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430064)

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［1］。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［2］。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's 是由系统油源ps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x1，压力油p's 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ps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［3］

式中:x1为先导阀阀芯位移;xf为先导阀阀套反馈位移;Kq1为先导阀流量增益;KC1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

其中:

式中:x2为主阀芯位移;Ap2为主阀芯控制腔截面积;Vt1为节流阀与主阀间控制腔等效内积;Ct为主阀芯两控制腔泄漏系数;CC为节流阀的层流液导系数。

1.3 主阀芯动态力平衡方程

式中:m2为主阀芯质量;a 为反馈杆短臂的长度;b为反馈杆长臂的长度;m1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

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［1］:

由式(1)—(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

C +Ct，Kq为主阀流量增益系数;Vt为总压缩容积;Ap为活塞有效截面积;m 为折算到活塞上的总质量;Kse为主阀和液压缸的总流量压力系数;Kce为先导阀与主阀左右两腔的总流量压力系数;mt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

应用MATLAB/Simulink 仿真软件［4－5］，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CC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CC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CC值过小，则不仅系统的响应速度慢，超调量也会变大［6］。

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。

【1】路甬祥.电液比例控制技术［M］. 北京:机械工业出版社，1988.

【2】王春行. 液压控制系统［M］. 北京:机械工业出版社，1999.

【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，2006.

【4】王沫然.MATLAB 与科学计算［M］.北京:电子工业出版社，2005.

【5】王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink 与控制系统仿真［M］.北京:电子工业出版社，2009.

【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，2010，38(15):68 －69.