流量伺服阀在液压系统仿真中的描述方法探讨.pdf

2 0 1 4年 5月 第 4 2卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 0 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 4 2 流量伺服阀在液压系统仿真中的描述方法探讨 刘玉，李新有，刘勋，易坤 中冶赛迪工程技术股份有限公 司，重庆 4 0 1 1 2 2 摘要对电液流量伺服阀在液压伺服系统仿真分析中的建模描述方法进行了探讨 ，重点对基于流量伺服阀样本数据的 描述方法进行了原理阐述。采用 S i m h y d r a u l i c s 软件搭建了物理测试模型并进行了建模验证 ，为建立高精度液压系统物理仿 真模型奠定 了基础 。 关键词流量伺服阀；物理仿真模型；液压伺服系统；S i m h y d r a u l i c s 软件 中图分类号 T H1 3 7 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 1 3 7 3 An a l y s i s o f Fl o w Co n t r o l S e r v o v a l v e M o d e l i ng i n S i mu l a t i o n f o r Hy d r a ul i c Sy s t e m L I U Yu，LI Xi n y o u．L I U Xu n，YI Ku n C I S D I E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 3，C h i n a Ab s t r a c t T h e f l o w c o n t r o l s e r v o v alv e mo d e l i n g me t h o d s i n h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n we r e d i s c u s s e d，f o c u s i n g o n t h e p r i n c i p l e o f d e s c r i p t i o n me t h o d b a s e d o n s a mp l e d a t a o f flo w c o n t r o l s e o v a l v e ．A p h y s i c al s i mu l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b y S i mh y d r a u l i c s s o f t wa r e ．I t p r o v i d e s b a s e f o r i mp r o v i n g t h e a c c u r a c y o f h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m s i mu l a t i o n ． Ke y wor dsFl o w Co n t r o l S e r v o v a l v e；Ph y s i c a l Mo de l i ng；Hyd r a u l i c S e r v o S y s t e m ；S i mh y dr a u l i c s 在传统的以经典控制理论频率法为基础 ，采用传 递函数描述液压伺服系统的动态响应仿真方法中，通 常采用二阶振荡环节传递函数来描述流量伺服阀的动 态特性。随着数字仿真技术的发展，出现了多种用于 液压元件和液压系统性能分析 的仿真软件 ，如美 国 T h e M a t h Wo r k s 公 司推 出的 S i m h y d r a u l i c s 软 件包 ，法 国 I m a g i n e 公 司推 出的 A ME S i m等 。这些软 件对 流 量伺服阀模型的描述方法不再是简单的传递函数 ，而 是采用功率键合图的方法，用图形方式来描述流量伺 服阀实际各物理量的变化规律。它能反映流量伺服阀 的动态特性和功率流动情况，对伺服阀的描述将更精 确 、更直观，并且描述的参数具有确定的物理含义。 1 流量伺服 阀模型的描述方法 伺服阀的种类很多，常用的流量伺服阀包括喷嘴 挡板式、射流管式、动圈式 、直接驱动力马达式等， 这些流量伺服阀的结构和电气元件各不相同，但是其 最终表现的性能就是在给定不同电信号和不同压差工 况下形成不同的流量输出。如果不考虑流量伺服阀不 同的结构 ，只关 注流量伺 服阀的使用性 能 ，模拟实 际 流量伺服 阀样本 给 出 的数据 ，可 以分成 两 部分来 描 述 第一部分为流量伺服 阀主 阀阀芯 位移 响应描述 ， 即动态特性描述；第二部分为流量伺服阀的负载流量 特性描述，即功率流动描述。以下详细介绍对这两部 分的具体描述方法。 1 ． 1 主 阀阀芯位 移响 应描 述机 制 流量 伺 服 阀先 导 级 形 。 。 式多样，但 是最终都是驱．7 5 动主阀芯快速运动到达指 蠢 。 令 位 置 。 以 M O O G 公 司 | l 1 ．1 X s K 上 z 2 srs 1 ∞ 式中K v 为伺服阀静态阀芯位移放大系数，m ／ m A； 为伺服阀的固有频率，r a d ／ s ； 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 8 作者简介刘玉 1 9 8 2 一 ，男 ，工程师，主要研究方 向为冶金液压 系统设计、伺服控制及其 仿真研究。Em a i l Yu ．A． Li u c i s di ．c o m． c n。 1 3 8 机床与液压 第 4 2卷 为伺服阀的阻尼比，一般取 0 ． 6～ 0 ． 7 。 对于 MO O G公 司 D 6 6 1 ． G ． A系列 流量伺服 阀 ，额 定流量 8 0 L ／ m i n为例 ，样本给出6 0 2 2 5 r a d ／ s ，取 0 ． 7 ，分 别 给 定 阀 芯 给定 信 号 1 0 0 ％、7 5 ％、 5 0 ％、2 5 ％ ，得到的仿真结果如图2所示。 l 一阀芯给定信号2 5 ％ 2 一阀芯给定信号5 0 ％ 卜 阀芯 给 定信 号7 5 ％ 4 ～ 阀 芯给 定信 号1 0 0 ％ 图2 传统二阶传递函数描述阀芯响应曲线 在 图 2中，对于 给定 阀芯不 同大小 的输入 信号 ， 阀芯的响应 时间相同 ，与样本 给出阀芯响应描述有一 定 误差 ，难以精 确表达实际阀芯响应时间 。 2 S i m h y d r a u l i c s 软件 内置描述方法 采用 S i m h y d r a u l i c s 软件内置阀芯响应描述模块功 能 ，其封装的控制框图如图3所示。 医 I 减 法 器 比 例 系 数 积 分 环 节 百 l 图 3 软件内置阀芯响应描述控制框图 图 3的控制框 图中 ，有 3个参数变量 ，分别 为饱 和参数 、比例系数、时间常数，根据 3个参数的组 合 ，得到不同的阀芯响应曲线 ，3个参数的具体取值 可以通过参数拟合方法得到。为了验证此描述方法的 变化规律，取饱和参数为 0 ． 3 ，比例系数 3 7 7 ，时间 常数0 ． 0 0 2 s ，按照控制框图建立仿真模型 ，分别给 定阀芯给定信号 1 0 0 ％、7 5 ％、5 0 ％、2 5 ％，得到的 仿真结果如图4所示。 1 ． 2 l 0． 8 彗 O- 4 0 2 0 l 一 阀芯 给 定信 号2 5 ％ 2 一阀芯给定信号5 0 ％ 卜 阀芯给定信号7 5 ％ 4 _ 阀芯 给 定信 号1 0 0 ％ 图 4 S i mh y d r a u l i c s 软件内置描述伺服 阀阀芯响应时间曲线 在图4中，对于给定阀芯不同大小的输入信号， 阀芯的响应时间不 同，与样本给 出的阀芯响应描述数 据基本类同。但是此描述方法的具体描述参数没有具 体的物理含义 ，参数取值难以精确获得。 3 动态反馈 阀芯描述方法 按照实际伺服阀的阀芯响应的物理意义建立闭环 动态反馈框 图 ，如 图 5 所 示。 悠 埘 I 一 阶 滞 后 速 度 饱 和 积 分 伍 移 l 图5 动态反馈阀芯响应描述控制框图 图5的控制框图中，给定阀芯电信号，通过一阶 滞后环节转化为 阀芯运动速度 ；阀芯运动速度 限幅后 进行积分 ，得到 阀芯实 际位移 ；阀芯实 际位移 限幅后 反馈 回与指令值 比较 ，形 成动态 反馈 闭环。 同样对 于 MO O G公司 D 6 6 1 一 G - A系列流量伺服 阀，额定流量 8 0 L ／ m i n为例 ，采用图 5控制框图建 立仿真模型，根据样本给出数据，取 K 4 4 8 ， 1 1 m s ，分别给定 阀芯给定信号 1 0 0 ％、7 5 ％、5 0 ％ 、 2 5 ％ ，得 到的仿 真结果如图 6 所示 。 1 1 潍 l 一 阀芯 给 定信 号2 5 ％ 2 一 阀芯 给 定信 号5 0 ％ 3 一 阀芯 给定 信 号7 5 ％ 4 _ 阀 芯给 定信 号1 0 0 ％ 图6 动态反馈阀芯描述伺服阀阀芯响应时间曲线 在图6中，给定阀芯不同大小的输入信号 ，阀芯 的响应 时间不 同 ；与样本 给出的阀芯响应描述数据也 基本类同。此种方法的参数取值有明确的物理含义 ， 通过样本可 以方便地获得 ，故采用动态 阀反馈更 能方 便、准确描述伺服阀的动态性能。 1 ． 2 负载流量特性描述机制 流量伺服阀的功率级通常采用滑阀结构。对于对 称的四边滑阀，可 以看作每一边都是一个可调节流 孔 ，四边滑 阀对应 的4个 节流孑 L 的开 口度之间有确定 的对应变化关系。对于每一个可调节流孔的负载流量 特性描述 ，可 以有 3种方法 ，分别 为流 量系数及开 口 度公式描述方法 、流量系数及开 口度表格插值 描述方 法、流量压降特性插值描述方法。 1 流量 系数及 开 口度公式描述方法 当已知流量伺服 阀的流量 系数 、面 积梯 度和阀芯 的最 大开 口度后 ，就可 以采用 流量计算 公式描述 出流 量伺 服阀的流量压 降特性 。适用于通过阀芯节流边 的 通流面积与阀芯开 口度呈线性变化 的情况 。 2 流量系数及开 口度表格插值描述方法 当已知流量伺服阀的流量系数，且已知通流面积 与阀芯开 口度之间的对应变化关系时 ，同样可 以采 用 流量计算公式描述出流量伺服阀的流量压降特性。此 时阀芯开 口度 和通流 面积可 以采用矩阵的方法对应描 述 ，一个开 口度对 应一个通流 面积 。显然 ，矩 阵 内的 元素越多，描述越精确 ，两点之间采用插值的方法进 行描述 。适用于通过 阀芯节 流边 的通流面 积与 阀芯 开 口度为非线性变化的情况，采用多段插值的方法描述。 第 1 0期 刘玉 等流量伺服阀在液压系统仿真中的描述方法探讨 1 3 9 3 流量压降特性插值描述方法 通常流量伺服阀的样本都给出了在标准压差下的 额定流量 ，还会给出在开 口度最大的情况下的流量压 降曲线。通过截取流量压降曲线上的对应关键点，形 成流量 、压降、开口度的对应矩阵 ，每一个开口和压 降的组合将得到一组流量。同理，矩阵内的元素越 多，描述越精确，两点之间采用插值的方法进行描 述。适用于直接采用伺服阀样本给出数据进行流量伺 服阀的负载流量特性描述。 2 伺服阀性能仿真测试结果 为了测试整个伺服阀的描述性能，采用 MA T L A B 软件 S i m h y d r a u l i c s 液压仿真工具箱 ，搭建测试模型如 图 7所 示 。测 试 模 型 中 ，伺 服 阀 A、B出 口直 接对 接 ，形成双边压降，同时在模型中增加必要的流量传 感器 、压力传感器 ，用于检测模型中间数据。采用动 态反馈阀芯描述方法和流量压降特性插值描述方法对 伺服阀进行描述 ，以 M O O G公 司 D 6 6 1 一 G - A系列 流量 伺服阀，额定流量 8 0 L ／ m i n为例，得到的伺服阀性 能仿真曲线如图8所示。 图7 伺服阀性能描述测试模型 稳 皇 ● 删 壤 O 5 l O l 5 2 0 2 5 3 0 时间／ ms a 阀芯 响应 变化 规律 指 令信 号， ％ b 指令信号与流量 之 间的 变化 规律 l 一 阀芯给 定信 号2 5 ％ 2 -- 阀芯给定信号5 0 ％ 3 一 阀芯 给定信 号7 5 ％ 4 -- 阀芯 给定信 号1 0 0 ％ 2 刍 1 鲁 二 1 岫l 媾 0 2 0 4 0 6 0 8 01 O 01 2 0 l 4 0 压 [ ／ MP a c 压 降与 流量 之 间 的变 化规 律 图 8 伺服阀性能仿真曲线 图8中分别描述了阀芯响应变化规律、指令信号 与流量之 间的变化规律、压降与流量之间的变化规 律。与样本 给出的数 据进行对 比后 ，变化规律基本一 致 ，表明测试 模型和描述方法可以应用到伺服系统 的 性能仿真 中。 3结论 针对采用功率键合图的液压系统仿真建模方法 ， 对流量 伺 服 阀 的 建 模 原 理 进 行 了详 细 描 述 。采 用 S i m h y d r a u l i c s 软件搭建了物理测试模型并进行了建模 验证 ，为建立高精度液压伺服系统仿真模型奠定了基 础 。 参考文献 [ 1 ]刘勋， 刘玉， 李新有． 基于 S i m h y d r a u l i c s 软件的电液伺服 系统仿真分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 0 4 1 4 5 ． [ 2 ]MO O G D 6 6 1 一 G伺服阀样本， MO O G公司， 2 0 1 0 ． [ 3 ]S i m h y d r a u l i c s U s e r s G u i d e [ M] ． T h e m a t h w o r k s T M， 2 O 0 8 ． 上接第4 4页 刀莫氏锥柄装入筒夹的莫氏孔内，并用螺钉与筒夹拉 紧；筒夹装入钻铣头 主轴 7 2 4锥度 内锥孔 里 ，再用 端面键与夹紧螺帽锁紧，此时铣刀、筒夹 、主轴三者 可靠连接成一体 。 6结束语 针对大管径、大壁厚、高强度的 X 8 0油气管道 切割与坡口要求，介绍了钻铣切管机的组成与工作原 理 。采用 的立铣刀立式铣削 的方案具有切 口宽 、摩擦 力小、接触面积小、切削速度快等优势。根据该机的 工作环境及要求 ，动力源采用液压驱动的方式。对钻 铣切管机的系统结构进行了设计。该机器具有操作简 单、切管速度快、坡 口精度高等优点。 参考文献 [ 1 ]中国石油管道兰州输气分公司． 长输油气管道抢修手册 [ M] ． 兰州 兰州大学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ]张峰， 梁君直． 大口径管道管端坡口整形机[ J ] ． 石油工 程建设 ， 2 0 0 2 ， 2 8 3 4 9 5 0 ． [ 3 ]S Y ／ T 0 5 1 8 ． 2 0 0 2 ． 油气管道钢制对焊管件设计规程[ S ] ． [ 4 ]S Y ／ T 4 1 0 3 - 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