中位关闭的电液控制阀系统的可靠.doc

液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译） 02级 机制 3班 潘正华 16 号
中位关闭的电液控制阀系统的可靠
的流量控制在行走设备中的应用
S.Cetinkunt,U.Pinsopon,C.Chen,A.Egelja,S.Anwar
Department of Mechanical and Industrial Engineerin,University of Illinois at Chicago,842West TaylorSt,Chicago,IL 60607,USA
摘要：在行走设备中，例如推土机和建筑机械（如轮式装载机，挖掘机，收割机），数字控制的电液中位关闭阀和负载传感的液压泵系统正在很快的取代老一代的靠液—机控制（先导驱动，机械方式控制）的中立连通阀和定量泵系统。随着精心设计和调整的运动控制系统，运用中立关闭阀电液控制的液压系统的能量利用率可以提高到能被实现的显著的燃料节约点。还有，对于不同的操作经由快速控制软件可以优化机器的动作，有些能力在液—机控制系统中是没有办法实现的。对于行走设备来说，能量利用率、高的运行特性、基于可重组性和可靠性的软件都是其电液控制系统设计的主要对象。
关键词：电液控制系统，可靠的流量控制，电液系统，二级比例控制阀，变量泵，轮式装载机，建筑设备
1·简介
据估计自2000年起，在电气—液压系统方面的市场份额大约是每年300—350亿美元，其中大约有80—100亿美元的市场份额是属于建筑设备行业的。其他的份额分别属于航空业，冲压机行业，钢板展平行业。电动—液压市场产品主要的元件有液压阀阀，液压泵，液压马达，液压缸，管件，管接头和过滤器等。
在过去的二十年间，低成本，计算能力的提高，数字处理信号的可靠性已经改变了控制系统的工程实践。行走设备行业也不例外，建筑设备行业像汽车行业一样也正在跟随着这样的技术潮流—更多的数字控制系统和电气控制系统，而非传统的机—液控制方法。例如，汽车行业已经在发展的用于转向、制动和发动机油门控制的电气控制系统，并且期望这种款式的车在2007年见诸市场。其中的一些原理正在被应用于建筑设备的一些器件，转向和动力系统控制。
在过去二十年间，电气—液压系统的发展应主要归功于数字信号控制和它在液压元件设计方面的应用。液压元件（如阀、泵、马达、和液压缸）的机械设计已经有好多年没有改变了。主要的不同是机—液传感和控制功能正在被电气传感和控制功能所替代。在1950年设计并申请专利的电气—液压伺服阀在今天的许多行业仍在主要的被应用。液压系统方面的教科书仍然是35年多前编写的书。液压控制系统敏感性分析也是现成的内容。关于液压系统方面的PID控制、消极的被动式控制、适应性控制的应用，自动调协适应性控制，线性化的动态特性和网络控制的应用也已经被讨论过了。
本篇文章展示了应用于轮式装载机的铲斗液压系统的电气—液压控制系统（如图1所示）。这种已发展起来的控制系统是用具有实时操作系统的工业Pc机来操作的，这个实时操作系统具有一个用与进出口交接的基于Motorola68000微信息处理器的嵌入式控制器。这种控制系统正在市场上被改进后的轮式装载机上被测试。
2·用欲于行走设备的电—液控制系统
轮式装载机铲斗动作两个自由度：举升动作和俯仰动作（如图2所示）。每个动作都有一个直线型液压缸所驱动，由一个二级电液比例阀控制。对轮式装载机的铲斗动作主要有两个类型的电液控制系统：中立连通系统和中立关闭系统（如图3、4所示）。力求简单，在泵和液压缸管道上的溢流阀和每个液压缸两端的减压阀都没在图中有所表示。中立连通系统包含有一个定量泵和两个中立连通阀，其中一个阀用于连接举升和俯仰回路。中立关闭系统包含一个变量泵，一个用于俯仰回路的中立连通阀和一个用于举升回路的中立关闭阀。值得注意的是两个阀以串联方式连通液压泵，而非是并联方式。俯仰阀在举升阀之前连入液压泵，这种安排方式被称作俯仰优先液压回路，在建筑机械里面这是一种标准的设计。泵的型号不能够同时提供来自两个液压缸的最大流量要求。泵的型号受到经济性和发动机分配到其他子系统回路能量的限制。如果两个液压缸同时要求最大的流量，那么俯仰缸能够达到所要求的流量，而举升缸则达到剩余的流量。用于铲斗控制的液压系统的操作在图示3中有所说明。液压泵将从发动机得到的机械能转化成受压液体的压力能。液流将流向俯仰缸和举升缸。流向每个液压缸的流量受到俯仰阀和举升阀的控制。这些阀是在初始位置具有重叠结构的四通二级比例方向阀。受到电磁阀的控制，并且控制型号被先导阀所放大。滑阀的重叠几何结构导致了滑阀位置和流量之间的机械迟缓率。来自阀的准确的迟缓率主要是由于在机械制造过程中的制造偏差的变动所引起的。可观察的迟缓率受到滑阀表面摩擦的影响由于摩擦的不可重复性，正常滑阀迟缓率的准确值也是不可重复的。存在的有限的磁滞现象是由电磁铁的磁性引起的。
中立连通和中立关闭电液系统的主要不同是能量利用率上。中立连通电液系统有一个定量泵，这个泵所提供到系统的流量于需求和流量无关，但和流量的输入速度是成比例的，Ｑp=Dp(Qo)．Weng
Ｑp——泵的流量
Dp(Qo)——泵的排量
Qo——旋转斜盘的倾斜角度
Weng——发动机的转速
在一个定量泵中由于旋转斜盘的角度（Qo）一定所以排量Dp(Qo)也是一定的。因此即使当铲斗不运动（需求流量为零）时，在循环回路中泵仍然以全功率（全流量）循环，显然，这存在着能量的浪费。
在中立关闭电液控制系统中，举升阀的中间位置上没有连通泵和油箱的通口，这样的阀门被称作是中立关闭阀。当两个阀都在零位时，泵的流量没有流通空间，因此，泵不得不是变量型泵，能够提供所需求的流量。当需求的流量是零时泵的控制器调整泵的排量Dp(Qo) 以至使Ｑp为零。泵的排量通过旋转斜盘的角度控制在几乎为零的值和最大值之间调整。结果是，中立关闭电液系统按要求提供流量，并且不浪费比实际需求更多的能量。铲斗电液控制系统消耗的能量占发动机所提供能量的1/3。在建筑设备铲斗控制系统中任何一种能量的节省方式都能显著的燃料节约。
在中立关闭控制系统中，举升阀和俯仰阀除图7所示的一处不同外两者是十分相似的：俯仰阀在初始位置上有一个连通泵和油箱的小孔，当小孔打开时将致使阀内的液体流向举升阀。举升阀则没有这样的通流口，
APT(Xlift)=0.0
APT(Xlift)≠0.0
就现壮看，对每一个阀来说，滑阀的换向力和其排量是相互成比例的，
Flift=Kfil．ilift
Ftilt=Kfit．itilt
Xlift=Flift/Ksl
Xtilt=Ftilt/Kst
APT——举升阀底部连通泵和油箱的通流口面积
APT——俯仰阀底部连通泵和油箱的通流口面积
Xlift——举升阀的排量
Xtilt——俯仰阀的排量
ilift, itilt——电磁铁的电流
Kfil, Kfit—— 电流的放大系数
Flift，Ftilt——滑阀的换向力
Ksl，Kst——弹簧的劲度系数
忽略电流和滑阀位置的瞬时动态响应特性在建筑设备液压控制操作系统中是一个很好的近似。因为，液压缸的频带宽度要比液压阀流体—排量关系之间的频带宽度慢得多。
对于一个液压缸的伸出动作的每一个滑阀来说，流量，滑阀排量和压力之间的不同关系可以表示如下：
ＱP=ＱPT+ＱPA+ＱBT
ＱPT=CdAPT(cs)[(2/r)．(PP-PT)]1/2
ＱPA=CdAPA(cs)[(2/r)．(PP-PA)]1/2
ＱBT=CdABT(cs)[(2/r)．(PB-PT)]1/2
对每一个缸的缩回动作有如下表示：
ＱP=ＱPT+ＱPB+ＱAT
ＱPT=CdAPT(cs)[(2/r)．(PP-PT)]1/2
ＱPB=CdAPA(cs)[(2/r)．(PP-PB)]1/2
ＱAT=CdABT(cs)[(2/r)．(PA-PT)]1/2
如果将液压缸和液压软管里液体的可压缩性计算在内，在缸伸出动作时缸两端的瞬时工作压力有如下模式表示：
PA=[b/(y.Ahe)](QPA-n.Ahe) PB=[b/(Lcy1-y).Are]](-QBT+n.Are)
PP=(b/Vhosel)(QP-QPB-QPT)
当缸缩回动作时有：
PA=[b/(y.Ahe)](-QPA-n.Ahe)
PB=[b/(Lcy1-y).Are]](QBT+n.Are)
PP=(b/Vhosel)(QP-QPB-QPT)
QPT,QPA,QPB,QAT,QBT——端口P,T,A,B之间的流量
PP，PT，PA，PB ——端口P,T,A,B之间的压力
b——液压油的体积模量
Lcy1——液压缸的最大行程
Vhosel——泵和阀之间油液的体积
y,n——液压缸的排量和速度
Ahe，Are——活塞无杆腔和有杆腔的面积
每一个液压缸的动作都可以有如下模式：
meff.y=PA.Ahe-PB.Are-Fext;0<y< Lcy1
meff——
Fext——外部力（如挖掘力）
上式所表示的是电液控制系统的非线性动态模型，它可以被应用于中立连通系统和中立关闭系统。
中立连通系统：中立连通系统有一个定量泵和一个中立连同阀，在阀上有一个连通泵和油箱的通孔，且泵的流量是一定的。
APT(Xs)≠0
QP=DP(Qo).Weng
泵不是实时控制的，它的排量是一定不变的，泵的流量随发动机的转速的变化而改变。
中立关闭系统：中立关闭系统有一个变量泵和一个中立关闭阀，在阀的中位上没有那个连通泵和油箱的通孔，且泵的流量是可以改变的。
APT(Xs)=0
QP=DP(Q).Weng
泵通过改变旋转斜盘的倾角（Q）来调整其排量DP(Q)的，泵排量的调整是基于压力调整，流量控制和其他相关因素来完成的。
（ⅰ）压力补偿式泵控制：控制泵的排量使泵的实际输出压力被调整为理论压力Ppcmd
(ⅱ)负载补偿式泵控制：控制泵的排量使实际的泵的压力和负载压力之差被调整为理想的压力之差
Qcmd=Qoffset+K.(△Ppcmd-（Pp-PL）)D
(ⅲ)流量补偿式泵控制：控制泵的排量使泵的实际输出流量被调整为理想的输出流量Qpcmd
Qcmd=Qoffset+K.(Qpcmd-Qp)
(ⅳ)泵的精确流量控制：控制泵的排量使它和所要求的流量相匹配
QP=DP(Q).Weng
Q=(1/Dp)(QP/ Weng)
Qpcmd=QP(Xs,lift ,Xs,tilt)
Xs,lift ,Xs,tilt——举升阀和俯仰阀的排量，泵的容积可由下式决定Qcmd=Qoffset+K。（1/Dp）(Qpcmd/ Weng)，这种泵的控制方式被认为是PFC, PFC控制方式被应用于这种工作是由于和其他控制方式相比它有较为可观的能量利用率.值得注意的是为了应用PFC控制方法,对被应用的特殊的阀,我们需要泵的变换功能 (1/DP).(QP,Weng). 泵变换的准确度是通过要求流量和输出流量的不匹配来操作的饿,而这种流量的不匹配则会造成严重的性能降低现象.为达到提高得益于PFC中立关闭电液系统能量的利用率而付出的代价是增加了复杂的控制系统.
泵排量的动态响应的连带滞后也应计算在内.用以上结论来代替泵的实际排量和所要求的泵的排量相当的假设,那么一级或二极顺序阀的动态特性就应该包括在泵的饿模型中.Q=[1/((tP1S+1)(tP2S+1))]Qcmd(s)
tP1,tP2----泵的理想排量动态特性响应和泵的实际排量动态响应.
实际上,在中立关闭电液系统中泵的饿动态特性响应时间的影响是非常关键的.因为流量控制阀的频带宽度要远远大于泵的频带宽度.任何一种阀在关闭过程中,如果阀到达零位的时间要比泵 早的多,那么泵的流量将无处可去,就会产生较的压力脉冲,这就可能造成通过溢流阀卸荷而低压运行.
3.实时控制系统
实时控制器硬件包括一个工业PC机和一个基于Motorola68332的嵌入式控制器.另外,一个膝上型PC机通过两个独立的专用的作为调试,控制和转向的拓展工具的串行通讯接口被连接在工业PC机和Motorola68332的界面上. 膝上型PC机通讯工作较IPC和 ECM的控制工作和实时通讯有很低的优先级. IPC和基于Motorola68332的嵌入式控制器连接在专用的CAN母线上,它是现行的自动化行业的通讯标准. 实时控制系统的操作是在工业PC机上完成的. Motorola68332不操作任何控制逻辑.它仅仅是CAN母线和控制系统输入/输出硬件之间的面板.所有的控制逻辑都是以ANSI-C语言在PC机上来操作的. CAN母线的通讯频率是每秒250KB.这种类型的通讯控制器用于非常灵活多变的环境里.在PC机上来操作的用于实时控制的控制系统也可以被用于研究非实时控制的高度非线性化液压循环回路的脱机模拟仿真实验.详细的液压油的非线形模型的发展已经超出了本文研究的范围.
泵,主要的流量控制阀,安全阀和蓄能器要求有在即使在一些特殊情况下也要保持基本保持稳定的特性和规格(例如,在最大负载,液压缸最大速度在零载荷或满载的情况下).对于每一个液压系统的阀的变换,泵的换向,阀的饿频带宽度和泵的饿频带宽度都是实验测出来的.这些参数应该包括在实时控制系统之中.
ECM系统从连杆位置传感和来自角度传感的液压缸位置反馈信号获得操作命令.然后将数据传给CAN数据总线. 工业PC机操作控制逻辑信号,并且将输出命令传给CAN数据总线. ECM从CAN数据总线读到输出信息并将输出信号传送到各个电磁阀上和泵排量控制的电磁阀上.在这个操作过程中,数字控制器仅仅传送所需求的泵的排量信息到本机泵的排量控制器.泵控制器通过数字命令信号和泵的排量传感器来关闭泵的排量控制口.
输入控制器的信号有:两个连杆角度位置传感信号,两个角度信号(举升缸和俯仰缸),这两个信号都是-10---+10V DC范围之内的电位信号.输出的信号有:两个输送到电磁铁放大器的电流信号,一个在-10---+10V DC范围之内的泵控制器信号.控制器的频率是100HZ.另外, 举升缸和俯仰缸两端的压力和泵的输出为了进一步的分析被重新整理,甚至不被用于控制系统的压力传感信号也做了整理.
图6所示了控制系统的框图.值得注意的是因为控制器在一个开环内,所以这个控制系统是一个开环控制系统.输送到举升缸和俯仰缸电磁阀的信号主要是有来自连杆的操作者的命令决定的.这种连杆位置和液压缸速度之间的稳定关系是非线形的,这种关系被称作是连杆调节曲线图.为了形成电液系统的动态响应特性,各种各样的渗透,加速度和冲击强迫作用在输出信号上, 这个控制也应该包括跳到阀的机械迟缓率正向前馈传送迟缓率补偿系统。在机器上特殊阀门迟缓率的准确的饿一致性和变换性是非常重要的对于控制体统来说。液压缸的位置和其他能量控制补偿作为一个传送到阀门的控制信号调节器。来自液压缸位置的反馈信号被用于适当地减慢液压缸的动作当其快要到达行程极限的时候。这种方法在电液控制技术上被称作电控制动。泵的控制信号主要是有举升阀和俯仰阀所要求的排量来决定的。
图7显示了由实验得出的基于阀的几何结构的特性曲线。图8显示了为提供举升缸和俯仰缸同时动作时所需流量要求的必须的泵的排量变化曲线。这个变化曲线不同载荷情况下被考虑的阀排量的平均值来决定。泵的排量和阀的动态调整控制对液压缸是非常重要的，因为泵控制和阀控制之间的频带宽度是不相同的（如图9所示）。图9图例说明在中立关闭电液系统控制方面的挑战。中立关闭电液系统适当控制的关键是按要求提供流量。在系统中为了没有太长的延迟或太大压力冲击而按要求提供流量，液压阀和泵的控制在动态响应中必须被准确的调整。图9a图例显示流量方向控制阀的频带宽度要比泵的快的多，因此当液压缸减速时，阀就会比泵减少排量较早的到达中间位置，这样在泵和管道之间产生较大的压力冲击。图9b图例显示了上述问题的原理上的解决办法。因为我们不能简单地加快泵的频带宽度，所以我们就减慢阀门的动作速度以补偿较慢的泵和避免压力冲击。
4.结果
图10图例显示一个泵和阀控制不协调的例子。在动作停止阶段因为阀的频带宽度要比泵的快的多，阀关闭较泵要早些，那么多余的流量将无处可去，结果就会形成较大的压力冲击和溢流阀被打开。在这种状况下的设备操作是不可被接受的，因为这样将会引起整个设备剧烈的振动，这对机器操作者来说也是不舒服的。图11图例显示在相同操作条件下的相同系统，不过，在实时控制系统中此时液压泵和液压缸的控制是相协调的，实时控制系统是利用合适的参数来调整泵和阀的频带宽度。事实上，阀的命令信号被延迟足够长的时间以致使泵有相当的时间来统调命令。仿真和实验结果达到了很好的一致。很明显，在这种情况下没有任何压力冲击，并且操作也完全可被接受。在实验用的轮式装载机和其他三种基于中立连通电液系统的轮式装载机之间进行了能量节约比较实验，中立关闭系统较中立量筒系统多节约7—15℅能量。
图12图例显示了一系列两种不同轮式装载机的照片：其中之一是市场过去的轮式装载机，另一辆是本研究实验样机。图示结果是通过实验证明得到的。在机械动作方面图片提供了直观的不同之处，需要指出的是两部机器都是在极其相似的条件下被检测的：满负荷和举升回路的突然下落。如果同样一个命令在机器在斜面上或者在突然换向时被发出，设备会向上翘起导致严重的危害。控制系统的参数化是通过调整图示6各部分的参数化来实现的，控制系统的频带宽度和机械平衡性在最终设计时被平衡。实验证明，在提高燃料利用率方面没有什么控制方式可以代替操作平衡的数字控制系统。
5.结论
中立关闭系统较中立连通系统有更高的能量利用率。中立关闭系统的控制功能比中立连通系统较为完善。还有，当元件功能特性下降时，中立关闭系统控制系统存在缺陷的潜在可能性是很高的。在最终的分析中知，经更有效的中立关闭系统的操作所达到的燃料节约将超越其控制系统的复杂性，对行走设备操作来说中立关闭电液系统将会变成一种标准。
在建筑设备领域，现有的技术水平已足够实现动作的闭环控制。另外，开环控制系统对传感器故障有较大的误差。但是，这种方法可能做为一种技术改变自动控制的前进方向.

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