电液控制新版系统.doc

电液系统摘要：电液系统具备相应迅速、控制灵活等长处而广泛应用于当代工业中，对增进工业发展具备重要作用。本文从电液控制系统建模以及电液元件（伺服阀、比例阀）研究状况、电液系统将来发展趋势三方面进行了阐述。核心词：电液系统；建模；比例阀；伺服阀；发展趋势 1前言18世纪欧洲工业革命时期，各种液压机械装置特别是液压阀得到开发和运用，19世纪液压技术获得进展，涉及采用油作为工作流体和采用电来驱动方向控制阀，20世纪50-60年代是电液元件和技术发展高峰期，在军事应用中得到广泛应用1。液压技术是以液体为工作介质，实现能量传递、转换、分派及控制一门技术。液压系统因其响应快、功率体积比较大、抗负载刚度大以及传递运动平稳等长处而广泛应用于冶金、化工、机械制造、航空航天、武器装备等领域2。随着液压技术与微电子技术、传感器技术、计算机控制等技术结合，电液技术成为当代工程控制中不可或缺重要技术手段和环节。电液技术既有电气系统迅速响应和控制灵活长处，又有液压系统输出功率大和抗冲击性好等长处 3。韩俊伟对电液伺服系统发展历史、研究现状和系统集成技术应用进行了全面阐述，通过简介电液伺服系统在力学环境模仿实验系统中应用，分析了电液伺服系统集成设计，比较了国内在电液伺服系统技术研究中优劣势，指出电液伺服系统将来发展趋势与挑战4。许梁等从电液元件、电液控制系统、当代电液控制方略三方面对电液系统进行了阐述，指出了电液发展趋势5。陈刚等从电液元件、电液控制系统、计算机在电液系统中应用、当代控制理论电液技术方面对电液系统进行了阐述，对于当代控制理论电液技术，从PID调节、状态反馈控制、自适应控制、变构造控制、模糊逻辑控制、神经网络控制进行了探究6。本文从电液系统建模、电液元件（比例阀、伺服阀）、发展趋势研究进行综述。2系统建模伺服系统是一种由各种环节构成复杂动力学系统，并且是一种典型非线性时变系统。一方面由于阀口固有流量一压力非线性、液体可压缩 性、电液转换、摩擦特性、阔工作死区等非线性，以及阻尼系数、流量系数、油液温度等时变性7；另一方面由于系统负载及所处现场环境变化，导致电液伺服系统参数变化大、非线性限度高、易受外界干扰。在工作过程中容易浮现非线性振动、噪 声、冲击和爬行等异常现象，并且其诱因不易拟定，影响设备稳定运营8。对电液系统进行精确建立模型是分析电液系统基本。电液伺服系统自身是非线性系统 ,老式上对电液伺服系统非线性问题解决方式是在稳态工作点处进行泰勒级数展开。如果把工作范畴限制在 工作点附近,高阶无穷小就可以忽视 ,并可以把控制滑阀流量方程局部线性化,变量变化范畴小 ,线性化精准性就高 ,阀特性线性度高,所容许变量变化范畴就大9。当电液伺服系统工作在远离系统工作点时,使增量线性化模型难于奏效 ,也许得到错误成果或不拟定成果，因而电液系统建模从线性与非线性两方面进行研究。2.1 线性建模研究电液系统建模可以分为机理建模和图形建模10。机理建模是依照人们在生产实践中总结出来科学原理，如质量守恒、能量守恒、运动学定理、热力学定理、化学反映方程式等基本规律，通过严格 数学推导得出模型，这需要对系统有一种充分结识。图形建模即系统辨识，是通过观测系统输入、输出以及过程状态，运用某种数学归纳或记录办法，抽象出系统模型，这些模型又涉及参数化模型和非参数化模型。通过机理建模得到含未知参数系统模型，再通过辨识实验预计模型 参数是前两种办法有机结合。DASGUPTAK等以伺服阀控液压马达系统为研究对象，运用功率键合图法建立了系统状态方程，并对参数变化下系统动态特性进行了仿真分析11。石红雁等运用 Simulink 软件包对阀控对称液压缸线性传递函数模型进行了动态仿真12。卢贵主等运用功率键合图建立了液压系统模型,并通过Simulink 软件进行动态仿真13。吕云嵩在频率域将阀控非对称缸分段传递函数进行参数整合，获得了系统等效传递函数建模办法14。AYALEWB,SEOJ等在文献中以电液伺服系统为研究对象，运用线性动力学理论通过简化建立了系统线性化模型，并对不同控制参数下系统动态特性、抗干扰能力进行了仿真分析15。李玲珑等结合水下液压机械于线性关节位置伺服系统，建立了阀控缸流量持续性方程和液压缸力平衡方程，并结合详细简化物理模型和液压缸内部特性推导了阀控缸位置控制系统动态特性传递函数型,采用MATLAB/Simulink对系统动态特性 进行了仿真分析16。MILICV 等运用状态空间法对电液位置伺服系统进行理论建模和仿真研究，建立了系统线性化模型，并对采用 控制办法下系统动态特性进行了仿真研究17。傅晓云等以某水下航行器舵机液压伺服系统 为研究对象，通过简化建立了舵机液压系统线性化模型，基于AMESim仿真软件对系统动态响应特性、抗干扰能力进行了仿真分析。仿真成果表白该系统具备良好动态响应特性和较好抗干扰能力，对实际工程应用品有一定指引意义18。王栋梁等给非对称阀控非对称缸重新定义了负载流量和负载压力，推导出一种通用阀控缸系统数学模型19。张远深等通过线性化解决，建立了变柔性负载实验台变频式电液力控制系统线性化数学模型，联合AMESim 和Simulink 建立了系统仿真模型,并进行了控制算法仿真。仿真成果表白基于模糊自适应 PID 算法改进了系统动态特性20。熊新等人运用功率键合图法建立了单轨车辆换轮库回转机构液压系统状态方程，并结合MATLAB对系统进行了仿真。分析了流量系数及油液体 积弹性模量对系统动态特性影响。研究成果表白,键合图法与MATLAB软件相结合能直观地分析系统参数变化对系统动态性能影响21。王艾伦等综合应用功率键合图理论、大统分析法和耦合理论对复杂非线性液压系统进行了建模与分析22。从上述可知当前电液伺服系统建模办法重要 有两种:(1)通过机理建模获得系统传递函数或状态空间方程，运用 Matlab / Simulink等软件进行仿真分析;(2)通过图形建模形式(键合图等) 建立系统模型，运用 AMESim、20-Sim 等专业软件进行系统仿真。2.2非线性建模研究不论是图形建模还是机理建模，在建模过程中多数仅考虑了系统重要非线性因素，忽视了次要因素或进行了某种近似解决。在实践过程中，虽然忽视微小非线性因素，往往也会引起较大误差，导致理论分析与实际状况不符，因此要充分考虑电液伺服非线性因素。杨军宏等分别推导了阀控非对称缸正反两个方向运动时状态空间方程，再将其统一表达到一种完整非线性模型，并进行了反馈线性化推导23。CHEN Chun ta以一六自由度电液伺服并联平台为研究对象，建立了考虑摩擦非线性因素综合数学模型，通过实测动态数据对系统模型进行了辨识，并与未考虑非线性摩擦力数学模型进行了比较分析。研究成果表白，非线性摩擦力对系统动态性 能具备很大影响，不容忽视24。高翔等运用非线性分析办法对一实验用电液伺服系统进行理论建模和仿真研究，引入了一种非线性状态方程模型来描述系统动态特性，并在 MATLAB/Simulink 环境下实现了系统模仿与仿真， 验证了所建立非线性状态方程模型可以较为精确地 描述系统动态特性25。刘丽兰等针对闭环控制机床进给伺服系统，建立了考虑摩擦和间隙非线性因素综合数学模 型，仿真研究了摩擦和间隙非线性在低速进给条件下 对工作台输出影响规律26。综上所述，非线性因素对电液伺服系统动态特性影响不容忽视，考虑非线性因素研究结论与实际状况重叠度更高，更能解释实际动态测试中浮现时域波形复杂、频域尖峰繁多等异常现象，使综合分析系统动态特性变得更接近实际。3电液比例阀研究电液比例阀是电液比例控制技术核心和重要功率放大元件 ，代表了流体控制技术发展方向。它以老式工业用液压控制阀为基本,采用电-机械转换装置 ,将电信号转换为位移信号 ,按输入电信号指令持续、成比例地控制液压系统压力 、流量或方向等参数。依照用途和工作特点不同,电液比例阀可以分为比例压力阀、比例流量阀和比例方向阀三类 。对于比例压力阀，从不同角度不同窗者进行了不同摸索。从数字式比例阀角度，由步进电机驱动增量式数字压力阀和用开关电磁铁操纵高速开关型数字压力阀都已达到了使用阶段27。环控制精度高 ,无需 A/D和 D/A转换器就能直接与计算机接口。从改进比例压力阀性能角度，德国亚琛工业大学泽纳重点研究了直接检测比例压力阀 ,并特别简介了采用直接压力电检测比例溢流阀28。国内浙江大学郁凯元在文献分别研究了采用系统压力直接检测和主阀芯速度反馈比例溢流阀和比例减压阀 ,并提出采用主阀三通构造来改进比例减压阀在无负载时控制性能29。从构造原理上对比例阀进行改进角度 ，德国亚琛工业大学文加登应用线性液阻代替圆孔阻尼器 ,使溢流阀动态超调量及迅速性略有改进30。对于比例流量阀，与压力阀不同，因流量控制阀自身由两个互相独立工作压差补偿阀和一种节流阀构成,几乎不存在不稳定因素、噪声和啸叫等缺陷 ,因此研究工作重点也是放在如何减少动态过程中流量超调和稳态流量偏差以及构造参数优化上。浙江大学路甬祥于20世纪80年代中期提出了 “流量 -位移 -力反馈 ”等新原理，极大地改进了比例流量阀性能。吴平东在在节流阀基本上 提出面积补偿办法来消除因负载压力变化导致流量变化，使阀输出流量在一定范畴内不收负载压力影响31。王庆丰对比例流量阀压力补偿器进行了研究，通过采用流场变化补偿办法提高了比例流量阀控制精度32。4电液伺服阀研究电液伺服阀是闭环控制系统中最重要一种伺服控制元件 ，它能将薄弱电信号转换成大功率液压信号(流量和压力)。 用它作转换元件构成闭环系统称为电液伺服系统。电液伺服系统用电信号作为控制信号和反馈信号,用液压元件作执行机构，重量轻、惯量小 、响应快、精度高。对整个系统来说，电液伺服阀是信号转换和功率放大元件；对系统中液压执行机构来说,电液伺服阀是控制元件。对于伺服阀构造改进，不同窗者进行了不同摸索。在电液伺服阀某些构造上 ，重要从余度技术、构造优化和材料更替等方面进行改造 ，以提高有关性能 。采用三余度技术电液伺服作动系统将伺服阀力矩马达、喷嘴挡板阀、系统反馈元件等做成一式三份，若伺服阀线圈有一路断开，而系统仍可以正常工作，且有系统动态品质性能基本不变,从而提高了伺服作动系统可靠性和容错能力33。从阀芯和阀套磨配加工工艺改进上，采用不同磨配原理 ，如磁力研磨法等原理来提高阀工作性能.阀芯和阀套构成滑阀副是伺服阀核心，阀套窗口棱边几何精度决定了阀工作性能.在阀芯加工最后磨配端面时，不能直接获得尖锐棱边， 而是在棱边处产生“ 毛刺” ，然后采用办法加以去除 。从运用优质材料进行伺服阀装配角度，由于伺服阀衔铁组件装配是属薄壁件与细长杆装配，压装力稍大时，易产生使工件变形或装配尺寸压不到位抱死 现象。喷嘴体与相应孔压装轴向压装力大，喷嘴体常浮现打压渗漏油、压力窜动、跳跃现象。 FA 表面改质剂不含金属成分及固体润滑剂 、树酯等,使用后没有凝固物及杂质产生 ，与矿物油、液压油等是相溶。尚有金属清洁与去污特性,因此可以改进润滑条件 ，解决压装中难点34。5 发展趋势5.1 电液系统建模现行广泛采用根据线性动力学理论、用拟定性动力学方程对其动态性能进行仿真研究 办法，不能精确反映执行机构动态特性。因而，应 引入非线性动力学理论和办法进行分析研究。可从如下几种方面进行进一步摸索和研究：(1)非线性动力学建模及解析解，从非线性动力学观点出发，综合考虑油源压力脉动、阅口流量-压力非线性、液压弹簧力、摩擦力 等非线性因素，从而建立更加精准非线性模型。 (2) 非线性动力学行为研究 依照非线性动力学原理，对液压弹簧力、摩擦力等非线性因素对系统运动特性影响规律进行更加进一步地研究。(3) 非线性振动机制研究 非线性因素搞合伙用，导致了电液伺服系统执行机构在工作过程中发生非线性振动及动态特性变得复杂和多变。弹簧刚度非线性因素会使运动过程 中系统固有频率不恒定，液压弹簧软、硬特性 跳跃现象又会使系统响应稳定区域变复杂。非线性摩擦力引起负阻尼有也许导致系统失稳而产生 极限环型振荡。同步由于油掠压力脉动、阀口流 量-压力非线性等因素影响，进入液压缸液压油压力有微观波动，基本服从简谐振动规律，会成为系统激振源。将当代非线性振动理论引人电液伺服系统，深刻揭示伺服系统非线性振动机制及诱因，亦是一种值得进一步研究方向。这对提高伺服系统运营稳定 性，防止系统产生非线性振动有重要理论指引意义和工程实际意义。5.2电液元件电液元件比例阀和伺服阀发展方向： (1) 虚拟化运用CAD技术全面支持伺服阀从概念设计、外观设计 、性能设计、可靠性设计到零部件详细设计全过程 ，并把计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机 辅助检查(CAI)、计算机辅助测试(CAT)和当代管理系 统集成在一起 ，建立计算机制造系统(CIMS)使设计与 制造技术有一种突破性发展。(2)智能化 发展内藏式传感器和带有计算机、自我管理机能(故障诊断 、故障排除)智能化伺服阀 ，进一步开发故障诊断专家系统通用工具软件 ，实现自动测量和诊断。(3) 数字化电子技术与液压技术结合一种方向。通过把电子控制装置安装于伺服阀内或变化阀 构造等办法 ，形成了种类众多数字产品。阀性能由软件控制，可通过变化程序，以便地变化设计方案、实现数字化补偿等各种功能 。(4)微型化 随着液压技术进步及竞争加剧 ，微型伺服阀技术以体积小、重量轻、单位功率大等长处而越来越受到注重。研究重点增大压力优势 ，应用先进材料和复合材料减少重量和锻造工艺 发展 ，如锻造流道在阀体和集成块中广泛使用 ，可优化元件内部流动 ，实现元件小型化 。(5)绿色化 减少能耗、泄漏控制、污染控制。 将发展减少内耗和节流损失技术以及无泄漏元件，如实现无管连接 ，研制新型密封等 ;发展耐污染技术和新 污染检测办法，对污染进行在线测量。文献1 6陈刚，朱石沙，王启新，电液控制技术发展与应用J,机床与液压，2 王军政，赵江波，汪首坤，电液伺服技术发展与展望 J,液压与气动，3 黎波，陈军，张伟明，张镇，陈雁，电液伺服系统建模、辨识与控制研究现状J ,机床与液压，4 韩俊伟，电液伺服系统发展与应用J,专项报告，5 许梁，杨前明，当代电液控制技术应用与发展 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