进行 位置电反馈，提高了阀的动态特性。 ( 8 ) 电机组：m 1 、m 6 是系统的泵p l 和p 6 的驱动电机，其接触器通过p l c 控制 2 2 2 试验台液压系统 从电液比例阀控马达液压系统原理图2 4 我们可以看到它主要由以下几个部分组 1 0 长安大学硕士论文 成： 油源液压系统原理图2 5 所示。 tt 图2 4电液比例阀控马达液压系统原理图 图2 5 油源液压系统原理图 ( 1 ) 开式泵电机组：由电机、进口 力士乐恒压泵、联轴器、压力表、控制 集成块等组成。安装在一公共底座上， 底座由槽钢焊接而成，刚性强，采用内 齿形连轴器，材质为尼龙，运行平稳， 无冲击噪声。阀控马达系统试验中，由 开式泵p 1 ( a 4 v s 0 1 2 5 d r g ) 提供动力 源。该泵：德国力士乐原装进口；轴向 柱塞恒压变量泵；对开式及闭式回路均 可使用，但特别适用开式回路；变量泵 具有节能的作用，有良好的自吸特性， 连续工作压力可达3 5 m p a ，噪声低、使 用寿命长、功率重量比高，排量为1 2 5 m l r 。 第二章电液比例阀控马达速度控制系统试验平台 此泵的变量机构由二位三通滑阀( 亦称先导阀、变量伺服阀) 、变量液压缸构成，变量 液压缸与先导阀之间为液压力联系，属于先导液压控制。进入液压缸的控制油液( 2 级 控制油) 来自控制泵，且经先导阀口的控制。变量液压缸的位移，取决于来自先导阀的 两路控制油( 1 级控制油) 压差( 0 6 1 8 m p a ) ，改变压差的大小，就可以无级地调节 泵的排量。c 1 7 为插装式压力阀，电磁阀y a 6 为两位四通电磁换向阀，控制阀c 1 7 的 开启状态。当y a 6 断电时( 左位与c 1 7 接通) ，c 1 7 开启，p 1 空载启动经该阀泄荷；当 y a 6 通电时( 右位与c 1 7 接通) ，p 1 泵安全压力由c 1 7 限定。 开式泵p 1 是a 4 v s 0 1 2 5 d r g 型单向变量泵，且为恒压泵，即流量作适当调节时， 压力变动十分微小。它把泵本身的输出压力作为变量的控制信号，反馈到泵的变量调节 机构中去，经检测并和指令信号( 弹簧力) 比较后，以其偏差作为控制泵变量的输入信 号对泵进行调节，则可得到预期的压力。在系统压力未达到恒压泵的调定压力之前，恒 压泵是定量泵，向系统提供泵的最大流量；当系统压力达到调定值时，由变量机构的移 动使流量作适应的变化。不论负载所需要的流量( 在最大流量值以下) 发生如何变化， 恒压泵能保持与输入信号相对应的系统压力值不变【1 2 】。 ( 2 ) 辅助泵电机组：由冷却循环泵p 6 ( 选用国产高性能叶片泵、噪声低、定子和叶片 使用寿命长，流量损失小、压力和流量脉动小、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) 、控制集成块、压力表、管路及支架组成，泵一电机组均采用 立式安装机械，减小了安装空间，降低了运行噪声。管路端部安装有蝶形截止阀，泵电 机组运行或检修时均应开启或关闭相应的截止阀。 ( 3 ) 阀试验台架：由阀试验模块、液压控制单元安装板、压力表、台架等组成。 该阀采用的是高性能电液比例方向阀，在电液比例方向阀控制中，与输入电信号成 比例的输出量是阀芯的位移或输出流量，并且该输出量随着输入电信号的正负而改变运 动方向。因此，电液比例方向控制阀本质上是一个方向流量控制阀。 本论文研究的阀控马达系统所采用的比例阀是意大利a t o s 公司生产的1 6 通径的 d p z o l 型三位四通先导式高性能电液比例方向阀【1 3 】，它主要由电一机械转换元件、先 导式比例方向阀两部分组成，可根据输入电信号提供方向控制和无补偿的流量控制。这 种高性能电液比例方向阀，是普通型电液比例阀进一步发展的结果，它的动态和稳态性 能指标已达到了传统伺服阀的指标，其中一些指标甚至超过伺服阀。其工作原理如图2 6 所示。 1 2 长安人学硕士论文 比例方向阀和比例控制放大器相结合组成了一个由控制信号电压玑来控制四通阀 芯位移x ，的电子液压机械反馈控制系统。输入信号u 。经过斜坡发生器以及补偿部分阀 广。一一一一一。一一一r 一。一。一。 ；ia； l 一一一一一一一一l 一 图2 6 电液比例方向阀工作原理方框图 死区的阶跃突跳发生器后，转换成阀芯闭环系统的输入电压，u ，与阀芯位移x ，的反 馈电压u ，相比较，对阀芯位移进行控制，即组成了阀芯位移x 。的电气机械闭环控制系 统【1 4 1 。 d p z o l 型高性能电液比例方向阀具有两个位置传感器。一个在先导阀上，用来检 测先导阀的阀芯位移，并反馈至比例放大器，从而形成先导级位移电反馈的作用，提高 阀的运行可靠性以及优化整阀的动态特性；另一个在主阀阀芯上，用来检测主阀的阀芯 位移，并反馈至比例放大器，从而构成从比例放大器给定信号至主阀芯位移的闭环位移 控制，把比例放大器、电磁铁及先导阀都包含在闭环中了，提高了主阀阀芯的抗干扰( 摩 擦力、液动力的变化) 能力，快速、正确地跟踪输入电信号的变化。所以d p z o l 型电 液比例阀输入信号以双闭环形式精确地确定了阀芯调节，动态性能高，响应快。 下面对比例阀的各组成部件做以详细介绍。 1 ) 电一机械转换元件( e m 转换元件) 所谓电一机械转换元件是指：把经过放大后的输入电流信号成比例地转换成机械量 的装置。其输入是比例放大器的输出电流信号( 或电压信号) ，输出为机械力、力矩或 位移信号，并以此去操作液压阀的阀芯运动，进而实现电液比例控制功能。 高性能电液比例方向阀的电一机械转换器采用比例电磁铁。其作用是将电信号转变 为机械位移或力输出，再通过机械联接控制比例阀。比例电磁铁推力大，结构简单，对 1 3 第二章屯液比例阀控马达速度控制系统试验平台 油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁可做成耐高压结构，是电液比例控制元件中 广泛应用的电一机械转换器件，其特性和工作可靠性对电液比例控制系统和元件的性能 具有十分重要的影响，是电液比例控制系统的关键部件之一。电液比例控制技术对比例 电磁铁的要求主要有： i ) 水平的位移一力特性：即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其 输出力保持恒定。 i i ) 稳态电流一力特性：即有良好的线性度，较小的死区和滞回。 i i i ) 响应快，频带宽。 图2 7 所示为典型湿式的耐高压直流比例电磁铁 结构【15 1 。 图2 8 所示为耐高压直流比例电磁铁的特性。通 常的比例电磁铁当线圈电流给定时，在工作行程范围 i i 内具有水平的位移力特性，但在气隙接近于零的区 域输出力急剧上升，称为吸合区i ，一般采用非 图2 7 耐高压比例电磁铁结构简图 导磁材料的限位垫片将其排除。当气隙过大时，输出力明显下降，称为比例电磁铁的空 行程区。 图2 8 耐高压直流比例电磁铁的特性 i 一吸合区i i 一工作行程区一空行程区 2 ) 先导式比例方向阀 d p z o l 型电液比例方向阀采用位置调节型比例电磁铁，该电磁铁带有内置位移传 感器，其工作原理：当比例电磁铁接受到指令输入信号时，电磁铁就会产生力，并驱动 阀芯移过一段距离。由于位移传感器与衔铁端相连，它检测到阀芯的实际位置，并反馈 1 4 二 片 厶一 、眦 长安大学硕十论文 到放大器。输入和反馈( 实际) 量在放大器中比较，比较后产生一个正确的信号，补偿 任何因素可能引起的误差，使阀芯有很准确的位置。由于有位移一电反馈环节，比例电 磁铁的滞环和重复误差均较小，作用在衔铁和比例阀阀芯上的各种干扰力( 如液动力等) 也受到抑制，使比例阀的控制特性得到大幅度提高。另外，已无需用颤振信号来减小电 磁铁的滞环，从而简化了相应比例放大器的结构。 先导式比例方向阀主要用于大流量( 5 0 l m i n 以上) 的场合。较常用的是二级阀， 也有三级阀，三级式的阀主要用于特大流量的场合。本论文采用二级比例方向阀为研究 对象。 此处的先导式比例方向阀由一个小型的直动式四位四通比例方向阀和一个液动式 比例方向阀叠加而成，阀口为零遮盖形式。其中先导阀为6 通径的d l h z o t 型四位四 通直动式高性能电液比例方向阀，调节通过主阀阀芯上的流量和作用力，且带位置反馈。 液动式比例方向流量阀作为主阀，为三位四通滑阀结构，弹簧对中，带位置反馈。d l h z o 型先导阀采用单电磁铁驱动，按输入电信号的正负实现流动方向控制。它还有一个普通 伺服阀不易实现的附加特性：当阀的电源失效，电磁铁失电时，由于弹簧的作用，能使 阀芯处于一个确定的位置，从而使其四个通口处于固定的通断形式，有效防止了电路故 障，保证断电安全性，这里采用y 型功能。另外，这里主阀中位机能为h 型，四口全 串通，活塞处于浮动状态，在外力作用下可移动。d l h z o t 型四位四通先导式高性能 电液比例方向阀、d p z o l 型液动式三位四通高性能电液比例方向阀液压符号如图2 9 a 、 图2 9 b 所示。 ar a b pt 图2 9 a 先导式电液比例方向阀液压符号 pt 图2 9 b 液动式电液比例方向阀液压符号 工作过程中，当先导阀电磁铁输入一正电流信号后，该电磁铁产生与电流大小成比 例的推力，推动先导阀阀芯向右移动，并且通过位移一电反馈通道，使电磁力与弹簧力 最终平衡，使阀芯定位在与电信号成正比的位置上。此时，先导阀阀芯处于平衡状态， 允许油液从p 孔流向b 孔、a 孔流向t 孔，且油液进入主阀阀芯的右侧，推动主阀阀 芯向左移动，直到同左端弹簧力相平衡为止，这样，主阀芯的左侧便有一对应的开口量， 沟通p 与a 的通路，并具有一定的输出流量。如果连续比例地改变输入该电磁铁电流的 大小，主阀将对应连续和比例地输出不同的流量。如果输入电流为负方向，则可以改变 主阀阀芯的位移方向而控制液流的方向。 1 5 第_ 二章电液比例阀控马达速度控制系统试验平台 本论文中电液比例方向阀控制电液比例马达p m l 的流量和方向。 ( 4 ) 电液比例马达：本论文研究的阀控系统的执行机构所采用的是德国力士乐公司的 a 6 v m l 0 7 e p 2 型弯轴结构轴向柱塞式电液比例马达，排量变化范围大、工作压力高，可 达4 0 m p a ，额定排量为1 0 7 m l r ，转速可达4 0 0 0 r m i n ，噪声低，使用寿命长。 为了保证系统j 下反两个方向供油，它的变排量机构采用的是一个直动式两位三通比 例换向阀控单作用缸结构，可以根据控制信号大小对马达排量进行调节，使其排量与输 入信号成正比，以实现马达所要达到的控制性能【l6 1 。调节比例阀可实现电液比例马达 p m l 排量无级变化。另外，马达排量调节机构中，变量活塞和先导阀之间的反馈方式采 用位移一力反馈式，利用变量活塞的位移，通过弹簧反馈使变量活塞定位。排量调节原 理如图2 1 0 所示。在本研究系统中，马达的排量为定值。 图2 1 0 马达的位移一力反馈式电液比例控制排量调节原理图 ( 5 ) 油箱：有效面积约1 8 0 0 l ，冷却器、滤油器、液位控制器等安装在油箱上顶面，打 开油箱清洗盖可方便清理油箱内部，侧面安装有放油球阀，利于油箱排放油液。 1 6 长安大学硕上论文 第三章系统数学模型的建立及特性分析 描述变量之间关系的数学表达式称为数学模型【1 7 】。电液比例控制系统数学模型的建 立是系统进行动态分析的基础，系统数学模型是系统中各组件的数学模型的组合。有了 该数学模型就可以对电液比例阀控马达速度控制系统进行定量研究，找出系统中各变量 之间的关系。本论文所研究的电液比例阀控马达速度控制系统是由比例放大器、高性能 电液比例方向阀、液压马达及负载组成。首先分析系统各环节的动态数学模型。 3 1系统数学模型的建立 电液比例系统是由若干个元件按一定形式耦合而成的。按元件的传递函数的形式来 说，可分成几种典型环节，从数学分析的观点来看，任何一个复杂的系统都是由有限的 几个典型环节组成，下面对本研究系统各组件进行建模分析。 3 1 1比例放大器传递函数 本试验台采用e m e l 0 1 型比例放大器，由于其比例电磁铁及线圈具有比较大的感 抗，通常为高输出阻抗的电压一电流转换器，故其频宽远大于比例阀的频宽，与液压系 统相比有着很高的响应频率。因此可将该控制器视为一比例环节，其传递函数 疋= 器 ( 3 - 1 ) 式中：玑( s ) 一比例放大器输入电压( v ) ； i ( s ) 一比例放大器输出电流( a ) ； k 。 一比例放大器系数或增益( a ) 。 3 1 2 高性能电液比例方向阀传递函数 本系统采用的高性能电液比例阀，其动态响应往往高于动力元件的动态响应，其固 有频率远远大于动力元件的固有频率，为了简化系统的动态设计分析与计算，该阀传递 函数可看成比例环节【1 8 】： 弘等 1 7 ( 3 2 ) 第三章 系统数学模型的建立及特性分析 3 1 3 阀控液压马达动力机构传递函数 在在液压控制系统中，液压动力机构是由液压放大元件和液压执行元件组成的。在 大多数液压伺服系统中，液压动力机构是系统的一个关键性部件，它的动态特性在很大 程度上决定着整个系统的性能。对论文所研究的阀控马达系统，其液压放大元件是 d p z o l 型高性能电液比例方向阀，执行元件为电液比例马达。本节以流体力学和控制 理论为基础，建立该液压动力元件的传递函数，并对其动态特性和主要的性能参数作出 分析。 图3 1 所示为阀控马达原理图。 图3 1 阀控液压马达原理图 阀控液压马达系统是一种常见的液压动力执行元件，尤其适用于负载进行旋转运动 的场合。由比例方向阀、马达和负载组成的液压动力机构对所研究的阀控系统的品质好 坏有很大影响，因此确定阀控马达动力机构的数学模型是分析整个系统的前提。 ( 1 ) 动态方程的建立 下面采用四通阀控液压马达的线性化分析方法，建立和分析其动态特性。 在分析中做如下假设 2 0 l ： 1 ) 比例阀和液压马达之间的连接管道短而粗，可以忽略管道和阀腔中的压力损失 和管道动态的影响： 2 ) 液压马达的内外泄漏流动状态为层流，马达的壳体压力为大气压，忽略低压腔 的壳体的外泄漏，每个腔室的压力是均匀相等的，液流的密度和温度均为常数； 3 ) 比例阀为理想零开口四通滑阀，四个节流窗口匹配且对称，且滑阀具有理想的 动态特性； 1 8 长安大学硕士论文 4 ) 恒压油源供油，即只恒定，并且回油压力p o = o ； 5 ) 工作油液的体积弹性模量为恒值； 6 ) 马达和负载之间为刚性连接，忽略结构柔度的影响。 在上述假设条件下，由液压理论对阀控液压马达进行分析可列出三个动态方程【1 9 】： 1 )电液比例阀的线性化流量方程 g 上= k 口石，一k 。p 工 ( 3 3 ) 式中： g 工一 电液比例阀的负载流量( m 3 s ) ； 扎 一比例阀阀芯位移( m ) ； k 。一 比例阀流量一压力系数( m 5 n s ) ； 仇一负载压力( p a ) ； k 。一 电液比例阀稳定工作点流量增益( m 3 s 。a ) 。 2 ) 液压马达的动态流量连续性方程 液压马达的负载流量由三部分组成：马达转动所需流量q 。、马达内外泄漏损失流 量q ：及因油液压缩产生的附加流量q ，。故方程式应为： 以鲁+ 巳p 上+ 老警 n 4 ， 式中： d 。一液压马达的弧度排量( m 3 r a d ) ； 巳一液压马达角位移( r a d ) ； c 加一液压马达的怠泄漏系数( m 5 n s ) ，= 巳+ 丢c 绷( 其中c f m ，c 删分 别为马达的内、外泄漏系数) ； 圪一液压马达、比例阀腔及连接管道总容积( m 3 ) ； 屈一工作油液的有效体积弹性