三級(jí)電液伺服閥特性及其控制技術(shù)研究.pdf

1、在航空、航天、艦船、冶金和交通等領(lǐng)域的許多大型機(jī)械和測(cè)試設(shè)備中，大流量高響應(yīng)三級(jí)電液伺服閥被廣泛應(yīng)用。為打破國(guó)外對(duì)三級(jí)電液伺服閥的技術(shù)和價(jià)格壟斷，進(jìn)一步提高相關(guān)重要設(shè)備的性能和降低設(shè)備研制成本，我國(guó)必須掌握大流量高響應(yīng)三級(jí)電液伺服閥的關(guān)鍵技術(shù)。本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)電液伺服仿真及試驗(yàn)系統(tǒng)研究所承擔(dān)的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題“具有失效保護(hù)功能的大流量高響應(yīng)三級(jí)電液伺服閥關(guān)鍵技術(shù)研究”為背景，對(duì)三級(jí)電液伺服閥進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立、主功率滑

2、閥零位流場(chǎng)特性仿真分析、控制策略和專(zhuān)用伺服控制器的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。
　　三級(jí)電液伺服閥是集機(jī)械、電氣、液壓和控制技術(shù)于一體的關(guān)鍵元件。本文先介紹了它的工作原理，并根據(jù)它的工作原理將它分成前置級(jí)伺服閥、伺服控制器、主功率級(jí)滑閥和閥芯位移傳感器四大組成部分。然后詳細(xì)分析每一部分的結(jié)構(gòu)和原理并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。最后將四部分的模型組合起來(lái)得到三級(jí)電液伺服閥的詳細(xì)整體數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了分析和合理的簡(jiǎn)化。這為深入分析三級(jí)電液伺服閥

3、的特性和控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。
　　在三級(jí)電液伺服閥主功率滑閥零位流場(chǎng)特性分析中，以被國(guó)際上廣泛應(yīng)用的流體仿真軟件FLUENT作為仿真分析工具。首先分別建立了主功率滑閥進(jìn)油腔、出油腔和包含進(jìn)油腔與出油腔的整體二維模型，驗(yàn)證了以滑閥進(jìn)油腔代替滑閥整體作為零位特性研究對(duì)象的可行性，并仿真得到了理想滑閥零位流量特性曲線和流量系數(shù)曲線。然后首次推導(dǎo)出了同時(shí)考慮閥芯閥套節(jié)流棱邊圓角、徑向間隙和預(yù)開(kāi)口量的閥口過(guò)流面積的準(zhǔn)確表達(dá)公式，并利用此

4、公式分析出了單個(gè)因素和多個(gè)因素如何影響閥的過(guò)流面積。最后對(duì)只考慮閥芯節(jié)流棱邊圓角、只考慮閥芯閥套徑向間隙、只考慮預(yù)開(kāi)口量、同時(shí)考慮節(jié)流棱邊圓角和徑向間隙、同時(shí)考慮棱邊圓角和預(yù)開(kāi)口量、同時(shí)考慮徑向間隙和預(yù)開(kāi)口量以及同時(shí)考慮節(jié)流棱邊圓角徑向間隙預(yù)開(kāi)口量七種情況如何影響主功率滑閥性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真研究，得到了各種情況對(duì)應(yīng)的流量特性曲線、流量系數(shù)曲線和零位泄漏流量曲線等，并與理想滑閥進(jìn)行對(duì)比，獲得了各種情況與滑閥流量線性度、零位泄漏流量

5、、流量系數(shù)等性能指標(biāo)之間的定性或定量關(guān)系；同時(shí)分析了閥芯節(jié)流棱邊圓角和徑向間隙如何影響閥口液流射流角。這些分析和結(jié)果具有很好的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　研究三級(jí)電液伺服閥控制策略時(shí)，首先介紹了比例控制和比例微分控制的作用，并仿真分析了它們對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響；然后提出并研究了利用速度反饋補(bǔ)償來(lái)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方法，仿真分析表明這種方法是可行的。最后提出應(yīng)用“基于傳函辨識(shí)的前饋補(bǔ)償控制”來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，該方法先辨識(shí)出三級(jí)電液伺

6、服閥的傳遞函數(shù)并求出傳遞函數(shù)的逆，然后利用逆作為前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
　　在三級(jí)電液伺服閥伺服控制器研究中，先根據(jù)模擬式控制器的原理，按功能不同將它分成信號(hào)輸入電路、比例微分控制電路、LVDT調(diào)制解調(diào)電路、閥芯位移信號(hào)調(diào)理電路、速度反饋電路、顫振信號(hào)電路和驅(qū)動(dòng)器電路七個(gè)組成部分，然后對(duì)每一部分進(jìn)行具體研究和建模分析，從而研制出了模擬式伺服控制器。最后研究了基于DSPs的數(shù)字式伺服控制器，完成了數(shù)字式伺服閥控制器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于

7、模型的控制程序設(shè)計(jì)方式，加快了控制程序的開(kāi)發(fā)，方便了軟件和硬件調(diào)試。
　　實(shí)驗(yàn)研究中，首先介紹了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的原理。接著對(duì)前面研究的各種控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)模擬式控制器和數(shù)字式控制器進(jìn)行測(cè)試。然后對(duì)三級(jí)電液伺服閥的其它性能進(jìn)行了測(cè)試。最后將三級(jí)電液伺服閥的測(cè)試結(jié)果與國(guó)外的同類(lèi)閥進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明比例微分控制、速度反饋補(bǔ)償和基于傳函辨識(shí)的前饋補(bǔ)償控制使三級(jí)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性明顯提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明研制的模擬式控制器和數(shù)字式控