電液比例閥中位死區的線性化補償方法

許振保趙春娥許振珊

（1泰山學院；2泰山職業技術學院，山東 泰安；3濟寧職業技術學院，山東 濟寧）

電液比例閥中位死區的線性化補償方法

許振保1趙春娥2許振珊3

（1泰山學院；2泰山職業技術學院，山東 泰安；3濟寧職業技術學院，山東 濟寧）

電液比例閥存在比較大的零位死區，死區過大，手動操作時，容易使人產生滯后感；位置閉環時，影響控制系統的穩定性和動態特性。為了使電液比例閥在使用中獲得更好的性能，應該設法減小比例閥死區的影響。目前比較常用的減小死區的方法有先導電流法和變增益法。文中提出了另一種解決比例閥死區影響的線性補償方法，并用于比例閥系統的PID控制中。

電液比例閥；中位死區；線性化補償

0 引 言

對電液比例閥控馬達位置閉環系統的控制選擇目前比較成熟的PID控制方法。其中比例方向閥是比例系統中主要控制元件。但為了降低比例閥的制造精度，電液比例閥的中位一般引入較大的搭接量，因而存在比較大的零位死區，死區過大，在手動操作時，容易產生滯后感；在位置閉環時，影響控制系統的穩定性和動態特性。為了使電液比例閥在使用中獲得更好的性能，應設法減小比例閥死區的影響。目前比較常用的減小死區的方法有先導電流法和變增益法。

1 常用減少電液比例閥死區的方法

1.1 先導電流法

通過在控制器上設定最小電流(Imin)或者通過提高控制器在零區附近的靈敏度來達到有效地消除(或者顯著地減小)死區。當最大補償時，很小的輸入信號就使閥芯“跳過”死區，從而消除其影響。如圖1所示：

圖1 先導電流減小死區原理圖

1.2 變增益控制方法

如圖2所示，電液比例閥工作特性可分為三部分：CD段為死區段；BC、DE段為線性段；AB、EF段為飽和段。

圖2 電液比例閥的工作特性

電液比例閥主要工作在死區段和線性段。當閥工作在死區段時，使放大器增益增大，控制電流變大，閥芯快速移過中位，從而實質上減小死區范圍；當閥工作在線性段時放大器增益保持正常，滿足控制精度的要求。由于具體的電液比例閥的死區范圍各不相同，只能由實驗確定，因此，變增益放大器應能在一定范圍內調整增益到正常增益的轉折點。變增益放大器的特性如圖3。

圖3 變增益放大器工作特性

2 線性化補償方法的研究

通過上面對比例閥死區特性的研究知道，比例閥的死區特性曲線如圖4所示。當輸入比例閥電磁鐵線圈的電流I＜D時，比例閥沒有開度，因而沒有液流流過比例閥。但實際上我們希望只要電磁鐵線圈上有電流流過，比例閥就應該有開度，從而有液流流過。以前常用的方法就是當電流值I＜D時，用模擬電路產生I=D的電流值施加到電磁鐵線圈上，或者在數字控制器中預加初始值。下面采用的方法將根據輸入電磁鐵線圈的電流值的增加，使施加的初始電流值逐漸減小至零。

圖4 比例方向閥死區特性曲

根據電位器的工作原理知道電位器的輸入與輸出成線形關系。電位器的輸出信號經過處理后線形變換為電流信號施加于電磁鐵線圈上。因而經過一系列變換后，電位器的輸出信號與電磁鐵線圈的輸入電流I之間成正比。即I=KU。如圖5中的I-U曲線所示：

圖5 I-U 曲線

從上面對比例閥特性的研究知道，通過比例閥閥芯的流量QL與電磁線圈電流之間的關系如圖6所示。圖中D為死區電流值，M 為比例閥最大開口時的電流值。當電流值I＜D時 比例閥沒有流量。

圖6 I-QL

比例閥的流量與電磁線圈電流間的關系可用下面的分段方程表示。

將電位器輸出U與電磁線圈輸入I之間的關系式I=KU帶入式(1)，可以得出電位器輸出U與比例閥流量間的關系：

從而電位器輸出與比例閥流量間存在死區。而我們期望的目標是電位器輸出值與比例閥流量間成比例關系。因此當電位器輸出值比較小時，需要加較大的補償，最大補償量應為對應產生I-QL坐標上I=D的電流值。當電位器輸出值增大時，對應補償量減小直至等于零補償。根據這樣一種思想，在I-U坐標上過（0，D）和對應U坐標軸上I=M時的U=M/K點（M/K，0）作一直線就是我們需要的補償曲線。這一直線的方程可求得：

曲線III′′′,,如圖7所示。

圖7曲線

根據條件M＞D及U＞=0可以得出 I′＞=D，因而可以將疊加后的信號帶入電磁線圈電流與比例閥流量關系式中的中得出比例閥流量與疊加信號間的關系為：

很明顯兩者之間為線形比例關系。如圖8中曲線1所示。

圖8 U-QL

圖8中曲線2為沒有補償信號時的電位器輸出信號與比例閥流量之間的關系曲線，很明顯加上補償信號后比例閥的死區區間減小了。

3 采用線性補償的PID控制方法

圖9是加補償的數字電液比例位置控制系統結構框圖。

圖9 加補償的數字電液比例位置控制系統結構框圖

數字控制器主要由數字PID控制器(控制算法)、死區補償量及比例閥控制/驅動單元等部分組成。死區補償量根據補償曲線計算。將位置給定信號與位置反饋信號的偏差的絕對值作為該時刻的U值代入補償曲線方程即可得到補償量的大小而電流偏差信號兩者的和為:即為數字PID控制器的輸入信號，控制器的輸出信號施加給比例閥控制/驅動單元。

圖10 加補償的PID 流程圖

加上線性補償后的PID控制算法流程圖如圖10所示。采用線性補償的PID控制方法的實質就是在輸入信號與反饋信號形成的偏差信號基礎上，根據比例閥的死區特性曲線在軟件中人為的加上一個由偏差信號大小決定的補償量，從而大大提高了系統的定位精度和穩定性。當然采用這種方法的前提是認為比例閥的死區特性不隨溫度，流量，壓力等外界條件而改變。實踐證明外界條件對比例閥死區特性的影響比較小，采用這種方法對一般應用系統是可行的。

4 總 結

比例閥中位死區在位置閉環控制系統中對系統性能的影響比較嚴重，線性化補償方法能夠減小比例閥死區的影響，但還應進一步尋求解決比例閥死區影響的非線性化方法。

[1]路雨祥. 電液比例控制技術[M]. 北京:機械工業出版社, 1988:11-14.

[2]黎啟柏. 電液比例控制與數字控制系統[M]. 北京:機械工業出版社, 1997:82-91.

[3] Richard. A simplified approach to feedback control system design[J]. Asrne Design Engineering Conferences, 1998, 12(4):45-57.

[4]薛曉虎. 液壓系統閥控液壓馬達回路的動態特性分析[J].起重運輸機械, 2002, (8):23-28.

[5]李皿. 關于自動控制系統的PID調節參數整定模式的改進[J]. 微電子學與計算機, 1994, 3(2):5-8.

(責任編校:劉志壯)

Linearity Compensation Method on Electro-hydraulic Proportional Valve Zero Dead Area

XU Zhen-bao1, ZHAO Chun-e2, XU Zhen-shan3
（1. Taishan University，2. Taishan Polytechnic，Tai’an；3. Jining Vocational Technology College, Jining）

Electrohydraulic proportional valve exits zero dead section. If dead section is over big, it will bring lag effect when handle operate, and affects stability and dynamic characteristic of the control system in positional closed-loop system. So we should manage to decrease the effects of the dead section in order to attain good performance. At present, there are two methods in common use-precursor current and charged plus method. This paper brings forward another method-linearity compensation method, and uses in PID control system.

Electro-hydraulic proportional valve; Dead area; Linearity compensation

TH 137

A

1673-2219（2010）08-0019-03

2010－04－20

許振保（1978－），男，山東寧陽縣人，助教，碩士，主要從事控制技術方面的研究和教學。