電液比例閥中位死區(qū)的線性化補償方法

許振保趙春娥許振珊

（1泰山學(xué)院；2泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安；3濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧）

電液比例閥中位死區(qū)的線性化補償方法

許振保1趙春娥2許振珊3

（1泰山學(xué)院；2泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安；3濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧）

電液比例閥存在比較大的零位死區(qū)，死區(qū)過大，手動操作時，容易使人產(chǎn)生滯后感；位置閉環(huán)時，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。為了使電液比例閥在使用中獲得更好的性能，應(yīng)該設(shè)法減小比例閥死區(qū)的影響。目前比較常用的減小死區(qū)的方法有先導(dǎo)電流法和變增益法。文中提出了另一種解決比例閥死區(qū)影響的線性補償方法，并用于比例閥系統(tǒng)的PID控制中。

電液比例閥；中位死區(qū)；線性化補償

0 引 言

對電液比例閥控馬達(dá)位置閉環(huán)系統(tǒng)的控制選擇目前比較成熟的PID控制方法。其中比例方向閥是比例系統(tǒng)中主要控制元件。但為了降低比例閥的制造精度，電液比例閥的中位一般引入較大的搭接量，因而存在比較大的零位死區(qū)，死區(qū)過大，在手動操作時，容易產(chǎn)生滯后感；在位置閉環(huán)時，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。為了使電液比例閥在使用中獲得更好的性能，應(yīng)設(shè)法減小比例閥死區(qū)的影響。目前比較常用的減小死區(qū)的方法有先導(dǎo)電流法和變增益法。

1 常用減少電液比例閥死區(qū)的方法

1.1 先導(dǎo)電流法

通過在控制器上設(shè)定最小電流(Imin)或者通過提高控制器在零區(qū)附近的靈敏度來達(dá)到有效地消除(或者顯著地減小)死區(qū)。當(dāng)最大補償時，很小的輸入信號就使閥芯“跳過”死區(qū)，從而消除其影響。如圖1所示：

圖1 先導(dǎo)電流減小死區(qū)原理圖

1.2 變增益控制方法

如圖2所示，電液比例閥工作特性可分為三部分：CD段為死區(qū)段；BC、DE段為線性段；AB、EF段為飽和段。

圖2 電液比例閥的工作特性

電液比例閥主要工作在死區(qū)段和線性段。當(dāng)閥工作在死區(qū)段時，使放大器增益增大，控制電流變大，閥芯快速移過中位，從而實質(zhì)上減小死區(qū)范圍；當(dāng)閥工作在線性段時放大器增益保持正常，滿足控制精度的要求。由于具體的電液比例閥的死區(qū)范圍各不相同，只能由實驗確定，因此，變增益放大器應(yīng)能在一定范圍內(nèi)調(diào)整增益到正常增益的轉(zhuǎn)折點。變增益放大器的特性如圖3。

圖3 變增益放大器工作特性

2 線性化補償方法的研究

通過上面對比例閥死區(qū)特性的研究知道，比例閥的死區(qū)特性曲線如圖4所示。當(dāng)輸入比例閥電磁鐵線圈的電流I＜D時，比例閥沒有開度，因而沒有液流流過比例閥。但實際上我們希望只要電磁鐵線圈上有電流流過，比例閥就應(yīng)該有開度，從而有液流流過。以前常用的方法就是當(dāng)電流值I＜D時，用模擬電路產(chǎn)生I=D的電流值施加到電磁鐵線圈上，或者在數(shù)字控制器中預(yù)加初始值。下面采用的方法將根據(jù)輸入電磁鐵線圈的電流值的增加，使施加的初始電流值逐漸減小至零。

圖4 比例方向閥死區(qū)特性曲

根據(jù)電位器的工作原理知道電位器的輸入與輸出成線形關(guān)系。電位器的輸出信號經(jīng)過處理后線形變換為電流信號施加于電磁鐵線圈上。因而經(jīng)過一系列變換后，電位器的輸出信號與電磁鐵線圈的輸入電流I之間成正比。即I=KU。如圖5中的I-U曲線所示：

圖5 I-U 曲線

從上面對比例閥特性的研究知道，通過比例閥閥芯的流量QL與電磁線圈電流之間的關(guān)系如圖6所示。圖中D為死區(qū)電流值，M 為比例閥最大開口時的電流值。當(dāng)電流值I＜D時 比例閥沒有流量。

圖6 I-QL

比例閥的流量與電磁線圈電流間的關(guān)系可用下面的分段方程表示。

將電位器輸出U與電磁線圈輸入I之間的關(guān)系式I=KU帶入式(1)，可以得出電位器輸出U與比例閥流量間的關(guān)系：

從而電位器輸出與比例閥流量間存在死區(qū)。而我們期望的目標(biāo)是電位器輸出值與比例閥流量間成比例關(guān)系。因此當(dāng)電位器輸出值比較小時，需要加較大的補償，最大補償量應(yīng)為對應(yīng)產(chǎn)生I-QL坐標(biāo)上I=D的電流值。當(dāng)電位器輸出值增大時，對應(yīng)補償量減小直至等于零補償。根據(jù)這樣一種思想，在I-U坐標(biāo)上過（0，D）和對應(yīng)U坐標(biāo)軸上I=M時的U=M/K點（M/K，0）作一直線就是我們需要的補償曲線。這一直線的方程可求得：

曲線III′′′,,如圖7所示。

圖7曲線

根據(jù)條件M＞D及U＞=0可以得出 I′＞=D，因而可以將疊加后的信號帶入電磁線圈電流與比例閥流量關(guān)系式中的中得出比例閥流量與疊加信號間的關(guān)系為：

很明顯兩者之間為線形比例關(guān)系。如圖8中曲線1所示。

圖8 U-QL

圖8中曲線2為沒有補償信號時的電位器輸出信號與比例閥流量之間的關(guān)系曲線，很明顯加上補償信號后比例閥的死區(qū)區(qū)間減小了。

3 采用線性補償?shù)腜ID控制方法

圖9是加補償?shù)臄?shù)字電液比例位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖9 加補償?shù)臄?shù)字電液比例位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字控制器主要由數(shù)字PID控制器(控制算法)、死區(qū)補償量及比例閥控制/驅(qū)動單元等部分組成。死區(qū)補償量根據(jù)補償曲線計算。將位置給定信號與位置反饋信號的偏差的絕對值作為該時刻的U值代入補償曲線方程即可得到補償量的大小而電流偏差信號兩者的和為:即為數(shù)字PID控制器的輸入信號，控制器的輸出信號施加給比例閥控制/驅(qū)動單元。

圖10 加補償?shù)腜ID 流程圖

加上線性補償后的PID控制算法流程圖如圖10所示。采用線性補償?shù)腜ID控制方法的實質(zhì)就是在輸入信號與反饋信號形成的偏差信號基礎(chǔ)上，根據(jù)比例閥的死區(qū)特性曲線在軟件中人為的加上一個由偏差信號大小決定的補償量，從而大大提高了系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性。當(dāng)然采用這種方法的前提是認(rèn)為比例閥的死區(qū)特性不隨溫度，流量，壓力等外界條件而改變。實踐證明外界條件對比例閥死區(qū)特性的影響比較小，采用這種方法對一般應(yīng)用系統(tǒng)是可行的。

4 總 結(jié)

比例閥中位死區(qū)在位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中對系統(tǒng)性能的影響比較嚴(yán)重，線性化補償方法能夠減小比例閥死區(qū)的影響，但還應(yīng)進(jìn)一步尋求解決比例閥死區(qū)影響的非線性化方法。

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[4]薛曉虎. 液壓系統(tǒng)閥控液壓馬達(dá)回路的動態(tài)特性分析[J].起重運輸機(jī)械, 2002, (8):23-28.

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(責(zé)任編校:劉志壯)

Linearity Compensation Method on Electro-hydraulic Proportional Valve Zero Dead Area

XU Zhen-bao1, ZHAO Chun-e2, XU Zhen-shan3
（1. Taishan University，2. Taishan Polytechnic，Tai’an；3. Jining Vocational Technology College, Jining）

Electrohydraulic proportional valve exits zero dead section. If dead section is over big, it will bring lag effect when handle operate, and affects stability and dynamic characteristic of the control system in positional closed-loop system. So we should manage to decrease the effects of the dead section in order to attain good performance. At present, there are two methods in common use-precursor current and charged plus method. This paper brings forward another method-linearity compensation method, and uses in PID control system.

Electro-hydraulic proportional valve; Dead area; Linearity compensation

TH 137

A

1673-2219（2010）08-0019-03

2010－04－20

許振保（1978－），男，山東寧陽縣人，助教，碩士，主要從事控制技術(shù)方面的研究和教學(xué)。