高速开关阀用于位置控制系统的可行性

姚建斌（山西太钢工程技术有限公司，山西太原030009）



高速开关阀用于位置控制系统的可行性

姚建斌
（山西太钢工程技术有限公司，山西太原030009）

摘要：介绍高速开关阀控制液压缸的工作原理，建立其数学模型，分析高速开关阀用于位置控制系统的可行性。通过Simulink仿真软件建立阀控缸系统的仿真模型，分析阀控缸系统的流量响应曲线、压力响应曲线，结果表明：基于高速开关阀控制的位置控制系统具有良好的响应特性，高速开关阀能够满足其对流量、压力的需求，从而代替伺服阀实现位置精确控制。

关键词：液压缸；位置控制；高速开关阀；Simulink；PWM

目前，在位置控制系统中，主要通过伺服阀来实现液压缸位置的精确控制，但伺服阀存在抗污染性能差、工作可靠性较差、价格较昂贵等缺点［1］。高速开关阀及其系统经实际运行，具有代替伺服阀用于位置控制系统优势。本文通过建立高速开关阀控制液压缸系统的数学模型并对其进行仿真分析，验证高速开关阀用于位置控制系统的可行性。

1　工作原理

1.1高速开关阀动作过程

高速开关阀采用PWM控制，即通过改变占空比τ的大小来实现高速开关阀输出流量的调节。本研究用的高速开关阀额定压力为20 MPa，额定流量为9 L/min。高速开关阀的动作分5个阶段：电气延迟阶段（电磁铁电流增长滞后时间，t1），阀芯开启阶段（阀芯开启运动时间，t2），阀芯全开阶段（tt），断电延迟阶段（电磁铁电流衰减滞后时间，t3），阀芯关闭阶段（阀芯关闭运动时间，t4）等［2］，如图1所示。

图1　高速开关阀的动作过程

当Tp∈［t1+t2，T-t3-t4］时，阀芯的吸合均到位［3］，高速开关阀工作在线性控制区，此时阀芯位移运动方程为：

式中：Tp为脉冲宽度，T为脉冲周期，xv为阀芯位移，xvm为阀芯最大位移，ton为开启时间，ton=t1+t2，toff为关闭时间，toff=t3+t4。

1.2高速开关阀控制液压缸工作原理

高速开关阀控制液压缸的原理见图2。缸体向下运动时，高速开关阀3得电开启，无杆腔通流，高速开关阀4关闭，有杆腔回油。高速开关阀3在进行PWM控制时，保证占空比为线性控制区（避开高速开关阀的死区和饱和区［4-5］）；缸体向上运动时，高速开关阀4得电开启，有杆腔通流，高速开关阀3关闭，无杆腔回油。高速开关阀4在进行PWM控制时，保证占空比为线性控制区（避开高速开关阀的死区和饱和区）。

图2　高速开关阀控液压缸原理

2　系统数学建模

液压缸的动态特性与外负载特性有关。其中负载力包括惯性力、弹性力、粘性阻尼力和任意其它外负载力。根据牛顿第二运动定律，可得液压缸的活塞动态力平衡方程为：

其中：m1为缸体质量，x1为缸体位移，B为活塞的粘性阻尼系数，P1为无杆腔压力，P2为有杆腔压力，Fw为负载力，A1无杆腔的面积，A2有杆腔的面积。

液压缸体积流量方程为：

其中：q1为流入无杆腔的流量，q2为流出有杆腔的流量，Cip为液压缸的内泄漏系数，x0为缸体初始位移量，βe为油液的弹性模量。

在式（3）和（4）中，第一项为推动液压缸活塞运动所需的流量，第二项是经过活塞密封的内泄漏量，第三项是油液压缩和腔体变形所需的流量。

高速开关阀的压力—流量方程为：

其中：Av=πxmsinθ（D+xmsinθcosθ）［6］，D为球阀直径，xm为高速开关阀的阀芯最大开口度，θ为球阀座半角，τ1、τ2为两阀的占空比，Av为最大阀口面积；Cd为体积流量系数。

3　Simulink仿真分析

3.1仿真模型

根据高速开关阀控制液压缸的工作原理及其数学模型，利用Simulink仿真软件建立系统仿真模型如图3，其中阀3的占空比为0.8，活塞直径220 mm，活塞杆直径180 mm。

图3　系统仿真模型

3.2仿真结果

系统的流量、压力、响应曲线如图4~7，仿真结果汇总如表1所示。

图4　无杆腔流量跃阶响应曲线

图5　有杆腔流量跃阶响应曲线

图6　无杆腔压力跃阶响应曲线

图7　有杆腔压力跃阶响应曲线

表1　液压缸仿真结果

3.3仿真分析

对高速开关阀3的输出流量而言，理论上，当高速开关阀3的占空比为0.8时，无杆腔的输入流量应为7.2 L/min，由于无杆腔面积约为有杆腔面积的3倍，故有杆腔输出流量应为无杆腔流量的1/3左右。分析图4、5可知，仿真模型中的无杆腔输入流量为6.6 L/min，比理论值7.2 L/min小，这是由于在实际运动过程中油液的泄露导致高速开关阀的输出流量减小造成的。有杆腔输出流量为2.32 L/min，约为无杆腔输入流量的1/3左右，故仿真结果与理论分析相符，模型正确。同时两腔的流量阶跃响应时间均＜20 ms，高速开关阀的频响＞50 Hz，系统的频响较高。

本次研究用的高速开关阀额定压力为20 MPa，由图6、7可知，无杆腔压力稳定值为13.16 MPa，有杆腔的压力稳定值为0.06 MPa，均小于高速开关阀的额定压力，故高速开关阀的额定压力能满足系统对压力的需求，同时两腔的压力阶跃响应时间均＜20 ms，高速开关阀的频响＞50 Hz，系统频响较高。

4　结论

通过理论与仿真结果分析可知，高速开关阀工作在占空比为线性控制区（避开高速开关阀的死区和饱和区）时，可以代替伺服阀用于位置控制系统中，能满足系统对流量、压力的需求，同时系统的频响较高。将高速开关阀用于位置控制系统中具有可行性。

参考文献：

［1］林锐.高速开关阀的研究及数字仿真［D］.湖北：武汉理工大学，2005.

［2］陈先惠.一种高速开关阀的静动态特性研究［J］.宝钢技术，2010（6）：40-43.

［3］陈宝江，杨树兴，曹泛.PWM高速开关阀特性分析［J］.北京理工大学学报，1993，13（3）：354-360.

［4］曾德芬.论锥阀的稳定性［J］.重型机械，1996（3）：17-21.

［5］Chen Baojiang, Cao Fan. A Study on the Static Characters of Typical Composite High Spee 0n-off Valves［J］. Journal of Beijing Institute of Technology，1994，3（1）：75-81.

［6］朱梅生.基于PWM技术的高速开关阀控液压位置系统最优控制研究［D］.长沙：中南工业大学，1999.

Feasibility of High-speed Switch Valve Used For Position Control System

YAO Jianbin
（Shanxi Taigang Engineering Technology Co., Ltd., Taiyuan 030009, China）

Abstrraacctt:: The working principle of hydraulic cylinder controlled by the high-speed switch valve was introduced. The mathematical model was established. And the feasibility of the high-speed valve used for position control system was analyzed. The simulation model in Simulink software was built. And the response curve of flow and pressure of cylinder system controlled by valve were analyzed. The results showed that the position control system controlled by high- speed switch valve has good response characteristics, the high-speed switch valve can meet the system requirements of flow and pressure, so it can replace the servo valve to realize the accuracy control of position control system.

Key worrddss:: hydraulic cylinder; position control; high speed valve; Simulink; PWM

学会动态

《山东冶金统计》2014年编审人员工作会议召开

按照汇编《山东冶金统计》工作方案的部署，为做好2014年《山东冶金统计》汇编工作，山东省冶金工业总公司、山东金属学会统计信息学术委员会，于2015年10月14日至15日在济宁市召开2014年《山东冶金统计》编审人员工作会议。会上，山东省冶金工业总公司科技和规划部副部长、山东金属学会统计信息学术委员会主任委员郭利民同志作了讲话，吴东平科长对2014年工作进行了总结，对下一步工作进行了安排和部署，会议取得圆满成功。

（卢勇）

潍坊冶金产业联盟在潍坊成立

当前，我国经济发展进入新常态，给冶金行业及上下游产业带来巨大的挑战。为进一步加强冶金产业与相关单位的协作与服务，在潍坊市经信委、市煤炭冶金行办的推动下，由潍坊市重点钢铁企业倡议成立潍坊冶金产业联盟，并于2015年11月30日在潍坊召开了联盟成立大会，山东金属学会秘书长徐新洲，中国冶金报山东记者站站长罗华国到会并致辞。

（卢勇）

2015全国轧辊使用与制造技术交流会召开

为了促进钢铁企业和轧辊制造单位的合作，深入总结和交流近年来我国轧辊应用和管理经验，推动轧辊行业生产技术以及轧辊工艺装备方面的新技术进步，加快我国轧辊行业的快速发展，提高其市场竞争力。由河北、山东、江苏三省冶金（金属）学会联合主办、中国设备管理协会轧辊行业服务中心、唐山联强轧辊有限公司协办、石家庄博华展览有限公司承办的“2015轧辊使用与制造技术交流会”于2015年12月16—17日在河北省唐山市召开。交流会邀请了全国钢铁和轧辊制造单位的管理、技术、学术专家和领导到会交流，会议期间组织代表进行了参观学习，大会取得了圆满成功。

（卢勇）

信息化建设

作者简介：姚建斌，男，1973年生，1996年毕业于鞍山钢铁学院冶金机械专业；2007年毕业于太原科技大学材料加工专业，硕士。现为山西太钢工程技术有限公司设备室工程师，从事机械设计工作。

收稿日期：2015-11-24

中图分类号：TH137.52

文献标识码：B

文章编号：1004-4620（2015）06-0060-03