开关电磁阀控制具有惯性负载液压执行机构的定位系统研究.pdf

２０１４ 年 １２ 月 第 ４２ 卷 第 ２３ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｄｅｃ􀆱 ２０１４ Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ２３ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１４􀆱 ２３􀆱 ００５ 收稿日期 ２０１３－１０－１０ 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （５１３６５０２８） 作者简介 魏列江 （１９７２）， 男， 博士， 副教授， 主要从事流体测控方面的研究工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｆｚｑ２０１１＠ ｌｉｖｅ􀆱 ｃｎ。 开关电磁阀控制具有惯性负载液压执行机构的定位系统研究 魏列江， 冯志清， 李娜娜， 李旭方 （兰州理工大学能源与动力工程学院， 甘肃兰州 ７３００５０） 摘要 针对实际开关电磁阀定位系统设计过程中， 定位误差、 定位冲击和震荡等定位效果难以预测的问题， 基于 ＡＭＥＳｉｍ 对一个实际定位系统建立了控制模型并进行了仿真分析。 研究表明 定位系统的负载速度和质量、 定位开关和控 制继电器的切换时间可以较好地预测和补偿， 属于定位系统的 “硬量”； 开关电磁阀的响应时间和油液压缩性是影响定位 系统动态过程的主要因素， 其变化范围受多因素影响， 不易控制， 属于定位系统的 “软量”； 对于负载质量为 ５ ０００ ｋｇ、 运 动速度为 ０􀆱 ２ ｍ／ ｓ、 负载定位行程为１ ２００ ｍｍ、 油液弹性模量为１ ７００ ＭＰａ 的定位系统， 当其他因素不变， 开关电磁阀的响 应时间从 １０ ｍｓ 到 １００ ｍｓ 变化时， 定位误差从 １１􀆱 ８ ｍｍ 上升为 １９􀆱 ８ ｍｍ， 定位冲击从 ２􀆱 ８ ｍｍ 增加到 ４ ｍｍ。 关键词 开关电磁阀； 定位系统； 动态过程； 定位误差 中图分类号 ＴＨ１３７； ＴＰ２７３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１４） ２３－０１７－３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｗｉｔｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｖａｌｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｉｎｅｒｔｉａ Ｌｏａｄ ＷＥＩ Ｌｉｅｊｉａｎｇ， ＦＥＮＧ Ｚｈｉｑｉｎｇ， ＬＩ Ｎａｎａ， ＬＩ Ｘｕｆａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００５０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ， ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｍｐａｃｔ ａｎｄ ｓｈｏｃｋ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｗｉｔｃｈ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖａｌｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎ ａｃｔｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓ⁃ ｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｔ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ ｒｅｌａｙ ｓｗｉｔｃｈ ｔｉｍｅ ｂｅｌｏｎｇ ｔｏ ｈａｒｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓ⁃ ｔｅｍ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｂｅｔｔｅｒ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｏｉｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌ⁃ ｉｔｙ， ｗｈｉｃｈ ｂｅｌｏｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｗｈｉｃｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ， ａｎｄ ｎｏｔ ｅａｓｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ５ ０００ ｋｇ， ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ０􀆱 ２ ｍ／ ｓ， ｌｏａｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｊｏｕｒｎｅｙ ｉｓ １ ２００ ｍｍ ａｎｄ ｏｉｌ ｍｏｄｕｌｕｓ ｉｓ １ ７００ ＭＰａ， ｗｈｅｎ ｏｔｈｅｒ ｆａｃｔｏｒｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖａｌｖｅ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ １０ ｍｓ ｔｏ １００ ｍｓ， ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｒａｉｓｅｄ ｆｒｏｍ １１􀆱 ８ ｍｍ ｔｏ １９􀆱 ８ ｍｍ， ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｍｐａｃｔ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ２􀆱 ８ ｍｍ ｔｏ ４ ｍｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｗｉｔｃｈ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖａｌｖｅ； Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ； Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ０ 前言 在农业机械、 矿山机械和建筑机械等设备的运行 中， 常常需要液压执行机构驱动一个大的惯性负载达 到确定位置的定位系统， 由于现场高污染、 强电磁干 扰等复杂环境， 对于精度要求不是很高的定位系统， 因为比例阀或伺服阀控制液压执行机构的定位系统固 有的复杂性和对污染的敏感性， 并不适合采用， 而开 关电磁阀控制的定位系统因其结构简单、 耐污染能力 强、 成本低、 工作可靠， 常常是首选的方案。 但在实 际系统的设计过程中， 这种定位系统受开关电磁阀的 响应时间、 液压缸的速度、 负载的质量、 油液的压缩 性、 行程开关的动作时间和控制继电器的切换时间等 诸多因素的影响， 如果设计中仅依靠经验进行定性的 估算， 其定位精度、 定位冲击和震荡等定位效果难以 预测， 定位的实际效果依靠研制完成后在实际系统上 的试凑， 往往使得最终的设计不能很好地满足性能指 标要求， 甚至造成设计失效。 本文作者基于 ＡＭＥＳｉｍ 软件建立了普通开关电磁阀控制的具有惯性负载的液 压缸定位系统的模型， 研究了上述诸因素对系统定位 效果的影响。 １ 开关电磁阀控制的液压缸定位系统的分析 １􀆱 １ 定位过程 “软量” 分析 如图 １ 所示， 开关阀控制液压缸定位系统中的普 通开关电磁阀是二位或三位四通的换向阀， 可以是电 磁换向阀或电液换向阀， 小流量系统采用电磁换向 阀， 大流量系统采用电液换向阀， 通常电磁换向阀的 换向时间不能人为调节， 而电液换向阀具有可调节的 换向时间。 与伺服阀或比例阀不同， 开关电磁阀本身 并不提供对液压缸速度的控制， 也不提供对其加速 度／ 减速度的控制， 基本属于不可控的过程。 开关阀 对定位过程的影响主要取决于其电－机械转换部分推 动阀芯从全开到关闭的整个过程， 其电－机械转换部 分一般可分为开关型交流电磁铁或开关型直流电磁 铁， 并根据电磁铁是否可浸泡在流体介质中， 又分为 干式电磁铁和湿式电磁铁， 不同形式和功率的电磁铁 会造成其换向时间不同； 此外， 开关电磁阀的换向时 间还受阀芯所受液动力、 液压力、 摩擦力和弹簧力等 因素的影响， 其变化范围受工作条件影响较大， 属于 系统的 “软量”， 并且开关电磁阀的响应期间是油路 从全开到切断的过渡过程， 也是进入执行机构的油液 从最大到最小的变化过程， 对定位精度的影响最大。 在定位过程中， 定位信号作用在开关电磁阀上 时， 除受到开关电磁阀响应时间的影响外， 还受到油 液弹性模量的影响。 由于油液温度、 系统压力、 油液 含气量等因素随着现场条件变化而变化， 使得油液弹 性模量在系统的运行过程中难以确定， 它对系统的定 位精度等的影响也很难预测， 因此油液的弹性模量也 可以看作 “软量”。 图 １ 开关电磁阀 １􀆱 ２ 定位过程 “硬量” 分析 对于开关电磁阀控制具有惯性负载的液压执行机 构的定位系统， 负载从静止位置运动到由行程开关确 定的某个位置， 负载接触到行程开关时， 行程开关动 作， 给出停止运动的信号， 信号经过继电器和可编程 控制器等器件， 最后作用在开关电磁阀上使其动作， 油路被切断， 负载停止运动。 在定位系统中， 负载的 速度和质量在设计时可以计算， 可以看作 “硬量”； 行程开关的操作时间、 继电器的切换时间和可编程控 制器的 Ｉ／ Ｏ 响应时间一般都为固定值， 可以较好地预 测并看作是纯延迟， 也可以看作 “硬量”， 可定义由 这些 “硬量” 造成的时间延迟为 “硬量延迟”。 上述 “硬量” 一旦调定通常其变化很小， 对定位系统的影 响可以通过将定位开关提前和在可编程控制器内设计 相应的算法进行补偿。 １􀆱 ３ 定位过程分析 如图 ２ 所示为典型的普通开关电磁阀控制的液压 执行机构定位系统， 开关电磁阀与适当的开关逻辑 （继电器、 固体开关或可编程控制器） 合用， 可以控 制液压执行机构 （以液压缸为例） 从静止位置运动 到由行程开关确定的另一位置。 在这种简单的情况 下， 按下起动按钮将使电磁开关阀动作， 控制液压缸 运动， 直到行程开关被操作为止， 液压缸将停在所需 位置上。 图 ２ 开关电磁阀控制的定位系统 但是由于上述因素的影响， 当负载达到所需位置 时， 开关电磁阀并不能立刻关闭， 液压缸活塞杆进一 步伸出或缩回， 负载最终停止位置是一个取决于上述 诸因素的范围而不是确定的一个位置。 定义期望的负 载定位位置与负载最终停止时的实际位置之间的位移 为 “定为误差”， 定义确定负载位置的定位开关发出 定位信号到负载停止的过程为 “定位系统的动态过 程”， 在此动态过程中， 负载超过其最终停止的实际 位置的最大位移定义为 “定位冲击”。 下边建立该定 位系统的基于 ＡＭＥＳｉｍ 的系统模型， 分析定位系统的 动态过程中各因素对定位冲击和定位误差的影响。 ２ 基于 ＡＭＥＳｉｍ 的开关电磁阀控制液压缸定位系 统模型的建立 采用 ＡＭＥＳｉｍ 建立开关电磁阀控制液压缸的定位 系统模型， 如图 ３ 所示。 该系统由定量泵、 溢流阀、 开关电磁阀、 单活塞液压缸、 负载组成， 其中开关电 磁阀是三位四通的电磁换向阀， 负载为质量块。 通过 对开关电磁阀控制的液压缸定位系统的分析， 行程开 关的操作时间、 继电器的切换时间看作是信号的纯延 迟， 所以将定位信号经过纯延迟后加载到电磁阀上。 图 ３ 开关电磁阀控制液压缸定位控制系统模型 ８１机床与液压第 ４２ 卷 在 ＡＭＥＳｉｍ ／ ｐａｒａｍｅｔｅｒ 模式下定位系统的主要参 数设定见表 １。 表 １ 定位系统主要参数 电机转速／ （ｒｍｉｎ －１ ）１ ０００ 液压泵排量／ （ｍＬｒ －１ ）１６０ 液压缸缸筒内径／ ｍｍ１２５ 液压缸活塞杆直径／ ｍｍ９０ 负载质量／ ｋｇ５ ０００ 定位距离／ ｍｍ１ ２００ ３ 定位系统仿真分析 仿真开始时给电磁换向阀换向信号， 使开关电磁 阀工作在右位， 负载开始运动。 当负载位置达到所需 位置时， 在定位信号经过一个纯延迟 （行程开关的 操作时间、 继电器的切换时间的等效时间） 后使开 关电磁阀回到中位， 定位信号如图 ４ 所示。 图 ４ 定位信号 ３􀆱 １ 开关电磁阀的响应时间对定位过程的影响 通过改变开关电磁阀的响应时间得到定位系统负 载位移－时间曲线， 如图 ５ 所示。 图 ５ 负载位移－时间曲线 由图 ５ 可知， 液压缸速度、 负载质量、 定位开关 的时间、 油液的弹性模量等为定值时， 当开关电磁阀 的响应时间为 １００ ｍｓ 时， 负载的定位误差为 １９􀆱 ８ ｍｍ， 定位冲击为 ４ ｍｍ； 响应时间为 ５０ ｍｓ 时， 负载 的定位误差为 １５􀆱 ６ ｍｍ， 超调量为 ３􀆱 ３ ｍｍ； 响应时 间为 １０ ｍｓ 时， 负载定位误差为 １１􀆱 ８ｍｍ， 超调量为 ２􀆱 ８ ｍｍ。 可见开关电磁阀的响应时间越长， 相同条 件下， 负载的定位误差越大， 定位冲击越大， 震荡幅 值基本相同。 ３􀆱 ２ 油液弹性模量对液压缸活塞杆的定位过程 仿真时设置开关电磁阀的响应时间为 １００ ｍｓ， 通过改变油液体积弹性模量得到定位系统负载位移－ 时间曲线， 如图 ６。 图 ６ 负载位移－时间曲线 由图 ６ 可知， 当油液的弹性模量为 ７００ ＭＰａ 时， 负载的定位误差为 １９􀆱 ７ ｍｍ， 定位冲击为 ５􀆱 ４ ｍｍ； 油液的弹性模量为 １ ７００ ＭＰａ 时， 负载的定位误差为 １９􀆱 ８ ｍｍ， 定位冲击为 ４ ｍｍ； 响应时间为 ２７ ｓ 时， 负载的定位误差为 ２０ ｍｍ， 定位冲击为 ３􀆱 ７ ｍｍ。 在 相同条件下油液的弹性模量越小， 负载的定位基本相 同， 但定位冲击越大， 震荡幅值越大。 ４ 结论 对开关电磁阀控制的具有惯性负载的液压缸定位 系统建模、 仿真， 分析了开关电磁阀的响应时间、 油 液的体积弹性模量对定位精度和超调量有显著影响， 研究获得如下结论 （１） 开关电磁阀的响应时间和油液压缩性是影 响定位系统动态过程的主要因素， 其变化范围受多因 素影响不易控制， 属于定位系统的 “软量”； （２） 定位系统负载速度、 质量、 定位开关和控 制继电器的切换时间可以较好地预测和补偿， 属于定 位系统的 “硬量”； （３） 当其他因素不变， 开关电磁阀的响应时间 从 １０ ｍｓ 到 １００ ｍｓ 变化时， 定位误差从 １１􀆱 ８ ｍｍ 上 升到 １９􀆱 ８ ｍｍ， 定位冲击从 ２􀆱 ８ ｍｍ 增加到 ４ ｍｍ； 油 液弹性模量从 ７００ ＭＰａ 到 ２７００ ＭＰａ 变化时， 定位误 差从 １９􀆱 ７ ｍｍ 上升到 ２０ ｍｍ， 定位冲击从 ５􀆱 ４ ｍｍ 减 少到 ３􀆱 ７ ｍｍ； （４） 为了减小开关电磁阀控制液压缸定位系统 的定位精度， 可以采用定位开关向前设置进行 “硬 量” 的完全补偿和 “软量” 的部分补偿补偿； （５） 该研究方法和结果对于开关阀控制液压执 行机构定位系统的设计过程中定位效果的预测具有普 遍的指导意义。 （下转第 ２９ 页） ９１第 ２３ 期魏列江 等 开关电磁阀控制具有惯性负载液压执行机构的定位系统研究 ３􀆱 ３ 仿真与实验对比 利用氮气室压力测量法［１１］在实验室某型号破碎 锤上实车测试， 测试所得的曲线如图 １３ 所示。 ＤＳＨ⁃ ｐｌｕｓ 的仿真参数和测试参数对比见表 ２， 从表中数据 可以看出冲击频率误差在 １％以内； 活塞行程和活塞 速度 误 差 分 别 ８􀆱 ２３％ 和 ２􀆱 ７７％； 冲 击 能 误 差 在 ５􀆱 ６１％。 由于试验用挖掘机内部泄漏较为严重， 以及 曲线滤波、 传感器不稳定等测试误差的存在， 试验与 仿真的各项指标都在 １０％以内是可以接受的， 证明 所建立的仿真模型是正确的。 图 １３ 实验参数曲线 表 ２ ＤＳＨｐｌｕｓ 仿真与实验参数对比 项目测试仿真误差／ ％ 活塞行程／ ｍｍ５８􀆱 ４９７５３􀆱 ６８８􀆱 ２３ 活塞速度／ （ｍｓ －１ ）４􀆱 １９４４􀆱 ３１２􀆱 ７７ 冲击频率／ Ｈｚ９􀆱 ８３５９􀆱 ７９０􀆱 ４５ 冲击能／ Ｊ１１６􀆱 ６１８１２３􀆱 １５９５􀆱 ６１ ４ 结论 氮爆式液压破碎锤作为高频工作的冲击机械， 其 活塞始终处于剧烈的变速运动状态， 系统呈现出强烈 的非线性。 建立了正确的液压系统仿真模型， 阐述了 氮爆室液压破碎锤的工作原理， 并详细分析了其工作 的 ５ 个阶段。 通过合理的假设， 建立了液压破碎锤工 作的 ５ 个阶段的数学模型。 在数学模型的指导下， 利 用著名的流体传动与控制系统仿真软件 ＤＳＨｐｌｕｓ 搭建 了破碎锤关键元件的模型， 并搭建了完整的液压系统 框图。 参考破碎锤厂家提供的工作参数， 对模型的参 数进行设置。 仿真获得的结果与实验室实车测试所得 结果的各项参数的误差均在 １０％以内。 通过以上分 析为优化其工作性能提供参考。 参考文献 ［１］ ＣＮ⁃ＪＢ．液压破碎锤［Ｓ］．２００８． ［２］ 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