先导式电液比例方向阀换向滞后分析及其补偿方法研究

发布时间：2018-03-10 11:10

本文选题：电液比例方向阀　切入点：先导控制阀　出处：《浙江大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：电液比例方向阀是注塑机、锻压机等重型液压装备的核心控制元件,其良好的比例控制性能及较高的抗污染能力可以满足大多数工业装备的应用要求。但在高性能运动控制方面,由于其固有的结构死区、有限的制造加工精度及保守的控制策略,其动态响应速度还不如电液比例伺服阀。特别是在大流量控制场合,采用多级液压放大结构的先导式电液比例方向阀的换向滞后问题更为突出。因此,这类比例阀目前只能应用于开环控制系统或者动态响应速度要求不高的闭环控制系统。本学位论文基于这一背景,以典型的两级先导式比例方向阀为研究对象,以提高比例阀换向响应速度为目标,从不确定控制死区的检测与自适应补偿、高频响电流闭环控制策略、换向独立控制型先导控制方案等方面展开研究,选题具有广泛的工程应用背景和重要的学术研究价值。本学位论文提出了三种提高先导式比例阀换向响应速度的方法,包括结构死区在线检测和软件补偿方法、非线性电流控制器及双电磁铁联合驱动方法、以及一种具有更高响应速度的先导阀新结构及其控制策略。第一种,针对比例阀中结构死区变化范围大,相互耦合程度高导致闭环控制增益取值保守的问题,提出了一种控制死区在线检测方法,通过精确检测死区大小并结合变增益补偿控制策略合理选择闭环控制增益,可以有效提高比例阀的动态响应速度,该方法可以作为比例阀控制器与比例阀性能匹配优化设计的新方法。第二种,针对传统模拟式线性电流控制器电流调节速度较低,引起阀芯控制响应速度较低的问题,提出了基于内置参考模型原理的非线性电流控制器设计方法,并在此基础上提出了双电磁铁联合驱动策略。试验结果表明,与传统的控制器相比,该电流控制器的频响可提高约36.4%,并使主阀芯的换向滞后时间缩短约20%。采用双电磁铁联合驱动方法进行比例阀位移控制,能使主阀芯换向滞后时间进一步缩短约11%,该方法可以为比例阀数字式电流控制器的设计提供新方案。第三种,提出换向独立控制型先导阀设计方案,该结构采用左右独立驱动的阀芯取代现有的单阀芯结构,阀芯运动组件的运动阻力降低且先导控制增益可独立调节,在此基础上提出了死区预跨越驱动策略,样机对比试验结果表明,比例阀的动态响应性能进一步改善,换向滞后时间从25ms缩短至8ms,双边换向-3db频响从7Hz提升至13Hz,-90°频响从9Hz提升至18Hz,在未显著增加比例阀的结构复杂性的基础上,动态性能指标已经达到比例伺服阀的水平,该方法为多级比例阀的高频响先导级设计及控制提出了新的思路。论文主要结构如下:第一章,阐述了课题的研究背景,介绍了国内外先导式电液比例方向阀的技术现状,综述了高频响先导控制技术、比例阀死区检测与补偿等方面的国内外研究现状。在此基础上确定了课题研究内容,提出了课题的研究关键技术和难点。第二章,建立比例节流型电液比例阀的高精度动态仿真模型。为了提高动态仿真精度,本文将重点针对"反接卸荷式"驱动电路的电压电流耦合特性、电磁铁输入电流-输出力滞回特性,以及主阀异型阀口形状下的液动力负载特性进行建模,并分别进行了试验验证。基于该仿真模型,定量分析了引起主阀芯换向响应滞后的主要因素及其比重,为后续章节提高响应速度奠定基础。第三章,提出比例阀结构死区的在线检测和补偿方法。一方面,针对比例阀固有的中位死区及其不对称问题,从遮盖量和阀芯阀体配合间隙角度分析了控制死区在高精度控制中的敏感性,提出了一种控制死区的在线检测方法。在此基础上,针对比例阀中的过渡位死区和中位死区相耦合的问题,分析过渡位死区对控制性能的影响,提出了一种串联死区解耦变增益补偿算法以实现中位死区和过渡位死区的高精度补偿。最后,懫用对比试验手段验证了所提出控制策略的有效性。第四章,提出数字式电流控制器及双电磁铁联合驱动方法。针对电磁铁驱动力的输出滞后问题,在"反接卸荷式"快速驱动电路的基础上设计了一种基于内置参考模型的数字式电磁铁电流控制算法,并与传统模拟式控制器进行了动态性能对比。在此基础上,设计了一种带初始电流的双电磁铁联合驱动方法,并通过实验手段验证其有效性。第五章,提出一种换向独立控制型先导阀设计方案。介绍了换向独立控制型比例阀的设计原理及功能特点。重点对比分析新型先导阀与传统先导阀的阻尼特性和动态响应特性。基于这种新型先导阀,提出了两种先导控制策略:换向独立控制方法及带死区预跨越的先导控制方法,针对两种控制策略,分别与传统比例阀产品进行了稳态性能和动态性能对比试验。第六章,对论文的研究结论进行总结,在此基础上提出本学位论文的创新点,并展望了课题的后续研究方向。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH137.52

【参考文献】