機械反饋式比例閥位置控制系統(tǒng)的仿真研究

金迎村，陳亮

( 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064)

比例閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種具有比例控制功能的液壓閥。通常，比例閥是在普通液壓閥的基體上加裝比例電磁鐵而形成。其最大優(yōu)點是抗污染能力強，可減少由于液壓油污染而造成工作故障［1］。由于比例閥的一些固有特性，如滯環(huán)、非線性等，常常無法使被控系統(tǒng)達到理想的效果［2］。因此，作者提出采用一種機械反饋式比例閥，其利用杠桿作用形成反饋裝置，工作原理如圖1 所示。

圖1 機械反饋式比例閥工作原理

機械反饋式比例閥由先導閥、主閥、減壓閥和兩個節(jié)流閥組成。主閥芯作為先導閥的負載，采用機械杠桿反饋方式，將主閥芯位置反饋給先導閥閥套;先導閥的油源p's 是由系統(tǒng)油源ps經(jīng)過減壓閥得到的，減壓閥的作用是穩(wěn)定先導閥的油源壓力，提高控制的動態(tài)品質(zhì)。

當給先導閥的比例電磁鐵輸入一定電信號，設(shè)先導閥的閥芯向右移動x1，壓力油p's 經(jīng)過右邊的節(jié)流閥進入主閥芯右腔，推動主閥芯向左產(chǎn)生一個位移，主閥窗口產(chǎn)生相應(yīng)的開度，壓力油ps通過主閥窗口向液壓缸輸出流量和壓力。當主閥芯受到向右的擾動力時，主閥開口量變小，這時主閥芯通過杠桿作用，帶動先導閥閥套向左移動，使先導閥開口量增加，因此輸出到主閥芯右腔的流量也相應(yīng)增加，從而使主閥窗口的開口量變大，直到維持在初始值上，杠桿才停止反饋作用;當主閥芯受到向左的擾動力時，也有類似結(jié)論。先導閥和主閥之間的節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)比例閥主閥芯的運動速度，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的液阻層流液導系數(shù)，可以改變液壓動力機構(gòu)的動態(tài)性能。

1 機械反饋式比例閥數(shù)學模型

1.1 先導閥流量平衡方程［3］

式中:x1為先導閥閥芯位移;xf為先導閥閥套反饋位移;Kq1為先導閥流量增益;KC1為先導閥流量壓力系數(shù)。

1.2 主閥芯控制腔油路流量平衡方程

其中:

式中:x2為主閥芯位移;Ap2為主閥芯控制腔截面積;Vt1為節(jié)流閥與主閥間控制腔等效內(nèi)積;Ct為主閥芯兩控制腔泄漏系數(shù);CC為節(jié)流閥的層流液導系數(shù)。

1.3 主閥芯動態(tài)力平衡方程

式中:m2為主閥芯質(zhì)量;a 為反饋桿短臂的長度;b為反饋桿長臂的長度;m1為先導閥閥套質(zhì)量;J 為反饋桿轉(zhuǎn)動慣量。

1.4 主閥芯位移與先導閥閥套反饋位移關(guān)系

2 位置控制系統(tǒng)數(shù)學模型

對于圖1 所示的閥控位置控制系統(tǒng)，忽略液壓缸活塞的黏性阻尼系數(shù)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為［1］:

由式(1)—(6)可得系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

C +Ct，Kq為主閥流量增益系數(shù);Vt為總壓縮容積;Ap為活塞有效截面積;m 為折算到活塞上的總質(zhì)量;Kse為主閥和液壓缸的總流量壓力系數(shù);Kce為先導閥與主閥左右兩腔的總流量壓力系數(shù);mt為反饋桿和先導閥套折算到主閥芯上的質(zhì)量。

3 液壓動力機構(gòu)的仿真

應(yīng)用MATLAB/Simulink 仿真軟件［4－5］，對液壓動力機構(gòu)進行仿真。選擇3 個節(jié)流閥液阻層流液導系數(shù)，對應(yīng)的液壓缸位移響應(yīng)曲線如圖3 所示。

根據(jù)圖3，可得系統(tǒng)的時域性能指標如表1 所示。

由圖3 可以看出，當節(jié)流閥的液阻層流液導系數(shù)CC比較大時，液壓缸的位移響應(yīng)不存在超調(diào)，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度并不是最快;適當減少CC值，在有微小超調(diào)量的情況下，可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從而使系統(tǒng)的動態(tài)性能達到最優(yōu);如CC值過小，則不僅系統(tǒng)的響應(yīng)速度慢，超調(diào)量也會變大［6］。

圖3 液壓缸位移響應(yīng)曲線

表1 仿真結(jié)果性能指標

4 結(jié)論

通過對機械反饋式比例閥為控制元件的液壓位置系統(tǒng)的建模和仿真，可以看出這種機械反饋式比例閥的動態(tài)性能比較理想。該閥在工作過程中可以調(diào)整參數(shù)，因此具有一定程度的適應(yīng)性。針對不同的控制負載對象，通過對系統(tǒng)的建模仿真和現(xiàn)場調(diào)試，選擇適當?shù)墓?jié)流閥液阻層流液導系數(shù)，可以有效地克服一般比例閥的缺點，使系統(tǒng)控制精度得到較大提高。

【1】路甬祥.電液比例控制技術(shù)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1988.

【2】王春行. 液壓控制系統(tǒng)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1999.

【3】吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等. 新編實用電液比例技術(shù)［M］.杭州:浙江大學出版社，2006.

【4】王沫然.MATLAB 與科學計算［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

【5】王正林，王勝開，陳國順，等.MATLAB/Simulink 與控制系統(tǒng)仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

【6】謝強，鄧斌，曹學鵬.深海環(huán)境下電液比例閥的動態(tài)特性仿真研究［J］.機床與液壓，2010，38(15):68 －69.