基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计

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高速开关阀具有切换速度快、重复精度高、抗污染性强、价格低廉、可以通过脉冲进行调节等优点n。 ，能够较好地实现计算机控制技术和液压流体技术的有机结合，有良好的应用前景 。

目前 ，高速开关阀在液压缸速度控制系统中的应用有多种形式。如文献[6]使用单阀直控式将两个共进、出油口的二位三通高速开关阀分别与液压缸的有杆腔和无杆腔相连，通过改变阀控制信号的占空比来实现对液压缸速度的控制，文中仿真出了液压缸行程曲线，但未进行实验。而这种连接方式用在液压缸位置控制系统 中居多。文献[9]在研究高速开关阀特性的基础上，提出在液压缸有杆腔管道上接入两个二位二通高速开关阀，采用旁路节流方式的速度控制方案，但未对方案做仿真或实验研究。文献[1 0]在液压缸有杆腔、无杆腔与P、T油口之间分别连接四个二位二通高速开关阀进行速度控制，进行了对液压缸速度控制的研究，说明高速开关阀对速度控制的有效性。

本文在分析二位二通常闭式高速开关阀特性的基础上，设计了基于高速开关阀的单阀直控式和旁路节流式两种应用形式来实现对液压缸速度的控制，并对两种方案进行了仿真与实验研究 ，较为全面的研究了高速开关阀在液压缸速度控制系统中的应用。

1 系统设计1.1液压油路设计本文设计了基于高速开关阀的单阀直控式和旁收稿 日期：2012.09.28作者简介：高钦和(1968.)，男，教授，主要从事机电-体化研究。

路节流式两种应用系统，研究高速开关阀在收缸过程中对液压缸的速度控制。以位移传感器采得的位移信号作为脉冲控制信号占空比变化函数的基信号。

单阀直控式液压系统指将高速开关阀连接于液压缸有杆腔与换向阀之间，如图1所示。

图1 单阀直控式液压系统旁路节流式液压系统指将高速开关阀连接于液压缸有杆腔与无杆腔之间，如图2所示。

两种系统均通过对高速开关阀开通时间的控制来控制进入液压缸有杆腔的流量，从而控制液压缸的缩缸速度。本文采用恒流源液压泵，单阀直控式的高速开关阀控制的是从系统进人有杆腔的流量；旁路节流式的高速开关阀将进入有杆腔的流量分流到无杆腔来控制进入有杆腔的流量。由于在面积-定的情况下，流量与速度呈现线性关系，即可以通过流量控第6页 潘体秸幼与控副 2013年第2期制实现对液压缸速度的控制。

图2 旁路节流式液压系统1.2脉宽调制信号设计为了实现当液压缸在端部运行时，使流人有杆腔的流量较校则在单阀直控式液压系统中，控制信号在液压缸端部采用小占空比；而旁路节流式系统则相反 。

高速开关阀在单阀直控式系统应用中要避免死区，即不能切断对有杆腔的油液供给，所以系统中高速开关阀控制信号的占空 比变化范围通常设定为25%～100%；而旁路节流式系统是利用高速开关阀的死区与饱和区，通过占空比渐变实现死区与饱和区之间的过渡，所以旁路节流式系统中高速开关阀控制信号占空比的变化范围设定为O%～100%。

设液压缸行程为0.2 m，即液压缸的位移信号区间为[0，0.2]，设计单阀直控式和旁路节流式系统中高速开关阀的脉宽调制信号的占空比与液压缸行程之间的函数关系分别如式(1)、(2)所示。

1 0.04< 0.16l25x 0.01< 0.04.25 0 0.011 0.19< 0.2100(x-0.16)/3 0.16< 0.190 0.04< 0.16- 100( -0.04)/3 0.0l< 0.041 0 0.O1(1)(2)式中， 、fz为脉冲控制信号占空比，X为液压缸位移。

2 数学与仿真建模2.1高速开关阀建模依据高速开关阀的开关特性及其数学模型 ，确定阀芯位移 与脉宽调制信号之间的关系如式(3)所示。

0 征O，Z"1J旦 (TTycl-"f1) )l( r2 J专≥- rE ，r0n)l ) (3)： 科l ， )l- 2r . rEr34， 。) 4 2 ”Xh l- l1式中，f1hiT；152hiT；f3t3/T；f4t4/T；15yc1 ( -r1) 3/f2；Tyc2 (1- -153)151/154；rl2f1 ；/( T3)；r34l-r3- /( 1154)；f0n 151 752；15ofT 153 154；了、为脉冲控制信号周期。

阀口开度与阀芯位移之间的函数关系u 如式(4)所示Ahs 1， ch。 sin(20)式中，D为球阀直径；0为球阀座半角；。 为阀口开度； 的计算参见文献[12]。

- gh ：CdAh /式中， 。 为高速开关阀的通过流量；Cd为流量系数；为高速开关阀两端压差；P为油液密度。

(4)(5)2.2液压系统建模根据已设计的液压系统，采用节点容腔建模法，建立液压系统的流量连续性方程，力平衡方程和辅助方程，联立方程得系统的数学模型。则单阀直控式系统的数学模型如式(6)所示。

2013年3月 高钦和，等：基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计 第 7页书 sv x (6)：. - vwo"-Awx(qx十 w -qout)式中，m为液压缸活塞的等效质量；P 为有杆腔压力 ， 为活塞在有杆腔的有效受力面积， ， 为有杆腔初始容积；P 为无杆腔压力 ， 为活塞在无杆腔的有效受力面积， 。为无杆腔初始容积；为有杆腔泄漏到无杆腔的流量；樱小为流出无杆腔的流量；。 为活塞的粘性阻尼系数；。为油液弹性模量；为有杆腔到无杆腔油液泄漏系数；g为重力加速度。

旁路节流式系统和单阀直控式系统的流量连续性方程不同。则旁路节流式系统的数学模型如式(7)所示。

： (qin-qhsv-qx-Ay戈) 丽 川 (7)d ：. p ～t V --wo2AwX(qx十g sv w ～qou0式中，gi 为流人有杆腔的流量。

根据已建立的数学模型，建立单阀直控式、旁路节流式液压系统仿真模型分别如图3、图4所示。

图3 单阀直控式系统仿真模型图4 旁路节流式系统仿真模型仿真模型中阀口开度和阀芯位移与占空比之间的关系由高速开关阀拈实现，高速开关阀的脉宽调制信号由PWM拈实现。

3 仿真与实验仿真过程中，利用Simulink对单阀直控式和旁路节流式液压系统进行建模，分析液压缸的位移、速度和加速度曲线。

系统使用NI PCI-622 1数据采集卡实现对液压缸位移信号的采集，并通过Labview软件对位移信号处理 ，产生脉宽调制 PWM(Pulse Width Modulation) 。

表 1 仿真模型参数列表表2 高速开关阀动态特性参数注：时间单位为ms第8页 瘟体秸幼与揎副 2013年第2期表2中：t。 为阀的打开时间，t。f为关闭时间，t1为吸合延迟时间，t：为吸合运动时间，t 为释放延迟时间，t 为释放运动时间。

3.1单阀直控式系统仿真与实验基于FESTO液压实验平台搭建系统进行实验。

对实验数据进行有效数据提娶数据拟合、求导等处理，将单阀直控式系统的实验结果与仿真结果的进行比对，得出位移、速度、加速度比对结果分别如图5至图7所示g赴c量图5 单阀直控式系统液压缸的位移图6 单阀直控式系统中液压缸的速度图7 单阀直控式系统中液压缸的加速度由图5～图7可知，高速开关阀均能较好地实现对液压缸速度的控制。在液压缸起动时，能较好地实现对活塞速度的控制 ，减蓄塞起动时的机械抖动；在液压缸运行到位时，能有效地降低活塞的末速度，削弱液压缸到位时活塞与缸套之间的碰撞冲击。仿真结果与实验结果的-致性较好。

由于实验数据在拟合时存在端部误差，所以实验结果与仿真结果端部-致性较差。仿真与实验的结果表明：在单阀直控式油路中高速开关阀能实现对液压缸速度的有效控制，但是在高速开关阀全开时，单阀直控式系统中液压缸的速度为-0.15 m/s，而未使用高速开关阀时的液压缸速度为-0.26 m/s，可见单阀直控式系统中的高速开关阀影响到液压缸的正常运行状态。

3.2旁路节流式系统仿真与实验搭建旁路节流式系统进行实验，采用与单阀直控式系统实验数据处理相同的方法，得系统的位移、速度、加速度比对结果分别如图8至图10所示。

g图8 旁路节流式系统液压缸位移图9 旁路节流式系统液压缸速度掩 ∞ 吆0 c； c； c；2013年3月 高钦和，等：基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计 第 9页图 10 旁路节流式 系统液压缸加速度对比结果表明旁路节流式系统的仿真与实验结果的-致性较好。未使用高速开关阀时的液压缸速度为-0.26 m/s，而在基于高速开关阀的旁路节流式系统中液压缸的最大速度也为-0.26 m/s，可见系统中的高速开关阀未影响到液压系统的刚性。仿真与实验的结果表明在旁路节流式系统中高速开关阀能较好地实现对液压缸速度的控制。

[2[3][4][5][6][7[8[94 结 语 [10]研究结果表明，高速开关阀能较好地实现液压缸速度的控制，且控制实时眭好，精度高。但高速开关阀的单阀直控式应用对液压缸速度的控制仅适用于小流量系统，而高速开关阀的旁路节流式应用对液压缸的控制可应用于流量较大的系统。以对系统的正常工作状态影响与否为判断条件，则高速开关阀旁路节流式应用形式优于高速开关阀单阀直控式应用形式 。