通径6mm正开口2D数字伺服阀静动态特性研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件n 。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量和压力)输出 。电液伺服阀本身是-个闭环控制系统，-般由电-机转换部分、机-液转换部分、功率放大部分、反馈部分和电控器部分组成。大部分伺服阀仅由前3部分组成，只有电反馈伺服阀才含有电控器部分b 。电液伺服阀控制精度高、响应速度快，-般用于输出功率大而动态响应要求高的诚，如航空航天、冶金、材料试验和军事等领域 ]。

电液伺服阀是电液伺服系统的关键部件，它的性能及收稿日期：2012-11-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975258)；浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)资助项目(2012R403073)作者简介：左 (1986-)，男，江西抚州人，博士生，主要从事电液数字控制元件方面的研究.E-mail：zu0qiangde###163.com通信联系人：阮 健，男，博士，教授，博士生导师.E-mail：wxmin###mail.hz.zj.ca第5期 左 强，等：通径6 mm正开口2D数字伺服阀静动态特性研究正确使用直接关系到整个系统的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作的可靠性和寿命b 。

电液伺服阀按反馈形式可分为：负载力反愧位置反愧流量反劳电反馈 ]。与单级(直动)阀相比，导控阀(多级阀)具有控制精度高的优点，符合系统高压、大流量的发展要求，但是导控阀结构复杂且价格昂贵n 。喷嘴-挡板伺服阀为典型的力反馈形伺服阀，其缺点是如果增大反馈杆的刚度，阀的控制流量变小 ；减小反馈杆的刚度，阀的频响变慢，且喷嘴-挡板伺服阀的抗污染能力差(过滤精度在5 ixm以下)。动圈式伺服阀为位置反馈，其缺点是功率级阀芯位移和前置级阀芯按1：1位移运动，致前置级阀芯运动极大地限制了控制流量 ，且由于结构限制，动圈无法贴壁散热 ]。瑞典林克平大学(Linkping University)的Anderson9 提出了-种流量反馈式二通导控流量阀，该阀的不足之处在于工作过程中导控级的泄漏流量较大，主阀进出口通过导控油路连通，无法实现锥面无泄漏关断。

2D数字伺服阀有着结构简单、原理先进、性能优越和抗污染能力强等特点 引。由于零开口伺服阀加工精度太高，而正开口伺服阀加工简单，无死区，且具体-定阻尼特性 ，可增加阀的稳定性。

本研究针对正开口2D数字伺服阀的静、动态特性(如流量增益、不对称度、非线性度、滞环、零位泄漏、阶跃响应特性和频率特性)进行实验研究。

1 2D数字伺服阀工作原理2D数字伺服阀将导阀和主阀融为-体，通过双自由的伺服螺旋机构实现位置反馈，无需任何固定阻力凶来保证其稳定性，结构简单且加工方便，2D数字伺服阀结构图如图 1所示。

为保持阀芯的径向力平衡，阀套采用具有双余度控制功能的双伺服螺旋机构。双伺服螺旋机构具有良好的自清洁功能(过滤精度达在30 m以下)，例如：-旦某-侧的高压(或低压)弓形孑L堵塞，阀芯的力平衡将受到破坏而轴向移动，从而增大堵塞弓形孔的面积以清除堵塞物。且阀芯最凶径为2 mm，被堵塞的可能性极校阀芯将原来的圆形高低压口，改成满弓形(通过电火花加工)，将弓弦对准螺旋槽，以加大面积梯度。

2D数字伺服阀利用单个阀芯的旋转和滑动双自由度构成，其伺服螺旋机构原理图如图2所示。在该结构中，阀右腔通过凶b，经阀芯杆内通道和凶a与进油口(系统压力)相通，其面积为左腔的-半；左腔的压力由开设在阀芯左端台肩上的-对高、低压孔和开设于阀芯孔左端的螺旋槽相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考位置图1 2D数字伺服阀结构图虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔压力为人口压力(系统压力)的-半 ，阀芯轴向保持静压平衡，与螺旋槽相交的高低压侧的弓形面积相等。当以顺时针(面对阀芯伸出杆)的方向转动阀芯，则高压侧的弓形面积增大、低压侧的弓形面积减小，左腔压力升高，并推动阀芯右移，同时高低压孔又回到螺旋槽的两侧，处于高低压侧弓形面积相等的位置，敏腔的压力恢复为人口压力(系统压力)的-半，保持轴向力平衡；若逆时针的方向转动阀芯，变化则正好相反 ，阀芯向左移动。

图2 2D数字伺服I阋伺服螺旋机构原理图本研究在控制上采用步进 电动机连续跟踪 的控制方法，解决了传统步进式数字控制元件所固有的量化误差与响应速度之间的矛盾。同时，步进电机起到力(力矩)放大作用，可对阀芯产生较大的推动力(力矩)，增加阀芯动作的可靠性n 。

2 静动态特性测试原理2D数字伺服阀静态特性主要包括空载流量特性和泄漏特性。液压系统原理图如图3所示。

2D数字伺服阀测试系统图如图4所示。2D数字伺服阀的动态特性通常用它的阶跃响应特性或频率特性来表示。为降低试验成本，节省试验空间，静动态特性试验采用同-试验台。测试所使用的流量计型号为VS 4，其测量量程为300 L/min，精度为0.3%，重复精度为-0.05%。实验时，信号发生器发出满开口幅值(±4 V)的低频(0.02 I-Iz)正弦信号，该信号-方面送给2D数字阀控制器，另-方面送给记忆示波器采用颤振补偿技术，2D数字伺服阀控制器，在输入信号· 564· 机 电 工 程 第3O卷信号源及控制子系统加载子图3 液压系统原理图记录及二次仪表子系统图4 2D数字伺服阀测试系统和颤振信号的叠加作用下，根据跟踪控制算法控制阀的开度。

3 静态特性实验测试测试时，本研究先调节步进电机零位，再调节阀芯零位。电机调零后，输入幅值为1 mV、频率为1 Hz的正弦电压，截止阀 1号、2号、3号打开；4号、5号关闭，调节系统压力为2 MPa，油液经P口、A口、截止阀1、流量计、截止阀2、B口和T口回油箱 ，旋转阀芯，当流量计流量为零时，阀芯即处于零位状态。然后，调节系统压力为21 MPa，待示波器出现稳定的流量信号，保存空载流量信号和输入控制信号，处理数据，所得到的空载流量特性曲线如图5所示。并将其静态特性与标准值对比，空载流量特性主要参数如表1所示 。

n图5 6 mm通径2D数字伺服阀空载流量特性表1空载流量特性主要参数4 动态特性实验测试4.1阶跃响应特性系统调零后，本研究关闭1号、2号、3号截止阀，打开4号、5号截止阀，输人幅值4 V的阶跃信号，使阀芯为满开口，调节系统压力为21 MPa，待示波器出现稳定的流量信号，保存流量信号和输入控制信号，处理数据后所得的阶跃响应特性如图6所示。6 mm通径2D数字伺服阀的阶跃响应上升时间为10.8 ms。

O0 100 200 300 400t/ms图6 阶跃响应特性4.2 频率特性系统调零后，关闭1号、2号、3号截止阀，打开4号，5号截止阀，输入幅值1 V，频率为1 Hz的正弦信号，使阀芯25%开口，调节系统压力为21 MPa，待示波器出现稳定的流量信号，保存流量信号和输入控制信号。再依次改变频率为10 Hz，20 Hz，50 Hz，80 Hz，100 Hz，120 Hz，或更大频率，至输出流量信号滞后输入信号90。。其幅频g-r眭曲线如图7如示。

受丑j四罂5 结束语f/Hz图7 幅频特性针对正开口2D数字阀动静态特性可能存在不稳定问题，本研究对其静动态特I生进行了实验研究。测试结果表明，在额定压力21 MPa下，6只6 mm通径正开口2D(下转第635页)T卤第5期 付 宾，等：基于LSSVM-PID的船舶航向控制 ·635·时，控制器可以快速地抵消干扰的影响，表明此控制系统具有很好的抗干扰性能。

，. 、 匠 罐图6 加干扰后LSSVM-PID复合逆控制仿真5 结束语本研究针对船舶运动的特点，提出了LSSVM-PID复合逆控制系统，该系统综合了LSSVM和PID控制的优点，通过用增量式LSSVM算法，解决模型在线辨识，克服了实时性差的缺点；同时，利用PID反镭制回路 ，避免了因模型辨识误差而影响控制性能的问题。

研究结果表明，LSSVM-PID航向复合逆控制系统具有较强的控制精度。

此外，控制系统中的船舶水平运动(3个自由度)的在线控制策略，以及对LSSVM本身的参数(核参数和规则因子C)的寻优等将有待进-步的研究。