先導式電液比例方向閥換向滯后分析及其補償方法研究.pdf

1、電液比例方向閥是注塑機、鍛壓機等重型液壓裝備的核心控制元件，其良好的比例控制性能及較高的抗污染能力可以滿足大多數(shù)工業(yè)裝備的應用要求。但在高性能運動控制方面，由于其固有的結構死區(qū)、有限的制造加工精度及保守的控制策略，其動態(tài)響應速度還不如電液比例伺服閥。特別是在大流量控制場合，采用多級液壓放大結構的先導式電液比例方向閥的換向滯后問題更為突出。因此，這類比例閥目前只能應用于開環(huán)控制系統(tǒng)或者動態(tài)響應速度要求不高的閉環(huán)控制系統(tǒng)。本學位論文基于這一

2、背景，以典型的兩級先導式比例方向閥為研究對象，以提高比例閥換向響應速度為目標，從不確定控制死區(qū)的檢測與自適應補償、高頻響電流閉環(huán)控制策略、換向獨立控制型先導控制方案等方面展開研究，選題具有廣泛的工程應用背景和重要的學術研究價值。
　　本學位論文提出了三種提高先導式比例閥換向響應速度的方法，包括結構死區(qū)在線檢測和軟件補償方法、非線性電流控制器及雙電磁鐵聯(lián)合驅動方法、以及一種具有更高響應速度的先導閥新結構及其控制策略。第一種，針對比例

3、閥中結構死區(qū)變化范圍大，相互耦合程度高導致閉環(huán)控制增益取值保守的問題，提出了一種控制死區(qū)在線檢測方法，通過精確檢測死區(qū)大小并結合變增益補償控制策略合理選擇閉環(huán)控制增益，可以有效提高比例閥的動態(tài)響應速度，該方法可以作為比例閥控制器與比例閥性能匹配優(yōu)化設計的新方法。第二種，針對傳統(tǒng)模擬式線性電流控制器電流調(diào)節(jié)速度較低，引起閥芯控制響應速度較低的問題，提出了基于內(nèi)置參考模型原理的非線性電流控制器設計方法，并在此基礎上提出了雙電磁鐵聯(lián)合驅動策略

4、。試驗結果表明，與傳統(tǒng)的控制器相比，該電流控制器的頻響可提高約36.4％，并使主閥芯的換向滯后時間縮短約20％。采用雙電磁鐵聯(lián)合驅動方法進行比例閥位移控制，能使主閥芯換向滯后時間進一步縮短約11％，該方法可以為比例閥數(shù)字式電流控制器的設計提供新方案。第三種，提出換向獨立控制型先導閥設計方案，該結構采用左右獨立驅動的閥芯取代現(xiàn)有的單閥芯結構，閥芯運動組件的運動阻力降低且先導控制增益可獨立調(diào)節(jié)，在此基礎上提出了死區(qū)預跨越驅動策略，樣機對比試

5、驗結果表明，比例閥的動態(tài)響應性能進一步改善，換向滯后時間從25ms縮短至8ms，雙邊換向-3db頻響從7Hz提升至13Hz，-90°頻響從9Hz提升至18Hz，在未顯著增加比例閥的結構復雜性的基礎上，動態(tài)性能指標已經(jīng)達到比例伺服閥的水平，該方法為多級比例閥的高頻響先導級設計及控制提出了新的思路。
　　論文主要結構如下:
　　第一章，闡述了課題的研究背景，介紹了國內(nèi)外先導式電液比例方向閥的技術現(xiàn)狀，綜述了高頻響先導控制技術、比

6、例閥死區(qū)檢測與補償?shù)确矫娴膰鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀。在此基礎上確定了課題研究內(nèi)容，提出了課題的研究關鍵技術和難點。
　　第二章，建立比例節(jié)流型電液比例閥的高精度動態(tài)仿真模型。為了提高動態(tài)仿真精度，本文將重點針對“反接卸荷式”驅動電路的電壓電流耦合特性、電磁鐵輸入電流-輸出力滯回特性，以及主閥異型閥口形狀下的液動力負載特性進行建模，并分別進行了試驗驗證?；谠摲抡婺Ｐ?，定量分析了引起主閥芯換向響應滯后的主要因素及其比重，為后續(xù)章節(jié)提高響應速度

7、奠定基礎。
　　第三章，提出比例閥結構死區(qū)的在線檢測和補償方法。一方面，針對比例閥固有的中位死區(qū)及其不對稱問題，從遮蓋量和閥芯閥體配合間隙角度分析了控制死區(qū)在高精度控制中的敏感性，提出了一種控制死區(qū)的在線檢測方法。在此基礎上，針對比例閥中的過渡位死區(qū)和中位死區(qū)相耦合的問題，分析過渡位死區(qū)對控制性能的影響，提出了一種串聯(lián)死區(qū)解耦變增益補償算法以實現(xiàn)中位死區(qū)和過渡位死區(qū)的高精度補償。最后，采用對比試驗手段驗證了所提出控制策略的有效性。

8、
　　第四章，提出數(shù)字式電流控制器及雙電磁鐵聯(lián)合驅動方法。針對電磁鐵驅動力的輸出滯后問題，在“反接卸荷式”快速驅動電路的基礎上設計了一種基于內(nèi)置參考模型的數(shù)字式電磁鐵電流控制算法，并與傳統(tǒng)模擬式控制器進行了動態(tài)性能對比。在此基礎上，設計了一種帶初始電流的雙電磁鐵聯(lián)合驅動方法，并通過實驗手段驗證其有效性。
　　第五章，提出一種換向獨立控制型先導閥設計方案。介紹了換向獨立控制型比例閥的設計原理及功能特點。重點對比分析新型先導閥與