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基于AMESim的双阀芯控制液压缸研究解读
《起重运输机械》 2008(10
基于AMESim的双阀芯控制液压缸研究
三峡大学机械与材料学院施工机械研究所 谭宗柒 戴浩林
摘 要:
介绍了双阀芯控制技术及其控制原理,阐述了双阀芯控制液压缸的流量、压力控制方法,并使用
AMESim软件对双阀芯控制液压缸进行运动仿真。
仿真结果表明利用计算流量反馈的流量控制方法能够对双阀芯
系统进行准确的控制。
关键词:
双阀芯;流量控制;AMESim
Abstract:
Thispapercoverstwin-valvecontroltechnology,focusingontwin-valvecontrolledcylinderπsflowandpressurecontrolmethods1Motionsimulationoftwin-valvecontrolledcylinderisconducted1Theresultsshowthatflowfeedbackcontrolmethodfeaturesaccuratecontroltotwin-valvecontrolledsystem1
Keywords:
twin-valve;flowcontrol;AMESim
随着液压技术与电子控制技术的结合,液压控制系统不断向高效率、小型化及高精度化方向发展。
电液控制系统具有控制精度高快、输出功率大等优点,发展,———负载流量独立控制技术得以在工程机械上实现。
本文对负载流量独立控制———电液双阀芯控制技术进行研究,为该技术的应用和推广提供了参考。
1 阀控技术的2种形式
111 传统阀芯的控制方式
传统阀芯控制执行机构如图1所示,其由单阀芯换向阀组成液压控制系统,进出油口由1根阀芯来调节。
进、出油口的对应关系在阀芯加工时就已经确定,在使用过程中不能被修改,通过进、出油口的流量或压力不能进行独立调节。
112 双阀芯技术
双阀芯控制执行机构如图2所示,通过单独的电液比例节流阀对执行机构的进出油口独立控制,可以在一定程度上减少主控阀进、出节流口以及旁路上的压力损耗。
双阀芯控制技术可以在保持液压执行机构操纵性要求的前提下,使进油压力和背压保持较低值,而且系统的压力始终与负载相适应,在满足系统动、静态特性的同时,降低了系统本身的能量损耗
。
图1 传统阀芯
控制方式
图2 负载口独立
控制方式
双阀芯与传统单阀芯相比有如下优点[1]
:
(1可以单独对回油背压进行控制,因而能使回油压力较低,减少功率损失。
(2可以实现进油侧调流量、出油侧调压力,具有较好的灵活性。
(3阀芯结构简单,易于实现产品通用化;便于产品管理,降低了产品成本。
(4解决了传统多路阀机液负载补偿中压力补偿器初始状态全开、补偿特性较差的问题。
(5可以使用速度闭环反馈控制。
2 双阀芯控制原理及方法
211 双阀芯控制技术原理
分别在2个阀芯的两端设置压力传感器检测阀前后的压力,设置了位移传感器对主阀芯位移进行检测。
通过将输入信号和传感器检测的信号
反馈给处理器来驱动比例电磁阀对先导阀芯进行控制,从而实现对系统的压力和流量的控制。
双阀芯可以根据控制信号同时动作,或独立动作,
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具有很好的灵活性。
双阀芯结构如图3所示
。
图3 双阀芯控制原理图
由图3可以得到双阀芯的动力特性方程。
先导阀芯动态方程
M
dt
x・
1=Fvc1+Ffp+Kvpx・1(1
式中 M———先导阀芯质量
Fvc1———电磁铁作用力Ffp———液动力Kvp———粘性阻尼系数
Mm
dt
x・
v1=-Ksxv1-Kvxv1+(p11-p12A+Ffm(2
式中 Mm———主芯质量
Ks———弹簧弹性系数Ffm———液动力Kv———粘性阻尼系数
弹簧腔压力特性
dtp11=βeV11(Q11-Ax・v1
dtp12=βeV12
(Ax・v1-Q12
(3
流量方程
Q1CdWxv1(ps-p1/ρ xv1≥0CdWxv1
(p1-pt/
ρ xv1<0Q2CdWxv2(p2-pt/
ρ xv2≥0CdWxv2
(ps-p2/ρ xv2<0
(4
由阀芯的流量方程可以得到阀芯1控制方程
(5和阀芯2控制方程(6xv1d(Q1d,ps,p1QCdWρ
(ps-p1
Q1d≥0
Q1dCdW
ρ
(p1-pt
Q1d<0
(5
xv2d
(Q2d,ps,p2QCdWρ
(p2-pt
Q2d≥0
Q2d
CdW
ρ
(ps-p2
Q2d<0
(6
由式(5、(6可以看出,控制器根据压力传感器采集的压力信号和阀芯位移传感器采集的位移信号控制先导阀芯比例电磁铁的电流,实现液压系统的流量和压力的控制。
2、。
双阀芯控制,双阀芯多路阀的主进出油口分别设有压力传感器,弹簧腔设有位移传感器,实时检测进、出阀口的压力信号和阀芯位移信号。
控制器对采集的信号处理后对先导阀进行控制,进而实现对执行机构的准确控制。
双阀芯控制液压执行机构原理框图如图4所示。
图4 双阀芯控制原理框图
212 双阀芯控制技术中的流量控制原理
为了能够精确地控制双阀芯液压控制系统的流量,须对节流阀进行反馈控制。
节流阀的控制
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流量与其前后压差有关。
为了实现双阀芯控制技术中与压差无关的流量控制,可以采用计算流量反馈的流量控制方法。
该控制方法可以使节流阀的动态流量—压差增益与其静态增益不一致,从而在获得较高流量静态控制精度的同时,增大系
统的动态阻尼比,得到良好的动态特性[2]
。
控制框图如图5所示。
压差传感器与位移传感器检测出节流阀前后的压差和阀芯位移后输出给控制器,由控制器根据一定的算法计算出通过节流阀的流
量q3
与给定的流量q0进行比较,并采用调节器g(Δq构成流量闭环,输出阀芯位移的给定值xv0
。
图5 计算流量反馈控制框图
图5中,fv(xv0v定值xv0的函数关系;dxv数,为阀芯位移xv的函数;Ad(xv为节流阀阀口过流面积,为阀芯位移xv的函数;q为节流阀阀口
流量;Δp为节流阀阀口压差;ρ为液压油的密度。
保证流量稳态控制精度的条件是调节器积分环节和计算流量的精确性,即对阀口流量系数、过留面积的精确估计。
各个油温及压差下流量系数和过流面积的乘
积与阀芯位移xv的函数关系f3
q(xv,T可由试验得到。
为适应实时控制,通过对xv与T的均匀分段,将拟合得到的f3
q(xv,T曲线绘制成二维表;实时控制时,只需根据位移传感器2检测到的阀
芯位移值与油温直接查表得到f3
q(xv,T,并根据压差传感器测得的节流阀前后压差得到阀口流量的精确估计值。
3 仿真研究
采用AMESim软件作为仿真平台建立了双阀。
ComponentDesign库根压缸的仿真模型,如图6所示。
312 仿真参数设置
主要仿真参数设置如表1所示
。
图6 系统AMESim仿真结构图
表1 主要仿真参数
泵排量/(ml・r-1100阀芯面积梯度/m
010314流量系数Cd0177泵转速/(r・min-11000主阀芯最大过流面积/mm27815活塞缸行程/m5阀芯质量/kg0106活塞直径/mm30电磁阀额定电流/mA40阀芯最大行程/mm
10
活塞杆直径/mm
16
溢流阀调定压力/MPa
20
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313 模型仿真与分析
为了研究双阀芯在进油侧控制流量、出油侧控制压力的情况下活塞杆运动速度对变化的外负载的适应性,建立图6所示的AMESim仿真模型。
外负载变化曲线如图7所示,图8为活塞杆速度输入/输出信号图(1为输入信号,2为输出信号,图9为背压输入/输出信号(1为输入信号,2为输出信号。
图11、图12分别为进油路阀芯位移变化曲线和回油路阀芯位移变化曲线
。
图7
外负载变化曲线
图8
图9
背压控制信号和背压输出信号
图10 阀芯1位移变化曲线(阀芯右移为正
图11 阀芯2位移变化曲线(阀芯左移为正
由阀芯位移曲线图11、图12可以看出,当需要的流量逐渐增大时,阀芯1逐渐右移,阀开口加大,进入液压缸无杆腔流量增加,活塞杆运动速度加快,同时,无杆腔流量也相应增加,阀芯2的位移相应减小,即阀芯2也向右移,阀开口加大,出口流量相应增加,保证背压为1MPa。
从图8、图9活塞杆速度变化和回油背压变化仿真曲线可以看出,系统的动态性能不仅与结构参数有关,也与控制算法有关,该仿真采用PID控制算法,PID参数为试取的1组值,如果采用诸如模糊自适应、神经网络等自适应优化的控制算法可以提高系统的动态性能。
外负载从2s到11s之间发生了变化,但从图8的活塞杆运动速度变化曲线和图9的回油口背压变化曲线可以看出活塞杆的运动速度不证了活塞杆运动速度4运用计算流量反馈的方法控制双阀芯系统中
的流量,使系统具有较高的稳态控制精度,并且对外负载变化具有较强的抗干扰能力;将独立控制技术应用于双阀芯电液比例多路阀,实现精确的电液负载补偿,提高了系统的控制性能;简化了传统多路阀的规格和品种,从而降低了生产成本,丰富了控制方式,提高了系统柔性和节能效果,为工程机械的液压—机械系统智能化提供了条件。
参 考 文 献
1 杨华勇等1多路换向阀的发展历程与研究展望1机械工
程学报,2005(10
2 顾临怡,王庆丰1采用计算流量反馈的流量控制方法及
特性研究1机械工程学报,1999(8
3 余佑官,龚国芳,胡国良1AMESim仿真技术及其在液
压系统中的应用1液压气动与密封,2005(3作 者:
谭宗柒
地 址:
三峡大学机械与材料学院施工机械研究所邮 编:
443002
收稿日期:
2008-06-20
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- 基于 AMESim 双阀芯 控制 液压缸 研究 解读
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