基于直动式数字阀的电液静力加载系统研究.pdf

2 0 1 1 年 2月 第 3 9卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS F e b ． 2 0 l l Vo 1 ． 3 9 No ． 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 1 7 基于直动式数字阀的电液静力加载系统研究 陈 国海 ，朱发 明 浙江工业大学机械制造及 自动化教育部重点实验室，浙江杭州 I 3 1 0 0 3 2 摘要结构静力试验是研究复杂工程构件静特性的重要手段，是鉴定产品结构的设计静强度的主要方法。电液伺服静 力加载系统是进行静力试验的关键设备。设计一种基于直动式数字阀的电液力伺服加载系统 ，采用了直动式数字伺服阀与 经典 P I D控制相结合 ，提高了系统的加载精度与动态响应速度，取得了比较好的实验效果。 关键词电液静力加载系统 ；数字阀；P I D控制 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 1 3 0 6 03 Re s e a r c h o n El e c t r o - - h y dr a ul i c S t at i c Lo a di ng S y s t e m Ba s e d o n Di r e c t - a c tin g Di g i tal Va l v e CHEN Gu o ha i ． Z HU F a mi n g T h e MOE K e y L a b o r a t o r y o f Me c h a n i c a 1 Ma n u f a c t u r e a n d Au t o ma t i z a t i o n ． Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 2 ，C h i n a Abs t r a c t S t a t i c t e s t o f c o mp l e x e n g i ne e ring c o mpo n e n t s i s a n i mp o r t a n t me a n s o f r e s e a r c hi n g s t a t i c c ha r a c t e ris t i c s a n d t h e ma i n me t h o d t o i de n t i f y p r o d u c t s t r u c t u r e s t a t i c s t r e n g t h． El e c t r o h y d r a u l i c s t a t i c s e r v o l o a d i n g s ys t e m i s t h e k e y e q u i p me nt o f s t a t i c t e s t i ng ． An e l e c t r o h yd r a ul i c s e r v o l o a di n g s y s t e m ba s e d o n d i r e c t a c t i o n d i g i t a l v a l v e wa s d e s i g n e d． Th e c o mb i n a t i o n o f d i r e c t a c t i ng di g i t a l s e r v o v a l v e a nd c l a s s i c a l P I D c o n t r o l i mp r o v e d t h e s y s t e m a c c ur a c y a nd dy n a mi c r e s p o n s e s pe e d， a n d b e t t e r e x p e r i me n t a l e f f e c t wa s a c h i e v e d ． Ke y wo r dsEl e c t r o h y d r a u l i c s t a t i c l o a d i n g s y s t e m； Di g i t a l v a l v e； PI D c o n t r o l 静力试验是产品研制 阶段 必不可少 的一个环节 ， 其 目的是鉴定产品结 构的设计静强度 ，并为验证强度 和刚度的计算方法以及结构 的合理性提供必要 的数据 和资料。结构静力试 验是研究工程结构在静载荷作用 下 的强度 、刚度和稳定性等 问题的主要手段之一 ，对 于几何形状和受力情况都较复杂的工程构件 ，结构静 力试验是决定其 静 特性 唯一方便 而 有效 的方法 。另 外，静力试验的结果可以作为验证结构计算模型好坏 的标准之一 ，并可用 于指导改进计算模型 ，提高计算 模型 的 可靠 性。 因此 ，在许 多领 域 尤 其 是航 空 、 航天 中 ，在大 型结构 件 的设 计研 制过程 中以及正 式交付使用前 ，都要进行静力试 验。液压加载凭借 良 好的平稳性和运行中的低噪声 ，在工程试验中得到极 为广泛的应用。液压加载控制技术由2 0世纪5 0年代 的经典 P I D控制逐步发展形成智能 P I D控制 、自适应 P I D控制 、模糊 P I D、自调 整 P I D、单神经元 P I D等 。 随着计算机技术的发展 ，近二三十年电液控制技术 经 历 了一 场 由模 拟控 制 方 式 向数 字 控 制方 式 的转 变 。作者介绍 了一种基 于直动式 数字 阀 的电液静 力 加载系统 ，具有 精度 高 、响应 快 ，可 实现直 接数 字 控制等优点。 1 系统组成及工作原理 电液数字静力加载系统由电液加载作动器 、液压 油源及 电液伺服计算机控制系统三部分组成 ，其 中电 液加载作动器由双向对称液压油缸 和直动式数字伺服 阀及力传感器 、位移传感器集成 ，在控制系统的控制 下 ，实现拉压加载 ，是系统的执行器 。 加载伺服油缸 最终 安装 于机架 底座 的十字 滑架 上 ，见图 1 。油缸 的移动范 围为 1 5 0 m m6 0 0 m m。 油缸通过前端盖 的耳轴安装于油缸架 的轴承座上 ，可 以在给定的角度 内 自由摆动 ，油缸的端部通过一球耳 环及连接杆与被加载对象联接 ，这样可以保证油缸 的 作用力始终与其轴线重合 ，不 出现侧 向偏 载。为 了保 证 当油缸及 油缸架 与滑架 T形槽 之 间的 紧固螺栓 松 开时能 自由移动油缸 ，在十字滑架有相对滑动的表面 上贴专用减摩材料 。 5 0 0 k g电液数字伺 服加载 系统 工作原理 图如图 2 示 。其工作 原理 由泵站提 供动 力 ，工控 机 上位 机 完成参 数设定 ，载荷传 感器 及位 移传感 器输 出 反馈给前置控制器完成加载量 的控制及过载 、过位移 保护。伺服阀根据前置控制器的控制信号，控制步进 电机转动从 而带动阀芯运动 ，控制流量或压力 ，驱动 液压缸加载。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 6 作者简介 陈国海 1 9 8 0 一 ，男 ，硕 士 研 究生 ，主要 研 究方 向为 电 液控 制。 电话 0 5 7 18 8 3 2 0 8 3 8 。Em a i l c g h z j u t ． e d u ． C D 。 第 3期 陈国海 等基于直动式数字阀的电液静力加载系统研究 6 1 a 机加 外 形 b 油缸 装配 图 图 l 机 加外形 及油缸 装配图 图 2 5 0 0 k g电液数字伺服加载 系统 工作 原理 图 伺服阀采用直 动式数 字伺服 阀 ，见 图 3 。将 步进 电机的输入通过一个偏心轮机构作用 于阀芯 ，偏心轮 机构 的旋转运动转化为 阀芯 的直线往复运动 ，从而实 现步进 电机对 阀芯运动 的直接控制 。 l 一 内六角圆柱头螺钉 2 一固定盖 3 一。型 圈4 XI ． 8 4 一密封圈 5 一。型 圈7 ． 5 XI ． 8 6 一阀套 7 一阀芯 8 一阀座 9 一开槽凹断紧定螺钉 l O 一步进电机 l l 定位销 l 2 一偏心机构 图 3 伺 服阀的结构 2系统数学模型 加载系统实质上为一四通滑阀控制双作用对称液 压缸模 型 ，如 图 4所示 。根据 阀控缸 的动态方程建立 系统数学模型。 根据 滑阀的线性化 流量方程 Q LK q x 一Kp L 1 图 4 四通阀控制双 出杆缸 及液压缸流量连续性方程 2 Q 一∑Q 2 可 以得 到连续性方程如下 Q L A pQ A p警 ⋯P ㈩ ⋯ 3 液压缸和负载 的力平衡方程 A p P 2 L 枷 d t K y F 4 式 1 、 3 、 4 联立整理后 ，得到的传递函 数为 3 最 等 等 5 式 中 Q 为负载流量 ， ∑Q 为流人控制腔的总流量 ， ∑Q 为流出控制腔的总流量 ， 为流量 增益 ， 为 控制腔泄漏系数 ， 为阀心的相对位移 量 ，y为活塞 位移 ， p 为负载压 力 ， 为控 制腔 体 积 ， 为有 效 体积弹性模量 ，m 为活 塞及 负 载 的总 质量 ，K 为 液 压缸的总泄漏系数 ，A 为活塞有效面积， 为活塞 位移 ， 为活 塞 和负 载 的黏性 阻力 系数 ，K为负 载 的弹簧刚度 ，F ． 为作用在活塞上 的外负载力 。 上面推导传 递 函数 时考虑 了各 种因素 ，如 质量 、 阻尼 、弹簧 、油液 的压缩性和液压缸 的泄漏等 。该 系 统中，负载为惯性负载，无弹簧负载。此时，K 0 。 由于A 2 K 。 B ， K B ／ A ； 1 ，因 此， 此项可以忽 略不计 ，代人式 5 得活塞位移对阀位移的传递函 数 为 6 2 机床与液压 第 3 9卷 6 s 式中 为 液压固 有频率， 即∞ 、 丽 √ ， K 为 液 压 弹 簧 刚 度 ， 且 g h ； 为 阻 尼 比， 即 ／ A 。 凹 ／ 4 A 、 雨。 这里不考虑泄漏量 ，最终简化之后可得系统的传 递 函数框图 ，如 图 5 所示 。 图5 模块化建模的系统原理框图 3实验 研究 作者研究 的电液数字静力加载系统可通过上位机 用户界面设置需要加载的力值 ，将加载油缸上 的载荷 传感器信号通过数据采集卡采集至上位机 ，与用户设 置值 相比较 ，再将 两者差值经 P I D运算及放大后转换 为数 字阀开 口信号 ，即数字阀电 一 机械转换器能接 收 的信号，通过前置控制器控制数字阀上的电机产生一 定的角位移 ，从而调整 阀口开度以消除偏差 ，达到闭 环控制的目的。系统控制周期为 5 m s ，即每隔 5 I I I S 产生一次反馈调整 阀 口开度 。油缸 内置 的位移传感器 只将位移信号返回至上位机作实时监控及系统报警保 护用 ，并不 参与控制 。图 6及 7为油源压力 1 0 M P a 、 加 载力设置为 拉力 6 0 0 N时 的加 载 曲线 。 由于 P I D 参数 不 同，图 6产生 了明显 的振荡 ，但 响应 时 间仍 然较快 ，1 S 内即可到达稳态 ；图 7经 P I D参数 调整 后其 响应 情 况 有 了较 大 幅度 提 高 ，基 本 不 产 生超 调 ，响应 时间也 在 1 S 左 右 。两 次 加载 在稳 定 后其 稳态误 差均不 超过 0 ． 3 ％ 。该 系统 在模 拟 高精 度静 力加 载试验 尤其是飞机 、武器 装备 等试验 场合 有较 高 的应 用价值 。 90 80 乏 7 0 毒 6 0 最 5 0 40 30 时 间／ s 图 6 6 0 0 N加载 曲线 700 600 500 景 400 L J - ⋯I J J ⋯ I J } ⋯j ⋯‘ l “ - T ⋯● r 。⋯ ⋯rl● ’ ⋯’ ⋯。 r 『 0 40 8 0 l 20 1 60 时间， s 图7 调整 P I D参数后的 6 0 0 N加载曲线 该加载 系统还 可作伺 服 加载用 ，只需 将上 位机 软件界 面的用户加载力值 信 号改成 所需 的典 型波形 信号即可。标准波形数据由上位机生成，同静力加 载 工作原理 ，每 5 m s 为 1 次反 馈控制周期 ，驱动阀 口开度以控制 液压 缸实 时作 用力 逼 近理 论值 。图 8 和 9分别 是频率为 0 ． 5 H z 的标 准三角波及正 弦波的 加载情况 ，由图可知 ，系统具有 较好 的伺服 控制 特 性 ，但在 加载信号 的频 率增 大时 出现一 定 的相移及 滞环非线 性 。 Z R 辐 口 图 8 0 ． 5 Hz 三 角 波加载 曲线 l 600 l 200 800 景 40 0 4结论 通过对直 动式数字 阀控 电液 静力加 载 系统 的实 验研 究 ，证 明该 系统具 有 较好 的响应 特性 和控制 特 性 ，在静力加载时的加载精度较高；该系统在作伺 服加 载时 也 具 有 较 好 的 控 制 特 性 ，响 应 快 、精度 高 、可实 现直接数字控 制。在模 拟 高精度 静 力加 载 试验 尤其 是飞机 、武器 装备 等试 验场合 有 较高 的应 用价值 。 参考文献 【 1 】 刘长年． 液压伺服系统的分析与设计[ M] ． 北京 科学出 版社 ， 1 9 8 5 2 2 2 6 ． 【 2 】高峰， 茅及愚， 李维嘉． 基于结构不变性原理的有效提升 液压伺服系统动特性 的新方法[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 7 6 0 6 1 ． 【 3 】王辉， 闫祥安， 王立文， 等． 操纵负荷系统电液伺服加载 控制方式的比较研究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 7 ， 1 8 2 1 4 21 4 5． 【 4 】阮健， 裴翔， 李胜． 2 D数字换向阀[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 0 ， 3 6 3 6 5 6 8 ． 【 5 】韩意斌． 新型高频电液激振器的设计及其频率控制研究 [ D] ． 杭州 浙江工业大学 ， 2 0 0 7 ． 【 6 】黄献龙， 李尚义． 静力试验用电液伺服加载系统的分析 和实验 一如何实现高加载精度[ J ] ． 导弹与航天运载技 术 ， 2 0 0 0 6 1 4 1 9 ． 【 7 】R u a n J ， B u r t o n R ， U k r a i n e t z P ． A n i n v e s t i g a t i o n i n t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f a t wo d i me n s i o n a l ‘ 2 D’ fl o w c o n t r o l v a l v e [ J ] ． J o u r n a l o f D y n a mi c S y s t e m s M e a s u r e me n t a n d C o n ． t r o l ， 2 0 0 2 ， 1 2 4 1 2 1 42 2 0 ． 【 8 】王鑫． 电液伺服加载台的设计与实验研究[ D ] ． 西安 西 北工业大学 ， 2 0 0 3 ．