三级电液伺服阀特性及其控制技术研究

发布时间：2020-07-25 07:48

【摘要】：在航空、航天、舰船、冶金和交通等领域的许多大型机械和测试设备中,大流量高响应三级电液伺服阀被广泛应用。为打破国外对三级电液伺服阀的技术和价格垄断,进一步提高相关重要设备的性能和降低设备研制成本,我国必须掌握大流量高响应三级电液伺服阀的关键技术。本文以哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所承担的“十一五”国家科技支撑计划子课题“具有失效保护功能的大流量高响应三级电液伺服阀关键技术研究”为背景,对三级电液伺服阀进行数学模型建立、主功率滑阀零位流场特性仿真分析、控制策略和专用伺服控制器的理论分析与实验研究。三级电液伺服阀是集机械、电气、液压和控制技术于一体的关键元件。本文先介绍了它的工作原理,并根据它的工作原理将它分成前置级伺服阀、伺服控制器、主功率级滑阀和阀芯位移传感器四大组成部分。然后详细分析每一部分的结构和原理并建立相应的数学模型。最后将四部分的模型组合起来得到三级电液伺服阀的详细整体数学模型,并对模型进行了分析和合理的简化。这为深入分析三级电液伺服阀的特性和控制策略研究奠定了基础。在三级电液伺服阀主功率滑阀零位流场特性分析中,以被国际上广泛应用的流体仿真软件FLUENT作为仿真分析工具。首先分别建立了主功率滑阀进油腔、出油腔和包含进油腔与出油腔的整体二维模型,验证了以滑阀进油腔代替滑阀整体作为零位特性研究对象的可行性,并仿真得到了理想滑阀零位流量特性曲线和流量系数曲线。然后首次推导出了同时考虑阀芯阀套节流棱边圆角、径向间隙和预开口量的阀口过流面积的准确表达公式,并利用此公式分析出了单个因素和多个因素如何影响阀的过流面积。最后对只考虑阀芯节流棱边圆角、只考虑阀芯阀套径向间隙、只考虑预开口量、同时考虑节流棱边圆角和径向间隙、同时考虑棱边圆角和预开口量、同时考虑径向间隙和预开口量以及同时考虑节流棱边圆角径向间隙预开口量七种情况如何影响主功率滑阀性能进行了详细的分析和仿真研究,得到了各种情况对应的流量特性曲线、流量系数曲线和零位泄漏流量曲线等,并与理想滑阀进行对比,获得了各种情况与滑阀流量线性度、零位泄漏流量、流量系数等性能指标之间的定性或定量关系;同时分析了阀芯节流棱边圆角和径向间隙如何影响阀口液流射流角。这些分析和结果具有很好的理论意义和应用价值。研究三级电液伺服阀控制策略时,首先介绍了比例控制和比例微分控制的作用,并仿真分析了它们对阀动态特性的影响;然后提出并研究了利用速度反馈补偿来提高系统动态性能的方法,仿真分析表明这种方法是可行的。最后提出应用“基于传函辨识的前馈补偿控制”来改善系统的动态性能,该方法先辨识出三级电液伺服阀的传递函数并求出传递函数的逆,然后利用逆作为前馈补偿环节。在三级电液伺服阀伺服控制器研究中,先根据模拟式控制器的原理,按功能不同将它分成信号输入电路、比例微分控制电路、LVDT调制解调电路、阀芯位移信号调理电路、速度反馈电路、颤振信号电路和驱动器电路七个组成部分,然后对每一部分进行具体研究和建模分析,从而研制出了模拟式伺服控制器。最后研究了基于DSPs的数字式伺服控制器,完成了数字式伺服阀控制器的硬件结构设计,实现了基于模型的控制程序设计方式,加快了控制程序的开发,方便了软件和硬件调试。实验研究中,首先介绍了实验测试的原理。接着对前面研究的各种控制策略进行实验验证,并对模拟式控制器和数字式控制器进行测试。然后对三级电液伺服阀的其它性能进行了测试。最后将三级电液伺服阀的测试结果与国外的同类阀进行了对比。实验表明比例微分控制、速度反馈补偿和基于传函辨识的前馈补偿控制使三级电液伺服阀的动态特性明显提高。实验结果同时表明研制的模拟式控制器和数字式控制器能够满足三级电液伺服阀的控制需要,很好的实现了所需的控制策略,对于保证和提高阀的性能起到了关键性的作用。测试结果与国外同类三级电液伺服阀的比较表明:研制的阀的主要性能指标已达到国外阀的性能指标。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH137.5
【图文】：

加载试验

图 1-1 加载试验系统Fig.1-1 Load testing system图 1-2 振动试验系统Fig.1-2 Vibration testing system图 1-3 运动模拟系统Fig.1-3 Motion simulation system图 1-4 疲劳试验机Fig.1-4 Fatigue-testing machine1.2 电液伺服阀的发展历史20 世纪初伺服机构问世，随着 Nyquist 和 Bode 等人的参与，发展了经典控制理论[4]，伺服控制机构才真正开始迎来曙光。伺服阀的发展也可以追溯到这

振动试验

运动模拟

图 1-3 运动模拟系统Fig.1-3 Motion simulation system图 1-4 疲劳试验机Fig.1-4 Fatigue-testing machine1.2 电液伺服阀的发展历史20 世纪初伺服机构问世，随着 Nyquist 和 Bode 等人的参与，发展了经典控制理论[4]，伺服控制机构才真正开始迎来曙光。伺服阀的发展也可以追溯到这个年代。二战时期，当时气动技术应用中需要实现机械-气的转换功能的元件，从而产生对阀的需求。由德国的 ASKANIA 公司研制并获得专利的一种采用射流管原理的阀，它通过流体的喷射和接收，使动量由射流管向两只接收管转移，实现压力或流量输出的功能；相同的目的，Foxboro 研究出喷嘴挡板阀，它通过挡板的移动，改变挡板与喷嘴之间的过流面积来改变液阻，同样实现了对压力或流量输出的控制。如图 1-5 所示，这两种原理的阀的出现为伺服阀的发展奠定了基础。从输入方式来看，当时德国西门子公司开发了一种双输入的阀，其采用弹簧接收机械信号，采用动圈永磁马达接收电信号。这种结构被认为是现代伺服

【引证文献】