流量伺服閥在液壓系統(tǒng)仿真中的描述方法探討

劉玉，李新有，劉勛，易坤

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

流量伺服閥在液壓系統(tǒng)仿真中的描述方法探討

劉玉，李新有，劉勛，易坤

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

對電液流量伺服閥在液壓伺服系統(tǒng)仿真分析中的建模描述方法進(jìn)行了探討，重點(diǎn)對基于流量伺服閥樣本數(shù)據(jù)的描述方法進(jìn)行了原理闡述。采用Simhydraulics軟件搭建了物理測試模型并進(jìn)行了建模驗(yàn)證，為建立高精度液壓系統(tǒng)物理仿真模型奠定了基礎(chǔ)。

流量伺服閥;物理仿真模型;液壓伺服系統(tǒng);Simhydraulics軟件

在傳統(tǒng)的以經(jīng)典控制理論頻率法為基礎(chǔ)，采用傳遞函數(shù)描述液壓伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真方法中，通常采用二階振蕩環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)來描述流量伺服閥的動(dòng)態(tài)特性。隨著數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種用于液壓元件和液壓系統(tǒng)性能分析的仿真軟件，如美國The MathWorks公司推出的Simhydraulics軟件包，法國Imagine公司推出的AMESim等［1］。這些軟件對流量伺服閥模型的描述方法不再是簡單的傳遞函數(shù)，而是采用功率鍵合圖的方法，用圖形方式來描述流量伺服閥實(shí)際各物理量的變化規(guī)律。它能反映流量伺服閥的動(dòng)態(tài)特性和功率流動(dòng)情況，對伺服閥的描述將更精確、更直觀，并且描述的參數(shù)具有確定的物理含義。

1 流量伺服閥模型的描述方法

伺服閥的種類很多，常用的流量伺服閥包括噴嘴擋板式、射流管式、動(dòng)圈式、直接驅(qū)動(dòng)力馬達(dá)式等，這些流量伺服閥的結(jié)構(gòu)和電氣元件各不相同，但是其最終表現(xiàn)的性能就是在給定不同電信號和不同壓差工況下形成不同的流量輸出。如果不考慮流量伺服閥不同的結(jié)構(gòu)，只關(guān)注流量伺服閥的使用性能，模擬實(shí)際流量伺服閥樣本給出的數(shù)據(jù)，可以分成兩部分來描述:第一部分為流量伺服閥主閥閥芯位移響應(yīng)描述，即動(dòng)態(tài)特性描述;第二部分為流量伺服閥的負(fù)載流量特性描述，即功率流動(dòng)描述。以下詳細(xì)介紹對這兩部分的具體描述方法。

1.1 主閥閥芯位移響應(yīng)描述機(jī)制

圖1 伺服閥閥芯響應(yīng)時(shí)間曲線

流量伺服閥先導(dǎo)級形式多樣，但是最終都是驅(qū)動(dòng)主閥芯快速運(yùn)動(dòng)到達(dá)指令位置。以 MOOG公司D661-G-A系列流量伺服閥為例，樣本給出額定流量80 L/min伺服閥閥芯響應(yīng)時(shí)間曲線如圖1所示［2］。

在圖1中，對于給定閥芯不同大小的輸入信號，閥芯的響應(yīng)時(shí)間不同;給定閥芯輸入信號越小，響應(yīng)時(shí)間越少。

目前有3種閥芯響應(yīng)時(shí)間描述方法，分別為傳統(tǒng)二階傳函描述方法、Simhydraulics軟件內(nèi)置描述方法、動(dòng)態(tài)反饋閥芯描述方法。

(1)傳統(tǒng)二階傳函描述方法

伺服閥的閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)采用二階傳遞函數(shù)來描述，其傳遞函數(shù)為

式中:Kv為伺服閥靜態(tài)閥芯位移放大系數(shù)，m/mA;ωv為伺服閥的固有頻率，rad/s;

ζv為伺服閥的阻尼比，一般取0.6～0.7。

對于MOOG公司D661-G-A系列流量伺服閥，額定流量80 L/min為例，樣本給出ωv=225 rad/s，取ζv=0.7，分別給定閥芯給定信號 100%、75%、50%、25%，得到的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)二階傳遞函數(shù)描述閥芯響應(yīng)曲線

在圖2中，對于給定閥芯不同大小的輸入信號，閥芯的響應(yīng)時(shí)間相同，與樣本給出閥芯響應(yīng)描述有一定誤差，難以精確表達(dá)實(shí)際閥芯響應(yīng)時(shí)間。

(2)Simhydraulics軟件內(nèi)置描述方法

采用Simhydraulics軟件內(nèi)置閥芯響應(yīng)描述模塊功能［3］，其封裝的控制框圖如圖3所示。

圖3 軟件內(nèi)置閥芯響應(yīng)描述控制框圖

圖3的控制框圖中，有3個(gè)參數(shù)變量，分別為飽和參數(shù)、比例系數(shù)、時(shí)間常數(shù)，根據(jù)3個(gè)參數(shù)的組合，得到不同的閥芯響應(yīng)曲線，3個(gè)參數(shù)的具體取值可以通過參數(shù)擬合方法得到。為了驗(yàn)證此描述方法的變化規(guī)律，取飽和參數(shù)為0.3，比例系數(shù)377，時(shí)間常數(shù)0.002s，按照控制框圖建立仿真模型，分別給定閥芯給定信號100%、75%、50%、25%，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 Simhydraulics軟件內(nèi)置描述伺服閥閥芯響應(yīng)時(shí)間曲線

在圖4中，對于給定閥芯不同大小的輸入信號，閥芯的響應(yīng)時(shí)間不同，與樣本給出的閥芯響應(yīng)描述數(shù)據(jù)基本類同。但是此描述方法的具體描述參數(shù)沒有具體的物理含義，參數(shù)取值難以精確獲得。

(3)動(dòng)態(tài)反饋閥芯描述方法

按照實(shí)際伺服閥的閥芯響應(yīng)的物理意義建立閉環(huán)動(dòng)態(tài)反饋框圖，如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)反饋閥芯響應(yīng)描述控制框圖

圖5的控制框圖中，給定閥芯電信號，通過一階滯后環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為閥芯運(yùn)動(dòng)速度;閥芯運(yùn)動(dòng)速度限幅后進(jìn)行積分，得到閥芯實(shí)際位移;閥芯實(shí)際位移限幅后反饋回與指令值比較，形成動(dòng)態(tài)反饋閉環(huán)。

同樣對于MOOG公司D661-G-A系列流量伺服閥，額定流量80 L/min為例，采用圖5控制框圖建立仿真模型，根據(jù)樣本給出數(shù)據(jù)，取Ksv=448，Tsv=11 ms，分別給定閥芯給定信號100%、75%、50%、25%，得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)反饋閥芯描述伺服閥閥芯響應(yīng)時(shí)間曲線

在圖6中，給定閥芯不同大小的輸入信號，閥芯的響應(yīng)時(shí)間不同;與樣本給出的閥芯響應(yīng)描述數(shù)據(jù)也基本類同。此種方法的參數(shù)取值有明確的物理含義，通過樣本可以方便地獲得，故采用動(dòng)態(tài)閥反饋更能方便、準(zhǔn)確描述伺服閥的動(dòng)態(tài)性能。

1.2 負(fù)載流量特性描述機(jī)制

流量伺服閥的功率級通常采用滑閥結(jié)構(gòu)。對于對稱的四邊滑閥，可以看作每一邊都是一個(gè)可調(diào)節(jié)流孔，四邊滑閥對應(yīng)的4個(gè)節(jié)流孔的開口度之間有確定的對應(yīng)變化關(guān)系。對于每一個(gè)可調(diào)節(jié)流孔的負(fù)載流量特性描述，可以有3種方法，分別為流量系數(shù)及開口度公式描述方法、流量系數(shù)及開口度表格插值描述方法、流量壓降特性插值描述方法。

(1)流量系數(shù)及開口度公式描述方法

當(dāng)已知流量伺服閥的流量系數(shù)、面積梯度和閥芯的最大開口度后，就可以采用流量計(jì)算公式描述出流量伺服閥的流量壓降特性。適用于通過閥芯節(jié)流邊的通流面積與閥芯開口度呈線性變化的情況。

(2)流量系數(shù)及開口度表格插值描述方法

當(dāng)已知流量伺服閥的流量系數(shù)，且已知通流面積與閥芯開口度之間的對應(yīng)變化關(guān)系時(shí)，同樣可以采用流量計(jì)算公式描述出流量伺服閥的流量壓降特性。此時(shí)閥芯開口度和通流面積可以采用矩陣的方法對應(yīng)描述，一個(gè)開口度對應(yīng)一個(gè)通流面積。顯然，矩陣內(nèi)的元素越多，描述越精確，兩點(diǎn)之間采用插值的方法進(jìn)行描述。適用于通過閥芯節(jié)流邊的通流面積與閥芯開口度為非線性變化的情況，采用多段插值的方法描述。

(3)流量壓降特性插值描述方法

通常流量伺服閥的樣本都給出了在標(biāo)準(zhǔn)壓差下的額定流量，還會(huì)給出在開口度最大的情況下的流量壓降曲線。通過截取流量壓降曲線上的對應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)，形成流量、壓降、開口度的對應(yīng)矩陣，每一個(gè)開口和壓降的組合將得到一組流量。同理，矩陣內(nèi)的元素越多，描述越精確，兩點(diǎn)之間采用插值的方法進(jìn)行描述。適用于直接采用伺服閥樣本給出數(shù)據(jù)進(jìn)行流量伺服閥的負(fù)載流量特性描述。

2 伺服閥性能仿真測試結(jié)果

為了測試整個(gè)伺服閥的描述性能，采用MATLAB軟件Simhydraulics液壓仿真工具箱，搭建測試模型如圖7所示。測試模型中，伺服閥A、B出口直接對接，形成雙邊壓降，同時(shí)在模型中增加必要的流量傳感器、壓力傳感器，用于檢測模型中間數(shù)據(jù)。采用動(dòng)態(tài)反饋閥芯描述方法和流量壓降特性插值描述方法對伺服閥進(jìn)行描述，以MOOG公司D661-G-A系列流量伺服閥，額定流量80 L/min為例，得到的伺服閥性能仿真曲線如圖8所示。

圖7 伺服閥性能描述測試模型

圖8 伺服閥性能仿真曲線

圖8中分別描述了閥芯響應(yīng)變化規(guī)律、指令信號與流量之間的變化規(guī)律、壓降與流量之間的變化規(guī)律。與樣本給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后，變化規(guī)律基本一致，表明測試模型和描述方法可以應(yīng)用到伺服系統(tǒng)的性能仿真中。

3 結(jié)論

針對采用功率鍵合圖的液壓系統(tǒng)仿真建模方法，對流量伺服閥的建模原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。采用Simhydraulics軟件搭建了物理測試模型并進(jìn)行了建模驗(yàn)證，為建立高精度液壓伺服系統(tǒng)仿真模型奠定了基礎(chǔ)。

［1］劉勛，劉玉，李新有.基于Simhydraulics軟件的電液伺服系統(tǒng)仿真分析［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(10):41 －45.

［2］MOOG D661-G伺服閥樣本，MOOG公司，2010.

［3］Simhydraulics?User's Guide［M］.ThemathworksTM，2008.

Analysis of Flow Control Servovalve Modeling in Simulation for Hydraulic System

LIU Yu，LIXinyou，LIU Xun，YIKun
(CISDIEngineering Co.，Ltd，Chongqing 400013，China)

The flow control servovalvemodelingmethods in hydraulic system simulation were discussed，focusing on the principle of descriptionmethod based on sample data of flow control servovalve.A physical simulation model was established by Simhydraulics software.It provides base for improving the accuracy of hydraulic servo system simulation.

Flow Control Servovalve;Physical Modeling;Hydraulic Servo System;Simhydraulics

TH137

A

1001－3881(2014)10－137－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.042

2013－04－08

劉玉 (1982—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)橐苯鹨簤合到y(tǒng)設(shè)計(jì)、伺服控制及其仿真研究。E－mail:Yu.A.Liu@cisdi.com.cn。