液压伺服与比例控制系统三级项目

液压伺服与比例控制系统

三级项目

D665型先导式大流量电液伺服比例阀动态响应仿真分析

学院：机械工程学院

专业：机电控制工程一班

小组成员：候加明

吴金亮

闫旭

指导教师：权凌霄

时间：2017.06.18

摘要

随着液压工业的发展．一般工程系统对闭环控制要求逐渐提高，而比例阀不能很好应用常运行于零位附近的位置、力控制闭环，即使在放大器中设置了阶跃信号发生器，但在性能上还是不及无零位死区的伺服阀。同时，原来伺服阀加工精度要求高的缺陷与要求系统油液过滤精度高的矛盾逐渐淡化；对电控器来讲，处理大电流的技术水平大为提高，为使用大电流、高可靠性的比例电磁铁提供了前提条件。在这样的技术背景下，在一般比例技术与伺服技术之间，出现了新的层面上吸收两者优势而形成的更高一级的比例阀，也常被称为电液伺服比例阀”。

伺服比例阀是采用比例电磁铁作为电一机械转换元件，而功率级滑阀又采用伺服阀的加工工艺，它是比例技术和伺服技术相结合的结果。伺服比例阀阀芯采用伺服阀的结构和加工工艺(零遮盖阀口，阀芯与阀套之间的配合精度与伺服阀相当)，解决了闭环控制要求死区小的问题。它的性能介于伺服阀与普通比例阀之间，但对油液的清洁度要求低于伺服阀，特别适用于各种工业场合的闭环控制。

电液伺服比例技术是将微弱的电子信号转换成大的液压功率输出，用它组成的电液伺服比例系统具有精度高、响应快、工作可靠、重量轻、高功率密度、安装方便(柔性)等特点，因而得到世界各国的重视。

在本次三级项目中，我们以D665型大流量电液伺服比例阀为研究对象，通过对比例伺服阀的功率级主阀进行受力分析，选型高响应的先导级控制阀，结合理论分析和MATLAB分析、AMESM仿真和动态特性仿真分析的方法，对高频响大流量比例伺服阀的进行了研究，为我们今后学习更多的液压知识打下基础。

关键词：比例伺服阀动态响应AMESim仿真

目录

一、绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2比例伺服阀国内外研究现状 (3)

1.3伺服比例阀前景展望 (3)

二、D660系列电液伺服比例阀 (4)

2.1概念及组成 (4)

2.2 D660系列伺服比例控制阀简介 (4)

2.3 D660系列伺服比例控制阀优点和功能 (5)

2.3.1伺服射流先导阀的优点 (5)

2.3.2阀的优点 (5)

2.3.3伺服射流先导阀的工作原理 (5)

2.3.4多级阀工作原理 (5)

三、D665型先导式大流量电液伺服比例阀功率及滑阀受力分析计算 (6)

3.1稳态液动力 (6)

3.2 瞬态液动力 (7)

3.3滑阀的驱动力 (8)

四、建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀的数学

模型 (9)

4.1 电液伺服阀的方块图 (9)

五、采用AMESim软件建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀仿真模型 (12)

六、结论 (17)

七、心得体会 (17)

一、绪论

1.1引言

电液比例阀是针对伺服控制存在的诸如功率损失、对液压油过滤要求高、制造和维护费用高、而它提供的快速响应性在一般工业设备中又往往用不着的情况，是在传统开关阀的基础上发展起来的。电液比例阀可以根据输入电气信号，按比例对工作油液的压力、流量和方向进行控制。

比例阀发展的初期阶段，仅是将比例电磁铁代替普通液压阀的开关型电磁铁或调节手柄，工作频宽小，稳态滞环大，只能用于开环系统。20世纪7O年代中期至8O年代初，比例阀开始采用各种内反馈原理，耐高压、比例电磁铁和比例放大器技术日趋成熟。阀的工作频宽达到5～10Hz，稳态滞环降低到3％左右。20世纪80年代后，比例阀在设计上采用了压力、流量、位移内反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步提高。除了中位仍有部分死区外，其控制性能与伺服阀更为接近n。

电液比例阀由于电一机械转换器固有特性的限制，导致其无论在响应时间还是在响应速度上都不是很快，响应速度稍快的流量却比较小。目前国内外设计出的电液比例阀，频宽多数在100Hz左右p。。提高比例阀的性能指标如频响和线性度等，有利于提高比例控制系统的整体特性蚓。

伺服比例阀是一种在结构、性能、可靠性、价格上界于伺服阀与常规比例阀之问的比较新型的电液控制阀，伺服比例阀是比例阀中动态响应性能最接近伺服阀的，虽然频率和敏感度比不上伺服阀，但是它无零位死去，高精度、高频响、滞环小，对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性和实际应用性。

表1从不同角度列出了常规比例阀和伺服比例阀的性能对比。可见，与常规比例阀相比，伺服比例阀频响和加工精度高、零位无死区、滞环小和重复精度高。

表2对不同厂家的伺服比例元件的性能做了对比。可见，伺服比例阀的性能已远远优于常规比例阀，在工业应用场合有自己的优势。

由比例阀发展而来的伺服比例阀在结构上具有如下特点：利用大电流的比例电磁铁作为电一机械转换器，控制电流可达

1~2．7A；首级采用伺服阀的阀芯阀套；(首级、主级)阀口零遮盖；首级阀口压降与伺服阀一样，为供油压力的1／3，如有二级，则二级阀口压降保留比例阀水平(0．5～0．7MPa) 。这种伺服比例阀无零位死去，可以用于各种闭环系统，因而加工精度与过滤精度要求与伺服阀基本相同；频响较一般比例阀高，可靠性比普通伺服阀高。

1.2比例伺服阀国内外研究现状

目前德国Bosch—Rexroth公司、意大利Atos公司均有成熟的伺服比例阀产品，其动态特性较比例阀大为改善，频宽可达40～80Hz，并且可达到滞环和重复精度小于0．1％的高稳态控制精度。例如，Atos公司的DLKZOR型伺服比例阀的阶跃响应时间就不超过l5ms，其驱动元件均采用电子线路内置的高响应比例电磁铁，该电磁铁是在传统比例电磁铁基础上进行了结构参数优化而获得的；Bosch．Rexroth公司的4WRL．NG10型伺服比例阀的阶跃响应时间也不超过40Ils，几乎没有滞环，动态响应特性高。

国内，西南交通大学的张弓研究的超高速电液比例阀，采用8片瓦型有气隙Halbach磁化阵列型动圈式电．机械转换器，使得实验频宽达到300Hz／一3dB，响应时间为0．004S；太原理工大学的许小庆对高响应、新结构电一机械转换器做了深人研究，提出了采用异型永久磁铁，其驱动力可提高7％以上；武汉科技大学的文广设计了伺服比例阀的数字实时控制系统，提高了其控制性能，实现了其实时闭环控制；中国船舶重工集团第七O四研究所研制的射流管伺服比例阀，采用前置独立式直杆型射流放大器、旁置式过滤器及过滤模块等新技术，进一步提高了整阀的抗污染性能并降低了生产成本。在比例阀向着更高层次发展的同时,高性能的伺服阀也向着更适用于工业场合使用的方向发展,也称为伺服比例阀(或比例伺服阀)。穆格公司的D660系列就是其中一种。以D661伺服比例阀为例,该阀采用了阀芯电反馈、取消阀套结构以降低加工难度、采用抗污染能力强的射流管先导级。射流管先导级由力矩马达、射流管和接收器组成,它有以下工作特点:大大改善了流量接受效率(90%以上的先导级流量被利用),使得能耗降低;性能可靠,射流放大器有很高的压力效率80%以上,可提供给功率级阀芯较大的驱动力,提高了阀芯的位置重复精度;最低先导级控制压力小,可用于像汽轮机控制一类的低压系统中。

1.3伺服比例阀前景展望

伺服比例阀是伺服技术与比例技术结合的产物，是技术进步的一种必然。伺服比例阀将朝着以下几个主要方向发展：

1)集成化由于微电子技术的快速发展，使得阀与传感器、放大器等实现了一体化，应进一步发展带内反馈、自补偿、自调整与自校正的高性能伺服比例阀，实现机电液的一体化发展。

2)规范化目前，国际、国内液压公司生产的伺服比例阀品种齐全、种类众多，但基本都是各自为政、标准不一，十分不利于伺服比例阀的进一步发展。所以，实现规范化将是必然趋势。

3)数字化伺服比例阀是液压系统中的关键控制元件，其控制方式的数字化将推动液压工业向智能化、自动化、集成化的方向发展。

4）一体化我国的液压工业与国外相比，还存在着相当大的差距，液压元件的研究和生产水平已成为衡量一个国家液压水平的重要标准，为了推动我国液压工业的快速发展，国内公司有必要实现一体化发展。

二、D660系列电液伺服比例阀

2.1概念及组成

电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出。在电液伺服系统中，电液伺服阀将系统的电气部分与液压部分连接起来，实现电、液信号的转换与放大以及对液压执行元件的控制。电液伺服阀是电液伺服系统的关键部件，它控制精度高、响应速度快，是一种高性能的电液控制元件，在液压伺服系统中有广泛应用。D665型大流量电液伺服比例阀就属于电液伺服阀。

2.2 D660系列伺服比例控制阀简介

D660系列系列伺服比例控制阀由穆格公司生产，是应用于两通、三通、四通和五通的节流型流量控制阀。这些阀适用于电液位置、速度、压力或电液力控制系统，以及其它需要较高的动态响应要求的控制场合。

2.3 D660系列伺服比例控制阀优点和功能

2.3.1伺服射流先导阀的优点

1）明显改善了流量利用率（90%以上的先导级流量被利用），有助于降低能耗；

2）伺服射流管先导阀具有很高的无阻尼自然频率（500hz），因此这种阀的动态响应较高；

3）性能可靠，具有很高的压力效率；

4）可用于低压系统中；

5）理论上寿命是无限的；

6）具有优异的静态和动态响应特性。

2.3.2阀的优点

1）超大流量阀体流道设计，并可选择使用X和Y口进行先导级外控、外泄；

2）减小主阀芯的驱动面积，从而改善动态响应，使较小的先导级流量也能驱动阀芯快速运动；

3）在短路、失电或者油源失压时使主阀芯处于安全位置；

4）单级或二级先导控制。

2.3.3伺服射流先导阀的工作原理

伺服射流管先导阀主要由力矩马达、喷嘴挡板和接收器组成。当线圈中有电流通过时，产生的电磁力使挡板偏离中位。这个偏离和特殊形状的喷嘴设计使得当挡板偏向一侧时造成先导阀的接收器产生偏差。此压差直接导致阀芯两侧驱动力产生偏差，推动主阀芯产生位移。先导阀的泄漏油通过喷嘴环形区域处的排出通道流回回油口。

2.3.4多级阀工作原理

主阀芯的位置闭环控制是由阀内控制电路来实现的。一个电气指令信号作用于集成电路位置控制器并由此来驱动阀线圈。位置传感器通过震荡器测出主阀芯实际位移。此信号

被解调并反馈至控制器与指令信号相比，得出的偏差信号驱动先导级从而使主阀芯产生位移，直至指令信号与反馈信号之间偏差为零。由此得到主阀芯位移与指令电信号成正比。

三、D665型先导式大流量电液伺服比例阀功率及滑阀受力分析计算

液流流经滑阀时，液流速度的大小和方向发生变化，其动量变化对阀芯产生一个反作用力，这就是作用在阀芯上的液动力。液动力分为稳态液动力和瞬态液动力两种。稳态液动力与与滑阀的开口量成正比，瞬态液动力与滑阀开口量的变化率成正比。

稳态液动力不仅时滑阀的操纵力增加，并能引起非线性问题，瞬态液动力在一定条件下引起滑阀不稳定。

3.1稳态液动力

稳态液动力是在阀口开度一定的稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力。稳态液动力的方向总是指向使阀口关闭的方向。

由动量定理求得稳态轴向液动力为

θρcos qv F S =

由柏努利方程可求得阀口射流最小断面处流速为

ρp C v v

?=2 v C 为速度系数，98.0=v C

通过理想矩形阀口的流量为

ρp WX C q v

d ?=2

d C 为流量系数 联立有v

f v d v s X K p W X C C F =?=θcos 2

f K 为稳态液动力刚度， θcos 2p W C C K d v f ?=

对于理想滑阀，射流角 69=θ，取61.0d =C

有p W X F v s ?=43.0

对于零开口四边滑阀的稳态液动力有

()l s v s P P W X F -=43.0

于空载时（）达到最大值

s v s P W X F 43.00=

全周开口，阀芯直径

cm d 5.62.332

==π

cm d W 42.20==π N F s 16.16598106105.311042.2043.03-62-0=??????= 3.2 瞬态液动力

由动量变化得瞬态液动力有

dt dq L dt dv LA d d m F v t v t ρρ===

dt dx B dt dx P WL C F v f v d t =?=ρ2 f B 为阻尼系数P W L C B d f ?=ρ2

对于零开口四边滑阀来说

()()t v L S d t d dx P P W C L L F --=ρ12

由样本，知道阻尼长度为

2L =82.5-41.3=41.2 mm

1L =114.3-82.5=31.8 mm

12L L -=41.2-31.8=9.4 mm

其中为负阻尼长度，正阻尼长度 ()

N dt

dx dt dx P P F v v l s t 1088501088.2861.0104.92-3-=-????= 瞬态液动力的方向始终与阀腔内液体的加速度方向相反，据此可以判断瞬态液动力的方向。

3.3滑阀的驱动力 根据阀芯运动时的力平衡方程式，可得阀芯运动时的总驱动力

()L v f v f v v v i F X K dt dx B B dt x d m F ++++=22

注： v m ——阀芯及阀腔油液质量

v

B——阀芯与阀套间的粘性摩擦系数

i

F——任意负载力850

+77806+7780

=4.9 Kg

则稳态液动力刚度，

m

N

K

f

/

10

9.36

?

=

四、建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀的数学模型

4.1 电液伺服阀的方块图

为避免伺服放大器特性对伺服阀特性的影响，通常采用电流负反馈伺服放大器，以控制线圈回路的转折频率

很高，则近似等于0，则力矩马达小闭环的传递函数为（s）=

式中为衔铁挡板组件的固有频率，=

为由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比，

=

对力反馈回路进行化简有

滑阀的固有频率很高，，故滑阀动态性能可以忽略。简化后的力反馈回路方框图如下图所示

因此，力反馈伺服阀的传递函数为：

)12)(1())((2'22+++++=s s K s K b r r R K K U X mf mf mf vf f p e t u g v ω?ω

伺服阀通常以电流△i 作为输入参数，以空载电流

v q x K =0q 作

为输出参量。此时，伺服阀的传递函数可表示为)12)(1('22sv

0+++=s s K s K I Q mf mf mf vf ω?ω△

式中：sv K ——伺服阀的流量增益，t q

t K b r K K K )(sv +=

在大多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应往往高于动态原件的动态响应。为了简化系统的动态特性分析与设计，伺服阀的传递函数可以进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。如果伺服阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率，伺服阀传递函数还可用一阶惯性环节表示，当伺服阀的固有频率远大于液压动力元件的固有频率，伺服阀可看成比例环节。

二阶近似的传递函数可由下式估计：

122

2sv 0++=s s K I

Q sv sv sv ω?ω△

式中:sv ω——伺服阀固有频率

sv ?——伺服阀阻尼比

由自动控制原理可知，对各种不同的?值，有一条对应的相频特性曲线。将伺服阀的相频特性曲线与此对照，通过比较确定sv ?值。

一阶近似的传递函数可由下式估计：

sv s

K I Q ω+=1sv 0△

式中：sv ω——伺服阀转折频率，vf sv K =ω或取频率特性曲线上相位滞后45°所对应的频率。sv ω=6.1。

1sv ≈K

所以

1

.6110s I Q +=△

五、采用AMESim 软件建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀仿真模型

仿真模型

部分参数设置

时域分析

频域分析

则由此可以得出：频宽为=6.42Hz

幅值穿越频率为5.21Hz 相角裕度为32.7度

相角穿越频率为15.62Hz

六、结论

D665型电液比例伺服阀属于力反馈伺服阀，D665型电液

比例伺服阀最终可以简化为。

伺服阀的频宽主要是由开环增益决定的，增大开环增益可以提高伺服阀的频宽，但是系统的稳定性会降低，所以要加入相应的校正环节。

七、心得体会

通过本次项目的实际操作，对课本的知识有了更深一步的理解，初步了解了如何将本科的实际理论知识运用到实际中去。我们也对滑阀、喷嘴挡板阀和一些先导阀的内部结构，工作原理有了进一步的理解，学会了如何对滑阀进行受力分析，对在计算过程中需要注意的地方也明确了许多，例如：明确了如何确定阻尼长度。在项目的过程中，也知道了如何利用已有产品的样本解决问题，会初步使用样本，对以后的工作打下了一定基础。还有，在建立系统的数学模型的时候，对方块图和传递函数的建立有了一定掌握，也掌握了一定的简化传递函数的算法。在数学模型建立后，通过课本上的知识，可以对自己做的系统进行稳定性分析，当然还不是很熟练，也有些问题不明白。同时，在用AMEsim进行仿真时，学会了如何搭建系统，在老师的指导下学会了怎么进行系统的参数设置，但是，还不能熟练运用，所以对一些参数进行设置时仍不知所措，以至于未能得出能够满足系统的所有稳定图线，所以仍需要继续学习，进一步加强自身。