机械反馈式比例阀位置控制系统的仿真研究

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Simulation Study of Position Control System by Proportional Valve ofM echanical FeedbackJIN Yingcun.CHEN Liang(China Ship Development and Design Center，Wuhan Hubei 430064，China)Abstract：The operating principle of a mechanical feedback proportional valve is introduced.Through made the model of andsimulated the hydraulic position control system which utilized mechanical feedback proportional valve as a control element，the perform-ance·changing property of the control system was analyzed when changing the adjustable parameters of valve.The results show that themechanical-feedback proportional valve in the hydraulic position control system has preferable control properties。

Keywords：Mechanicaledback；Proportional valve；Position control比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的- 种具有比例控制功能的液压阀。通常，比例阀是在普通液压阀的基体上加装比例电磁铁而形成。其最大优点是抗污染能力强，可减少由于液压油污染而造成工作故障 J。由于比例阀的-些固有特性，如滞环、非线性等，常常无法使被控系统达到理想的效果 。因此，作者提出采用-种机械反馈式比例阀，其利用杠杆作用形成反馈装置，工作原理如图 1所示。

图 1 机械反馈式比例阀工作原理机械反馈式比例阀由先导阀、主阀、减压阀和两个节流阀组成。主阀芯作为先导阀的负载，采用机械杠杆反馈方式，将主阀芯位置反馈给先导阀阀套；先导阀的油源 P 是由系统油源P。经过减压阀得到的，减压阀的作用是稳定先导阀的油源压力，提高控制的动态品质。

当给先导阀的比例电磁铁输入-定电信号，设先导阀的阀芯向右移动 。，压力油 P 经过右边 的节流阀进入主阀芯右腔，推动主阀芯向左产生-个位移 ，主阀窗 口产生相应 的开度，压力油P.通过主阀窗口向液压缸输出流量和压力。当主阀芯受到向右的扰动力时，主阀开口量变小 ，这时主阀芯通过杠杆作用 ，带动先导阀阀套向左移动，使先导阀开口量增加，因此输出到主阀芯右腔的流量也相应增加，从而使主阀窗口的开口量变大，直到维持在初始值上，杠杆才停止反馈作用；当主阀芯受到向左的扰动力时，也有类似结论。先导阀和主阀之间的节流阀用于调节比例阀主阀芯的运动速度 ，通过调节节流阀的液阻层流液导系数 ，可以改变液压动力机构的动态性能。

1 机械反馈式比例阀数学模型1.1 先导阀流量平衡方程AQ Kq.(Ax。-Ax )-Kc.卸 (1)收稿日期 ：2012-04-06作者简介：金迎村 (1970-)，女，工学硕士，高级工程师，研究方向为船舶装置。E-mail：mianshan-cl###163.com。

· 64· 机床与液压 第4l卷式中： 。为先导阀阀芯位移 ； 为先导阀阀套反馈位移；K 为先导阀流量增益；K .为先导阀流量压力系数。

1.2 主阀芯控制腔油路流量平衡方程△Q Ap2s△ z △p ct△p (2)其中：△pI (3)式中： ：为主阀芯位移；Ap2为主阀芯控制腔截面积；。为节流阀与主阀问控制腔等效 内积 ；C 为主阀芯两控制腔泄漏系数；c 为节流阀的层流液导系数。

1.3 主阀芯动 态力平衡方程A ApLm2s2Ax2m lS2Axf詈.， (4)式中：m：为主阀芯质量；o为反馈杆短臂的长度 ；b为反馈杆长臂 的长度 ；m。为先导 阀阀套质量 ；J为反馈杆转动惯量。

1.4 主阀芯位移与先导阀阀套反馈位移关系： (5)2 位置控制系统数学模型对于图 1所示的阀控位置控制系统，忽略液压缸活塞的黏性阻尼系数，其开环传递函数为：Y--- l-- (6) Vtm 3。

、4/3eA； A：由式(1)-(6)可得系统传递函数方框图如图2所示。

图2 系统传递函数方框图其中：K ；砭 ； mz 2 rm 旨古；Ko。砭C ，K 为主阀流量增益系数为总压缩容积；A。为活塞有效截面积；m为折算到活塞上的总质量 ；K 为主阀和液压缸 的总流量压力系数；Ko 为先导阀与主阀左右两腔的总流量压力系数 ；m.为反馈杆和先导阀套折算到主阀芯上的质量。

3 液压动力机构的仿真设机械反馈式 比例阀位置控制系统仿真参数为：A口22.984 5×10- ，。 1.813 5×10-m3/(s·Pa)，Ko.042 7 mZ/s， 15.328 3×10-m3、m Q 858 2kg，a/b0.1，A。0.041 2 nl ，m 222.62 kg， 0.023 9 1TI ，K 0.532 6 m /s， c0.163 7 S，输入信号为幅值为 10 mm的阶跃信号。

应用 MATLAB/Simulink仿真软件 ，对液压动力机构进行仿真。选择3个节流阀液阻层流液导系数 ，对应的液压缸位移响应曲线如图3所示。

由图 3可以看出，当节流阀的液阻层流液导系数c 比较大时，液压缸的位移响应不存在超调，但系统的响应速度并不是最快；适当减少 c 值，在有微小超调量的情况下，可以加快系统的响应速度，从而使系统的动态性能达到最优；如 c 值过小 ，则不仅系统的响应图 3 液压缸位移响应曲线表 1 仿真结果性能指标4 结论通过对机械反馈式比例阀为控制元件的液压位置系统的建模和仿真，可以看出这种机械反馈式比例阀的动态性能比较理想。该阀在工作过程中可以调整参数，因此具有-定程度的适应性。针对不同的控制负载对象 ，通过对系统的建模仿真和现场调试 ，选择适当的节流阀液阻层流液导系数，可以有效地克服-般比例阀的缺点，使系统控制精度得到较大提高。

(下转第85页)第 10期 陈向伟 等：飞灰测碳在线执行机构的优化设计及仿真 ·85·图 14 位置 3处气缸位置 s、速度 及加速度 。曲线；-76i；图 l6 手爪末端点 A速度变化曲线目昌葛看图 15 手爪末端点 位置变化曲线L 图 17 手爪末端点 A加速度变化曲线3.3 仿真数据结果分析输出的上述曲线代表了气动机械手运动过程的-个阶段：从静止-小臂伸出-手爪张开-手爪闭合-小臂抬起-腰部旋转，由于气动机械手在飞灰测碳机构上的-个工作循环是所选茸段的重复，所以，输出的曲线具有代表性。

从图 12可知 ：由于腕部气缸直接控制手爪对坩埚的抓取，气动手爪气缸的速度首先逐渐升高，然后逐渐减低，在接触到坩埚之前其速度降至最低 ( 0)，这样可有效减少抓取过程对坩埚造成的冲击。

抓取到坩埚以后 ，可以看到气动手爪气缸的速度又逐渐提高。

从图 13-14可知：小臂伸缩气缸与小臂俯仰气缸是匀速运动的 (00， 2 mm/s)，可以比较平稳地控制小臂的伸缩与俯仰 ，从而使气动机械手整体运动平稳。

从图 15-17可知：气动手爪在抓柔埚时，在接触到坩埚时其速度概乎降为0，这就大大降低了手爪在接触坩埚时的冲击和振动 ，从而减少掉埚概率，由于气动手爪处有触觉传感器及三维指力传感器，所以坩埚在被抓起后由于滑动引起的放置时与其他工位的碰撞问题可以得到解决。

4 结论根据飞灰测碳机构 的结构及工作过程 ，分析了飞灰测碳机构存在 的问题 ，如：中心升降旋转工位在升降过程中托埚不稳，容易掉埚；飞灰测碳机构的工作环境灰尘比较多 ，润滑液极易与空气中的灰尘相结合 ，在电厂环境下非常容易堵灰 ，设备维护非常困难等。在此基础上，对飞灰测碳机构应用气动机械手进行了探索 ，指出了应用气动机械手的优势。气动机械手代替中心升降旋转工位在飞灰测碳机构上应用时，可实现快速准确 的抓韧放开 ，运行更精确，振动冲击比较小 ，有效地解决 了中心升降旋转工位在工作过程中托埚不稳，容易掉埚以及中心主轴在电机启动时的冲击较大的问题；而且由于气动机械手使用的是压缩空气，相对来说比较清洁，这样有效解决了飞灰测碳机构在电厂环境下油污染严 重 ，容易堵灰 ，设 备维护 困难 的问题。总之，在飞灰测碳机构使用机械手可以降低机构故障率，延长其使用寿命。但是，文中研究的不足之处在于：未能明显提高飞灰测碳机构完成-次飞灰含碳量测量的测量时间 (20 min)，气 动机械手完成- 次飞灰含碳量测量用时 12 min左右。