基于伺服系统的高温阀门开度控制研究.pdf

2 0 1 4年 7月 第4 2卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS J u 1 ． 2 01 4 Vo l | 4 2 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 3 ． 0 1 7 基于伺服系统的高温阀门开度控制研究 田静 ，袁彪 1 ．中国民航大学航空工程学院，天津 3 0 0 3 0 0 ； 2 ．新疆军区6 9 0 0 8部 队，新疆鸟鲁木 齐 8 3 0 0 0 0 摘要工作在高温条件下的高温阀门，通过手动调节流量很难保证响应速度和调节精度，并且存在安全隐患，因而远 程快速控制高温阀门的开度成为实际工程的需要。在设计开度控制系统时，把高温阀门的开度转换成位移。通过对电液伺 服阀控液压缸系统的详细分析，建立了位移控制系统的数学模型；利用 S i m u l i n k仿真软件对位移控制系统的闭环特性进行 仿真，设计了闭环阀门开度控制器 P I D参数 ，并把 P I D参数应用到实际控制当中。实验结果表明闭环伺服控制系统具有 较好的响应速度、稳定性与精度 ；使受控的高温阀门最小开度达到 2 ％；大开度变化时响应速度快，小开度变化时响应速 度稍慢。实验与仿真结果虽存在偏差，但符合工程需求。 关键词电液伺服阀； 闭环控制 ； 高温阀门； 仿真；开度 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 41 30 6 7 4 Re s e a r c h o n Co nt r o l o f Hi g h Te mpe r a t ur e Va l v e Op e n i ng Ba s e d o n Se r v o Sy s t e m T I AN J i n g ．YU AN B i a o l 1 1 ． S c h o o l o f A e r o n a u t i c a l E n g i n e e r i n g ，C i v i l A v i a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0，C h i n a ； 2 ． 6 9 0 0 8 T r o o p s o f X i n j i a n g Mi l i t a r y ， U r u m q i X i n j i a n g 8 3 0 0 0 0，C h i n a A b s t r a c t Ma n u a l l y a d j u s t i n g t h e f l o w r a t e i s d i ffic u l t t o e n s u r e t h e a c c u r a c y a n d r e s p o n s e s p e e d w h e n h i g h t e m p e r a t u r e v a l v e wo r k s a t h i g h t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n s ，a n d t h e r e i s a l s o s e c u rit y ri s k ．T h e r e f o r e ，t h e a u t o ma t i c c o n t r o l o f h i g h t e mp e r a t u r e v a l v e o p e n i n g b e c o m e s a c t u al n e e d o f t h e p r o j e c t ．I n t h e d e s i g n o f t h e o p e n i n g d e g r e e c o n t r o l s y s t e m， o p e n i n g d e gre e w a s c o n v e r t e d i n t o d i s p l a c e me n t ． A ma t h e ma t i c al mo d e l o f d i s p l a c e me n t c o n t r o l s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d a f t e r a d e t a i l e d a n a l y s i s o f s e r o v a l v e c o n t r o l l e d h y d r a u l i c c y l i n d e r s y s t e m a n d a c l o s e d - l o o p P I D c o n t r o l l e r p a r a me t e r s o f t h e v a l v e o p e n i n g w e r e d e s i g n e d a f t e r s i mu l a t i n g t h e c l o s e d l o o p c h a r a c -- t e r i s t i c s o f t h i s s e r v o s y s t e m b y us i ng t h e s i mul a t i o n s o f t wa r e S i mu l i nk ．W h e n t h e PI D p a r a me t e r s a y e a p pl i e d t o t h e a c t u a l c o n t r o l l i n g， i t i s s h o wn t h a t t h e c l o s e d - l o o p s e r v o c o n t r o l s y s t e m h a s g o o d r e s p o n s e s p e e d ，s t a b i l i t y a n d a c c u r a c y ；t h e mi n i mu m c o n t r o l e d v alv e 0 一 p e n i n g d e g r e e r e a c h e s 2 ％ ．I t s r e s p o n s e i s f a s t wh e n t h e v a l v e o p e n i n g d e g r e e c h a n g e s a l o t a n d i t s r e s p o n s e i s s l o w w h e n t h e v a l v e 0 一 p e n i n g d e gre e c h a n g e s a l i t t l e ．Al t h o u g h t h e r e i s a d e v i a t i o n b e t we e n e x p e r i me n t al a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s ，t h e r e s u l t s me e t e n g i n e e ri n g r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s E l e c t r o h y d r a u l i c s e nr0 v a l v e；C l o s e d l o o p c o n t r o l ；Hi g h t e mp e r a t u r e v Mv e；S i mu l a t i o n；Op e n i n g 高温阀门一般指工作温度大于 4 5 0 o C的阀门，并 且在高温条件下具有良好的密封性、调节特性。工作 中通过调节高温阀门的开度改变流量。然而处在高温 环境 的阀门 ，通过 手动调节流量很难保证 响应速度 和 调节精度 ，并且存在安全隐患，因此设计高温阀门开 度控制系统成为实际工程的需要。 作为流量调节元件 ，阀门的开度决定流量的大 小 ，与阀门开度一一相对应的是阀芯的位移 ，因此可 以通过控制 阀芯位 移来调节 阀门的开度 。把 阀芯 与伺 服液压缸的活塞杆刚性连接在一起 ，通过伺服系统控 制活塞杆的位移来调节阀门开度，成为远程控制阀门 开度的一种方式。 对于阀门来讲，能够控制 的最小 开度 5 ％以 内越小、响应时间 0 ． 5 S 以内越短越能够满足 工程需求，因此伺服系统能够控制的速度和精度直接 关系到 阀门的使用要求 。电液伺服 阀作为 比例式换向 阀 ，具有 响应快 1 0 m s 、精度高 的特点 ，能够 快速 切换液压缸 的进 出 口油路 ，是伺服系统 中不可或缺的 部件 ，因此 ，在工业中被广泛应用于伺服位置控制系 统 。 以阀门开度控制系统为研究对象，通过对阀门开 度控制系统的详细分析 ，建立了位移控制系统的数学 模型；利用 S i m u l i n k仿真软件对位移控制系统的闭环 特性进行仿真 ，设计了闭环阀门开度控制器 P I D参 收稿 日期 2 0 1 3 0 61 5 作者简介田静 1 9 7 4 一 ，女，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向为飞行器设计。 通信作者 袁彪 ，Em a i l 5 3 6 5 5 2 3 3 1 q q ． c o rn。 6 8 机床与液压 第4 2卷 数 ，用于实际工程中并取得良好的效果。 1 系统组成及原理 电液伺服 阀控 阀门开度控制系统的工作原理如图 1 所 示。左侧为简化 的高温 阀门 ，阀芯为可 以实现流 量调节的锥形阀芯，阀芯与油缸的活塞杆必须同轴且 连为一体 ，要使阀门开度可调即阀芯能够左右移动 ， 高温阀门壳体与油缸壳体的相对位置必须固定。高压 油源 P 经电液伺服阀高压 口进入到油缸右侧的高压 腔 ，此时，右侧的油压力 P 大于左侧压力 P ，活塞 杆受到油液的推力并且克服高温阀门内波纹管的弹簧 拉力 向左运动 ，液压油顺时针流动 ，实现关 闭高温 阀 门的作用 ；电液伺服阀可以切换油路，当液压油逆时 针流动时，高压油经电液伺服阀进入到油缸左侧 ，实 现打开阀门的作用。通过位移传感器把阀芯的位移信 号转换成 电压信号，电液伺服阀的开度与电压成正 比，输入开度信号 U 与位移传感器输出信号 的差 值作为电液伺服阀的控制信号，用电液伺服阀控制恒 压油源进入液压缸容腔的速度，使得阀芯位移达到目 标值 ，整个过程实现了闭环控制阀门开度。 图 1 阀门开度控制原理 电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控 制介质，利用电信号进行控制输入和反馈 ；实际的液 压伺服系统无论多么复杂，都是由一些基本元件所组 成的，并可以用图 2 所示的方块图来加以表示。图中 输入元件给出输入信号加于系统的输入端 ；反馈测量 元件测量系统的输出量并转换成反馈信号加于系统的 输入端，与输入信号进行 比较 ，从而构成 了反馈控 制 。 图 2 电液伺服控制系统的结构框图 2 伺服系统数学模型建立 为建立伺服系统线性化数学模型，对系统做如下 假设 1 液压 油源压力 恒定 ，忽略泵 的 流量脉 动 ； 2 液压缸每个腔内压力处处相等，油液温度 和体积弹性模量为常数 ； 3 忽略管道压力损失和 管道动态影响。 ‘ 整个系统的功能是驱动阀芯产生位移，阀芯的行 程为5 m m，高温阀门的结构决定了油缸的尺寸应尽 量小型化、质量轻便化。为满足实际工程需求，选择 油缸的 型号 为 H T B ． S W2 5 ，其 结构 性 能参 数 如 表 1 。 负载为阀门入口压力 P i 为 4 M P a时流体对阀芯的压 力，经过计算选择 的电液伺 服阀型号为 F F 1 0 2 ／ 1 5 ， 其性能参数见表 2 ，其中供油压力恒定为 4 MP a时， 可以推动阀芯。 表 1 油缸结构 性能参数 型号H T B ． S W2 5 行程／ ram 5 活塞杆直径／ m m 1 4 工作压力／ MP a 0 2 5 缸径／ m m 2 5 表 2 电液伺服阀性能参数 型号 额定电流／ m A 额定流量／ L mi n 最小识别 电流／ ％ 工作压力／ M P a 幅频宽／ H z FF1 0 2／1 5 1 O 1 5 1 0～25 1 0 0 2 ． 1 阀控伺服缸建模 1 电液伺服阀线性化流量方程 Q LK q X 一K 。 P L 1 式中 为比例阀流量增益； K 为 比例 阀流量 一 压力 系数 ； P 为入 口压力 ，P a ； 为比例阀阀芯位移，m。 2 伺服油缸流量连续性方程 Q A 警 C Ipp 2 式中A为液压缸活塞的有效面积 ，m ； Y为活塞的位移，m m； c 。 为总泄漏系数； 为液压缸进油腔的容积，／ n ； 为系统的有效体积弹性模量。 3 液压缸和负载力平衡方程 A p 邶Pd fd y K L YF L 3 式中m． 为活塞 以及与活塞相联的阀芯的总质量， k g； 。为活塞和负载的黏性阻尼系数 ，N s ／ m； 为负载的弹簧刚度，N ／ m； ．为作用在活塞上 的外负载力 ，N 。 4 传递函数 分 别对式 1 、 2 、 3 进行拉普拉斯变换 Q LK q X 一K P L 4 Q c P 5 第 1 3期 田静 等 基于伺服系统的高温阀门开度控制研究 6 9 P 1m B p s y F 6 消去 中间变量得到输 出量 y的动态特性方程为 y 一 s 州 ／ 【器 m tg ce 4盟 eA 2川] B pK ce 器 1 s 】 对式 7 进行简化，不考虑油缸干扰负载的传 递函数为 Y 。 【 V tm t s 3 m tg ce 8 ⋯ pL A ／p t s 2 一 【 I ⋯ s 十 ] 进一步写成如下形式 l ， 1 ／ , 4 O 妄 s2 SOh A 十 一 S 十 。 8 9 4 x 7 0 0 0 x 1 0 5 x 3 ． 3 6 7 x 1 0 - 4 2 ．2 8 6 2 8 r a d ／s 0．1 68 4 10 0． 23 鲁 4生 A - o ．s s Bp K o o ． 1 1 A 4 B e A‘ KLK 。 e o 1 5 ． 2 其中K 。 。 C K 。 ；液压缸泄漏系数 c 较阀的流量 一 压力系数 K o 小得多 ，所 以 主要 由 K c 来 决定 。 其 中参数 的选取如表 3所示 表 3 仿真参数 m ／k g 0． 2 3 71 0 。 ／ N 8 m 6 ． 5 V , ／ m 1 ． 6 8 4 1 0一 K L ／ N m 8 5 9 6 4 K 。 21 0 一 “ A ／ m 3 ． 3 6 7 1 0一 则液压缸传递函数为 2 。 2 电液伺服 阀建模 电液伺 服阀的传递 函数 为二 阶振荡环节⋯ Q K ， 2 2 s , s1 ’ ∞ 。 “ u 7 1 O 式中 为固有频率，r a d ／ s ； 为阻尼比，无因次； K 为流量增益 。 取供油压力为 P 4 M P a ，查伺服阀样本，该伺 服阀的额定电流为 1 0 m A；根据 F F 1 0 2 ／ 1 5伺服阀频 率响应特性曲线图可知 ∞ 1 0 0 H z ，额定压力为 2 l MP a时的额定无负载流量 Q 。 为 1 5 L ／ m i n ，即 Q 。 2 ． 51 0 一m ／ s ，因此实际空载流量 为 Q Q 。 而1 ． 2 21 0 m ／ s 电液伺服阀的流量增益为 2 21 0 ～ m s． A 所以电液伺服阀的传递函数为 导 1 2 ， 1 一 一1 0 0 2 面广 2 ． 3传感器传递函数 位移传感器的输出电压与位移成正比，因此传递 函数可以视为比例环节 ，比例系数为 Km 等 了 5 1 V ／ m m 综上所述，确定系统闭环控制的方块图如图3所 示 。 位 置 传感 器 图3 闭环控制方块图 3 仿真结果与实验结果分析 3 ． 1 仿真结果分析 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律 为比例、积分、微分控制，简称 P I D控制，又称 P I D 调节 。P I D控制器问世至今 已有近 7 0年历史，它 以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为 7 O 机床与液压 第 4 2卷 工业控 制的主要技术之一。基 于 M A T L A B平 台的 S i m u l i n k是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环 境 ，可方便地建立各种模型、改变仿真参数，能很有 效地解决仿真技术中的问题 ，它在众多领域得到了 广泛应用。整个伺服系统在 S i m u l i n k环境下采用 P I D 控制策略下建立的模型如图4所示。 图 4 S i m u l i n k模 型 取 K p2 8 ． 9 0 6，K； 1 ． 3 8 7 5，Kd0和 Kp 2 3 ． 5 4 7 ，K i 1 ． 4 8 3 5 ，K 0 ，对此阀门开度控制系 统的工作过程进行仿真，得到如图 5 、图6所示 的阀 门开度实际位移曲线。 比较图5 、图6发现比例系数 从 2 8 ． 9 0 6减 小到2 3 ． 5 4 7时，系统的响应时间并没有明显的降低， 基本维持在 6 0 m s 的水平；积分常数 K 从 1 ． 3 8 7 5增 大 到 1 ． 4 8 3 5 后 ，超调量 由原来 的 1 0 ％ 减小到 2 ％ 以 内，说明增大积分系数 K有利于减少超调，减少振 荡 ，使系统更加稳定，虽然一开始存在振荡 ，但是振 荡幅度比较小，满足工程需求。 图5 期望开度与实际开 图6 度 K p 2 8 ． 9 0 6 ， K。 I ． 38 7 5， K a 0 时 间／ s 期望开度与实际开 度 K p 2 3 ． 5 4 7 ， Ki1 ． 48 3 5． 0 3 ． 2实验结果分析 根据仿真中整定的 P I D参数，进行闭环控制阀门 的开度实验，分别进行 了大开度和小开度的阶跃实 验 ，实验结果如图7 、图 8所示。尽管在整定 P I D参 数的仿真过程中存在振荡和超调现象，但实验结果表 明开度信号几乎表现为一阶陨性环节，没有出现振 荡和超调现象 ；仿真中实际开度的响应时间 6 0 m s ， 实验中开度从 0变化到 0 ． 5 m m的响应时间为 8 0 m s ； 开度 从 3 ． 3 1 m m变 化 到 4 ． 4 1 m m 的 响应 时间 为 2 0 0 m s ，表明能控的最小开度为0 ． 1 m m。 电液伺服阀在入口压力为额定压力 2 1 M P a下的 最小识别电流为 0 ． 1 m A， 而实际使用中的人口压力 图7 大开度阶跃 图8 小开度阶跃 4结论 1 建模过程与仿真结果表明对阀门开度控 制系统建立正确的数学模型并进行仿真，可以有效检 验 P I D参数的控制效果，达到对系统工作状态的了 解，尽量减小实验偏差，提高了设计和分析系统的效 率 ，为进一步提高响应速度和控制精度奠定了一定的 基础。 2 实验结果表明开度在大范围变化时系统 的响应速度比较快 ，开度在小范围内变化时，响应速 度比较慢 ；其中能控制 的最小开度为 0 ． 1 m m，相当 于整个行程 的 2 ％ ，并且 最小开 度 的响应时 间为 2 0 0 m s ，满足高温阀门对开度响应的使用要求。 参考文献 [ 1 ]白鸽． 基于 A ME S i m的阀控液压缸电液伺服系统仿真 [ J ] ． 科技广场， 2 0 1 1 1 1 7 71 8 1 ． [ 2 ]成大先． 机械设计手册 液压控制 [ M] ． 北京 化学工 业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ]孙衍石， 靳宝全， 熊晓燕． 电液伺服比例阀控缸位置控制 系统仿真研究[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 9 7 3 23 5 ． [ 4 ]王春行． 液压伺服控制系统 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 9 ． [ 5 ]胡寿松． 自动控制原理[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 2 ． [ 6 ]薛定宇． 基于 M A T L A B ／ S i m u l i n k的系统仿真技术与应 用[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 ．