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电液系统
摘要: 电液系统具有相应快速、 控制灵活等优点而广泛应用于现代工业中, 对促进工业发展具有重要的作用。本文从电液控制系统的建模以及电液元件( 伺服阀、 比例阀) 研究状况、 电液系统的未来发展趋势三方面进行了阐述。
关键词: 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, 多种液压机械装置特别是液压阀得到开发和利用, 19世纪液压技术取得进展, 包括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的高峰期, 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、 分配及控制的一门技术。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优点而广泛应用于冶金、 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、 计算机控制等技术的结合, 电液技术成为现代工程控制中不可或缺的重要技术手段和环节。电液技术既有电气系统快速响应和控制灵活的优点, 又有液压系统输出功率大和抗冲击性好等优点 [3]。
韩俊伟对电液伺服系统的发展历史、 研究现状和系统集成技术的应用进行了全面阐述, 经过介绍电液伺服系统在力学环境模拟实验系统中的应用, 分析了电液伺服系统的集成设计, 比较了中国在电液伺服系统技术研究中的优劣势, 指出电液伺服系统的未来发展趋势与挑战[4]。许梁等从电液元件、 电液控制系统、 现代电液控制策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、 现代控制理论的电液技术方面对电液系统进行了阐述, 对于现代控制理论的电液技术, 从PID调节、 状态反馈控制、 自适应控制、 变结构控制、 模糊逻辑控制、 神经网络控制进行了探究[6]。本文从电液系统的建模、 电液元件( 比例阀、 伺服阀) 、 发展趋势研究进行综述。
2系统的建模
伺服系统是一个由多个环节构成的复杂的动力学系统, 而且是一种典型的非线性时变系统。一方面由于阀口固有的流量一压力非线性、 液体可压缩 性、 电液转换、 摩擦特性、 阔的工作死区等非线性, 以及阻尼系数、 流量系数、 油液温度等的时变性[7]; 另一方面由于系统的负载及所处的现场环境的变化, 导致电液伺服系统参数变化大、 非线性程度高、 易受外界干扰。在工作过程中容易出现非线性振动、 噪 声、 冲击和爬行等异常现象, 而且其诱因不易确定, 影响设备的稳定运行[8]。对电液系统进行准确建立模型是分析电液系统的基础。电液伺服系统本身是非线性系统 ,传统上对电液伺服系统非线性问题的处理方式是在稳态工作点处进行泰勒级数展开。如果把工作范围限制在 工作点附近,高阶无穷小就能够忽略 ,并能够把控制滑阀的流量方程局部线性化,变量的变化范围小 ,线性化的精确性就高 ,阀特性的线性度高,所允许的变量变化范围就大[9]。当电液伺服系统工作在远离系统的工作点时,使增量线性化模型难于奏效 ,可能得到错误的结果或不确定的结果, 因此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
电液系统建模能够分为机理建模和图形建模[10]。机理建模是根据人们在生产实践中总结出来的科学原理, 如质量守恒、 能量守恒、 运动学定理、 热力学定理、 化学反应方程式等基本规律, 经过严格的 数学推导得出的模型, 这需要对系统有一个充分的认识。图形建模即系统辨识, 是经过观测系统输入、 输出以及过程状态, 运用某种数学归纳或统计方法, 抽象出系统的模型, 这些模型又包括参数化模型和非参数化模型。经过机理建模得到含未知参数的系统模型, 再经过辨识实验估计模型 参数是前两种方法的有机结合。
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的状态方程, 并对参数变化下系统的动态特性进行了仿真分析[11]。石红雁等利用 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]。卢贵主等利用功率键合图建立了液压系统模型,并经过Simulink 软件进行动态仿真[13]。吕云嵩在频率域将阀控非对称缸的分段传递函数进行参数整合, 获得了系统的等效传递函数建模方法[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经过简化建立了系统的线性化模型, 并对不同控制参数下系统的动态特性、 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的位置伺服系统, 建立了阀控缸流量连续性方程和液压缸的力平衡方程, 并结合具体的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的传递函数型,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, 建立了系统的线性化模型, 并对采用 控制方法下系统的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, 经过简化建立了舵机液压系统的线性化模型, 基于AMESim仿真软件对系统的动态响应特性、 抗干扰能力进行了仿真分析。仿真结果表明该系统具有良好的动态响应特性和较好的抗干扰能力, 对实际工程应用具有一定的指导意义[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, 推导出一个通用的阀控缸系统数学模型[19]。张远深等经过线性化处理, 建立了变柔性负载实验台变频式电液力控制系统的线性化数学模型, 联合AMESim 和Simulink 建立了系统的仿真模型,并进行了控制算法的仿真。仿真结果表明基于模糊自适应 PID 算法改进了系统的动态特性[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的状态方程, 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的影响。研究结果表明,键合图法与MATLAB软件相结合能直观地分析系统参数改变对系统动态性能的影响[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的建模方法主要 有两种:(1)经过机理建模获得系统传递函数或状态空间方程, 利用 Matlab / Simulink等软件进行仿真分析;(2)经过图形建模形式(键合图等) 建立系统模型, 利用 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的主要非线性因素, 忽略了次要因素或进行了某种近似处理。在实践过程中, 即使忽略微小的非线性因素, 往往也会引起较大误差, 导致理论分析与实际情况不符, 因此要充分考虑电液伺服的非线性因素。
杨军宏等分别推导了阀控非对称缸正反两个方向运动时的状态空间方程, 再将其统一表示成一个完整的非线性模型, 并进行了反馈线性化推导[23]。CHEN Chun ta以一六自由度的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的综合数学模型, 经过实测动态数据对系统的模型进行了辨识, 并与未考虑非线性摩擦力的数学模型进行了比较分析。研究结果表明, 非线性摩擦力对系统的动态性 能具有很大的影响, 不容忽视[24]。高翔等运用非线性分析方法对一试验用电液伺服系统进行理论建模和仿真研究, 引入了一个非线性状态方程模型来描述系统的动态特性, 并在 MATLAB/Simulink 环境下实现了系统的模拟与仿真, 验证了所建立的非线性状态方程模型能够较为准确地 描述系统的动态特性[25]。刘丽兰等针对闭环控制的机床进给伺服系统, 建立了考虑摩擦和间隙非线性因素的综合数学模 型, 仿真研究了摩擦和间隙非线性在低速进给条件下 对工作台输出的影响规律[26]。
综上所述, 非线性因素对电液伺服系统动态特性的影响不容忽视, 考虑非线性因素的研究结论与实际情况重合度更高, 更能解释实际动态测试中出现的时域波形复杂、 频域尖峰繁多等异常现象, 使综合分析系统的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的核心和主要功率放大元件 , 代表了流体控制技术的发展方向。它以传统的工业用液压控制阀为基础,采用电-机械转换装置 ,将电信号转换为位移信号 ,按输入电信号指令连续、 成比例地控制液压系统的压力 、 流量或方向等参数。根据用途和工作特点的不同,电液比例阀能够分为比例压力阀、 比例流量阀和比例方向阀三类 。
对于比例压力阀, 从不同的角度不同学者进行了不同的探索。从数字式的比例阀角度, 由步进电机驱动的增量式数字压力阀和用开关电磁铁操纵的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。从改进比例压力阀的性能角度, 德国亚琛工业大学的泽纳重点研究了直接检测的比例压力阀 ,并特别介绍了采用直接压力电检测的比例溢流阀[28]。中国浙江大学的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的比例溢流阀和比例减压阀 ,并提出采用主阀的三通结构来改进比例减压阀在无负载时的控制性能[29]。从结构原理上对比例阀进行改进的角度 , 德国亚琛工业大学的文加登应用线性液阻代替圆孔阻尼器 ,使溢流阀的动态超调量及快速性略有改进[30]。
对于比例流量阀, 与压力阀不同, 因流量控制阀本身由两个相互独立工作的压差补偿阀和一个节流阀组成,几乎不存在不稳定因素、 噪声和啸叫等缺陷 ,因此研究工作的重点也是放在如何减少动态过程中的流量超调和稳态流量偏差以及结构参数的优化上。浙江大学的路甬祥于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的性能。吴平东在在节流阀的基础上 提出面积补偿方法来消除因负载压力变化造成的流量改变, 使阀的输出流量在一定范围内不收负载压力的影响[31]。王庆丰对比例流量阀的压力补偿器进行了研究, 经过采用流场变化补偿方法提高了比例流量阀的控制精度[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的一种伺服控制元件 , 它能将微弱的电信号转换成大功率的液压信号(流量和压力)。 用它作转换元件组成的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; 对系统中的液压执行机构来说,电液伺服阀是控制元件。
对于伺服阀结构改进, 不同学者进行了不同探索。
在电液伺服阀的部分结构上 , 主要从余度技术、 结构优化和材料的更替等方面进行改造 , 以提高相关性能 。采用三余度技术的电液伺服作动系统将伺服阀的力矩马达、 喷嘴挡板阀、 系统的反馈元件等做成一式三份, 若伺服阀线圈有一路断开, 而系统仍能够正常工作, 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的可靠性和容错能力[33]。从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上, 采用不同的磨配原理 , 如磁力研磨法等原理来提高阀的工作性能.阀芯和阀套组成的滑阀副是伺服阀的核心, 阀套窗口棱边的几何精度决定了阀的工作性能.在阀芯加工最后磨配端面时, 不能直接获得尖锐的棱边, 而是在棱边处产生” 毛刺” , 然后采取措施加以去除 。从利用优质材料进行伺服阀装配角度, 由于伺服阀的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的抱死 现象。喷嘴体与对应孔压装轴向压装力大, 喷嘴体常出现打压渗漏油、 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、 液压油等是相溶的。还有金属清洁与去污特性,因此能够改进润滑条件 , 解决压装中的难点[34]。
5 发展趋势
5.1 电液系统建模
现行广泛采用的依据线性动力学理论、 用确定性的动力学方程对其动态性能进行仿真的研究 方法, 不能准确反映执行机构的动态特征。因此, 应 引入非线性动力学理论和方法进行分析研究。
可从以下几个方面进行深入探索和研究: (1)非线性动力学建模及解析解, 从非线性动力学的观点出发, 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, 从而建立更加精确的非线性模型。 (2) 非线性动力学行为研究 根据非线性动力学原理, 对液压弹簧力、 摩擦力等非线性因素对系统运动特征的影响规律进行更加深入地研究。(3) 非线性振动机制研究 非线性因素的搞合作用, 造成了电液伺服系统的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。弹簧刚度的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、 硬特性的 "跳跃现象"又会使系统响应稳定区域变的复杂。非线性摩擦力引起的负阻尼有可能导致系统失稳而产生 极限环型振荡。同时由于油掠压力脉动、 阀口流 量-压力非线性等因素的影响, 进入液压缸的液压油的压力有微观波动, 基本服从简谐振动规律, 会成为系统的激振源。将现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的机制及诱因, 亦是一个值得深入研究的方向。这对提高伺服系统运行的稳定 性, 防止系统产生非线性振动有重要的理论指导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的发展方向:
(1) 虚拟化 利用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的全过程 , 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 辅助检验(CAI)、 计算机辅助测试(CAT)和现代管理系 统集成在一起 , 建立计算机制造系统(CIMS)使设计与 制造技术有一个突破性的发展。
(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)的智能化伺服阀 , 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的结合的一个方向。经过把电子控制装置安装于伺服阀内或改变阀 的结构等方法 , 形成了种类众多的数字产品。阀的性能由软件控制, 可经过改变程序, 方便地改变设计方案、 实现数字化补偿等多种功能 。
(4)微型化 随着液压技术的进步及竞争的加剧 , 微型伺服阀的技术以体积小、 重量轻、 单位功率大等优点而越来越受到重视。研究重点增大压力的优势 , 应用先进材料和复合材料降低重量和铸造工艺的 发展 , 如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用 , 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。 将发展降低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的 污染检测方法, 对污染进行在线测量。

文献
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