高速開關閥用于位置控制系統的可行性

姚建斌（山西太鋼工程技術有限公司，山西太原030009）

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高速開關閥用于位置控制系統的可行性

姚建斌
（山西太鋼工程技術有限公司，山西太原030009）

摘要：介紹高速開關閥控制液壓缸的工作原理，建立其數學模型，分析高速開關閥用于位置控制系統的可行性。通過Simulink仿真軟件建立閥控缸系統的仿真模型，分析閥控缸系統的流量響應曲線、壓力響應曲線，結果表明：基于高速開關閥控制的位置控制系統具有良好的響應特性，高速開關閥能夠滿足其對流量、壓力的需求，從而代替伺服閥實現位置精確控制。

關鍵詞：液壓缸；位置控制；高速開關閥；Simulink；PWM

目前，在位置控制系統中，主要通過伺服閥來實現液壓缸位置的精確控制，但伺服閥存在抗污染性能差、工作可靠性較差、價格較昂貴等缺點［1］。高速開關閥及其系統經實際運行，具有代替伺服閥用于位置控制系統優勢。本文通過建立高速開關閥控制液壓缸系統的數學模型并對其進行仿真分析，驗證高速開關閥用于位置控制系統的可行性。

1　工作原理

1.1高速開關閥動作過程

高速開關閥采用PWM控制，即通過改變占空比τ的大小來實現高速開關閥輸出流量的調節。本研究用的高速開關閥額定壓力為20 MPa，額定流量為9 L/min。高速開關閥的動作分5個階段：電氣延遲階段（電磁鐵電流增長滯后時間，t1），閥芯開啟階段（閥芯開啟運動時間，t2），閥芯全開階段（tt），斷電延遲階段（電磁鐵電流衰減滯后時間，t3），閥芯關閉階段（閥芯關閉運動時間，t4）等［2］，如圖1所示。

圖1　高速開關閥的動作過程

當Tp∈［t1+t2，T-t3-t4］時，閥芯的吸合均到位［3］，高速開關閥工作在線性控制區，此時閥芯位移運動方程為：

式中：Tp為脈沖寬度，T為脈沖周期，xv為閥芯位移，xvm為閥芯最大位移，ton為開啟時間，ton=t1+t2，toff為關閉時間，toff=t3+t4。

1.2高速開關閥控制液壓缸工作原理

高速開關閥控制液壓缸的原理見圖2。缸體向下運動時，高速開關閥3得電開啟，無桿腔通流，高速開關閥4關閉，有桿腔回油。高速開關閥3在進行PWM控制時，保證占空比為線性控制區（避開高速開關閥的死區和飽和區［4-5］）；缸體向上運動時，高速開關閥4得電開啟，有桿腔通流，高速開關閥3關閉，無桿腔回油。高速開關閥4在進行PWM控制時，保證占空比為線性控制區（避開高速開關閥的死區和飽和區）。

圖2　高速開關閥控液壓缸原理

2　系統數學建模

液壓缸的動態特性與外負載特性有關。其中負載力包括慣性力、彈性力、粘性阻尼力和任意其它外負載力。根據牛頓第二運動定律，可得液壓缸的活塞動態力平衡方程為：

其中：m1為缸體質量，x1為缸體位移，B為活塞的粘性阻尼系數，P1為無桿腔壓力，P2為有桿腔壓力，Fw為負載力，A1無桿腔的面積，A2有桿腔的面積。

液壓缸體積流量方程為：

其中：q1為流入無桿腔的流量，q2為流出有桿腔的流量，Cip為液壓缸的內泄漏系數，x0為缸體初始位移量，βe為油液的彈性模量。

在式（3）和（4）中，第一項為推動液壓缸活塞運動所需的流量，第二項是經過活塞密封的內泄漏量，第三項是油液壓縮和腔體變形所需的流量。

高速開關閥的壓力—流量方程為：

其中：Av=πxmsinθ（D+xmsinθcosθ）［6］，D為球閥直徑，xm為高速開關閥的閥芯最大開口度，θ為球閥座半角，τ1、τ2為兩閥的占空比，Av為最大閥口面積；Cd為體積流量系數。

3　Simulink仿真分析

3.1仿真模型

根據高速開關閥控制液壓缸的工作原理及其數學模型，利用Simulink仿真軟件建立系統仿真模型如圖3，其中閥3的占空比為0.8，活塞直徑220 mm，活塞桿直徑180 mm。

圖3　系統仿真模型

3.2仿真結果

系統的流量、壓力、響應曲線如圖4~7，仿真結果匯總如表1所示。

圖4　無桿腔流量躍階響應曲線

圖5　有桿腔流量躍階響應曲線

圖6　無桿腔壓力躍階響應曲線

圖7　有桿腔壓力躍階響應曲線

表1　液壓缸仿真結果

3.3仿真分析

對高速開關閥3的輸出流量而言，理論上，當高速開關閥3的占空比為0.8時，無桿腔的輸入流量應為7.2 L/min，由于無桿腔面積約為有桿腔面積的3倍，故有桿腔輸出流量應為無桿腔流量的1/3左右。分析圖4、5可知，仿真模型中的無桿腔輸入流量為6.6 L/min，比理論值7.2 L/min小，這是由于在實際運動過程中油液的泄露導致高速開關閥的輸出流量減小造成的。有桿腔輸出流量為2.32 L/min，約為無桿腔輸入流量的1/3左右，故仿真結果與理論分析相符，模型正確。同時兩腔的流量階躍響應時間均＜20 ms，高速開關閥的頻響＞50 Hz，系統的頻響較高。

本次研究用的高速開關閥額定壓力為20 MPa，由圖6、7可知，無桿腔壓力穩定值為13.16 MPa，有桿腔的壓力穩定值為0.06 MPa，均小于高速開關閥的額定壓力，故高速開關閥的額定壓力能滿足系統對壓力的需求，同時兩腔的壓力階躍響應時間均＜20 ms，高速開關閥的頻響＞50 Hz，系統頻響較高。

4　結論

通過理論與仿真結果分析可知，高速開關閥工作在占空比為線性控制區（避開高速開關閥的死區和飽和區）時，可以代替伺服閥用于位置控制系統中，能滿足系統對流量、壓力的需求，同時系統的頻響較高。將高速開關閥用于位置控制系統中具有可行性。

參考文獻：

［1］林銳.高速開關閥的研究及數字仿真［D］.湖北：武漢理工大學，2005.

［2］陳先惠.一種高速開關閥的靜動態特性研究［J］.寶鋼技術，2010（6）：40-43.

［3］陳寶江，楊樹興，曹泛.PWM高速開關閥特性分析［J］.北京理工大學學報，1993，13（3）：354-360.

［4］曾德芬.論錐閥的穩定性［J］.重型機械，1996（3）：17-21.

［5］Chen Baojiang, Cao Fan. A Study on the Static Characters of Typical Composite High Spee 0n-off Valves［J］. Journal of Beijing Institute of Technology，1994，3（1）：75-81.

［6］朱梅生.基于PWM技術的高速開關閥控液壓位置系統最優控制研究［D］.長沙：中南工業大學，1999.

Feasibility of High-speed Switch Valve Used For Position Control System

YAO Jianbin
（Shanxi Taigang Engineering Technology Co., Ltd., Taiyuan 030009, China）

Abstrraacctt:: The working principle of hydraulic cylinder controlled by the high-speed switch valve was introduced. The mathematical model was established. And the feasibility of the high-speed valve used for position control system was analyzed. The simulation model in Simulink software was built. And the response curve of flow and pressure of cylinder system controlled by valve were analyzed. The results showed that the position control system controlled by high- speed switch valve has good response characteristics, the high-speed switch valve can meet the system requirements of flow and pressure, so it can replace the servo valve to realize the accuracy control of position control system.

Key worrddss:: hydraulic cylinder; position control; high speed valve; Simulink; PWM

學會動態

《山東冶金統計》2014年編審人員工作會議召開

按照匯編《山東冶金統計》工作方案的部署，為做好2014年《山東冶金統計》匯編工作，山東省冶金工業總公司、山東金屬學會統計信息學術委員會，于2015年10月14日至15日在濟寧市召開2014年《山東冶金統計》編審人員工作會議。會上，山東省冶金工業總公司科技和規劃部副部長、山東金屬學會統計信息學術委員會主任委員郭利民同志作了講話，吳東平科長對2014年工作進行了總結，對下一步工作進行了安排和部署，會議取得圓滿成功。

（盧勇）

濰坊冶金產業聯盟在濰坊成立

當前，我國經濟發展進入新常態，給冶金行業及上下游產業帶來巨大的挑戰。為進一步加強冶金產業與相關單位的協作與服務，在濰坊市經信委、市煤炭冶金行辦的推動下，由濰坊市重點鋼鐵企業倡議成立濰坊冶金產業聯盟，并于2015年11月30日在濰坊召開了聯盟成立大會，山東金屬學會秘書長徐新洲，中國冶金報山東記者站站長羅華國到會并致辭。

（盧勇）

2015全國軋輥使用與制造技術交流會召開

為了促進鋼鐵企業和軋輥制造單位的合作，深入總結和交流近年來我國軋輥應用和管理經驗，推動軋輥行業生產技術以及軋輥工藝裝備方面的新技術進步，加快我國軋輥行業的快速發展，提高其市場競爭力。由河北、山東、江蘇三省冶金（金屬）學會聯合主辦、中國設備管理協會軋輥行業服務中心、唐山聯強軋輥有限公司協辦、石家莊博華展覽有限公司承辦的“2015軋輥使用與制造技術交流會”于2015年12月16—17日在河北省唐山市召開。交流會邀請了全國鋼鐵和軋輥制造單位的管理、技術、學術專家和領導到會交流，會議期間組織代表進行了參觀學習，大會取得了圓滿成功。

（盧勇）

信息化建設

作者簡介：姚建斌，男，1973年生，1996年畢業于鞍山鋼鐵學院冶金機械專業；2007年畢業于太原科技大學材料加工專業，碩士。現為山西太鋼工程技術有限公司設備室工程師，從事機械設計工作。

收稿日期：2015-11-24

中圖分類號：TH137.52

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4620（2015）06-0060-03