1、液壓伺服與比例控制系統(tǒng)三級(jí)項(xiàng)目D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析 學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)電控制工程一班小組成員：候加明 吳金亮 閆旭指導(dǎo)教師：權(quán)凌霄時(shí) 間：2017.06.18摘 要 隨著液壓工業(yè)的發(fā)展一般工程系統(tǒng)對(duì)閉環(huán)控制要求逐漸提高，而比例閥不能很好應(yīng)用常運(yùn)行于零位附近的位置、力控制閉環(huán)，即使在放大器中設(shè)置了階躍信號(hào)發(fā)生器，但在性能上還是不及無(wú)零位死區(qū)的伺服閥。同時(shí)，原來(lái)伺服閥加工精度要求高的缺陷與要求系統(tǒng)油液過(guò)濾精度高的矛盾逐漸淡化；對(duì)電控器來(lái)講，處理大電流的技術(shù)水平大為提高，為使用大電流、高可靠性的比例電磁鐵提供了前提條件。在這樣的技術(shù)背景下，在一般比例技術(shù)與

2、伺服技術(shù)之間，出現(xiàn)了新的層面上吸收兩者優(yōu)勢(shì)而形成的更高一級(jí)的比例閥，也常被稱為電液伺服比例閥”。 伺服比例閥是采用比例電磁鐵作為電一機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，而功率級(jí)滑閥又采用伺服閥的加工工藝，它是比例技術(shù)和伺服技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。伺服比例閥閥芯采用伺服閥的結(jié)構(gòu)和加工工藝(零遮蓋閥口，閥芯與閥套之間的配合精度與伺服閥相當(dāng))，解決了閉環(huán)控制要求死區(qū)小的問(wèn)題。它的性能介于伺服閥與普通比例閥之間，但對(duì)油液的清潔度要求低于伺服閥，特別適用于各種工業(yè)場(chǎng)合的閉環(huán)控制。電液伺服比例技術(shù)是將微弱的電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成大的液壓功率輸出，用它組成的電液伺服比例系統(tǒng)具有精度高、響應(yīng)快、工作可靠、重量輕、高功率密度、安裝方便(柔性)等特

3、點(diǎn)，因而得到世界各國(guó)的重視。在本次三級(jí)項(xiàng)目中，我們以D665型大流量電液伺服比例閥為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比例伺服閥的功率級(jí)主閥進(jìn)行受力分析，選型高響應(yīng)的先導(dǎo)級(jí)控制閥，結(jié)合理論分析和MATLAB分析、AMESM仿真和動(dòng)態(tài)特性仿真分析的方法，對(duì)高頻響大流量比例伺服閥的進(jìn)行了研究，為我們今后學(xué)習(xí)更多的液壓知識(shí)打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：比例伺服閥 動(dòng)態(tài)響應(yīng) AMESim仿真目錄一、緒論1 1.1引言11.2 比例伺服閥國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3伺服比例閥前景展望3二、D660系列電液伺服比例閥42.1概念及組成42.2 D660系列伺服比例控制閥簡(jiǎn)介42.3 D660系列伺服比例控制閥優(yōu)點(diǎn)和功能5 2.3.1伺服射流

4、先導(dǎo)閥的優(yōu)點(diǎn)5 2.3.2閥的優(yōu)點(diǎn)5 2.3.3伺服射流先導(dǎo)閥的工作原理5 2.3.4多級(jí)閥工作原理5三、D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥功率及滑閥受力分 析計(jì)算63.1穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力63.2 瞬態(tài)液動(dòng)力73.3滑閥的驅(qū)動(dòng)力8 四、建立D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥的數(shù)學(xué) 模型94.1 電液伺服閥的方塊圖9五、采用AMESim軟件建立D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥仿真模型12六、結(jié)論17七、心得體會(huì)17一、緒論1.1引言 電液比例閥是針對(duì)伺服控制存在的諸如功率損失、對(duì)液壓油過(guò)濾要求高、制造和維護(hù)費(fèi)用高、而它提供的快速響應(yīng)性在一般工業(yè)設(shè)備中又往往用不著的情況，是在傳統(tǒng)開關(guān)閥的基礎(chǔ)上發(fā)

5、展起來(lái)的。電液比例閥可以根據(jù)輸入電氣信號(hào)，按比例對(duì)工作油液的壓力、流量和方向進(jìn)行控制。 比例閥發(fā)展的初期階段，僅是將比例電磁鐵代替普通液壓閥的開關(guān)型電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，工作頻寬小，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)大，只能用于開環(huán)系統(tǒng)。20世紀(jì)7O年代中期至8O年代初，比例閥開始采用各種內(nèi)反饋原理，耐高壓、比例電磁鐵和比例放大器技術(shù)日趨成熟。閥的工作頻寬達(dá)到 510Hz，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)降低到 3左右。20世紀(jì) 80年代后，比例閥在設(shè)計(jì)上采用了壓力、流量、位移內(nèi)反饋及電校正等手段，使閥的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進(jìn)一步提高。除了中位仍有部分死區(qū)外，其控制性能與伺服閥更為接近n。 電液比例閥由于電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器固有特性的限制，

6、導(dǎo)致其無(wú)論在響應(yīng)時(shí)間還是在響應(yīng)速度上都不是很快 ，響應(yīng)速度稍快的流量卻比較小。目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)出的電液比例閥，頻寬多數(shù)在 100Hz左右p。提高比例閥的性能指標(biāo)如頻響和線性度等，有利于提高比例控制系統(tǒng)的整體特性蚓。 伺服比例閥是一種在結(jié)構(gòu)、性能、可靠性、價(jià)格上界于伺服閥與常規(guī)比例閥之問(wèn)的比較新型的電液控制閥 ，伺服比例閥是比例閥中動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能最接近伺服閥的，雖然頻率和敏感度比不上伺服閥，但是它無(wú)零位死去，高精度、高頻響、滯環(huán)小，對(duì)油液的清潔度要求比伺服閥低，具有更高的工作可靠性和實(shí)際應(yīng)用性。 表 1從不同角度列出了常規(guī)比例閥和伺服比例閥的性能對(duì)比。可見，與常規(guī)比例閥相比，伺服比例閥頻響和加工精度

7、高、零位無(wú)死區(qū)、滯環(huán)小和重復(fù)精度高。 表2對(duì)不同廠家的伺服比例元件的性能做了對(duì)比。可見，伺服比例閥的性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)比例閥，在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合有自己的優(yōu)勢(shì)。 由比例閥發(fā)展而來(lái)的伺服比例閥在結(jié)構(gòu)上具有如下特點(diǎn)：利用大電流的比例電磁鐵作為電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器，控制電流可達(dá) 127A；首級(jí)采用伺服閥的閥芯閥套；(首級(jí)、主級(jí))閥口零遮蓋；首級(jí)閥口壓降與伺服閥一樣，為供油壓力的13，如有二級(jí) ，則二級(jí)閥口壓降保留比例閥水平(0507MPa) 。這種伺服比例閥無(wú)零位死去，可以用于各種閉環(huán)系統(tǒng)，因而加工精度與過(guò)濾精度要求與伺服閥基本相同；頻響較一般比例閥高，可靠性比普通伺服閥高。1.2 比例伺服閥國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目

8、前德國(guó) BoschRexroth公司、意大利 Atos公司均有成熟的伺服比例閥產(chǎn)品，其動(dòng)態(tài)特性較比例閥大為改善，頻寬可達(dá)4080Hz，并且可達(dá)到滯環(huán)和重復(fù)精度小于01的高穩(wěn)態(tài)控制精度。例如，Atos公司的DLKZOR型伺服比例閥的階躍響應(yīng)時(shí)間就不超過(guò)l5ms，其驅(qū)動(dòng)元件均采用電子線路內(nèi)置的高響應(yīng)比例電磁鐵，該電磁鐵是在傳統(tǒng)比例電磁鐵基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化而獲得的；BoschRexroth公司的4WRLNG10型伺服比例閥的階躍響應(yīng)時(shí)間也不超過(guò)40Ils，幾乎沒(méi)有滯環(huán)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性高。 國(guó)內(nèi)，西南交通大學(xué)的張弓研究的超高速電液比例閥，采用 8片瓦型有氣 隙Halbach磁化陣列型動(dòng)圈式電機(jī)械轉(zhuǎn)

9、換器，使得實(shí)驗(yàn)頻寬達(dá)到300Hz一3dB，響應(yīng)時(shí)間為 0004S；太原理工大學(xué)的許小慶對(duì)高響應(yīng)、新結(jié)構(gòu)電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器做了深人研究，提出了采用異型永久磁鐵，其驅(qū)動(dòng)力可提高7以上 ；武漢科技大學(xué)的文廣設(shè)計(jì)了伺服比例閥的數(shù)字實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，提高了其控制性能，實(shí)現(xiàn)了其實(shí)時(shí)閉環(huán)控制；中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七O四研究所研制的射流管伺服比例閥，采用前置獨(dú)立式直桿型射流放大器、旁置式過(guò)濾器及過(guò)濾模塊等新技術(shù)，進(jìn)一步提高了整閥的抗污染性能并降低了生產(chǎn)成本。 在比例閥向著更高層次發(fā)展的同時(shí),高性能的伺服閥也向著更適用于工業(yè)場(chǎng)合使用的方向發(fā)展,也稱為伺服比例閥(或比例伺服閥)。穆格公司的D660系列就是其中一種。以D66

10、1伺服比例閥為例,該閥采用了閥芯電反饋、取消閥套結(jié)構(gòu)以降低加工難度、采用抗污染能力強(qiáng)的射流管先導(dǎo)級(jí)。射流管先導(dǎo)級(jí)由力矩馬達(dá)、射流管和接收器組成,它有以下工作特點(diǎn):大大改善了流量接受效率(90%以上的先導(dǎo)級(jí)流量被利用),使得能耗降低;性能可靠,射流放大器有很高的壓力效率80%以上,可提供給功率級(jí)閥芯較大的驅(qū)動(dòng)力,提高了閥芯的位置重復(fù)精度;最低先導(dǎo)級(jí)控制壓力小,可用于像汽輪機(jī)控制一類的低壓系統(tǒng)中。1.3伺服比例閥前景展望 伺服比例閥是伺服技術(shù)與比例技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是技術(shù)進(jìn)步的一種必然。伺服比例閥將朝著以下幾個(gè)主要方向發(fā)展： 1)集成化 由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得閥與傳感器、放大器等實(shí)現(xiàn)了一體化

11、，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展帶內(nèi)反饋、自補(bǔ)償、自調(diào)整與自校正的高性能伺服比例閥，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液的一體化發(fā)展。 2)規(guī)范化 目前，國(guó)際、國(guó)內(nèi)液壓公司生產(chǎn)的伺服比例閥品種齊全、種類眾多，但基本都是各自為政、標(biāo)準(zhǔn)不一，十分不利于伺服比例閥的進(jìn)一步發(fā)展。所以，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化將是必然趨勢(shì)。 3)數(shù)字化 伺服比例閥是液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制元件，其控制方式的數(shù)字化將推動(dòng)液壓工業(yè)向智能化、自動(dòng)化、集成化的方向發(fā)展。 4）一體化 我國(guó)的液壓工業(yè)與國(guó)外相比，還存在著相當(dāng)大的差距，液壓元件的研究和生產(chǎn)水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家液壓水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，為了推動(dòng)我國(guó)液壓工業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)公司有必要實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展。二、D660系列電液伺服比例閥2.1

12、概念及組成 電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(hào)（流量與壓力）輸出。在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥將系統(tǒng)的電氣部分與液壓部分連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電、液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大以及對(duì)液壓執(zhí)行元件的控制。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。D665型大流量電液伺服比例閥就屬于電液伺服閥。2.2 D660系列伺服比例控制閥簡(jiǎn)介D660系列系列伺服比例控制閥由穆格公司生產(chǎn)，是應(yīng)用于兩通、三通、四通和五通的節(jié)流型流量控制閥。這些閥適用于電液位置、速度、壓力或電液力控制系統(tǒng)，以及其它

13、需要較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的控制場(chǎng)合。2.3 D660系列伺服比例控制閥優(yōu)點(diǎn)和功能2.3.1伺服射流先導(dǎo)閥的優(yōu)點(diǎn)1） 明顯改善了流量利用率（90%以上的先導(dǎo)級(jí)流量被利用），有助于降低能耗；2）伺服射流管先導(dǎo)閥具有很高的無(wú)阻尼自然頻率（500hz），因此這種閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較高；3）性能可靠，具有很高的壓力效率；4）可用于低壓系統(tǒng)中；5）理論上壽命是無(wú)限的；6）具有優(yōu)異的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。2.3.2閥的優(yōu)點(diǎn)1）超大流量閥體流道設(shè)計(jì)，并可選擇使用X和Y口進(jìn)行先導(dǎo)級(jí)外控、外泄；2）減小主閥芯的驅(qū)動(dòng)面積，從而改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使較小的先導(dǎo)級(jí)流量也能驅(qū)動(dòng)閥芯快速運(yùn)動(dòng)；3）在短路、失電或者油源失壓時(shí)使主閥芯處于安全

14、位置；4）單級(jí)或二級(jí)先導(dǎo)控制。2.3.3伺服射流先導(dǎo)閥的工作原理 伺服射流管先導(dǎo)閥主要由力矩馬達(dá)、噴嘴擋板和接收器組成。當(dāng)線圈中有電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的電磁力使擋板偏離中位。這個(gè)偏離和特殊形狀的噴嘴設(shè)計(jì)使得當(dāng)擋板偏向一側(cè)時(shí)造成先導(dǎo)閥的接收器產(chǎn)生偏差。此壓差直接導(dǎo)致閥芯兩側(cè)驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生偏差，推動(dòng)主閥芯產(chǎn)生位移。先導(dǎo)閥的泄漏油通過(guò)噴嘴環(huán)形區(qū)域處的排出通道流回回油口。2.3.4多級(jí)閥工作原理主閥芯的位置閉環(huán)控制是由閥內(nèi)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)電氣指令信號(hào)作用于集成電路位置控制器并由此來(lái)驅(qū)動(dòng)閥線圈。位置傳感器通過(guò)震蕩器測(cè)出主閥芯實(shí)際位移。此信號(hào)被解調(diào)并反饋至控制器與指令信號(hào)相比，得出的偏差信號(hào)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)級(jí)從而使

15、主閥芯產(chǎn)生位移，直至指令信號(hào)與反饋信號(hào)之間偏差為零。由此得到主閥芯位移與指令電信號(hào)成正比。三、D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥功率及滑閥受力分析計(jì)算 液流流經(jīng)滑閥時(shí)，液流速度的大小和方向發(fā)生變化，其動(dòng)量變化對(duì)閥芯產(chǎn)生一個(gè)反作用力，這就是作用在閥芯上的液動(dòng)力。液動(dòng)力分為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力兩種。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與與滑閥的開口量成正比，瞬態(tài)液動(dòng)力與滑閥開口量的變化率成正比。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力不僅時(shí)滑閥的操縱力增加，并能引起非線性問(wèn)題，瞬態(tài)液動(dòng)力在一定條件下引起滑閥不穩(wěn)定。3.1穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是在閥口開度一定的穩(wěn)定流動(dòng)情況下，液流對(duì)閥芯的反作用力。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的方向總是指向使閥口關(guān)閉的方向。由動(dòng)量定理求

16、得穩(wěn)態(tài)軸向液動(dòng)力為由柏努利方程可求得閥口射流最小斷面處流速為 為速度系數(shù)，通過(guò)理想矩形閥口的流量為為流量系數(shù)聯(lián)立有為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度， 對(duì)于理想滑閥，射流角，取有對(duì)于零開口四邊滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有于空載時(shí)（）達(dá)到最大值全周開口，閥芯直徑3.2 瞬態(tài)液動(dòng)力由動(dòng)量變化得瞬態(tài)液動(dòng)力有為阻尼系數(shù)對(duì)于零開口四邊滑閥來(lái)說(shuō)由樣本，知道阻尼長(zhǎng)度為 =82.5-41.3=41.2 mm=114.3-82.5=31.8 mm=41.2-31.8=9.4 mm其中為負(fù)阻尼長(zhǎng)度，正阻尼長(zhǎng)度瞬態(tài)液動(dòng)力的方向始終與閥腔內(nèi)液體的加速度方向相反，據(jù)此可以判斷瞬態(tài)液動(dòng)力的方向。3.3滑閥的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的力平衡方程式，可得閥

17、芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的總驅(qū)動(dòng)力注：閥芯及閥腔油液質(zhì)量 閥芯與閥套間的粘性摩擦系數(shù)任意負(fù)載力850+77806+7780=4.9 Kg則穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度，四、建立D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥的數(shù)學(xué)模型4.1 電液伺服閥的方塊圖 為避免伺服放大器特性對(duì)伺服閥特性的影響，通常采用電流負(fù)反饋伺服放大器，以控制線圈回路的轉(zhuǎn)折頻率很高，則近似等于0，則力矩馬達(dá)小閉環(huán)的傳遞函數(shù)為 （s）= 式中 為銜鐵擋板組件的固有頻率，= 為由機(jī)械阻尼和電磁阻尼產(chǎn)生的阻尼比， = 對(duì)力反饋回路進(jìn)行化簡(jiǎn)有滑閥的固有頻率很高，故滑閥動(dòng)態(tài)性能可以忽略。簡(jiǎn)化后的力反饋回路方框圖如下圖所示因此，力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)為：伺服閥通常以電流

18、i作為輸入?yún)?shù)，以空載電流作為輸出參量。此時(shí)，伺服閥的傳遞函數(shù)可表示為式中：伺服閥的流量增益，在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往高于動(dòng)態(tài)原件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析與設(shè)計(jì)，伺服閥的傳遞函數(shù)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動(dòng)力元件的固有頻率，伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，當(dāng)伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于液壓動(dòng)力元件的固有頻率，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。 二階近似的傳遞函數(shù)可由下式估計(jì)： 式中:伺服閥固有頻率 伺服閥阻尼比由自動(dòng)控制原理可知，對(duì)各種不同的值，有一條對(duì)應(yīng)的相頻特性曲線。將伺服閥的相頻特性曲線與此對(duì)照，通過(guò)比較確定值。一階近似的傳遞函數(shù)可由下式估計(jì)：式中：伺服閥轉(zhuǎn)折頻率，或取頻率特性曲線上相位滯后45°所對(duì)應(yīng)的頻率。=6.1。 所以五、采用AMESim軟件建立D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥仿真模型仿真模型部分參數(shù)設(shè)置時(shí)域分析頻域分析則由此可以得出 ：頻寬為=6.42Hz幅值穿越頻率為5.21Hz 相角裕度為32.7度 相角穿越頻率為15.62Hz六、結(jié)論D665型電液比例伺服閥屬于力反饋伺服閥，D665型電液比例伺服閥最終可以簡(jiǎn)化為。伺服閥的頻寬主要是由開環(huán)