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1、精品论文大集合基于新型数字阀的闭环液压系统研究陶桂宝，钟志伟 重庆大学机械工程学院，重庆(400044) E-mail：摘要：本文介绍了一种新型液压数字阀的结构及其工作原理，构建了以此数字阀为控制元 件的单通道闭环液压系统，并以此系统为研究对象。由于驱动数字阀控制信号是非连续的一系列脉冲信号，因此在建立数学模型时无法直接建立系统的传递函数，针对上述问题通过采 用近似处理的方法建立系统的数学模型，经分析可知采用近似处理所建立的数学模型具有较高的精度，能够满足实际工况要求。关键词: 数字阀；单通道；液压系统；数学模型1. 前言随着现代工业技术的发展，越来越多的各种金属加工设备、冶金机械及工程机械等
2、对 高精度液压同步驱动技术的需求也越来越迫切。其中，由于液压同步驱动具有简单、组成方 便、易于控制和适用于大功率场合，因此在同步驱动技术中占据非常重要的位置。液压系统实现同步控制一般有开环和闭环两种基本形式。开环控制依靠液压元件本身 的精度来控制，而不对执行元件的输出进行检测与反馈，因此，依靠开环控制来获得高精度 非常困难。闭环控制由于采用反馈回路对执行机构的状态进行检测，能够及时反馈误差并进 行调整，以消除系统在运行当中不利因素的影响，可获得高精度的同步驱动。目前，液压闭环控制系统所采用的控制元件主要有机液伺服阀、电液伺服阀、电液比 例阀和数字阀等。其中，数字阀与其他几种控制阀相比最大的他点
3、就是能适应计算机控制的 需要，直接用数字量来实现控制，省去了一般计算机控制系统中所必备的 D/A 转换器，减 少了系统的中间环节，有利于提高系统的稳定性和可靠性。本文以新型数字阀为控制元件组成的单通道闭环系统为研究对象，建立了单通道系统的 数学模型，为新型数字阀作为控制元件的同步液压系统的开发奠定了基础。2. 新型数字阀工作原理新型数字阀的结构主要由阀门开关部分、计量部分和驱动部分三大部分组成。数字阀 的驱动由步进电机提供，步进电机每转动一步开关部分动作一次（即开关一次）输出一定体 积的液压油，输出的液压油的体积由计量部分控制，保证步进电机每转动一步输出的液压油 的体积一定。当数字阀工作时，由
4、脉冲源发出驱动步进电机脉冲信号给环形分配器，环形分 配器按照一定的相序将脉冲信号传送到驱动器，驱动器将接受到的脉冲信号进行功率放大， 然后驱动步进电机旋转，再驱动阀工作。步进电机的角位移和角速度分别决定了油缸活塞的 位移和速度，因此，调节步进电机的角位移和角频率，就能在一定范围内控制油缸活塞的运 动状态。由此种数字阀组成的液压系统能方便的实现计算机控制，很好的实现了机电一体化。3. 建立系统数学模型图 1 所示为采用数字阀所建立的单通道数字闭环系统。其工作过程由计算机向系统输入 数字指令脉冲信号，通过数字阀控制液压执行元件运动，系统的输出再通过编码器检测并反 馈到输入端。- 6 -图 1 数字
5、闭环伺服系统Fig1 Digital closed-loop servo systems液压执行元件有单作用和双作用两种形式，单作用液压缸是种单杆输出的液压缸，其结 构上的最大特点就是进、回油腔承压面积不相等。它的主要优点是构造简单、制造容易、单 边滑动密封的效率及可靠性高、工作空间小。双作用液压缸是种双杆双向输出的液压缸它的 最大特点就是进、回油腔承压面积相等，但其结构复杂、滑动摩擦阻力增大，需要运行的空 间也大。鉴于两种液压缸的上述特性，本文采用单作用液压缸为建模对象，其原理图如图 2 所示。图 2 单作用液压缸Fig2 single-acting Cylinder对系统进行分析与研究，必
6、须建立系统的数学模型。由于系统的输入为数字脉冲是非连 续信号，因此在建立数学模型的时候，做近似处理。假设步进电机输出的角度 连续且对时间可导的即： = ddt则数字阀的输出流量 Q 为：Q = V2 = V2 ddt（1）式中V步进电机转一圈数字阀输出的体积（m3）。1对液压缸控制腔应用连续性方程，则有：ip 1Q C p = dV 1 +V 1 dp1dtV 1 = V 0 + A1x e dt式中Cip液压缸内部泄漏系数（m3/sPa）; V1液压缸控制腔容积（m3）； V0液压缸控制腔初始容积（m3）； A1液压缸控制腔的活塞面积（m2）； e油液的体积弹性模量（N/m2）。假定活塞位移
7、很小，即|Ahxp| V0，则 V1V0 ，将以上两式合并得到：Q = Cipp1 + A1dx + V 0 dp1 （2）为活塞和负载的力平衡方程1：dt e dtd 2 xdxp1 A1 = Mdt 2+ Bc+ Kx + FLdt(3)式中M 活塞和负载的总质量（kg）；Bc 活塞与负载的粘性阻尼系数（Ns/m）；K 负载弹性刚度（N/m）；FL 任意外力负载（N）。变换将式（1）（2）（3）分别进行拉普拉斯2，则得：Q (s ) = V2S(s )Q (s ) = C P (s ) + A SX (s ) + V 0 SP (s )ip 1 1 1 eP1 ( s ) =1 (MS 2
8、 + BcS + K ) X ( s ) + 1 FL ( s )A1 A1联合以上三式合并化简，可得活塞输出位移关于步进电机转角和任意外负载力同时作用 的综合相应方程式：X ( s ) = 2 A1s (1 + Cip ) FL ( s )( )VS CipA12V 0 Se(CipK )( S2 2 h)S +22 + hS +1A1h eA12式中 h 液压固有频率h =；V 0 MCip eM Bc V 0 h 阻尼比， h =+。2 A1V 02 A1 eM当负载刚度 K=0，即无弹簧负载时，得传递函数为：X ( s ) V = 2 A1( s ) ( S 2 + 2 h S + 1
9、)h 2hX (s ) Cip (1 + S )=A11FL ( s )S ( S 2 + 2 h S +1)h 2h eCip式中r 一阶微分环节的转折频率，1 =。V 04. 系统性能分析由于系统数学模型的建立是采用近似处理，因此衡量系统数学模型准确与否就取决于 近似误差大小。现以一缸径 D=110 的液压缸为控制对象进行分析，其活塞有效面积 A=6.410-.3（m2）；有效行程 l=0.300 m。采用步距角为 1.8步进电机驱动的数字阀控制，步 进电机每转一圈走 200 步数字阀输出 50ml 流量的液压油。当液压缸空载运行时，缸内压力 较小，由泄漏、液压油的弹性变形等引起的体积变化
10、可忽略。控制液压缸在有效行程内行走25.5mm，由数字阀输入液压油的体积 V1 为：336 3V1 = Al = 6.41025.510=163.210 m由近似假设可知步进电机需要转过的角度 应该这样确定： = V 1 = 163.2ml = 6.528 rad V 250 ml2步进电机步距角为： =23601.8 = 0.01所以要使液压缸运行 25.5mm，步进电机所需要的脉冲数 n 为：n = = 6.5280.01= 652.8实际上控制步进电机的脉冲数量只能取整数，因此，小数部分为近似误差。取 n=652， 数字阀输出的液压油体积 V2 为：V 2 = nV = 652 50ml
11、 = 163ml200由此液压缸产生的行程误差 x 为：3x = V1 V 2 1 = 163.2 163 = 0.03125mmV 1 A6.410由以上结果可知，采用近似方法建立的数学模型在上述系统中近似精度较高。通常情况 对于上述液压缸的最大近似误差小于 0.039mm。如对小数部分进行“四舍五入”处理，精度可进一步提高。5. 结论经过对采用新型数字阀建立的单通道液压系统研究与分析可知，由于控制数字阀的脉冲 信号的非连续性，因此在建立数学模型时不能直接求系统的传递函数，通过对系统近似处理 很好的解决了这一问题，而且近似精度较高。对于同步系统可采用“等同方式”3 的控制策 略，使多个采用新
12、型数字阀的单通道系统同时跟踪同一理想输出来达到同步驱动，可获得较 高的同步精度。参考文献1 关景泰,机电液控制技术.上海: 同济大学出版社,2003 2 朱骥北.机械控制工程基础.北京:机械工业出版社,19993 丁意,赵克定,于金盈.双缸同步控制系统的研究.流体传动与控制.2007 年第 2 期:24-26Research on closed-loop hydraulic system base on a novel digital valveTao Gui-bao, Zhong Zhi-weiDepartment of Mechanical Engineering, Chongqing U
13、niversity, Chongqing (400044)AbstractThis paper introduces a novel digital hydraulic valve structure and working principle, and constructsthe single-channel closed-loop hydraulic system which base on the digital valve, as a system for research. For the control signal which drive digital valve is a s
14、eries of discontinuous pulse, it cannot establish the transfer function directly. In response to the problems through the use of similar methods to deal with the establishment of the system mathematical model. According to calculation and analysis, this mathematical model has high precision. Be able to meet the requirements of condition.Key words： Digital valve; Single channel; Hydraulic system; Mathematical model作者简介：陶桂宝（1967-），男，重庆大学博士，副教授。主要从事机电一体化技术、汽车 电子、车间集成控制管理、网络化制造、机床设计和数控加工等方向的研究。