机械反馈式比例阀位置控制系统的仿真研究.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 1 卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS Ma v 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 0 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 2 1 机械反馈式比例阀位置控制系统的仿真研究 金迎村 ，陈亮 中国舰船研究设计中心，湖北武汉 4 3 0 0 6 4 摘要介绍了一种机械反馈式比例阀的工作原理，通过对以该阀为控制元件的液压位置控制系统进行建模和仿真，分 析了在改变阀的可调参数时，液压位置控制系统的性能变化状况 ，结果表明机械反馈式 比例阀在液压位置控制系统中具有 较好的控制性能。 关键词机械反馈 ；比例阀；位置控制 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 0 0 6 3 2 S i mul a t i o n St u d y o f Po s i t i o n Co nt r o l Sy s t e m by Pr o po r t i o na l Va l v e o f M e c h a ni c a l Fe e d ba c k J I N Yi n g c u n．CHE N L i a n g C h i n a S h i p D e v e l o p m e n t a n d D e s i g n C e n t e r ，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 6 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f a me c h a n i c a l f e e d b a c k p r o p o r t i o n a l v alv e i s i n t r o d u c e d ． T h r o u g h ma d e t h e mo d e l o f a n d s i mu l a t e d t h e h y d r a u l i c p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m wh i c h u t i l i z e d me c h a n i c al f e e d b a c k p r o p o r t i o n al v alv e a s a c o n t r o l e l e me n t ， t h e p e rf o r m anc e c h a n g i n g p r o p e r t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m w a s a n a l y z e d w h e n c h a n gi n g t h e a d j u s t a b l e p a r a m e t e r s o f v a l v e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e me c h a n i c al f e e d b a c k p r o p o r t i o n a l v a l v e i n t h e h y d r a u l i c p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m h a s p r e f e r a b l e c o n t r o l p r o p e r t i e s ． Ke y wo r d s Me c h a n i c a le d b a c k ； P r o p o rt i o n a l v alv e ；P o s i t i o n c o n t r o l 比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的 一 种具有 比例控制功能的液压阀。通常，比例阀是 在普通液压阀的基体上加装 比例电磁铁而形成。其 最 大优点是 抗污染 能力 强 ，可减 少 由于 液压 油污 染 而造成工作故障 J 。由于比例 阀的一些固有特性 ， 如滞环、非线性等 ，常常无法使被控系统达到理想 的效果 。因此，作者提出采用一种机械反馈式比 例阀，其利用杠杆作用形成反馈装置 ，工作原理如 图 1所示 。 图 1 机械反馈式比例阀工作原理 机械反馈式比例阀由先导阀、主阀、减压阀和两 个节流阀组成。主阀芯作为先导阀的负载，采用机械 杠杆反馈方式，将主阀芯位置反馈给先导阀阀套；先 导 阀的油源 P 是 由系统 油 源 P 。 经 过减 压 阀得 到 的 ， 减压阀的作用是稳定先导阀的油源压力，提高控制的 动态品质 。 当给先导阀的比例电磁铁输入一定电信号，设先 导阀的阀芯 向右移 动 。 ，压力油 P 经 过右边 的节流 阀进入 主阀芯右腔 ，推动 主 阀芯 向左产 生一个 位移 ， 主 阀窗 口产生 相应 的开 度 ，压力 油 P ． 通 过 主 阀窗 口 向液压缸输出流量和压力。当主阀芯受到向右的扰动 力 时 ，主阀开 口量变小 ，这时主 阀芯通 过杠 杆作用 ， 带动先导阀阀套向左移动，使先导阀开口量增加 ，因 此输出到主阀芯右腔的流量也相应增加，从而使主阀 窗口的开口量变大，直到维持在初始值上，杠杆才停 止反馈作用；当主阀芯受到向左的扰动力时，也有类 似结论 。先导 阀和主 阀之 间的节流 阀用于调节 比例阀 主阀芯 的运动速度 ，通过调节节流 阀的液阻层流液导 系数 ，可 以改变液压动力机构 的动态性 能。 1 机械反馈式比例阀数学模型 1 ． 1 先导阀流量平衡方程 A Q K q ． A x 。 一A x 一 K c ． 卸 1 收 稿 日期 2 0 1 2 0 4 0 6 作者简介金迎村 1 9 7 0 一 ，女，工学硕士，高级工程师，研究方向为船舶装置。Em a i l m i a n s h a n c l 1 6 3 ． c o m。 6 4 机床与液压 第4 l卷 式 中 。 为先 导 阀阀芯 位移 ； 为先 导 阀 阀套 反 馈 位移 ；K 为先 导 阀流量增 益 ；K ． 为 先导 阀流量 压力 系数 。 1 ． 2 主 阀芯控制 腔 油路 流 量平衡 方 程 △ Q A p 2 s △ z △ p c t △ p 2 其 中 △ p I 『 3 式中 为主阀芯位移 ；A p 2 为主 阀芯控 制腔截 面积 ； 。为节流 阀与主 阀 问控制 腔等效 内积 ；C 为 主 阀芯 两控制腔泄漏系数；c 为节流阀的层流液导系数。 1 ． 3 主 阀芯动 态力平衡 方程 A Ap Lm2 s 2 Ax2 m l S 2Ax f詈 ． ， 4 式 中 m 为主阀芯 质量 ；o为反馈 杆短臂 的长度 ；b 为反馈杆 长臂 的长度 ；m。 为先导 阀阀套 质量 ；J为 反馈 杆转动惯量。 1 ． 4主阀芯位移与先导阀阀套反馈位移关 系 5 2位置控制系统数学模型 对 于图 1 所示的 阀控位置控制系统 ，忽略液压 缸 活塞的黏性阻尼系数，其开环传递函数为⋯ Y l_一 6 V tm 3 ． 。m 2 ． 、 4 ／3 e A ； A 由式 1 一 6 可得系统传递函数方框图如图2 所示 。 图2 系统传递函数方框图 其中K ； 砭 ； m z 2 r m 旨 古； K o 。 砭 C ， K 为主阀流量增益系数 为总压缩容积；A 。 为活塞有效截面积 ；m为折算 到活塞上 的总质量 ；K 为 主阀 和液压缸 的总流量 压 力系数 ；K o 为先 导 阀与 主阀左 右两腔 的 总流量 压力 系数 ；m ． 为反馈 杆 和先导 阀套 折算 到主 阀芯上 的质 量 。 3液压动力机构的仿真 设机械反馈式 比例阀位 置控制 系统仿 真参数 为 A口 22 ． 9 8 4 51 0一 ， 。 1 ． 8 1 3 51 0 一 “m3 ／ s P a ， K o ． 0 4 2 7 m Z ／ s ， 1 5 ． 3 2 8 3 1 0 一m 3 、 m Q 8 5 8 2 k g，a ／ b0 ．1，A。0 ． 0 41 2 n l ，m 2 2 2 ． 6 2 k g， 0 ． 0 2 3 9 1 T I ，K 0 ． 5 3 2 6 m ／ s ， c 0 ． 1 6 3 7 S ，输入 信号 为幅值为 1 0 m m 的阶跃信号 。 应用 M A T L A B ／ S i m u l i n k仿真软件 ，对液压动 力机构进行仿真。选择 3个节流阀液阻层流液导系 数 ，对应 的液压缸位移 响应 曲线如 图 3所示。 根据图 3 ，可 得 系统 的 时域 性 能 指标 如表 1所 示。 由图 3可以看 出 ，当节流 阀的液阻层流液导系数 c 比较大时，液压缸的位移响应不存在超调 ，但系 统的响应速度并不是最快 ；适当减少 c 值 ，在有微 小超调量的情况下 ，可 以加快系统 的响应速度 ，从 而 使系统的动态性 能达 到最优 ；如 c 值 过小 ，则 不仅 系统的响应 图 3 液压缸位移响应曲线 表 1 仿真结果性能指标 4结 论 通过对机械反馈式 比例阀为控制元 件的液压位置 系统 的建模 和仿真 ，可 以看 出这种机械反馈式 比例 阀 的动态性 能 比较理 想。该 阀在工作过程 中可 以调整参 数 ，因此具有一定程度的适应性 。针对 不同的控制负 载对象 ，通过对系统 的建模仿真和现场调试 ，选择适 当的节 流阀液 阻层流 液导 系数 ，可 以有效 地克服一般 比例阀的缺点，使系统控制精度得到较大提高。 下转第 8 5页 第 1 0期 陈向伟 等飞灰测碳在线执行机构的优化设计及仿真 8 5 图 1 4 位置 3处气缸位 置 s 、速度 及 加速度 。曲线 ； 一 7 6 i ； 图 l 6 手爪末端点 A 速度变化 曲线 目 昌 葛 看 图 1 5 手爪末端点 位 置变化曲线 L 图 1 7 手爪末端点 A加 速度变化曲线 3 ． 3仿 真数据 结 果分析 输出的上述曲线代表 了气动机械手运动过程 的一 个阶段从静止一小臂伸出一手爪张开一手爪闭合一 小臂抬起一腰部旋转，由于气动机械手在飞灰测碳机 构上的一个工作循环是所选取阶段的重复 ，所 以，输 出的 曲线具有代表性 。 从 图 1 2可知 由于腕部气 缸直接 控制手爪 对坩 埚的抓取 ，气动手爪气缸的速度首先逐渐升高，然后 逐渐减低 ，在接触到坩埚之前其速度降至最低 0 ，这样可有效减少抓取过程对坩埚造成 的冲击。 抓取 到坩埚 以后 ，可 以看到气动手爪气缸 的速度又逐 渐提 高。 从 图 1 3 1 4可知 小臂 伸缩气 缸 与小 臂俯仰 气 缸是匀速 运动 的 00 ， 2 m m ／ s ，可 以 比较 平 稳地控制小臂 的伸缩与俯仰 ，从而使气动机械手整体 运动平稳 。 从 图 1 5 1 7可知 气 动手爪 在抓 取坩 埚 时 ，在 接触到坩埚时其速度概乎 降为 0 ，这就大 大降低 了手 爪 在接触坩埚时的 冲击 和振动 ，从 而减 少掉埚 概率 ， 由于气动手爪处有触觉传感器及三维指力传感器 ，所 以坩埚在被抓起后 由于滑动引起的放置时与其他 工位 的碰撞问题可 以得到解决 。 4结论 根 据飞灰测碳 机构 的结构 及工 作 过程 ，分 析 了 飞灰测 碳机构 存在 的问题 ，如 中心 升降 旋转 工位 在升降过程中托埚不稳 ，容易掉埚 ；飞灰测碳机构 的工作 环境灰 尘 比较 多 ，润滑 液极 易 与空 气 中的灰 尘相 结合 ，在 电厂环 境 下非 常容 易堵 灰 ，设备 维护 非常困难等。在此基础上 ，对飞灰测碳机构应用气 动机械 手进行 了探索 ，指 出 了应用 气 动机 械手 的优 势 。气 动机械 手代替 中心 升降 旋转 工位 在 飞灰 测碳 机构上 应用 时 ，可实现 快速 准确 的抓取 和 放开 ，运 行更精 确 ，振 动冲击 比较小 ，有效 地 解决 了 中心 升 降旋转工位在工作过程中托埚不稳 ，容易掉埚以及 中心主轴在电机启动时的冲击较大的问题 ；而且 由 于气动机械手使用的是压缩空气 ，相对来说 比较清 洁 ，这样 有效解 决 了飞 灰测 碳机 构 在 电厂 环境下 油 污染严 重 ，容 易 堵 灰 ，设 备 维 护 困 难 的 问 题 。总 之，在飞灰测碳机构使用机械手可以降低机构故障 率，延长其使用寿命。但是，文 中研究的不足之处 在于 未能明显提高飞灰测碳机构完成一次飞灰含 碳 量测量 的 测 量 时 间 2 0 mi n ，气 动 机 械手 完 成 一 次 飞灰含碳 量测量 用时 1 2 m i n左右 。 参 考文 献 【 1 】吴戈． 激光感生击穿光谱技术应用于飞灰含碳量的定量 分析[ D] ． 武汉 华中科技大学 ， 2 0 0 5 1 21 5 ． 【 2 】 胡万强． 基于神经网络控制的气动伺服位置控制系统研 究[ D] ． 昆明 昆明理工大学 ， 2 0 0 6 4 6 4 8 ． 【 3 】 范萌． 气动位置伺服控制系统及其在气动机械手中的应 用[ D] ． 北京 北京理工大学， 2 0 0 3 5 35 7 ． 【 4 】康兰． 基于 P r o ／ E n g i n e e r 参数化标准件和常用件图库的 研究与开发[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 4 4 1 41 5 ． 【 5 】田启华， 赵卫． 基于 P r o ／ E的通用机械零件 C A D系统设 计[ J ] ． 机械设计 ， 2 0 0 4 8 5 6 5 8 ． 【 6 】张继春． P r o ／ E n g i n e e r 二次开发实用教程[ M] ． 北京 北 京大学出版社 ， 2 0 0 3 2 7 3 0 ． 上接 第 6 4页 参考文献 【 1 】路甬祥． 电液 比例控制技术[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 1 9 8 8 ． 【 2 】王春行． 液压控制系统 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 99． 【 3 】 吴根茂， 邱敏秀， 王庆丰， 等． 新编实用电液 比例技术 [ M] ． 杭 州 浙江大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】王沫然． MA T L A B与科学计算[ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】王正林 ， 王胜开， 陈国顺 ， 等． M A T L A B ／ S i m u l i n k 与控制 系统仿真[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 9 ． 【 6 】谢强 ， 邓斌， 曹学鹏． 深海环境下电液比例阀的动态特性 仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 5 6 8 6 9 ．