獨立閥口控制系統(tǒng)流量飽和時控制特性研究*

姚建超，梁向京，秦偉業(yè)

(中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

0 引言

液壓機械、電液、流量匹配及多泵流量匹配負(fù)載敏感等傳統(tǒng)的多執(zhí)行器電液控制技術(shù)都采用單閥芯的控制閥，每個閥只有一個可控的自由度，并且容易引起較大的節(jié)流損失［1］。獨立閥口控制系統(tǒng)是一種新型的進(jìn)出油口節(jié)流面積可單獨調(diào)節(jié)的雙閥芯控制控制，相比于傳統(tǒng)的單閥芯系統(tǒng)，該系統(tǒng)增加了其可控自由度，提高了系統(tǒng)控制的柔性。Palmberg教授最早提出獨立閥口控制系統(tǒng)的概念，對執(zhí)行器進(jìn)行了壓力和速度解耦，實現(xiàn)了系統(tǒng)壓力和執(zhí)行器速度的雙變量控制［2－3］，浙江大學(xué)的劉英杰對負(fù)載口獨立方向閥的控制器及系統(tǒng)特性進(jìn)行了研究［4］。筆者根據(jù)獨立閥口控制系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)閥芯位置控制的優(yōu)勢給出了壓力流量復(fù)合控制閥芯位移的方法。針對傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)多執(zhí)行器復(fù)合動作時重載支路動作緩慢，尤其是當(dāng)泵的輸出流量不足時重載支路停止動作的缺點，給出了多執(zhí)行器復(fù)合時流量分配控制方法，并建立了雙執(zhí)行器復(fù)合動作控制器及其仿真模型，通過仿真驗證了多執(zhí)行器在承受慣性負(fù)載和負(fù)載突變時可以保持動作的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。

獨立閥口控制系統(tǒng)中每一個執(zhí)行器均有兩個負(fù)載口獨立閥對油缸的進(jìn)、出油口進(jìn)行單獨控制，系統(tǒng)的控制柔性增加，而柔性的增加使系統(tǒng)可以通過編程實現(xiàn)對各聯(lián)執(zhí)行器的輸入流量進(jìn)行等比分配，充分發(fā)揮獨立閥控系統(tǒng)的優(yōu)勢來提高系統(tǒng)的控制特性。

1 獨立閥口控制系統(tǒng)原理

如圖1為獨立閥口控制系統(tǒng)原理圖。

圖1 獨立閥口控制系統(tǒng)原理圖

圖1中，獨立閥口控制系統(tǒng)主要由執(zhí)行器1、執(zhí)行器2、負(fù)載口獨立閥3．4．5．6、控制器7、變量泵8 和溢流閥9組成。執(zhí)行器1、2的操作指令并不是由操作者直接提供，而是由經(jīng)控制器處理后輸出控制信號來控制執(zhí)行器進(jìn)油側(cè)閥芯位移，因此通過軟件編程可方便地實現(xiàn)多執(zhí)行器復(fù)合動作的分流控制方法。

控制器采集閥芯的實際位移信號X11和X12、執(zhí)行器進(jìn)出油口的壓力信號P11和P12及系統(tǒng)工作壓力信號P0，然后根據(jù)執(zhí)行器所處的工況選擇閥3和閥4的控制策略，輸出控制閥芯位移的控制信號D11和D12，從而實現(xiàn)對執(zhí)行器進(jìn)出油口的壓力流量復(fù)合控制。

2 執(zhí)行器流量壓力控制策略

2．1 流量控制策略

為了獲得良好的流量靜態(tài)控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，采用計算流量控制方法，其計算公式可以表述為 Q=Cd(xv)A(xv。工作原理為:控制器根據(jù)輸入的流量Q以及實時監(jiān)測到的閥進(jìn)出口壓差ΔP，依據(jù)流量計算公式計算出閥芯的理論位移xv'，將該位移信號輸出控制閥芯位移，同時監(jiān)測閥芯的實際位移xv，通過流量公式計算出通過閥芯的實際流量Q'，將實際流量Q'與理論流量Q進(jìn)行對比，實現(xiàn)流量的閉環(huán)控制［5］，控制原理如圖2所示。

圖2 計算流量反饋控制原理圖

2．2 壓力控制策略

壓力控制方法主要是對閥的出口或入口進(jìn)行壓力控制使其維持恒定，控制器將閥口前后壓力反饋信號與操作者輸入信號進(jìn)行對比并計算出相應(yīng)的閥芯位移，然后用該位移信號控制閥芯位移，實現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制，控制原理如圖3所示。

圖3 壓力反饋控制原理圖

2．3 復(fù)合控制策略

執(zhí)行器在啟動時其承受的負(fù)載與活塞桿運動速度相反，進(jìn)油側(cè)節(jié)流閥可以采用流量控制策略以控制活塞桿速度，出油側(cè)節(jié)流閥可以采用壓力控制策略降低系統(tǒng)背壓從而降低能耗并防止產(chǎn)生氣穴，控制策略如圖4所示。

圖4 執(zhí)行器復(fù)合動作時控制策略

為保證執(zhí)行器復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性必須對執(zhí)行器流量進(jìn)行分配，假設(shè)執(zhí)行器1、2的操作指令輸入流量為 Qv1、Qv2，控制器處理后輸入流量指令為 Qk1、Qk2，進(jìn)油側(cè)節(jié)流閥的實際輸入流量為Q11、Q21。當(dāng)泵的輸出流量不足時，系統(tǒng)控制泵的擺角達(dá)到最大，此時泵輸出流量最大，系統(tǒng)流量可以按等量減少、等比減少和優(yōu)先級原則進(jìn)行分配。

當(dāng)系統(tǒng)采用優(yōu)先級原則進(jìn)行分配時，假設(shè)執(zhí)行器1優(yōu)先級高于執(zhí)行器2，則有:

當(dāng)系統(tǒng)采用等量減少原則時有:

當(dāng)系統(tǒng)采用等比減少原則時有:

當(dāng)執(zhí)行器承受慣性負(fù)載時，其啟動速度較慢，此時泵的輸出流量不能完全利用，因此需給出其流量分配方法［6］。假設(shè) M1＞M2，兩個執(zhí)行器優(yōu)先級相同，剛啟動時兩個執(zhí)行器的需要流量之和小于泵的最大輸出流量，即:Qmax＞Q11+Q21

隨著兩個執(zhí)行器速度的提升，需要的流量也越來越大，由于執(zhí)行器2啟動速度較快，所以其進(jìn)油側(cè)節(jié)流閥實際輸入流量最先達(dá)到操作指令輸入流量，即Q21=Qk2=Qv2，而隨著執(zhí)行器1速度的提升，泵的輸出流量達(dá)到飽和而難以滿足兩執(zhí)行器的實際需要流量之和，此時執(zhí)行器1的控制流量逐漸降低:

2．4 流量分配策略

由此可得執(zhí)行器2的進(jìn)油口節(jié)流閥流量為:

則各執(zhí)行器的進(jìn)油側(cè)節(jié)流閥口流量之和為:Q11+Q21=Qmax。待執(zhí)行器1控制流量逐漸降低，Qk1=Q11時，此時兩個執(zhí)行器按流量等比減少原則進(jìn)行分配，兩執(zhí)行器流量分配與負(fù)載無關(guān)。負(fù)載慣性較小支路執(zhí)行器可以較快達(dá)到設(shè)定速度，負(fù)載慣性較大支路執(zhí)行器的控制器輸出流量為操作指令流量并逐漸降低。相比于傳統(tǒng)負(fù)載敏感控制系統(tǒng)在流量飽和時出現(xiàn)重載支路執(zhí)行器動作緩慢，且泵的能量利用率低等缺點，該系統(tǒng)實現(xiàn)了執(zhí)行器的平穩(wěn)啟動和協(xié)調(diào)運動，提高了系統(tǒng)控制特性和負(fù)載適應(yīng)特性。

3 仿真分析

3．1 仿真模型建立

在雙執(zhí)行器獨立閥控系統(tǒng)中檢測泵的出口壓力P0，液壓缸 1、2 的進(jìn)出口壓力 P11、P12、P21、P22，負(fù)載口獨立閥的主閥芯位移 x11、x12、x21、x22，然后通過simulink連接AMESim進(jìn)行聯(lián)合仿真，輸出負(fù)載口獨立閥先導(dǎo)閥的閥芯位移 D11、D12、D21、D22。針對上述提出的壓力流量復(fù)合控制策略和流量分配策略，建立系統(tǒng)的simulink控制模型并對其封裝(見圖5)，并通過AMESim建立獨立閥口控制系統(tǒng)的仿真模型(見圖6)。

圖5 simulink控制模型

模型中的負(fù)載口獨立閥采用EATON公司的ZTS16閥，閥芯建模及參數(shù)設(shè)置見參考文獻(xiàn)［7］。系統(tǒng)中所選用的液壓缸缸筒直徑為80 mm，活塞桿直徑為56 mm，獨立閥口控制系統(tǒng)中執(zhí)行器背壓信號為0．5 MPa，執(zhí)行器1進(jìn)油側(cè)閥口壓差設(shè)定為1 Mpa，對于執(zhí)行器1、2的輸入流量信號同時設(shè)為60 L/min，兩個執(zhí)行器活塞桿及負(fù)載質(zhì)量M1=20 t，M2=5 t。設(shè)定執(zhí)行器1負(fù)載力為40 kN，在第3 s時跳變到50 kN，執(zhí)行器2負(fù)載力恒為40 kN，仿真時間為5 s，仿真步長為 0．01 s。

圖6 AMESim仿真模型

3．2 仿真結(jié)果分析

兩個執(zhí)行器的流量分配曲線如圖7，執(zhí)行器1輸入流量可快速達(dá)到指令流量，執(zhí)行器2啟動平穩(wěn)，流量脈動小。隨著執(zhí)行器2速度的提高，泵的輸出流量達(dá)到最大值，此時系統(tǒng)按等比例分配原則對兩執(zhí)行器進(jìn)行流量分配，兩個執(zhí)行器的輸入流量均穩(wěn)定在50 L/min，實現(xiàn)了執(zhí)行器復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性。在第3 s時執(zhí)行器1輸入負(fù)載發(fā)生變化，而執(zhí)行器1的輸入流量在產(chǎn)生一個較小的流量脈動后系統(tǒng)迅速恢復(fù)平穩(wěn)。泵出口壓力和執(zhí)行器進(jìn)口壓力曲線如圖8所示。

圖7 執(zhí)行器輸入流量

圖8 泵出口壓力和執(zhí)行器進(jìn)口壓力

泵出口壓力與執(zhí)行器1進(jìn)口壓力始終維持1 MPa左右的壓差，當(dāng)執(zhí)行器1負(fù)載變化時，系統(tǒng)壓力和進(jìn)口壓力可以快速響應(yīng)，執(zhí)行器2受到的干擾較小。由圖9可知兩個執(zhí)行器的背壓也可以為維持在設(shè)定的0．5 MPa左右，因此可得獨立閥口控制系統(tǒng)可以通過對執(zhí)行器出口節(jié)流閥進(jìn)行壓力控制，從而降低系統(tǒng)的背壓，為系統(tǒng)節(jié)能控制的研究提供了條件。

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