先導(dǎo)式電液比例方向閥換向滯后分析及其補(bǔ)償方法研究.pdf

1、電液比例方向閥是注塑機(jī)、鍛壓機(jī)等重型液壓裝備的核心控制元件，其良好的比例控制性能及較高的抗污染能力可以滿足大多數(shù)工業(yè)裝備的應(yīng)用要求。但在高性能運(yùn)動(dòng)控制方面，由于其固有的結(jié)構(gòu)死區(qū)、有限的制造加工精度及保守的控制策略，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度還不如電液比例伺服閥。特別是在大流量控制場(chǎng)合，采用多級(jí)液壓放大結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)式電液比例方向閥的換向滯后問題更為突出。因此，這類比例閥目前只能應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)或者動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求不高的閉環(huán)控制系統(tǒng)。本學(xué)位論文基于這一

2、背景，以典型的兩級(jí)先導(dǎo)式比例方向閥為研究對(duì)象，以提高比例閥換向響應(yīng)速度為目標(biāo)，從不確定控制死區(qū)的檢測(cè)與自適應(yīng)補(bǔ)償、高頻響電流閉環(huán)控制策略、換向獨(dú)立控制型先導(dǎo)控制方案等方面展開研究，選題具有廣泛的工程應(yīng)用背景和重要的學(xué)術(shù)研究價(jià)值。
　　本學(xué)位論文提出了三種提高先導(dǎo)式比例閥換向響應(yīng)速度的方法，包括結(jié)構(gòu)死區(qū)在線檢測(cè)和軟件補(bǔ)償方法、非線性電流控制器及雙電磁鐵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方法、以及一種具有更高響應(yīng)速度的先導(dǎo)閥新結(jié)構(gòu)及其控制策略。第一種，針對(duì)比例

3、閥中結(jié)構(gòu)死區(qū)變化范圍大，相互耦合程度高導(dǎo)致閉環(huán)控制增益取值保守的問題，提出了一種控制死區(qū)在線檢測(cè)方法，通過精確檢測(cè)死區(qū)大小并結(jié)合變?cè)鲆嫜a(bǔ)償控制策略合理選擇閉環(huán)控制增益，可以有效提高比例閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，該方法可以作為比例閥控制器與比例閥性能匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法。第二種，針對(duì)傳統(tǒng)模擬式線性電流控制器電流調(diào)節(jié)速度較低，引起閥芯控制響應(yīng)速度較低的問題，提出了基于內(nèi)置參考模型原理的非線性電流控制器設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上提出了雙電磁鐵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)策略

4、。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的控制器相比，該電流控制器的頻響可提高約36.4％，并使主閥芯的換向滯后時(shí)間縮短約20％。采用雙電磁鐵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行比例閥位移控制，能使主閥芯換向滯后時(shí)間進(jìn)一步縮短約11％，該方法可以為比例閥數(shù)字式電流控制器的設(shè)計(jì)提供新方案。第三種，提出換向獨(dú)立控制型先導(dǎo)閥設(shè)計(jì)方案，該結(jié)構(gòu)采用左右獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的閥芯取代現(xiàn)有的單閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯運(yùn)動(dòng)組件的運(yùn)動(dòng)阻力降低且先導(dǎo)控制增益可獨(dú)立調(diào)節(jié)，在此基礎(chǔ)上提出了死區(qū)預(yù)跨越驅(qū)動(dòng)策略，樣機(jī)對(duì)比試

5、驗(yàn)結(jié)果表明，比例閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)一步改善，換向滯后時(shí)間從25ms縮短至8ms，雙邊換向-3db頻響從7Hz提升至13Hz，-90°頻響從9Hz提升至18Hz，在未顯著增加比例閥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到比例伺服閥的水平，該方法為多級(jí)比例閥的高頻響先導(dǎo)級(jí)設(shè)計(jì)及控制提出了新的思路。
　　論文主要結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，闡述了課題的研究背景，介紹了國內(nèi)外先導(dǎo)式電液比例方向閥的技術(shù)現(xiàn)狀，綜述了高頻響先導(dǎo)控制技術(shù)、比

6、例閥死區(qū)檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)确矫娴膰鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上確定了課題研究內(nèi)容，提出了課題的研究關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。
　　第二章，建立比例節(jié)流型電液比例閥的高精度動(dòng)態(tài)仿真模型。為了提高動(dòng)態(tài)仿真精度，本文將重點(diǎn)針對(duì)“反接卸荷式”驅(qū)動(dòng)電路的電壓電流耦合特性、電磁鐵輸入電流-輸出力滯回特性，以及主閥異型閥口形狀下的液動(dòng)力負(fù)載特性進(jìn)行建模，并分別進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證?；谠摲抡婺Ｐ停糠治隽艘鹬鏖y芯換向響應(yīng)滯后的主要因素及其比重，為后續(xù)章節(jié)提高響應(yīng)速度

7、奠定基礎(chǔ)。
　　第三章，提出比例閥結(jié)構(gòu)死區(qū)的在線檢測(cè)和補(bǔ)償方法。一方面，針對(duì)比例閥固有的中位死區(qū)及其不對(duì)稱問題，從遮蓋量和閥芯閥體配合間隙角度分析了控制死區(qū)在高精度控制中的敏感性，提出了一種控制死區(qū)的在線檢測(cè)方法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)比例閥中的過渡位死區(qū)和中位死區(qū)相耦合的問題，分析過渡位死區(qū)對(duì)控制性能的影響，提出了一種串聯(lián)死區(qū)解耦變?cè)鲆嫜a(bǔ)償算法以實(shí)現(xiàn)中位死區(qū)和過渡位死區(qū)的高精度補(bǔ)償。最后，采用對(duì)比試驗(yàn)手段驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性。

8、
　　第四章，提出數(shù)字式電流控制器及雙電磁鐵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方法。針對(duì)電磁鐵驅(qū)動(dòng)力的輸出滯后問題，在“反接卸荷式”快速驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于內(nèi)置參考模型的數(shù)字式電磁鐵電流控制算法，并與傳統(tǒng)模擬式控制器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種帶初始電流的雙電磁鐵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方法，并通過實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證其有效性。
　　第五章，提出一種換向獨(dú)立控制型先導(dǎo)閥設(shè)計(jì)方案。介紹了換向獨(dú)立控制型比例閥的設(shè)計(jì)原理及功能特點(diǎn)。重點(diǎn)對(duì)比分析新型先導(dǎo)閥與