调距桨液压双阀控制系统设计与分析

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船舶的螺旋桨叶可分为两种 ，定距螺旋桨 FPP(Fixed Pitch Propeler)和可变螺距螺旋桨CPP(Con-trollable Pitch Propeller)。

可变螺距螺旋桨，简称调距桨。它是三十年代迅速发展起来的-种船舶推进装置。采用调距桨的船舶可以在不改变船舶螺旋浆转向和转速的前提下，利用装置邑操纵系统，使船舰很方便地实现前进、后退、变速、停止等动作，从而大大提高和改善了船舶的机动性和操作性能。

l 系统原理传统的调距桨的液压系统都是由液压泵，比例方向阀(或伺服阀)来控制液压缸实现调距。但是在系统流量很大(如450 L/rain)的前提下 ，如果只使用-个比例方向阀(伺服阀)可能很难满足系统快速调距与精确定位的要求。为了满足调距桨液压系统快速调距与精确调距的目的，设计如图1的液压系统 。

系统主回路采用了比例方向阀电液换向阀的并联控制。比例方向阀作为主控阀，进行精确螺距调节。电液换向阀在大流量调距时与比例阀同时动作，系统大部分流量通过电液换向阀提供，保证系统的调距时间。系统中双向液压锁的作用是在调距结束时，保压与限位。

由于调距桨液压系统的工作状态有很多：快速调距 、精确调距与稳距。为了减小能量消耗与发热，该系统同时具有负载敏感功能。

具体的原理如下：在阀芯上的受力平衡方程为：(p ～p ) 。-x)-F。 (1)收稿 日期 ：2012-11-02作者简介 ：金小弟(1965-)，男，工程师。研究方向为船舶特种推进。

式中，F 为作用在阀芯的液动力；为减压阀芯控制端面积；， x为分别为弹簧预压缩量与阀芯位移。

则： Pl-P2--K(-xo - x-)-Fn k如果不考虑液动力的影响，则有：△ /Ak：constant (2)1-泵源；2-电液换向阀；3-比例方向阀；4-三通进口压力补偿器；5.电磁换向阀；6-压力阀；7-梭阀；8-双向液压锁；9-液压缸图1 调距桨主液压系统原理示意图2由此可知比例方向阀进出口的压差为-个恒压差，同样液压泵的出口压差与负载压力是匹配的，仅比负载高-节流口的压差。因此这种阀也被称为负载敏感型方向流量阀。而在此系统中使用-个阀4来设定这个压差 卸 ，这样系统就具有了 卸 可调的功能 ]。二位二通阀5作为开关阀可以在系统不需要2013年5月 金小弟，等：调距桨液压双阀控制系统设计与分析 第 9页负载敏感作用时关闭三通进口压力补偿器。

2 系统控制策略分析2.1控制模式确定1)电液换向阀控制模式整个调距桨液压系统的目标是为了快速又精确的调距 ，电液换向阀的任务是保证调距液压缸能够以较快的速度大范围移动。所采用的控制方法是设置- 个切换值D，当系统的位置误差大于这个D值时，电液换向阀就应该投人工作；反之，就仅需比例方向阀工作。因此对电液换向阀采取Bang-Bang(时间最小)控制n ，即：h Y，-Y>DG。 ( 0 lY - I D (3)- 1 Yr - >-D式中，G。。( )为电液换向阀控制器；Y 为液压缸位置的期望值；Y为液压缸实际位置；D为切换值。

2)比例方向阀控制模式对比例方向阀采取PD控制，传递函数为：GB KpKds (4)式中，G。 为比例方向阀控制器；Kn为比例增益；为微分增益。

综合分析可知，调距桨液压系统双阀控制原理见图2所示。

图2 比例方向阀与电液换向阀并联系统控制方框图其中，G。(s)是电液换向阀传递函数，G。(s)是比例方向阀传递函数，G (s)是液压缸传递函数。

2.2系统传递函数及参数确定1)只有比例方向阀控制时系统的传递函数由于调距桨液压系统使用的是单出杆液压缸，使用的比例方向阀为对称阀 ，应区别于使用对称液压缸时的系统。

比例方向阀的传递函数有两种，比例方向阀的传递函数在系统中究竟用什么典型环节来近似表示，可以根据比例方向阀在系统中的使用频带决定。-般固有频率较低时可用-阶环节表示；固有频率较高时可用二阶环节表示p]。由于调距桨液压系统频率较低 ，故下面只对-阶隋况进行分析。

比例方向阀用-阶传递函数表示：K KG ( ) (5) u I 1液压缸的传递函数为：GH( I/Am (6)式中，A 为液压缸平均面积；K为放大器放大倍数；为比例方向阀流量增溢；为比例方向阀等效时间常数；为液压缸阻尼系数；∞ 为液压缸固有频率。

比例方向阀为-阶时系统传递函数为：(KpP s) d ，G -- - (7)(Tvs1)( s1)现在对比例方向阀为-阶传递函数时系统的特性进行分析 。

系统闭环特征方程为：三 ± ，-TvCOh-2(h ：≤ ： ㈦ 。

-每<

设电液换向阀关闭时的流量特性如图3所示，则有：- 10 p 式中， 、 分别为电液换向阀的关闭延时和关闭时间。

舍 gD0吕凸 甘 图3 电液换向阀关闭特性图对系统分析得切换值 D的稳定条件为：。 - 式中，c.lKqK aKd，C2 KqK Kd从式(11)可见切换值 D的稳定域与电液换向阀组特性( 、 和最大流量引起的液压缸速度 )以及比例方向阀的流量增益 、放大器放大系数 、比例和微分增益 、 有关。

3 系统建模与结果分析3.1模型的建立根据调距桨液压系统原理，建立AMESim模型如图4所示。设置参数 ：泵的排量450 mm /r，PTO转速为 1 000 r/min，压力补偿器调定压差为 1.5 MPa。液压缸无杆腔直径 1 100 mm，有杆腔直径400 mlTl，行程为0.312 m，负载为2 500 000N。

曲线l为位置给定信号，曲线2、3分别是液压缸的位移与速度曲线。说明PD控制可以使系统比较稳定快速的到达指定位置。

1-PTO输出转速；2-泵源；3-带调压功能的三通压力补偿器；4-背压阀；5-比例方向阀；6-电液换向阀；7-PID控制器；8-给定位移信号；9-梭阀；10.双向液压锁；1 I-液压缸 ；12-位移传感器图4 调距桨主液压系统AMESim模型0.12O.1O0.080.060.04O.O2O.00. O.020.120.1OO.O80.060.040.020.OO时f]/s图5 系统对阶跃信号的响应0 5 l0 l5 2O 25 30时间/s图6 不同的D对系统控制性能影响结果曲线 1、2、3分别代表切换值 D为 0.015、0.O1、2013年5月 金小弟，等：调距桨液压双阀控制系统设计与分析 第 11页0.005全行程时系统的响应。仿真结果说明当电液换向阀关闭后系统需要比例方向阀来定位，而它的流量较小，较大的切换值D意味着达到稳定状态的时问要变长。因此为了加快调距的快速性，应在保证稳定性的前提下尽量减小电液换向阀的切换值 D。

调距桨双阀并联液压系统强调的是用电液换向阀来实现快速调距 ，用比例方向阀来实现精确定距。

那么比例方向阀与电液换向阀之间的关系是什么(或者说如何选择比例方向阀与电液换向阀的型号)。为了研究这个问题 ，用AMESim模型进行了以下仿真：其他条件都不变的前提下，分别设比例方向阀的最大额定流量为电液换向阀最大额定流量的15%、30%与45%，仿真结果如图7所示。

塞趟U 5 l0 l5 2O 25 3O时间/s图7 不同比例方向阀的流量时的系统压力结果表明，比例方向阀的额定流量为换向阀15%时，在电液换向阀关闭瞬间压力冲击很大(虽然有PD控制减小，但冲击是不可避免的)。电液比例阀的额定流量为换向阀30%时冲击有减小但仍然较大，所以建议选型时，比例方向阀的额定流量至少为电液换向阀额定流量的30%以上，但也不宜过大，以免影响系统的控制精度。

4 结 语(1)介绍了带负载敏感功能的调距桨液压系统的工作原理，建立起负载敏感调距桨液压系统的传递函数。

(2)通过理论分析确定了系统的控制策略以及在稳定条件下采用PD控制的K。、 参数的选取依据。

(3)建立起系统的AMESim仿真模型，分析了不同的切换值 D对系统造成的影响。

分析了不同额定流量的比例方向阀对系统压力冲击的影响，为双阀并联液压系统的比例阀与电液换向阀选型提供-定的理论参考。