高速開關(guān)閥用于位置控制系統(tǒng)的可行性

姚建斌（山西太鋼工程技術(shù)有限公司，山西太原030009）

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高速開關(guān)閥用于位置控制系統(tǒng)的可行性

姚建斌
（山西太鋼工程技術(shù)有限公司，山西太原030009）

摘要：介紹高速開關(guān)閥控制液壓缸的工作原理，建立其數(shù)學(xué)模型，分析高速開關(guān)閥用于位置控制系統(tǒng)的可行性。通過Simulink仿真軟件建立閥控缸系統(tǒng)的仿真模型，分析閥控缸系統(tǒng)的流量響應(yīng)曲線、壓力響應(yīng)曲線，結(jié)果表明：基于高速開關(guān)閥控制的位置控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)特性，高速開關(guān)閥能夠滿足其對流量、壓力的需求，從而代替伺服閥實(shí)現(xiàn)位置精確控制。

關(guān)鍵詞：液壓缸；位置控制；高速開關(guān)閥；Simulink；PWM

目前，在位置控制系統(tǒng)中，主要通過伺服閥來實(shí)現(xiàn)液壓缸位置的精確控制，但伺服閥存在抗污染性能差、工作可靠性較差、價格較昂貴等缺點(diǎn)［1］。高速開關(guān)閥及其系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，具有代替伺服閥用于位置控制系統(tǒng)優(yōu)勢。本文通過建立高速開關(guān)閥控制液壓缸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證高速開關(guān)閥用于位置控制系統(tǒng)的可行性。

1　工作原理

1.1高速開關(guān)閥動作過程

高速開關(guān)閥采用PWM控制，即通過改變占空比τ的大小來實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)閥輸出流量的調(diào)節(jié)。本研究用的高速開關(guān)閥額定壓力為20 MPa，額定流量為9 L/min。高速開關(guān)閥的動作分5個階段：電氣延遲階段（電磁鐵電流增長滯后時間，t1），閥芯開啟階段（閥芯開啟運(yùn)動時間，t2），閥芯全開階段（tt），斷電延遲階段（電磁鐵電流衰減滯后時間，t3），閥芯關(guān)閉階段（閥芯關(guān)閉運(yùn)動時間，t4）等［2］，如圖1所示。

圖1　高速開關(guān)閥的動作過程

當(dāng)Tp∈［t1+t2，T-t3-t4］時，閥芯的吸合均到位［3］，高速開關(guān)閥工作在線性控制區(qū)，此時閥芯位移運(yùn)動方程為：

式中：Tp為脈沖寬度，T為脈沖周期，xv為閥芯位移，xvm為閥芯最大位移，ton為開啟時間，ton=t1+t2，toff為關(guān)閉時間，toff=t3+t4。

1.2高速開關(guān)閥控制液壓缸工作原理

高速開關(guān)閥控制液壓缸的原理見圖2。缸體向下運(yùn)動時，高速開關(guān)閥3得電開啟，無桿腔通流，高速開關(guān)閥4關(guān)閉，有桿腔回油。高速開關(guān)閥3在進(jìn)行PWM控制時，保證占空比為線性控制區(qū)（避開高速開關(guān)閥的死區(qū)和飽和區(qū)［4-5］）；缸體向上運(yùn)動時，高速開關(guān)閥4得電開啟，有桿腔通流，高速開關(guān)閥3關(guān)閉，無桿腔回油。高速開關(guān)閥4在進(jìn)行PWM控制時，保證占空比為線性控制區(qū)（避開高速開關(guān)閥的死區(qū)和飽和區(qū)）。

圖2　高速開關(guān)閥控液壓缸原理

2　系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

液壓缸的動態(tài)特性與外負(fù)載特性有關(guān)。其中負(fù)載力包括慣性力、彈性力、粘性阻尼力和任意其它外負(fù)載力。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律，可得液壓缸的活塞動態(tài)力平衡方程為：

其中：m1為缸體質(zhì)量，x1為缸體位移，B為活塞的粘性阻尼系數(shù)，P1為無桿腔壓力，P2為有桿腔壓力，F(xiàn)w為負(fù)載力，A1無桿腔的面積，A2有桿腔的面積。

液壓缸體積流量方程為：

其中：q1為流入無桿腔的流量，q2為流出有桿腔的流量，Cip為液壓缸的內(nèi)泄漏系數(shù)，x0為缸體初始位移量，βe為油液的彈性模量。

在式（3）和（4）中，第一項(xiàng)為推動液壓缸活塞運(yùn)動所需的流量，第二項(xiàng)是經(jīng)過活塞密封的內(nèi)泄漏量，第三項(xiàng)是油液壓縮和腔體變形所需的流量。

高速開關(guān)閥的壓力—流量方程為：

其中：Av=πxmsinθ（D+xmsinθcosθ）［6］，D為球閥直徑，xm為高速開關(guān)閥的閥芯最大開口度，θ為球閥座半角，τ1、τ2為兩閥的占空比，Av為最大閥口面積；Cd為體積流量系數(shù)。

3　Simulink仿真分析

3.1仿真模型

根據(jù)高速開關(guān)閥控制液壓缸的工作原理及其數(shù)學(xué)模型，利用Simulink仿真軟件建立系統(tǒng)仿真模型如圖3，其中閥3的占空比為0.8，活塞直徑220 mm，活塞桿直徑180 mm。

圖3　系統(tǒng)仿真模型

3.2仿真結(jié)果

系統(tǒng)的流量、壓力、響應(yīng)曲線如圖4~7，仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖4　無桿腔流量躍階響應(yīng)曲線

圖5　有桿腔流量躍階響應(yīng)曲線

圖6　無桿腔壓力躍階響應(yīng)曲線

圖7　有桿腔壓力躍階響應(yīng)曲線

表1　液壓缸仿真結(jié)果

3.3仿真分析

對高速開關(guān)閥3的輸出流量而言，理論上，當(dāng)高速開關(guān)閥3的占空比為0.8時，無桿腔的輸入流量應(yīng)為7.2 L/min，由于無桿腔面積約為有桿腔面積的3倍，故有桿腔輸出流量應(yīng)為無桿腔流量的1/3左右。分析圖4、5可知，仿真模型中的無桿腔輸入流量為6.6 L/min，比理論值7.2 L/min小，這是由于在實(shí)際運(yùn)動過程中油液的泄露導(dǎo)致高速開關(guān)閥的輸出流量減小造成的。有桿腔輸出流量為2.32 L/min，約為無桿腔輸入流量的1/3左右，故仿真結(jié)果與理論分析相符，模型正確。同時兩腔的流量階躍響應(yīng)時間均＜20 ms，高速開關(guān)閥的頻響＞50 Hz，系統(tǒng)的頻響較高。

本次研究用的高速開關(guān)閥額定壓力為20 MPa，由圖6、7可知，無桿腔壓力穩(wěn)定值為13.16 MPa，有桿腔的壓力穩(wěn)定值為0.06 MPa，均小于高速開關(guān)閥的額定壓力，故高速開關(guān)閥的額定壓力能滿足系統(tǒng)對壓力的需求，同時兩腔的壓力階躍響應(yīng)時間均＜20 ms，高速開關(guān)閥的頻響＞50 Hz，系統(tǒng)頻響較高。

4　結(jié)論

通過理論與仿真結(jié)果分析可知，高速開關(guān)閥工作在占空比為線性控制區(qū)（避開高速開關(guān)閥的死區(qū)和飽和區(qū)）時，可以代替伺服閥用于位置控制系統(tǒng)中，能滿足系統(tǒng)對流量、壓力的需求，同時系統(tǒng)的頻響較高。將高速開關(guān)閥用于位置控制系統(tǒng)中具有可行性。

參考文獻(xiàn)：

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［3］陳寶江，楊樹興，曹泛.PWM高速開關(guān)閥特性分析［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，1993，13（3）：354-360.

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［6］朱梅生.基于PWM技術(shù)的高速開關(guān)閥控液壓位置系統(tǒng)最優(yōu)控制研究［D］.長沙：中南工業(yè)大學(xué)，1999.

Feasibility of High-speed Switch Valve Used For Position Control System

YAO Jianbin
（Shanxi Taigang Engineering Technology Co., Ltd., Taiyuan 030009, China）

Abstrraacctt:: The working principle of hydraulic cylinder controlled by the high-speed switch valve was introduced. The mathematical model was established. And the feasibility of the high-speed valve used for position control system was analyzed. The simulation model in Simulink software was built. And the response curve of flow and pressure of cylinder system controlled by valve were analyzed. The results showed that the position control system controlled by high- speed switch valve has good response characteristics, the high-speed switch valve can meet the system requirements of flow and pressure, so it can replace the servo valve to realize the accuracy control of position control system.

Key worrddss:: hydraulic cylinder; position control; high speed valve; Simulink; PWM

學(xué)會動態(tài)

《山東冶金統(tǒng)計》2014年編審人員工作會議召開

按照匯編《山東冶金統(tǒng)計》工作方案的部署，為做好2014年《山東冶金統(tǒng)計》匯編工作，山東省冶金工業(yè)總公司、山東金屬學(xué)會統(tǒng)計信息學(xué)術(shù)委員會，于2015年10月14日至15日在濟(jì)寧市召開2014年《山東冶金統(tǒng)計》編審人員工作會議。會上，山東省冶金工業(yè)總公司科技和規(guī)劃部副部長、山東金屬學(xué)會統(tǒng)計信息學(xué)術(shù)委員會主任委員郭利民同志作了講話，吳東平科長對2014年工作進(jìn)行了總結(jié)，對下一步工作進(jìn)行了安排和部署，會議取得圓滿成功。

（盧勇）

濰坊冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在濰坊成立

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，給冶金行業(yè)及上下游產(chǎn)業(yè)帶來巨大的挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步加強(qiáng)冶金產(chǎn)業(yè)與相關(guān)單位的協(xié)作與服務(wù)，在濰坊市經(jīng)信委、市煤炭冶金行辦的推動下，由濰坊市重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)倡議成立濰坊冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并于2015年11月30日在濰坊召開了聯(lián)盟成立大會，山東金屬學(xué)會秘書長徐新洲，中國冶金報山東記者站站長羅華國到會并致辭。

（盧勇）

2015全國軋輥使用與制造技術(shù)交流會召開

為了促進(jìn)鋼鐵企業(yè)和軋輥制造單位的合作，深入總結(jié)和交流近年來我國軋輥應(yīng)用和管理經(jīng)驗(yàn)，推動軋輥行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)以及軋輥工藝裝備方面的新技術(shù)進(jìn)步，加快我國軋輥行業(yè)的快速發(fā)展，提高其市場競爭力。由河北、山東、江蘇三省冶金（金屬）學(xué)會聯(lián)合主辦、中國設(shè)備管理協(xié)會軋輥行業(yè)服務(wù)中心、唐山聯(lián)強(qiáng)軋輥有限公司協(xié)辦、石家莊博華展覽有限公司承辦的“2015軋輥使用與制造技術(shù)交流會”于2015年12月16—17日在河北省唐山市召開。交流會邀請了全國鋼鐵和軋輥制造單位的管理、技術(shù)、學(xué)術(shù)專家和領(lǐng)導(dǎo)到會交流，會議期間組織代表進(jìn)行了參觀學(xué)習(xí)，大會取得了圓滿成功。

（盧勇）

信息化建設(shè)

作者簡介：姚建斌，男，1973年生，1996年畢業(yè)于鞍山鋼鐵學(xué)院冶金機(jī)械專業(yè)；2007年畢業(yè)于太原科技大學(xué)材料加工專業(yè)，碩士。現(xiàn)為山西太鋼工程技術(shù)有限公司設(shè)備室工程師，從事機(jī)械設(shè)計工作。

收稿日期：2015-11-24

中圖分類號：TH137.52

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-4620（2015）06-0060-03