第八章-比例流量控制阀(new)课件

第八章电液比例流量控制阀第一节节流控制的基本原理对于液压缸的速度和位移控制有：对于液压马达的转速和转角控制有：阀口流量公式：分类：

第二节电液比例节流阀1.

带行程控制型比例电磁铁单级比例节流阀（开环控制）在传统节流阀的基础上,用电—机械转换装置代替手动节流机构而构成；一.单级比例节流阀（直接作用式）比例方向阀作比例节流阀使用框图表明，该系统由比例电磁铁电感线圈的一阶环节和阀芯、衔铁等构成弹簧质量系统的二阶环节所组成。这里，一阶环节是限制阀的动态性能提高的主要因素。此外，阀芯位移是开环控制，因此它抗干扰能力较差，即阀芯位移调节刚性较低。但该类阀结构简单，成本低，适宜于低压、小流量的液压控制系统。2.位置—电反馈型单级比例节流阀(闭环控制）为了提高比例节流阀的位移调节刚性，提高阀抵抗液压卡紧力、液动力及摩擦力等干扰的能力，以获得令人满意的稳态控制精度，出现了采用内含阀芯位移检测反馈闭环的电反馈比例节流阀。使阀芯的轴向位移更精确地与输入信号成比例。在外界干扰力发生变化的瞬间，阀芯位移将偏离调定值，由位移传感器检测到的阀芯位移信号,经测量放大器的调制、放大、解调、反馈至比例放大器输入端，与输入信号相比较,其偏差值经诸如PID调节器、比例放大器的调节作用，改变了比例电磁铁的输出电磁力，使阀芯位移迅速回复至原定的调定值。在电反馈阀的前向通道上串联PID调节器,构成一阶无差系统，使阀的稳态性能，仅取决于位移传感器的精度，只要在比例电磁铁的功率域内，电反馈闭环控制将始终保证阀芯输出位移与输入电压信号成正比关系。

由于直动式比例节流阀的输出功率，受到比例电磁铁的限制，因而直动式电反馈比例节流阀也只能是小通径的。在工程应用中，大于10通径的比例节流阀，一般就需要采用先导控制型方案。二.先导式比例节流阀在先导式比例节流阀中,比例电磁铁通过先导液桥，对主阀的位移实现比例控制。由于先导级的液压放大作用,这种阀可以实现对高压大流量液流的控制。根据阀内所含的反馈方式不同，先导式比例节流阀又可分为位移--力反馈、位移--电反馈、三级控制等三种类型。1.插装式位移－电反馈型先导式比例节流阀比例电磁铁位移传感器二通插装结构先导阀先导回油（可接回油箱）Pz位移－电反馈型比例节流阀控制原理图特点：放大器及比例电磁铁的非线性、以及先导级与主阀的液动力，摩擦力等干扰均由电反馈大闭环所抑制。只要位移传感器的精度足够高，阀的稳态精度就可达到相当高的水平。由于电信号处理方便，故动态校正可采用多种方式，可获得更好的动态特性电反馈型先导式比例节流阀与电反馈型单级比例节流阀的区别，仅在于前者内含液压放大单元,其反馈信号直接取自功率级。2.位移－力反馈型先导控制比例节流阀与位置反馈型的差别在于先导阀芯与主阀芯之间的耦合作用是通过反馈弹簧来实现。R1可变节流口B型半桥工作原理：当比例电磁铁通入一给定电流i→产生推力F→先导阀芯下移→可变液阻↓→Px↓→主阀芯向上移动，增大节流口。→主阀芯的位移x转化为反馈力Ff＝Kx作用在先导阀芯上→当Ff＝F时，达到平衡。

由阀的工作原理可知，主阀的液动力和摩擦力干扰受到位移－力反馈闭环的抑制。而先导阀芯和衔铁上的摩擦力干扰，可通过合理选配材料，精确的加工及借助于叠加在主控制电流上的颤振信号加以约束。因此，它的稳态控制性能较好。阀的稳态特性分析R3的作用：产生动态压力反馈：当主阀芯运动时，产生的动态流量，经过液阻R3被转化为动态压差，此附加压差作用在先导阀芯的两端，调整了先导阀口的开度，改变了控制压力Px的值，从而对主阀的运动产生明显的动态阻尼作用，构成级间的速度－动压负反馈控制。改变R3的阻值．可以获得不同的动态特性。特点：主阀位移量的控制精度较好，主节流阀的位移量通过弹簧反馈到电磁铁上。主阀位移量不受电磁铁的限制，阀口可以设计的较大（同样的比例电磁铁，改变弹簧刚度就可以改变主阀行程）。主阀芯上的液动力、摩擦力等干扰都处于上述位移－力反馈闭环内，它们对阀的性能影响受到抑制。但是，反馈回路对于先导阀上的外扰力仍然不起作用。3.位置反馈型先导比例节流阀：B型半桥i↑→F↑→先导阀芯右移x↑

→可变液阻↓→Px↓→主阀芯右移y↑→达到平衡主阀芯相当于一个受先导阀控制的差动活塞。先导阀芯和主阀芯之间采用了位置随动，即级间位置负反馈原理，这种型式的主阀位移y近似等于先导阀位移x，都受到电－机械转换器有效行程的限制。R2的作用在于增加主阀芯运动时的动态阻尼，起动压反馈的作用。4.双边先导控制型比例节流阀I先导阀双控制边构成了A型液压半桥，其静、动态性能均优于单控制边的节流阀。特别是它的工作频宽是后者的一倍。由于双控制边先导阀有二个阀口，它们均需要适当修磨。因此，它的先导级加工及调试的成本要比单控制边先导级高。此外，A型液压半桥较高的压力-位移增益，在给比例节流阀带来许多优点的同时,却使阀的稳定裕度有所下降。可变液阻可变液阻双边先导控制型比例节流阀的稳态负载特性曲线5.三级控制型大流量比例节流阀由于阀内含位移——力反馈闭环控制，故该阀具有较理想的稳态控制特性及较快的动态响应速度。三.比例节流阀的基本特性分析1.阀口形状对稳态控制特性曲线的影响阀芯位移与阀口工作压差及其几何形状几乎无关，仅与输入信号成比例关系。实际上，比例电磁铁的电流－力特性以及弹簧、液动力等的非线性均是影响控制特性线性度的因素。2.阀口形状对输出流量的影响曲线表明，比例节流阀的输出流量曲线增益不仅与输入信号、阀口工作压差有关，而且还受阀口几何形状的影响。图中3号曲线，在阀口开度较大时，出现水平饱和段。这是由于试验系统油源流量的限制，在阀口压差及开度较大时，所出现的限流现象。在设计定压比例控制系统时，不能简单地将系统执行机构空载快速时所需的最大流量，作为节流阀的公称流量来选择比例节流阀。3.抗负载干扰能力的评价等位移特性（位移几乎不受阀口压降变化）比例节流阀的抗负载干扰能力，即稳态负载特性，可由它的等位移特性来评价。随着阀口压降的增大，若节流阀阀芯位移x变化愈小，则其调节刚度就愈大，即抗干扰能力愈强。4.输入信号阶跃响应特性

阀的响应时间与输入信号阶跃幅值有关。在输入信号幅值相同时，阀的过渡过程时间，又与阀口的工作压差有关，工作压差低，阀的动态响应快。此外，动态响应特性还受试验台有关管道容腔体积的影响。管道容腔小，阀的动态响应也较快。

5.频率响应特性目前，比例节流阀幅频宽大约在3—20Hz左右。五.比例节流阀的选用原则1、最低工作压差选择由于比例节流阀只能在高于其最小工作压差条件下正常工作，因此，选用比例节流阀时，应使其最小工作压差低于系统的最小工作压力。同时，为使与节流阀并联的系统溢流阀正常工作，系统的油源流量，应大于节流阀在系统中的实际最大控制流量。2、阀的功率域比例节流阀在阀口压差及阀口开度均较大时，可通过几倍于其公称流量的油液，但实际上，它存在一个在一定工作压力下制约最大流量的功率域。特别是单级比例节流阀更为敏感。特别是不带位移传感器的单级比例节流阀，在较大压差作用下。这种直控阀的流量大到功率界限时，稳态液动力会自动将阀口关小，通过阀口的流量不会随着压差的增加而增加，存在着一种“自然”的功率域现象。3、如何选择比例节流阀的公称流量工程应用上．阀的公称流量系指阀口开度最大(对应最大控制电信号)、阀口压差为最小工作压差时，阀所通过的流量。值得注意的是，它的公称流量完全不同于比例流量阀公称流量的含义，比例流量阀的公称流量一般为阀所能控制的最大流量。在设计定压比例控制系统时，不能简单地将系统执行机构空载快速时所需的最大流量，作为节流阀的公称流量来选择比例节流阀。正确的选用原则应该是，根据重载，即阀口压降为最低工作压差时，执行机构所需要的流量作为公称流量的相近值，来选择比例节流阀。这样，在工作过程中，比例节流阀的可调节电信号范围宽，调节分辩率高。在相应的调节范围内，滞回也小。这一点，与比例方向阀类似。4、比例节流阀的应用特点在节流调速系统中，人们往往喜欢选用比例调速阀,但是，在某些场合，比例节流阀也很有竞争力。比例调速阀最大输出流量是公称流量；而比例节流阀则不然，它可通过几倍于公称流量的液流。所以，对于要求轻载时快速，重载时低速的系统，使用比例节流阀显然有其独特的优点。在主机系统本身含速度或位置反馈闭环控制、以及负载变化不大的场合，采用比例节流阀，就显得比较经济、合理。此外，比例节流阀具有结构简单、成本低、动态响应快、稳定裕度大及可靠性好等特点。这就是比例节流阀在一般工程系统中得到广泛应用的原因。

第三节电液二通比例流量阀按对外连接油口数不同：比例流量阀分为二通型，三通型）其中按基本原理又可以区分为：传统负载检测补偿型，新的流量检测反馈型定差减压负载补偿二通型定差溢流负载适应三通型传统型流量检测反馈二通型流量检测反馈三通型比例节流阀根据二通型电液比例流量阀的控制原理来分，它有传统减压节流型、流量—力反馈型和流量—电反馈型等三种主要形式。（一）传统减压节流型二通比例流量阀传统定差减压负载补偿二通型稳态负载特性详细职能符号负载阶跃响应负载阶跃响应负载压力从等于阀进口压力值，阶跃至一较低的压力值负载压力在低于阀进口压力的两个工作压力之间作阶跃变化存在问题：阶跃响应流量阶跃起动流量阶跃（二）

流量－位移－力反馈型：流量传感器主调节器先导阀R0可变节流口B型半桥工作原理：

在无输入电信号时，先导阀芯在反馈弹簧作用下，先导阀口处于关闭位置。由此，主调节器阀芯的两端油压相等．由于阀芯面积差和复位弹簧的作用，无论流量阀进口压力有多高，主调节器阀口均处于关闭状态。此时没有油液通过比例流量阀。也就是说，在无输入信号时，该阀能实现可靠的自锁。工作原理：输入一电信号i→产生电磁力F→先导阀芯向下移动→先导阀口开启→可变液阻↓→PC↓→（PA-PC)压差作用下主调节器阀芯向右移动，阀口开启→流过的主流量经流量传感器检测后流向负载→流量传感器将流量值转换为行程Xf，通过反馈弹簧将行程Xf转换为作用在先导阀芯上的弹簧力→此弹簧力与输入电磁力相平衡，从而调整了先导阀口的开度及控制压力PC保证阀运行在某一稳定的工作点上→最终使比例流量阀输出流量与输入电信号成比例关系。工作原理：

当系统出现干扰信号,例如负载压力P5↑→P3↑且流过调节器和流量传感器的体积流量↓→流量传感器的行程z↓→反馈弹簧力KZ↓→由于输入电磁力不变，先导阀口↑→液阻↓→P2↓→主节流阀的阀口开度↑→使通过阀口的体积流量↑P4↑→流量传感器行程z就回复或接近于与输入电信号相对应的调定值，输出流量也恢复至调定值附近。调整结果流量传感器：Z恢复原位，P4↑使（P4－P5）恢复原值，q不变主节流阀：阀口增大，P4↑使（P1－P4）减小，使q恢复原值液阻RC的作用:动压反馈作用：由动态阻尼R1所产生的动压反馈力A3(PC-PB),使先导阀口获得附加的启闭力,这就加强了动态阻尼的作用，并在先导级与功率级之间，建立了速度反馈联系，改善了阀的动态性能，阀的瞬态超调被显著抑制。结论：负载的变化引起的流量变化不是靠压力差来补偿的，而是靠主节流口通流面积的变化来补偿。流量－位移－力反馈阀的原理框图稳态特性分析特点：采用阀内流量－位移－力反馈闭环控制及级间速度－动压反馈原理，克服了传统流量阀的负载压力阶跃启动流量超调大，抗负载变化流量调节刚性差、体积大而且频响低等缺陷，大幅度提高了比例流量阀的静、动态特性。传统流量阀的稳态负载特性新型流量阀的稳态负载特性（三）

流量－电反馈比例流量阀

为了减少比例放大器及比例电磁铁性能对流量阀特性的影响；可采用流量-电反馈方案流量反馈与力反馈型流量阀的区别：两者的先导级均是B型半桥控制差动缸，先导液桥的输出都是用于控制主调节器。力反馈型式中流量传感器位于主调节器下游，而在电反馈型式中，流量传感器处于主调节器的上游，当然在这两种型式中，级间动压反馈的实现不同，前者在流量传感器与先导阀之间，后者在主调节器与先导阀之间。第三个差别是，在前者流量－位移－力反馈通过支撑于流量传感器与先导阀芯之间的反馈弹簧实现，在后者处于主调节器与先导阀芯之间的弱弹簧不再是反馈弹簧，它主要起先导阀芯的支承作用，电反馈通过位移传感器实现。由于均采用相同的先导级及插装式主阀结构，所以两者在结构上有很好的兼容性。特点：

由于比例放大器，比例电磁铁、先导阀及主阀上的干扰均在大闭环控制之内，因而，这种流量阀的调节刚度大，抗干扰能力强。输出流量仅是输入电压信号的单调函数。当然，它的控制精度还取决于动态流量计本身的精度。第四节电液三通比例流量阀二通与三通型流量阀比较使用三通调速阀的系统是一种负载适应系统，具有明显的节能效益定差溢流型三通比例流量阀该复合阀既可对输出流量进行比例控制，又能为系统压力实现比例调节。当然，两参数的比例调节是在不同工况下实现的。压力适应原理的电液比例压力流量复合阀（pq阀），即三通比例流量阀。工作原理当系统处于调节流量工况时，给比例压力先导阀输入一恒定的额定电信号，系统压力在低于比例压力先导阀的额定压力范围内变化时，比例压力先导阀能可靠地关闭。显然，复合阀的P阀在此工况中只起限压阀作用。比例节流阀阀口的恒定压差由溢流阀主级来保证。因此，通过比例节流阀阀口的流量与输入电信号(比例节流阀