雙噴嘴擋板電液伺服閥主要參數(shù)的優(yōu)化

黃 浩，周 淵，陳奎生，雷輝虎

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢，430081）

電液伺服閥是液壓伺服系統(tǒng)中的核心控制器件，起著連接液壓和電氣的紐帶作用，其代表性產(chǎn)品有噴嘴擋板式、射流管式、射流式和動圈滑閥式等類型。雙噴嘴擋板電液伺服閥由于具有控制精度高、響應速度快、死區(qū)小、運動平穩(wěn)和結構緊湊等特點，在冶金和軍工領域均得到廣泛的應用。目前國內(nèi)外對雙噴嘴擋板電液伺服閥的研究主要集中在優(yōu)化結構參數(shù)、采用新材料和新內(nèi)部結構等方面，而電液伺服閥的動態(tài)性能是由液壓系統(tǒng)的工況和伺服閥的結構參數(shù)決定的，優(yōu)化伺服閥的結構參數(shù)對改善伺服閥的動態(tài)性能、提高伺服閥的響應速度具有重要的意義［1］。為此，本文以國產(chǎn)雙噴嘴擋板電液伺服閥為研究對象，推導出相關數(shù)學模型，并通過分析伺服閥動態(tài)性能的變化，從而達到其參數(shù)優(yōu)化的目的。

1 數(shù)學模型描述

雙噴嘴擋板電液伺服閥由力矩馬達和液壓放大器組成，第一級為雙噴嘴擋板，第二級為四通滑閥，其動態(tài)方程可由以下4個基本方程來確定。

1.1 力矩馬達運動方程

力矩馬達傳遞函數(shù)為

式中：θ為銜鐵轉(zhuǎn)角，rad；Kmf為力矩馬達的總剛度［2］（綜合剛度），N／m；ωmf為力矩馬達的固有頻率，其中，Ja為銜鐵組件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ξmf為力矩馬達的阻尼比，ζmf其中，Ba為銜鐵的粘性阻尼系數(shù)；Kt為力矩馬達的電流－力矩增益；ΔI為輸入電流，A；Kf為反饋桿剛度，N／m；r為噴嘴中心至彈簧管回轉(zhuǎn)中心的距離，m；b為反饋桿中心至噴嘴中心的距離，m；Xv為閥芯位移，m；AN為噴嘴孔的面積，m2；pLp為兩噴嘴孔壓力差，Pa。

1.2 擋板位移與銜鐵轉(zhuǎn)角的關系

擋板位移Xf與銜鐵轉(zhuǎn)角θ的關系為

式中：Xf為擋板的位移，m。

1.3 噴嘴擋板閥控制閥芯的傳遞函數(shù)

噴嘴擋板閥控制閥芯的傳遞函數(shù)為

式中：Kqp為噴嘴擋板閥的流量增益；Av為主閥芯端面面積，m2；ωhp為滑閥的液壓固有頻率，rad／s；ξhp為滑閥的液壓阻尼比。

1.4 伺服閥傳遞函數(shù)

伺服閥簡化后總的傳遞函數(shù)為式中：Kvf為力反饋回路開環(huán)放大系數(shù)，Kvf＝r（r＋b）KtKqp／（AvKmf）；Kxv為伺服閥增益［3］，Kxv＝Kt／（r＋b）Kf；Ka為伺服放大器增益，Ka＝2Ku／（Rc＋rp），其中，Ku為放大器每邊的增益；Rc為每個線圈的電阻，Ω；rp為線圈回路的放大器內(nèi)阻，Ω。

2 目標參數(shù)

影響伺服閥綜合性能的主要參數(shù)有：Kt、和Kf，其中Kt是力矩馬達增益，它處于閉環(huán)系統(tǒng)之外。當力矩馬達裝入伺服閥后，Kt可由放大器數(shù)字調(diào)節(jié)，單獨研究的價值不大。Kqp為噴嘴擋板閥流量增益，它取決于第一級泄漏流量和噴嘴與擋板之間的零位間隙大小，且Kqp受泄漏流量和力矩馬達功率的限制，對固定型號的噴嘴擋板閥變化不大。屬于力矩馬達機械阻尼比。所以對伺服閥動態(tài)性能的影響主要研究四個參數(shù)［4］?？紤]到4個參數(shù)之間的耦合關系，在此引入另一個力反饋回路開環(huán)放大系數(shù)Kvf，即：

當噴嘴擋板上液動力忽略不計、銜鐵擋板的凈剛度Kan＝0時，即：

由式（6）可知，Kvf和Av呈反比，與r／（r＋b）的比值和流量增益Kqp呈正比［5］，即：

由式（7）可得，ωmf與力矩馬達的綜合剛度Kmf根號呈正比，與銜鐵組件的轉(zhuǎn)動慣量Ja根號呈反比。從頻率法上看，對于任何伺服閥，當0.707時，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和較好的動態(tài)性能，但實際上伺服閥的阻尼比難達到此理想值，因此對伺服閥參數(shù)的優(yōu)化主要集中對3個參數(shù)進行優(yōu)化［5］。

3 參數(shù)優(yōu)化

伺服閥參數(shù)優(yōu)化的通常方法是利用Parseval定理，再將函數(shù)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為變量優(yōu)化。選擇電液伺服閥的結構參數(shù)作為設計變量，以系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、穩(wěn)態(tài)誤差最小為目標函數(shù)，建立伺服閥機構優(yōu)化模型，從而達到伺服閥參數(shù)優(yōu)化的目的［6］。

通過分別對4個目標參數(shù)求偏導數(shù)，然后再進行全微分，就可以得到主要參數(shù)與系統(tǒng)的關系。我們求得一組在穩(wěn)定性條件下的伺服閥參數(shù)，運用Matlab軟件中的Simulink模塊仿真，對伺服閥的閉環(huán)傳遞回路進行仿真。通過改變目標函數(shù)的大小，得出伺服閥閉環(huán)伯德圖。對比仿真圖形，分析改變目標參數(shù)后的系統(tǒng)頻寬變化，從而得到目標函數(shù)與伺服閥動態(tài)性能的關系，完成了目標參數(shù)的優(yōu)化。

3.1 力反饋回路開環(huán)增益Kvf的優(yōu)化對比

當Kvf＝900、Kvf＝1 400時，其他參數(shù)不變，依據(jù)Simulink仿真得出力反饋系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖如圖1所示。由圖1可看出，增大開環(huán)增益使伺服閥的頻寬明顯增加，但增量有限。

圖1 Kvf不同時力反饋回路閉環(huán)伯德圖對比Fig.1 Force feedback loop closed－loop Bode graph at different Kvf

3.2 力矩馬達固有頻率ωmf和綜合阻尼比的優(yōu)化對比

圖2 ωmf和不同時力反饋回路閉環(huán)伯德圖對比Fig.2 Force feedback loop closed－loop Bode graph at differentωmf and

4 結論

（1）伺服閥動態(tài)性能與很多參數(shù)相關，必須在仿真前確立系統(tǒng)的目標函數(shù)，只有將耦合度降至最低，才能求出目標函數(shù)對系統(tǒng)的影響。

（2）為增大Kvf，可適當增大Kqp和減小Av，以增大伺服閥的頻寬來提高響應速度，但增幅有限，因為Kvf受到穩(wěn)定性的制約，當無限增大時，伺服閥穩(wěn)定性就會降低。

（3）為增大ωmf和主要可增大力矩馬達的綜合剛度Kmf和減小銜鐵組件轉(zhuǎn)動慣量；也可增大以達到增大系統(tǒng)頻寬的目的。

［1］ 方群，黃增.電液伺服閥的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.機床與液壓，2007，35（11）：162－165.

［2］ 盧長耿，李金良.液壓控制系統(tǒng)的分析與設計［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1991：180－200.

［3］ 王春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：90－97.

［4］ Stefanov Y P，Makarov P V，Urkov P V，et al.Dynamic simulation of chip generation and formation in metal cutting［J］.Theoretical and Applied Fracture Mechanics，1997，28：117－124.

［5］ 王幼民.電液伺服閥結構參數(shù)優(yōu)化［J］.安徽機電學院學報：自然科學版，2002，17（2）：13－16.

［6］ 凌俊杰，周自振.提高電液伺服閥頻寬的途徑［J］.機床與液壓，2004，32（18）：113－118.