（机械电子工程专业论文）三类伺服阀控制伺服加载系统的性能分析及试验研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 主动式电液力伺服系统具有精度高、响应快、功率大、结构紧凑和使用 方便等优点，在材料试验机、结构试验多通道电液伺服加载装置、张力控制 系统、机器人力控制系统等得到了广泛的应用。研究高精度、高频响、大功 率的主动式电液力伺服系统具有极其重要的理论价值和现实意义。本文对主 动式电液伺服加载系统进行了深入的理论分析和试验研究，得出了一些有益 的结论。 本文对电液伺服加载系统中常用的流量阀、压力阀和流量压力阀三类 伺服阀的原理及各自的加载特性进行了分析，并给出了工程设计中常用的数 学模型，得出伺服阀的流量增益、压力增益和响应频率是其影响系统性能的 主要参数。 本文分别建立了三类伺服阀控制加载系统数学模型并进行了仿真分 析。结果表明三类伺服阀控制系统中流量阀控制系统的开环增益最高；闭环 控制时流量阀利于减小幅值误差，压力阀和流量压力阀利于减小相位滞后： 伺服阀的频宽影响了系统的响应速度：三类伺服阀在经典p i d 控制策略 下，动态加载和静态加载均能达到指标要求；伺服阀性能、液压弹簧刚度和 负载刚度决定了系统的动特性；详细分析了负载刚度对系统性能的影响，为 系统的结构优化提供了理论依据。 本文通过实验测试了三类伺服阀控制系统的开环频率特性，并通过时 域分析了试验用的三类伺服阀各自表现出来的性能，流量阀的压力增益最 高，压力阀低频时存在自振现象；在系统的闭环控制下，对系统进行动态和 静态加载实验：测试了不同负载刚度下的闭环频率特性。 关键词主动式电液力伺服系统；电液伺服阀；负载刚度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a c t i v ee l e c t r o h y d r a u l i c f o r c es e r v os y s t e mh a sm a n y v i r t u e s ：h i g hp r e c i s i o n ， q u i c kr e s p o n s e ，b i gp o w e r ，c o m p a c ts t r u c t u r ea n dc o n v e n i e n tu s e t h i ss e r v o s y s t e m i s w i d e l y u s e di nm a t e r i a l t e s t i n gm a c h i n e ，m u l t i g a t e w a y e l e c t r o h y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e mu s e di ns t r u c t u r ee x p e r i m e n t ，t e n s i l ef o r c es e r v os y s t e m ， f o r c ec o n t r o l l e dr o b o ts y s t e m i ts h o u l db ev a l u a b l ei n t h e o r ya n da p p l i c a t i o n s t u d y i n g a c t i v e e l e c t r o h y d r a u l i c - p o w e r s e r v o s y s t e m i n h i g hp r e c i s i o n ， f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dp o w e r i nt h ep a p e r , a c t i v ee l e c t r o h y d r a u l i c - f o r c es e r v o s y s t e m i s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t e di nd e t a i l s o m eu s e f u l c o n c l u s i o ni sd r a w nw h i c hc a ng u i d et h ed e s i g na n dt e s to ft h i s s y s t e mi nt h e f u t u r e i nt h e p a p e r t h ea u t h o r a n a l y z e d t h e p r i n c i p l e a n d r e s p e c t i v el o a d i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e ec a t e g o r i e ss e r v ov a l v e s ：f l o wv a l v e ，p r e s s u r ev a l v e ， f l o w p r e s s u r ev a l v e ，w h i e ha l eu s e di ne l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ol o a d i n gs y s t e m o f f e r i n gt h e i rm a t h e m a t i cm o d e l s ，d r a w i n gt h a ti t sf l o wg a i n ，p r e s s u r eg a i na n d r e s p o n s ef f e q u e n c ya r et h em a i np a r a m e t e r si ni t si m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e t h ea u t h o rb u i l tu pm a t h e m a t i cm o d e l so f l o a d i n gs y s t e mu n d e rt h ec o n t r o lo f t h r e es e r v ov a l v e sa n dd i ds o m es i m u l a t i o na n a l y s i s i ti si n d i c a t e dt h a to p e n l o o pg a i ni st h eh i g h e s t f o rf l o wv a l v ec o n t r o ls y s t e mo ft h et h r e es y s t e m s ；i n t h ec l o s e l o o p c o n t r o lf l o wv a l v ec a nr e d u c e a m p l i t u d ee r r o r , p r e s s u r ea n d p r e s s u r e - f l o wv a l v ec a l l r e d u c ep h a s el a g ；s e r v ov a l v ef r e q u e n c yb a n dw i d t h i n f l u e n c e st h es y s t e mr e s p o n s es p e e d ；d y n a m i ca n ds t a t i c l o a d i n gs a t i s f yt h e p e r f o r m a n c ei n d e xu n d e rt h e s u t r ap i dc o n t r o l l e r ；s e r v ov a l v e p e r f o r m a n c e h y d r a u l i ca n dl o a d i n gs t i f f n e s sd e t e r m i n ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ；a n a l y z i n gt h e i n f l u e n c eo fl o a d i n gs t i f f n e s st o d y n a m i cp e r f o r m a n c ei nd e t a i l a n ds u p p l y i n g t h e o r yf o u n d a t i o nf o rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n a c c o r d i n g t o e x p e r i m e n t s ，t h e a u t h o rt e s t e dt h e o p e n l o o pf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co ft h e s y s t e ma n da n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h er e s p e c t i v e v a l v e si nt h et i m ed o m a i n ，t h ep r e s s u r eg a i no ft h ef l o wv a l v ei st h eh i g h e s ta n d p r e s s u r ev a l v eh a ss e l fe x c i t e dv i b r a t i o nw h e nl o a d i n gs y s t e mi nl o wf r e q u e n c y ； d i dd y n a m i ca n ds t a t i c l o a d i n ge x p e r i m e n t si nt h ec l o s el o o pc o n t r o l ；t e s t e dt h e - i i 篁玺堡三些查耋三兰堡圭兰竺篓圣 c l o s e l o o pf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tl o a d i n gs t i f f n e s s k e y w o r d s a c t i v e e l e c t r o - h y d r a u l i c f o r c e s e r v o s y s t e m ，e l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v ov a l v e ，l o a d i n gs t i f f n e s s i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 在工程上，经常需要对力进行控制，电液力伺服控制系统具有精度高、响 应快、功率大、结构紧凑和使用方便等优点，得到了广泛的应用【l 】。其主要应 用领域有轧机张力控制系统、电液伺服冲击试验机、防滑刹车系统、电液控制 万能试验机【2 “、振动台、结构试验多通道电液伺服加载装置【4 】、机器人力控制 系统【5 1 等。就其本质来讲，电液力伺服系统是一个高度非线性而且参数不确定 的非线性时变系统，工作环境和液压元件的磨损情况逐渐随时间发生变化，从 而导致系统的参数改变，伺服阀的流量压力特性方程决定了系统的非线性 酊。 电液力控制系统是电液控制技术的一个重要分支，并且一直是电液控制技术研 究的一个前沿课题，得到了国际上控制和仿真领域众多学者的重视和政府的研 究资助，其应用范围包括航空、航天、冶金、船舶、车辆等多个方面。 但目前对高性能的主动式电液力伺服系统的研究，由于其系统的控制难度 还有待于进一步完善和深入，因此对电液力控制系统的研究有重要的理论价值 和经济价值。 1 2 电液力控制技术研究的进展及展望 对于电液力控制方法，传统的方法是采用p i d 控制。但随着科学技术的飞 速发展、计算机的广泛应用以及生产自动化水平的提高，对力控制的动静态精 度、使用功能等性能指标提出越来越高的要求，相应也出现了许多新型控制算 法。下面就电液力控制研究中的一些情况作一论述。对于电液力控制策略的研 究，国内外的学者在经典控制、自适应控制、预测控制、h 。鲁棒控制、智能控 制、变结构控制等多个方面都取得了一定成果。在电液力控制的硬件实现上， 也随着计算机技术的飞速发展，取得很大进展。 1 2 1 电液力控制技术研究的进展 1 经典控制经典控制是以单变量线性定常系统为主要研究对象，采用 基于工作点附近的增量线性化模型来对系统进行分析与综合，以频率法作为研 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 究控制系统动态特性的主要方法。以b o d e 图、n y q u i s t 曲线、根轨迹等作为系 统分析和综合的主要工具，控制的主要形式为滞后超前网络、p i d 控制等。 尽管控制理论的发展速度很快，但p i d 控制仍然是工程上最实用最流行的方 法。这不仅是由于其结构简单，易于现场工程技术人员理解，而且在多数应用 场合中能够满足性能要求。所以工程实际应用中，p i d 仍然是电液力控制的主 要控制方法。对于多输入多输出( m i m o ) 力控制系统，如多通道电液伺服协调 加载系统，则将多输入多输出系统转化为多个单输入，单输出( s i s 0 ) 子系统，将 非线性、外界干扰以及负载间的耦合全部当为外部干扰进行处理，如美国 m t s 公司的多通道协调加载系统。 但是p i e ) 没有充分利用被控对象的动态性能信息，因而有时不能满足系统 闭环动态性能指标要求，而最优控制则充分考虑了系统的所有状态，使系统的 稳定性和快速性都得以改善。因此可将p i d 与最优控制相结合形成最优自整定 p i d 控制算法1 7 1 。这种控制策略的结构主要包括频率响应预估、期望的闭环系 绕陛能指标、最优自整定机构、p i d 控制器这4 部分。除此之外，p i d 控制还 和自适应控制、智能控制等其他控制方法相结合形成智能p i d 控制【】、自适 应p i d 控制【1 0 - i l l 、模糊p i d 1 2 j 。 西北工业大学蔡小斌和戴冠中在研究机翼的升力加载控制系统中，针对系 统结构复杂，干扰因素多( 主要是受载物体运动能量的干扰和各通道相互间的 交联干扰) ，常规控制难以凑效，他们采用智能p i 调节器和智能补偿的方法 “，但当系统干扰作用的强度与系统输入信号相当、甚至大于输入信号时，仅 仅用修改控制器的方法很难满足性能要求。 2 自适应控制对被控对象本身特性及其外部环境了解不多或者它们在 正常运行中存在变化时，对其应有自适应能力和鲁棒性，这时可采用自适应控 制，它具有如下功能：对象信息的在线辨识、综合有效的控制量的可调控制 器、对性能指标进行闭环控制。自适应控制可分为两类：模型参考自适应控制 ( m r a c ) 与自校正控制( s t c ) 。 a n d r e wa l l e y n e 和r u i l i u 等学者对电液力压力随动控制系统进行了研 究。由于其采用的控制器效果依赖于被控系统精确的数学模型，因此采用基于 l y a p u n o v 分析的参数自适应方法，以补偿系统参数的不确定性。通过对一阀控 缸豹电液力系统的实验，验证了其控制算法的可行性。考虑到该控制算法运算 量较大，他们还在不降低系统性能指标的前提下，提出一种简化算法，实验表 明，在低频情况下该简化算法是有效的 1 4 1 5 】。 由m t s 公司资助的美国o h i os t a t eu n i v e r s i l y 的s r l e e 等人进行了低频 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 疲劳试验机自校正控制的研究【l ”j ，实验系统如图1 1 所示。由于材料试验机 在低频加载时，伺服阀在零位附近工作，且负载压差很大，因此伺服阀的零位 泄漏量不可忽略。由于伺服阀受加工精度的限制，造成控制信号为零时，泄漏 量有很大的差别，不同伺服阀的流量增益有很大差别。因此采用自校正控制以 减轻操作者的负担。他采用最小二乘法对系统进行实时辨识，在此基础上根据 极点配置设计控制器。 图1 - 1 材料试验机液压系统 f i g 1 - 1h y d r a u l i cs y s t e mo f m a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e 除此之外，还出现了模型跟随自适应控制在电液力控制系统中的应用。模 型跟随自适应控制方法是模型参考自适应控制( m r a c ) 的一个分支，这种方法 要求被控对象与参考模型的参数间满足一定的关系。文献 1 5 采用了模型跟随 自适应控制( a m f c ) 方法，对一大型壳体实现了高精度、大载荷同步加载的多 通道电液伺服同步闭环加载系统实施了控制，并取得了成功。仿真和实验结果 表明，a m f c 对于抑制干扰和结构参数变化有着很好的效果，对阶次不敏感， 可用于解耦控制并获得较高精度。 美国加里佛尼亚大学j e b o b r o w 利用最小二乘法估计系统参数，运用最 优理论控制器，进行了宽频带电液位置伺服系统的实验研究，频带由采用传统 方法的1 h _ z 提高到4 h z i s l ；韩国的j s y u n 采用模型跟随自适应控制研究了具 有未知干扰的电液位置伺服系统1 1 9 1 。 3 预测控制预测控制可分为两大类：基于参数模型的预测控制算法和 基于非参数模型的预测控制算法。预测控制的基本特点是模型预测、滚动优 化、反馈校正。通过模型预测根据对象的历史信息和未来输入对系统的未来输 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 出进行预测：通过滚动优化对系统不同时刻的性能指标进行优化；采用反馈校 正，对检测到的实际输出与模型输出的误差进行修正。由于采用多步预测而不 是一步预测，从而扩大了反映系统未来变化趋势的信息。预测控制作为一种新 型计算机控制算法，本质是种基于模型和反馈的闭环优化控制算法。 文献【2 0 采用了基于无穷范数优化的鲁棒预测控制策略对某位置扰动型施 力系统进行控制，控制机理考虑了伺服阀压力流量系数与差动缸运动方向改变 而导致活塞有效面积不同所引起参数摄动对系统的影响。仿真结果表明该控制 算法能够消除系统多余力以及参数时变、环境干扰等不确定因素的影响，提高 了系统的跟踪精度，改善了系统的品质。 广义预测控制是基于参数模型的预测控制算法，也是预测控制中最具代表 性的算法之一。广义预测控制是基于参数模型的，但模型参数比参数模型少， 减少了预测控制算法的计算量，通过与自适应控制相结合，修正预测模型输出 误差1 2 “。文献【2 2 】采用了广义预测控制对某电液力控制系统进行了控制，控制 策略考虑了系统刚度变化和设定值的变化带来的影响，并针对系统高度非线性 进行补偿。实验证明，采用广义预测控制的系统，其性能指标和采用p i d 控制 相比有了显著提高，鲁棒性更强。 4 鲁棒控制h 。鲁棒控制理论起源于1 9 8 1 年，加拿大著名学者z a m e s 在其论文中引入如范数作为目标函数对系统进行优化设计，标志着h 。控制理 论的产生。比控制实际上就是在可能最坏干扰的情况下，使系统的误差在比 空间的某种范数意义下最小。文献【2 3 】应用h 。鲁棒控制理论对一双作用对称液 压缸进行了力控制实验。控制策略着重考虑了系统不确定性和非线性的影响， 实验结果表明通过使用h 。鲁棒控制，系统达到良好的性能，对未建模动态也 表现出很强的鲁棒性。文献 2 4 1 针对具有时变柔性负载的电液力控制系统进行 了鲁棒控制的研究，设计一个g a i n - s c h e d u l e dm 控制器，该控制器可根据参数 变化而实时调节，所以既考虑了系统的时变特性，又可在时变参数的整个变化 范围内稳定工作，并将其应用在某液压式全自动地震波输入振动三轴装罱中， 仿真结果表明了该控制器能使系统的性能指标达到最优。 5 神经网络控制神经网络控制在电液力控制系统研究中应用较为广 泛神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度，模拟人脑神经系统的动作方 式，使机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力，具有高度的自适应性、自 组织性、鲁棒性和容错能力的特点，对解决高度非线性和严重不确定性系统的 控制方面有巨大潜力，因此非常适合液压伺服系统的控制。神经网络控制在电 液伺服结构加载控制系统中得到了深入研究f 2 5 “2 8 1 。文献 2 5 利用神经网络的学 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 习能力和非线性映射能力研究了电液加载伺服系统的神经网络直接自适应输出 跟踪控制方法，控制器由一个具有反馈动力学特性的多层前馈神经网络及其广 义p i d b p 学习算法组成。这种控制方法不需要被控对象的先验知识，也不依 赖于被控对象的辨识模型，能快速跟踪对象的动力学行为，具有很好的自适应 性和动态输出跟踪响应性能。 6 模糊控制目前模糊控制的应用主要有下面几种类型：( 1 ) 常规模糊 控制及其改进，如f u z z y p i d 控制等【2 9 。3 1 】；( 2 ) 自适应和自学习模糊控s t l t 3 2 l ； ( 3 ) 专家模糊控制【3 3 l ；( 4 ) 基于神经网络的模糊控制【3 4 】。 国内浙江大学和西安交通大学对模糊控制在液压伺服系统中的应用研究较 早。西安交通大学应用模糊控制研究了旁路节流式的液压马达速度伺服系统 1 3 5 j ，此系统兼有泵控马达系统和阀控马达系统的特点，如图1 2 所示，由于该 系统 图1 - 2 液压调速系统模型结构 f i g 1 - 2m o d e l s t r u c t u r eo f e l e c t r o h y d r a u l i cs p e e d s y s t e m 具有快时变的特点。很难用数学解析表达式来描述其动特性，系统的调节原理 是：当马达轴上的转矩死增加时，马达的转速降低，速度传感器测出的转速 信号y 并与参考量且比较后得到偏差信号e ，调节器根据偏差e 计算出相应的 控制输入“，使阀的开口迅速减小，马达转速回升。用p i d 方法进行负载干扰 下的转速控制，当p i d 参数调节最佳时，记录下系统的偏差、偏差变化率以及 相应地控制量，根据这些量之间的关系建立起模糊控制表，取得了满意的效 果。 。 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 1 2 2 电液力控制技术研究的展望 p i d 控制在电液力控制实际应用中，仍占据着重要位置，但普通p i d 控制 器在工况和系统参数变化时，适应性较差，而控制性能指标要求的提高和计算 机的普及又迫切需要应用更高效、实用、简捷的控制策略。将p i d 控制和自适 应控制、智能控制等新型控制方法相结合，以适应具有工况复杂、非线性和参 数不确定的电液力伺服系统，是一条有效的途径。预测控制作为一个新型计算 机控制算法，显示了其强大的生命力，但大多数还是针对线性系统。现有的研 究是将电液力伺服系统这种非线性系统进行线性化处理。而根据液压伺服系统 本身非线性的特点进行控制机理的研究，并提出有效的算法，还需要进一步的 工作。对于比鲁棒控制来说，在理论和算法实现上都已经基本成熟，其难点 在于指标的设定和权函数的选取。不同对象、不同设计指标需要不同的权函 数，但相互间并没有特定的规律可循，更多的是依赖于设计者的经验。因此形 成工程上实用的确定加权函数的方法，是研究的一个方向。另外，鲁棒控制的 控制器阶次较高，实现起来比较麻烦。神经网络在电液力控制中，显示其独特 魅力。但目前应用神经网络主要是针对低频电液力伺服系统进行控制，在高频 情况下如何实现实时控制，还须进一步研究。同时，对神经网络控制的稳定 性、鲁棒性的理论分析还不够深入。对可全局收敛的快速学习算法的研究以及 神经网络并行计算的硬件实现，同样需要大量的工作。 1 3 本文主要研究的内容 1 详细分析流量阀( q 阀) 、压力阀( p 阀) 、流量一压力阀( p q 阀) 三 种伺服阀的工作原理，并对三种伺服阀用于加载系统的特性进行分析。 2 分别建立三种伺服阀控制的主动力控制系统的数学模型，并进行仿真 研究。 3 系统的控制特性与结构参数有重大的关系，分析负载刚度对系统性能 的影响，为结构设计提供参考依据。 4 将实验室原有的电液负载仿真台改造为适用于本课题的主动加载试验 台，选定控制策略，编写控制程序。并选用f f l l 8 型流量一压力控制电液伺服 阀、f f l 0 6 型电液流量伺服阀和d y s 一3 p 型电液压力伺服阀进行试验研究。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章三类电液伺服阀的分析 2 1 电液伺服阀概述 伺服阀既是信号转换元件又是功率放大元件，它是液压控制系统的心脏。 只有合理地选用伺服阀，才能正确地分析、设计和使用液压控制系统。电液伺 服阀的类型和结构形式虽然很多，但都由电气一机械转换器、液压放大器和反 馈装置三大部分组成。图2 - 1 为常见的两级电液伺服阀的组成原理图闱，图中 汇总了各种反馈形式，实际的伺服阀多采用一种反馈方式，各参数的意义，如 表2 - 1 所示。 图2 - 1 两级电液伺服阀的组成及其反馈方式汇总图 f i g 2 1c o m p l e xd i a g r a m o f c o n s t r u c ta n df e e d b a c kw a yf o r t w o - c l a s se l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e s l 。电气一机械转换器 电气一机械转换器包含了电流一力转换和力一位移转换二个功能。典型的 电气一机械转换器是力马达或力矩马达，它们能将输入电流转换成与电流成正 比的输出力或力矩，用于驱动液压前置放大器；力或力矩再经弹性元件转换成 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 位移或角位移，使前置放大器定位、回零。 表2 - 1 伺服阀参数 t a b l e 2 1t h e p a r a m e t e r so f t h ev a l v e 符号参数名称单位 乓输入力( 矩) 马达的控制电压v l输入力( 矩) 马达的控制电流a f ( 乃)力( 矩) 马达输出力( 矩)n ( n m ) k j ( k i )力( 矩) 马达的力常数n a ( n m a ) 。( k o )弹簧管刚度n m ( n m r a d ) 丑( 口) 衔铁位移( 转角)m ( r a d ) 置。前置级的负载压力p a 4 阀芯作用面积m 2 4 ，反馈控制面积m 2 x 。 阀芯位移m 伺服闯流量增益m 2 s 琏流量一压力系数m 5 ( s p a ) 忍 负载压力p a q 负载流量 1 1 1 3 s k 力反馈系数n m 2 液压放大器 受结构尺寸限制，电气一机械转换器的输出力或力矩较小。通常力马达的 输入电流为1 5 0 3 0 0 m a ，输出力为3 5 n ；力矩马达的输入电流为1 0 3 0 m a ，输出力矩为0 0 2 o 0 6 n m 。由于小型的电气一机械转换器难以直接驱 动大功率的液压放大器，因此伺服阀一般为两级液压放大，即由转换器驱动液 压前置放大器，再由前置放大器驱动液压功率放大器。常用的液压前置放大器 为滑阀、喷嘴一挡板阀和射流管阀三种，而液压功率放大都采用滑阀。 3 反馈装置 液压前置放大器直接控制功率滑阀时。尤如一对称四通阀控制的对称缸。 由于以位置为输出时，阀控缸具有积分特性，因此只要存在微小的输入信号， 功率滑阀的位移将不断增加，无法定位。为了解决功率滑阀的定位问题，并获 得所需的伺服阀压力一流量特性，因此，前置放大器与功率滑阀之间务必建立 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 某种负反馈。在反馈点上有两个位置：滑阀阀芯和伺服阀输出端，因此伺服阀 分为滑阀位置反馈、负载压力反馈和负载流量反馈。本文研究的f f l 0 6 流量伺 服阀是力反馈两级伺服阀( 位置反馈) 、d y s 一3 p 压力伺服阀是负载压力反馈 和f f l l 8 流量压力伺服阀( 位置和负载压力反馈) 。 2 2 电液加载系统中的伺服阀分析 2 2 1 电液流量伺服阀 1 磁铁2 导磁体3 控制杆4 衔铁5 阀芯6 阀体7 控制线圈8 控制线圈 9 挡板1 0 喷嘴1 1 反馈弹簧杆1 2 液压通道1 3 周定节流口 图2 - 2 电液流量伺服阀的工作原理 f i g 2 - 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f e l e c t r o - h y d r a u l i cf l o ws e l v ov a l v e 图2 2 是流量阀的工作原理图，当信号电流输入力矩马达时，衔铁4 产生 的力矩与扭簧反力矩平衡，使挡板9 假设向左偏离中位x ，这时喷嘴挡板液压 放大器便推动阀芯5 并带动反馈弹簧杆1 l 自由端一起向右运动。由于反馈弹 簧杆的恢复力矩直接参与了力矩马达的输入力矩和扭簧的反力矩之间的平衡， 使挡板大致回到两喷嘴的中间位置，即z ，a0 ，此时前置放大器停止工作，而 阀芯5 移动了相应位移蔑，伺服阀输出相应流量。 通常所说的伺服阀，是指零开口的流量伺服阀，其输出流量与输入伺服阀 线圈的电流成正比，图2 3 所示。而其输出压力与输入电流严格地说不是线性 关系，且压力增益岛极大，如图2 - 4 所示。这类伺服阀的精度高、静动态性能 优良、体积小，适用于航空、航天及一般工业用的高精度电液位置伺服、速度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 伺服系统及信号发生装置，高响应型可用于中小型振动台和疲劳试验机p 7 l 。 如。 l 0。 最 0 1 l 7 - 1j 2 0 i f i f * ( m a ) 图2 - 3 流量阀的流量输出曲线图2 - 4 流量阀的压力输出曲线 f i g 2 - 3f l o wo u t p u tc i i i co f f l o wv a l v ef i g 2 4p r e s s u r eo u t p u tc u t v co f f l o wv a l v e 对于力控制系统来说，根据流量伺服阀的负载曲线可以清楚地看到，负载 流量的变化即意味着负载压力的变化。关于此点早已为文献【3 8 】所提到。在力 控制系统中一般不采用o ls 2 只3 的限制，而是相反，在阀流量允许的情况 下，使只接近b ，可以使阀工作点的压力增益较大。例如。在图2 - 4 所示中， 一般喷嘴挡板两级伺服阀1 3 射，压力增益而在负载流量等于零时可达 6 8 8 4 m p a m a ，即伺服阀线圈输入极小电流，如士o 2 5 0 3 m a ，负载压力就可 以饱和。但这样使可供利用的控制区段变窄，因此这种伺服阀不能用于开环加 载系统中，用于闭环加载系统也必须做好参数匹配，否则很容易造成不稳定， 或为零、或为满载，亦即阀的压力特性表现为继电器特性。零位时的流量增益 变化有时会导致系统不稳定或者位置控制精度变差，或者对伺服阀小信号输入 时响应变差，这种情况发生在阀芯重叠或类似重叠的地方。因此一般都采用正 开口形式或者开连通孔，使其压力增益降低，提高可控性。 位置和速度系统是利用液压能源通过液压缸中活塞( 或液压马达的转子) 来驱动负载，因而负载流量的流动方向是从高压能源到油箱，称此为顺向流 动。而且负载压力的绝对值永远小于或等于能源压力。但是力系统则不是，除 同样具有上述特点外，尚有所谓的逆向流动和负载压力的绝对值大于能源压力 等特点。因此力控制系统的施力过程远比位置和速度系统复杂的多。关于伺服 阀的j 唳向流动与逆向流动状态可参考文献 3 8 1 。 堕童堡三些查兰三兰堡圭兰竺篓兰 2 2 2 电液压力伺服阀 电液压力伺服阀属于静压反馈伺服阀，静压反馈又有功率滑阀压力反馈和 前置级压力反馈两种形式，电液压力伺服阀的工作原理如图2 5 所示。 1 功率滑阀压力反馈 a ) 功率滑阀压力反馈b ) 前置级压力反馈 图2 - 5 电液压力伺服阀的工作原理 f i g 2 - 5w o r k i n gp r i n c i p l eo f e l e c t r o h y d r a u l i cp r e s s u r e $ e r v ov a l v e 如图2 5 a 所示功率滑阀压力伺服阀工作原理图，当指令信号给线圈输入 改变的电流，时，挡板角度的变化引起只和e ：的改变。例如当挡板顺时针转 动只。增加，只：减少，存在压差吃= ，一只：，作用在环形面积4 上，引起滑 塞向右移动油源打开，压力油从b 口流出，到执行元件一腔；执行元件另一腔 回油，经a 口流回油箱。流量和阀心的回归取决于阀心位移t 和负载压力 只= 只一只。工作压力反馈给控制面积一，使阀芯朝左移动，于是不考虑稳态液 动力时，阀芯稳态下的力平衡方程为 p l c a c = p l a f 即 最= 参只。= 丢= 巧：， ( 2 - 1 ) 月r 式中k p 前置级阀的压力增益，p a a ； k ，：压力伺服阎的压力增益k p ：= 4 巧4 ，p a a ： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 尼。前置级的负载压力吃= 只一只：，p a 。 可见，只要使前置级的压力增益k 。为常数，便可使负载压力最与电流， 成正比。 2 前置级压力反馈 如图2 5 b 所示，该阀去掉了位置一力反馈式伺服阀中的反馈弹簧杆，增 加了一对反馈喷嘴。反馈喷嘴感受负载压力并对前置级的挡板产生反馈力矩 e ，其值与负载压力只成正比，即0 = k ，e 。 反馈力矩与驱动力矩乃( 乃= k r ) 相平衡，即0 = 乃时，有 f - 最= j = 足p 2 ， ( 2 - 2 ) a ， 式中世：2 压力伺服阀的压力增益世：2 = k k ，p a a ； 墨力矩马达的力矩常数，n m a ； 足，反馈力矩系数，m 3 。 当然，只有当反馈力矩使挡板恢复到零位时，滑阀才能处于某开口下的平 衡位置，这时负载压力与输入电流成正比。 压力伺服阀提供不同的压力输出来响应输入电流，在流量一定时被控压力 即使在阀芯在通过零位区域时都有小的压降发生，压力伺服阀中的压降通常很 小。采用流量伺服阀时当负载流量骁增大时，最就迅速下跌，虽然通过闭环 控制，总的力反馈可使电流加大，以保持只不变，但这种大反馈传递路线 长，不如压力伺服阀通过只反馈来的快，并且大反馈的压力增益太高，而压力 伺服阎的压力增益较小，可以用于开环加载系统中。 必须指出，压力伺服阀的动态特性与被加载对象的参数是密切相关的【3 9 】， 特别是当负载被锁闭时，压力控制伺服阀的实际响应取决于锁闭腔的容积【4 0 l ； 另外压力伺服阀的稳定性、动特性与被加载对象有关，两者必须相匹配，否则 容易发生自激振荡【4 ”。 2 2 3 电液流量压力伺服阀 电液流量压力伺服阀是在弹簧平衡式流量型伺服阀的基础上，增加静压反 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 馈而构成的。图2 - 6 是流量压力阀的工作原理图，其特性位于压力阀与流量阀 之间，故称为流量压力伺服阀( p q 阀) 。这类伺服阀结合压力和流量控制的优 点，在加载伺服系统中有很高的阻尼比。引入静压反馈后增大了流量一压力系 数，这是因为压力反馈使阀的开口减小，从而使输出流量减少的缘故。因此用 p q 阀控制的系统，阻尼大且恒定，但静态刚度较差，所以p q 阀适用于惯性 大而外负载力小和带谐振负载的场合。 i 珊 厂 划 羚。凡j f 1 r # _ r 。副 图2 - 6 流量压力阀的工作原理 f i g 2 - 6w o r k i n gp r i n c i p l eo f f l o w - p r e s s u r ev a l v e 2 2 4 电液伺服阀的输出特性 从以上三类伺服阀的加载特性可以得出，其输出特性不同f 4 2 】。它们的输出 特性如图2 7 所示。 流量型伺服阀简称q 阀，输出空载流量与输入电流成正比。压力型伺服阀 简称p 阀，负载压力与电流成正比，考虑稳态液动力后，特性曲线将略有些 倾斜。斜率为负值。负载流量反馈型伺服阀的负载流量与电流成正比。不同的 输出特性是借助不同的反馈形式来实现的，不同的应用场合要求伺服阀具有不 同的输出特性。例如，位霞和速度控制一般采用流量型伺服阀，力( 矩) 或压力 控制可以用流量型伺服阀，也可采用压力型伺服阀；惯性较小、外负载力( 矩) 很大且要求速度很大的场合。则可采用负载流量反馈伺服阀。而对于惯性很 大、外负载很小的位置或速度控制，则希望采用p q 伺服阀。在某些特殊的场 合，要求伺服阀稳态时具有q 阀的特性，而动态时又具有p 阀的特性，这就 要求该阀在位置反馈的基础上再引入动态负载压力反馈，所以这种阀称为动压 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 反馈伺服阀，简称d p f 阀。因此，压力反馈的优点是实现了增大负载阻尼， 但静态下系统保留了流量控制伺服阀的高增益和刚度高的特点。 a ) 位置反馈型流量阀b ) 压力型伺服阀e ) 负载流量反馈伺服阀d ) p q 型伺服阀 图2 7 伺服阀的压力一流量特性 f i g 2 7p r e s s u r e - f l o wc h a r a c t e r i s t i co f s e r v ov a l v e s 2 3 三类电液伺服阀在工程设计中应用的数学模型 伺服阀的传递函数是伺服阀动态特性的近似线性解析表达式，它用于系统 的线性化动态分析，特别是系统稳定性的线性分析。 确定具体的电液伺服阀的传递函数中有许多困难：其设计变量和使用环境 的变化对实际的动态响应产生非常大的影响。考虑阀的设计变量，通过调整阀 的内部参数( 喷嘴和孔口的尺寸、弹性系数、线轴直径、线轴的位移等) 对动 态响应产生大的变化。伺服阀实际的动态响应随着使用条件，例如供油压力、 输入信号的电平、油流动的温度、周围环境的温度、阀的加载等等，都稍微有 点变化。这些因素在小范围变化中，设计值是无关紧要的，但是在远距离的应 用场合中应预先考虑到。在进行伺服阀动力学测量中考虑和控制这些或其它的 使用变量非常重要。若这些事先的因素没考虑，得到的可能是使人误解、不准 确的结果。 在确定一个简化的、线性的伺服阀的传递函数的另一个难点是这些伺服阀 是非常复杂的结构显示为高阶，非线性响应。即使选择用一阶、二阶或甚至三 阶的传递函数来描述伺服阀的动态响应仍然可能仅是实际响应的近似。所幸的 是对多数物理系统来说，伺服阀不是主要动力元件，因此用一个相关的低通型 的传递函数代表阀的响应是必要的。例如伺服阀驱动器连在要求谐振频率为 5 0 h z 加载系统中，它仅在一定意义上描述了阎动态响应的频率范围到5 0 h z 。 相似的是对于更低响应的物理系统中，阎的动态响应的实现通过相关的更小的 频率范围，这点需要考虑到。实际伺服阀响应的简化模型实用，因为在相关的 睑。区。 哈尔滨工业大学工学硕_ 上学位论文 系统分析中简化了分析任务是明显的【4 3 】。 下面给出三类伺服阀的典型传递函数0 7 , 4 4 l 。 1 电液流量伺服阀( f f l 0 6 ) 这类伺服阀的基本工作方式是在负载一定的情况下控制流量正比于输入电 流。 孕咆k = 专( 2 - 3 ) ：十一j 十l 瞄 式中q 0 _ f 司服阀空载流量，i n 3 s ； ，伺服阀线圈输入电流，a ： g 。k 。= 1 时，伺服阀的传递函数，其形式视系统具体情况而定； 足。伺服阀流量增益，m 3 ( s a ) ； q 电液伺服阀固有角频率，r a d s ； f i f 司服阀阻尼比( 无因次) 。 2 电液压力伺服阀( d y s 3 p ) 这类伺服阀提供不同的压力输出来响应输入电流。d y s 3 p 压力伺服阀是 前置级负载压力反馈伺服阀。对于四通双向正增益的通用型压力伺服阀具有的 压力一流量特性，当负载腔锁闭时，二阶传递函数可用下式估计。 争丌k s l ( 2 _ 4 ) ，j 22 f ” 面+ 赢h 1 式中只- 输出压力，p a ： j r 。、压力伺服阀静态压力增益，p a a ； c o 。，电液伺服阀固有角频率，r a d s ； f 伺服阀阻尼比( 无因次) 。 当压力控制伺服阀需要提供流量给负载时，锁闭负载腔的传递函数不能描 述伺服阀的响应。相反，输出压力是由输入的电流值和负载流量同时确定的， 其传递函数为 【k l ，一k s 2 ( 1 + 二) q 】 a s ) = 广可! l ( 2 - 5 ) 鸱哦2 二，+ 二王s + 1 式中k 。负载腔锁闭时的压力增益，p a a ； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 k 。输出压力为零处的压力一流量系数或负载压降系数，n s m 5 ； 山。静态压降频率，此值与阀的结构有关； 国。，压力阀的动态响应频率，r a d s ； 吐2 = 4 c 尼k 皱l z ,( 2 - 6 ) c 与阀的诸多结构参数有关的系数； q v 使液压缸或马达运动的强制流量，m 3 s ： 五。总流量压力系数，m 5 ( n s ) ： k 系统控制的有效容积，m 3 。 负载压力要受马达或油缸运动流量q 的影响，而响应速度与容积有关，因 此尽量减少马达或油缸的位移，以减小形，从而提高压力伺服阀的响应速度。 3 电液流量压力伺服阀( p q 阀) ( f f l l 8 ) 这类伺服阀的流量不仅取决于输入的电信号，也取决于负载的压力。 1 q = ( k x ，一k 2 p d ( ) 2( 2 - 7 ) 三+ 1 式中墨伺服阀静态流量增益，矗“s a ) ； 墨流量一压力系数，m 3 ( s p a ) ： 蛾电液伺服阀固有角频率，r a d s 。 电液伺服阀的数学模型根据所在液压控制系统情况的不同，可以简化为不 同环节。 通过分析三类电液伺服阀的加载特性和其数学模型，我们不难得出结论， 伺服阀的流量增益、压力增益和响应频