流量反馈型电液比例方向阀动静态特性研究.pdf

第 5 0卷第 8期 2 0 1 4 年4 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECH ANI CAL ENGI NEERI NG V01 ． 5 0 N O． 8 Ap r ． 2 01 4 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 2 0 5 流量反馈型电液 比例方向阀动静态特性研究木 王松峰赵 虎 权 龙麻慧君 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室太原0 3 0 0 2 4 摘要针对现有电液比例控制技术中内反馈阀结构复杂，制造难度大，控制精度低，而采用电反馈阀成本高，难以满足普通 用户需求，且二者在机械结构上不兼容，为设计制造带来不便等问题。突破传统原理，创造性地将位移． 流量反馈原理应用 到三位四通比例方向阀，构造开环可工作的比例方向阀，在此基础上进一步增设电子闭环通道，用前馈控制器消除内反馈与 电闭环之间的耦合。研究中，根据阀的结构及工作原理建立完整数学模型，通过合理假设将其动态模型简化为一阶线性系统 并进行理论分析；进一步在 S i mula t i o n X仿真平台上建立阀的多学科模型，分别对阀处于内反馈和电闭环两种工作模式下的 动静态特性进行仿真研究，通过数字仿真确定出阀的主要结构参数，制造出样机，在试验台上对物理样机的基本特性进行测 试，验证仿真结果的正确性，表明新原理阀具有较好的动静态性能。 关键词 比例方向阀流量反馈；稳态特性；动态特性 中图分类号T H1 3 7 Re s e a r c h o n t he Dy n a mi c a n d S t a t i c Ch a r a c t e r i s t i c s o f El e c t r o h y dr a u l i c Pr o po r t i o n a l Di r e c t i o n Va l v e wi t h Fl o w Fe e d ba c k WA NG S o n g f e n g Z H AO H u Q U A N L o n g MA H u ij u n K e y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d T r a n s d u c e r s a n d I n t e l l i g e n t C o n t r o l S y s t e ms o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， T a i y u a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 Ab s t r a c t Co n s i d e r i n g t h e p r o b l e ms t h a t i n e x i s t i n g e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n tro l t e c h n o l o g y , t h e i n t e rna l f e e d b a c k v a l v e h a s c o mp l e x s t r u c t u r e ， d i ffic u l t i e s i n ma n u f a c t u r e an d l o w c o n tro l a c c u r a c y ． Wh i l e t h e e l e c tr o n i c c l o s e d l o o p c o n t r o l l e d v a l v e i s o f l l i g h c o s t ， S O i t i s d i ffic u l t t o me e t the n e e d s o f o r d i n a r y c u s t o me r s ． S i n c e t h e y a r e n o t c o mp a t i b l e i n me c h an i c a l s t r u c t u r e s ， i t b rin g s g r e a t i n c o n v e n i e n c e f o r e n t e r p ris e s t o ma n u f a c t u r e ． T h e t r a d i t i o n a l p r i n c i p l e i s b r o k e n t h r o u g h ， a n d the d i s p l a c e me n t fl o w f e e d b a c k c o n tro l p ri n c i p l e i s a p p l i e d i n no v a t i v e l y t o t h e 3 - p o s i t i o n 4 - wa y p r o p o rti o n a l d i r e c t i o n v a l v e t h a t ma y o p e r a t e u n d e r o p e n l o o p c o n d i t i o n ． Ba s e d o n thi s ， e l e c tro n i c c l o s e d l o o p c h a n n e l i s a p p l i e d ． An d t h e c o u p l i n g b e t we e n i n t e r n a l f e e d b a c k a n d e l e c tro n i c c l o s e d l o o p i s e l i mi n a t e d b y f e e d f o r ward c o n tr o l l e r ． I n the r e s e arc h ， a c o mp l e t e ma t h e ma t i c a l mo d e l i S e s t a b l i s h e d b a s e d o n the s t r u c t u r e an d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e n e w v a l v e ． An d the d y n a mi c mo d e l i s s i mp l i fi e d a s a fir s t o r d e r l i n e ar s y s t e m for the o r e t i c a l an a l y s i s wi th the h e l p o f r e a s o n a b l e h y p o the s i s ． T h e n the mu l t i - d o ma i n mo d e l i s s e t u p i n s i mu l a t i o n p l a t for m-- S i mu l a t i o n X． Re s e arc h o n the d y n am i c a n d s til e c h a r a c t e r i s t i e s o f the v a l v e wo r k i n g r e s p e c t i v e l y i n i n t e r n a l f e e d b a c k a n d e l e c tro n i c c l o s e d ． 1 o o p c o n tr o l mo d e l i s inv o l v e d． By d i g i t a l s i mu l a t i o n the k e y g e o me t ric p a r am e t e r s are c a l c u l a t e ，and t h e v a l v e p r o t o t y p e i s manu f a c t u r e d ．Th e b a s i c p r o p e r t i e s are t e s t e d o n a t e s t b e d ． Ex p e r i me n t a l fi n d i n g s v a l i d a t e t h e c o r r e c t n e s s o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ． I t s h o ws t h a t t h e n e w v a l v e i s o f g o o d s t a t i c and d yn am i c c h ara c t e r i s t i c s ． Ke y wo r d s p r o p o r t i o n a l d e c il o n v a l v e ； fl o w f e e d b a c k ；s t e a d y s t a t e c h a r a c t e ri s tic s ；d yn a mi c c h a mc t e r i s il c s 0 前言 比例方 向阀作为电液控制技术中重要的基础元 件，其作用是连续成 比例控制液压执行器的工作速 度、方向、位置和输出力的大小。为满足大流量控 制需求 ，抑制主阀上液动力和摩擦力干扰 ，一种方 国家自然科学基金资助项 Ifl 5 1 1 7 5 3 6 2 。 2 0 1 3 0 4 2 1收到初稿， 2 0 1 3 0 8 2 6 收到修改稿 法是采用 阀内部机械反馈的先导型 比例方向阀，其 先导级和主级之间采用机械耦合， 因控制精度较低， 主要用于开环系统L 1 J 。 另一种是采用传感器检测 阀 芯位移 的电闭环控制比例方 向阀，电闭环极大地提 高了阀的控制精度和动态响应，但不足是阀开环不 可控，一旦传感器和控制器发生故障，阀就失去 了 比例控制功能，使整个系统不能正常工作；电闭环 阀在机械结构上与 内反馈 阀也不兼容，为制造带来 不便；这样 的元件成本较高，主要用在要求闭环控 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 2 机械工程学报 第 5 O卷第 8期 2 新原理 阀的内部位移反馈起到了补偿液动 力的作用 ，可降低阀对干扰因素的敏感性 。用于控 制主 阀芯位移 的先导流量经过前馈通道反馈给主 阀，可提高阀的能量利用率 。 3 仿真和试验结果表 明，电闭环阀具有 良好 的稳态控制精度和动态响应性能，但是开环阀的稳 态控制特性有待进一步改进 。研究工作为 电液控制 技术提供 了一种新的基础元件。 参考文献 [ 1 】权龙，林廷圻，史维祥．电液比例流量控制新原理理论 及实现[ J ] ．农业机械学报，1 9 9 5 ，2 6 2 I 9 3 9 7 ． Q UA N L o n g ，L 1 N T i n g q i ，S H I We i x i a n g ． T h e o r y a n d r e a l i z a t i o n f o r t h e n e w p rin c i p l e o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l fl o w c o n t r o l [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y for Ag r i c u l t u r a l Ma c h i n e ry，1 9 9 5 ，2 6 2 I 9 3 9 7 ． [ 2 】许小庆． 新型电液伺服比例阀用电一 机械转换器的理论 分析和试验研究[ D 】 ． 太原太原理工大学，2 0 1 0 ． XU Xi a o q i n g ． Th e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d t e s t s t u d y o n n e w e l e c t r o - me c h an i c a l t r an s f o r me r s u s e d i n e l e c t r o -h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l s e r v o v a l v e s [ D] ． T a i y u a n T a i y u a n Un i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ，2 0 1 0 ． [ 3 】Q UA N L o n g ，XU Xi a o q i n g ，Y AN Z h e n g ，e t a 1 ． A n e w k i n d o f p i l o t c o n t r o l l e d p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n v a l v e wi t h i n t e r n a l fl o w f e e d b a c k [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 0 ，2 3 1 I 6 0 6 5 ． [ 4 ]E R I KS S O N B． Mo b i l e fl u i d p o we r s y s t e ms d e s i g n wi t h a f o c u s o n e n e r gy e ffic i e n c y [ D ] ． L i n k o e p i n g L i n k o e p i n g Un i v e r s i ty，2 01 0 ． [ 5 】A ND E R S S O N B R． On t h e v a l v i s t o r A p r o p o r t i o n a l l y c o n t r o l l e d s e a t v a l v e [ D] ． L i n k o e p i n g L i n k o e p i n g Un i v e r s i ty， 1 9 8 4 ． [ 6 ] 【 7 】 【 8 】 [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] 许小庆， 权龙， 王永进． 伺服阀流量动态校正改善电液 位置系统性能的理论和方法【 J ] ．机械工程学报，2 0 0 9 ， 4 5 8 I 9 5 1 0 0 ． XU Xi a o q i n g ， Q UA N L o n g ， WA NG Y o n g j i n ． T h e o r y a n d me t h o d s o f mo d i f y i n g e l e c t r o h y dra u l i c p o s i t i o n s e l v o s y s t e m wi th c o r r e c t i o n o n f l o w r a t e a t s e r v o v a l v e [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 4 5 8 I 9 5 - 1 0 0 ． ZHANG R ， ALL EYNE A G ， P RAS E TI A r A N E A． P e r f o rm a n c e l i mi t a t i o n s o f a c l a s s o f t wo s t a g e e l e c tr o h y dra u l i c fl o w v a l v e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F l u i d P o we r ，2 0 0 2 ， 3 1 4 7 5 3 ． ERI KSS ON B．C o n t r o l s t r a t e g y for e n e r g y e ffic i e n t flu i d p o we r a c t u a t o r s Ut i l i z i n g i n d i v i d u a l me t e r i n g [ D ] ． Li n k o e p i n g L i n k o e p i n g Un i v e r s i t y， 2 0 0 7 ． HE YBROEK K． S a v i n g e n e r g y i n c o n s t r u c t i o n ma c h i n e ry u s i n g d i s p l a c e me n t c o n t r o l h y dra u l i c s Co n c e p t r e a l i z a t i o n a n d v a l i d a t i o n [ D ] ．L i n k o e p i n g L i n k o e p i n g Un i v e r s i ty，2 0 0 8 ． P ETT E RS S ON H． On v a l v e c o n t r o l l e d fl u i d p o we r s y s t e ms fl o w a mp l i fi e r a n d p e r c u s s i v e r o c k d r i l l i n g [ D ] ． L i n k o e p i n gL i n k o e p i n g Un i v e r s i ty ，2 0 0 2 ． AARDE M A J A． P i l o t v a l v ef o r aflo w a mp l i f y i n gp o p p e t v a l v e US ，5 6 4 5 2 6 3 [ P ] ． 1 9 9 7 - 0 7 0 8 ． ME R R I T T H E ．H y dra u l i c c o n tr o l s y s t e ms [ M] ．Ne w Yo r kJ o h n Wi l e y and S o n s ，I n c ． ， 1 9 6 7 ． 作者简介王松峰，男，1 9 8 6年出生，博士研究生。主要研究方 向为电 液比例及伺服控制技术。 E - ma i l w a n g s o n g f e n g 1 6 8 1 2 6 ． c o m 赵虎，男，1 9 7 0年出生，博士研究生。主要研究方向为煤矿洗选及其 自 动化。 E ma i l z h a o h u t y u t ． e d u ． c n 权龙 通信作者 ，男，1 9 5 9年出生，博士，教授，博士研究生导师 。主 要研究方向为电液伺服及生产过程智能控制技术。 获国家科技进步二等 奖 1 项，省级成果奖 4项，国家发明专利 1 3项，发表论文 1 0 0余篇。 E ma i l q u a n l o n g ty u t ．e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m