双阀控制电液被动施力系统的研究

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液压与气动2008年第12期

双阀控制电液被动施力系统的研究

张　彪1,赵克定1,李阁强2

StudyofDoubleServo2valveControlledElectro2hydraulicPassiveLoadSystem

ZHANGBiao1,ZHAOKe2ding1,LIGe2qiang2

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨　150001;2.河南科技大学机电工程学院,河南洛阳　471003)

摘　要:以无扰动型电液施力伺服系统为目标模型,,为完全流量补偿环节,,为完全无扰动型施力伺服系统。。理论分析和仿真证明该方案可行。

关键词:;;双伺服阀控制

中图分类号:TH137　文献标识码:B　文章编号:100024858(2007)1220030204

0　前言

被动式施力系统[1](又称负载模拟器)是一地面半实物仿真设备,用于对目标物体施加各种负载谱,以模

拟其在运行过程中所受各种动力力矩负载(又称加载),从而检测目标物体驱动系统的技术性能指标[2]。使用被动式施力系统可将自破坏的全实物实验转化为在实验室条件下的半实物的预测性实验,以达到缩短研制周期、节约研制经费、提高可靠性和成功率的目的。

被动式施力系统和被施力系统是一个强耦合系统,其加载系统受被施力系统的强位置干扰,因此产生较大的多余力矩[3],严重影响加载系统的动静态品质。目前国内外对被动式施力系统的研究主要集中在解决多余力矩上,在控制策略上提出了复合式控制、鲁棒控制、神经元控制、速度同步补偿及QFT[4～9]等各种方法,对多余力矩的抑制及提高加载性能起到了一定的作用。随着对施力加载精度的进一步提高,只凭借控制方法很难达到理想效果。针对电液被动施力系统多余力矩形成特点,本文提出通过双电液伺服阀并联控制,实现使强位置扰动型电液施力伺服系统转变为等效完全无扰动型施力伺服系统。1　被动式施力系统的工作原理

施力系统分别是角位移伺服系统和力矩伺服系统;角

位移伺服系统的输出经等效连接弹性负载6和等效连接惯性负载5传递到力矩伺服系统;期望力矩伺服系统在角位移伺服系统的扰动下能够跟踪所设定的力矩信号。力矩伺服系统的力矩设定通过角位移伺服系统角位移乘以加载梯度[2]得到

。

1、11.角位移传感器　2、10、12.电子控制器　3、9.电液伺服阀4.承载对象　5.广义连接惯性负载　6.广义连接弹性负载

7.扭矩传感器　8.施力马达

图1　电液施力系统结构示意图

2　双伺服阀控制原理

目前被动式施力系统一般采用单伺服阀控制,这对伺服阀的性能要求很高,一般要求伺服阀工作在理想情况下才可以满足系统性能要求,实际工作中这种理想情况很难达到。这就引导我们去思考能否通过一定手段使伺服阀工作在理想状态,使用双伺服阀控制

　收稿日期:2007205213

),男,安徽阜阳人,博士生,研究方　作者简介:张彪(1981─

图1是被动式电液施力伺服系统的原理图,由图可知此系统由液压马达、电液伺服阀、控制器、扭矩传感器、位置传感器等部分组成。其中左侧是被施力系统,右侧是施力系统。其工作原理如下:被施力系统和

向:电液伺服系统控制。

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正是基于这种思想产生的。2.1　单阀控制分析

由伺服阀节流公式(4)、流量连续性方程(5)、力矩平衡方程(6)及输出力矩方程(7)并忽略Bcj与Jj可得单阀控制的系统方框图如图2所示

。

此时,压力伺服阀的压力控制只和输入电流有关,可以得到保证,被动式施力系统就等效为无扰的主动式[1]施力系统。这就是采用下面所使用双阀控制的基本思想。2.2　双阀控制

由2.1节分析可知,只要把强迫流量Qd补偿掉,压力伺服阀就可以工作在理想状态,双阀控制正是基于这种思想产生的。在压力伺服阀的基础上并联1个流量阀,用于补偿Qd。此时系统的图2　单阀控制电液施力系统方框图

。。

:

Qj=KqjxVj-KcjpL

伺服阀受一个强流量干扰,干扰更加明显,:

(1)Qd2Dms+Js

式中　Qd———被施力系统运动引起的强迫流量

TL———施力系统输出力矩

G———舵机及连接环节的等效负载刚度Dm———施力系统马达的排量

(4)

式中　Qj———施力系统流量的负载流量

Kqj———施力系统流量伺服阀的流量增益xVj———施力系统流量伺服阀阀芯的开口量Kcj———施力系统流量伺服阀的流量—压力系数pL———施力马达的负载压力

θ——舵机马达叶片的转角d—

J———连接轴惯性负载

施力系统的流量连续性方程为:

θQj=Dmsj+

此强迫流量为产生多余力矩的根本原因。一个伺

服阀控制时很难在补偿上述流量的同时又满足压力的要求。在理论上,单阀控制时采用压力伺服阀是最佳的,但是根据目前国内外设计使用的压力伺服阀的响应特性方程,如果其有负载流量输出,则压力输出传函[1]

为:

(2)pL=K01i-K021+ωQLP2

b2+ωs+1ωpsvpsv式中:K01为负载腔锁闭时压力增益,i为压力伺服阀

输入电流,K02为压力伺服阀负载压降系数,ωb为压力伺服阀静态压降频率,QLP为压力伺服阀的负载流量,ωpsv为压力伺服阀动态响应频率,ζpsv为压力伺服阀的阻尼比。

可以看出压力伺服阀流量输出严重影响压力输出,这就使阀的控制出现困难,压力和流量二者不能同时满足。如果能把这部分不希望流量补偿掉,则压力伺服阀就可以工作在理想状态,即类似工作在负载腔锁闭状态,其压力输出传函为[1]:

(3)pL=K01i2

ζ+2ωpsvs+1ωpsv

4βe

spL+CtcjpL(5)

θ式中　——施力马达叶片的摆角j—

Vtj———施力马达的总容积

β——液压油的等效体积弹性模数e—

Bcj———施力液压马达的黏性阻尼系数Ctcj———施力马达总的泄漏系数

施力系统的力平衡方程为:

θpLDm=(Jj+J)s2θj+Bcjsj+G(θj-θd)(6)式中Jj为施力液压马达叶片及其组件的惯量。

输出力矩平衡方程为:

2

TL=G(θj-θd)+Jsθj施力系统输出压力方程为:

pL=K01i

+2ωpsvs+1ωpsv

由于采用双阀控制,流量伺服阀控制施力系统角

(7)

2

ζ(8)

位移,压力伺服阀控制加载力矩,所以双阀控制系统为

(5)、(6)、(7)一双输入双输出系统。根据上述式(4)、

可得θj和TL为输出的模型:θj

T=

Dm

32

Kce+

Dm+

2

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s

-Kqj(Bcj+Jjs)

4βe

s

Kce+

4βe

s(Bcj+Jjs)

(9)

使用双阀加载效果要好于单阀控制。综上可见,使用流

量伺服阀以完全补偿位置干扰,用压力伺服阀控制加载力矩的双阀控制在多余力矩消除上明显优于单阀控制,多余力矩得到很有效的消除;无论在大梯度还是小梯度加载,使用双阀控制都优于单阀控制。

XVJpL

2.3　完全流量补偿

为保证压力伺服阀压力输出不受强迫流量影响,必须保证流量伺服阀的控制输出为Qd,及补充所有来自被施力系统流量干扰,这时压力伺服阀才可以近似看成工作在理想状态。由式(7)可得:

θT+Gθ(=jJ

统角位移,施力系统之间的位移差。在实际应用中J项产生的位置变化很小,而且为二节震荡环节,不适于做输入信号,所以把此项略掉,可得到输入信号:

θ=+θjd

G

图4　仿真曲线

(11)

4　结论

针对单伺服阀控制施力系统存在的不足,设计一种以流量伺服阀作为强迫流量的完全补偿环节,使压

力阀近似工作在理想状态,进而使被动式施力系统变为等效的主动式施力系统;针对双阀控制施力系统建立了双输入双输出模型;推导了完全补偿强迫流量的输入量方程。理论和仿真结果表明这一方法可以很好的抑制多余力矩问题。

3　双阀控制系统仿真

双伺服阀控制系统方框图如图3所示。

图3　双阀控制电液施力系统传函方框图

参考文献:

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[2]　郝经佳.电液负载仿真台综合性能的研究[D].哈尔滨:

其中:K1、K2为控制器,GLsv(s)为流量伺服阀传函。

根据上述方框图进行仿真,图4a、4b为施力系统在被施力系统不同幅值和频率,力矩为0Nm时跟踪曲线;图4c、4d为被施力系统以幅值±5°、频率15Hz运动,加载梯度为3Nm/°和30Nm/°时,施力系统的力响应曲线。其中1为给定加载力矩曲线,2为流量伺服阀补偿强迫流量,压力伺服阀控制加载力的跟踪曲线,3为采用单伺服阀控制时的力矩跟踪曲线。图4a为被施力系统大幅值高频率运动时的纯多余力矩仿真,其中使用单阀控制时多余力矩

4Nm,使用双阀控制时多余力矩得到很好的抑制,在零附近。图4b为被施力系统小幅值中频率运动时的纯多余力矩仿真,使用双阀控制时多余力矩得到很好的抑制,在零附近优于单阀控制。图4c、4d为加载力矩跟踪曲线,可以看出

哈尔滨工业大学,2001:1-12.

[3]　华清.电液负载模拟器关键技术的研究[D].北京:北京

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[6]　RuiboYuan,JianCao,GeqiangLi,KedingZhao.Torque

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2007年第12期液压与气动

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一种新的液压同步控制系统在地铁车门上的应用

赵光波

TheApplicationofaNewHdraulicSynchronization

ControlSystemtoSubwayDoors

ZHAOGuang2bo

(昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093)

摘　要:在对现有地铁车门开关存在的问题基础上,,并把它应用在

车门上,介绍了其工作原理。

关键词:;;;:　文献标识码:B　文章编号:100024858(2007)1220033202

1　前言

车门,最后减速开关车门。论文中采用电液比例方向流量阀来实现。系统能够通过控制输入电信号的大小

和输入的方向来远控液压缸执行元件,使其实现停止、正反向运动和变速运动等。

(3)车门开关的动作路线:开门的液压油路线:液压泵2出来的液压油经电液比例方向阀4的右路同时进入液压缸11、12的无杆腔,这样活塞带动车门运动

。

作为轻轨和地铁车辆一个重要的组成部件———车

门,在车辆的运营中扮演着重要的角色。车门设计、制造和控制的好坏直接影响着城市轨道车辆的运营状况。本论文在现有车门控制的基础上提出一种新的车门同步控制方式———液压同步控制系统。2　问题的提出

现有城市轨道车辆的车门大多采用继电器、行程开关来进行开关控制。然而,这些继电器容易失效,行程开关动作不到位就会影响车门的开关。因此,本论文提出用液压同步控制系统对车门进行开关控制,消除因为以上面原因引起的车门故障。3　液压闭环同步系统的工作原理

(1)双缸开关门过程中的精确同步实现:从图1我们知道,两个结构、尺寸、排量等相同的液压马达输出相同流量的油分别供给两个有效面积相等的液压缸,实现同步运行。为了消除液压缸在行程终点产生的误差,设置单向阀和溢流阀作为系统的交叉溢流补油回路。

(2)车门开关的速度实现:根据车门的速度2时间(图1a),我们知道,车门先加速开关门,然后匀速开关

theory[R].Nanjing:1stInternationalSymposiumonSys2temsandControlinAerospaceandAstronautics,2006.[7]　WangMingyan,GuoBen,GuanYudong,ZhangHao.Design

ofelectricdynamicloadsimulatorbasedonrecurrentneuralnet2works[J].IEEE,2003.

图1　工作原理

　收稿日期:2007204230

),男,硕士研究生,主要研究方向:　作者简介:赵光波(1981—

流体传动与控制。

[8]　YoonsuNam.QFTforceloopdesignfortheaerodynamic

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[9]　JiaoZongxia,GaoJunxia,HuaQing,WangShaoping.The

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