獨立閥口控制系統流量飽和時控制特性研究*

姚建超，梁向京，秦偉業

(中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083)

0 引言

液壓機械、電液、流量匹配及多泵流量匹配負載敏感等傳統的多執行器電液控制技術都采用單閥芯的控制閥，每個閥只有一個可控的自由度，并且容易引起較大的節流損失［1］。獨立閥口控制系統是一種新型的進出油口節流面積可單獨調節的雙閥芯控制控制，相比于傳統的單閥芯系統，該系統增加了其可控自由度，提高了系統控制的柔性。Palmberg教授最早提出獨立閥口控制系統的概念，對執行器進行了壓力和速度解耦，實現了系統壓力和執行器速度的雙變量控制［2－3］，浙江大學的劉英杰對負載口獨立方向閥的控制器及系統特性進行了研究［4］。筆者根據獨立閥口控制系統相較于傳統閥芯位置控制的優勢給出了壓力流量復合控制閥芯位移的方法。針對傳統負載敏感系統多執行器復合動作時重載支路動作緩慢，尤其是當泵的輸出流量不足時重載支路停止動作的缺點，給出了多執行器復合時流量分配控制方法，并建立了雙執行器復合動作控制器及其仿真模型，通過仿真驗證了多執行器在承受慣性負載和負載突變時可以保持動作的協調性和穩定性。

獨立閥口控制系統中每一個執行器均有兩個負載口獨立閥對油缸的進、出油口進行單獨控制，系統的控制柔性增加，而柔性的增加使系統可以通過編程實現對各聯執行器的輸入流量進行等比分配，充分發揮獨立閥控系統的優勢來提高系統的控制特性。

1 獨立閥口控制系統原理

如圖1為獨立閥口控制系統原理圖。

圖1 獨立閥口控制系統原理圖

圖1中，獨立閥口控制系統主要由執行器1、執行器2、負載口獨立閥3．4．5．6、控制器7、變量泵8 和溢流閥9組成。執行器1、2的操作指令并不是由操作者直接提供，而是由經控制器處理后輸出控制信號來控制執行器進油側閥芯位移，因此通過軟件編程可方便地實現多執行器復合動作的分流控制方法。

控制器采集閥芯的實際位移信號X11和X12、執行器進出油口的壓力信號P11和P12及系統工作壓力信號P0，然后根據執行器所處的工況選擇閥3和閥4的控制策略，輸出控制閥芯位移的控制信號D11和D12，從而實現對執行器進出油口的壓力流量復合控制。

2 執行器流量壓力控制策略

2．1 流量控制策略

為了獲得良好的流量靜態控制精度和動態響應特性，采用計算流量控制方法，其計算公式可以表述為 Q=Cd(xv)A(xv。工作原理為:控制器根據輸入的流量Q以及實時監測到的閥進出口壓差ΔP，依據流量計算公式計算出閥芯的理論位移xv'，將該位移信號輸出控制閥芯位移，同時監測閥芯的實際位移xv，通過流量公式計算出通過閥芯的實際流量Q'，將實際流量Q'與理論流量Q進行對比，實現流量的閉環控制［5］，控制原理如圖2所示。

圖2 計算流量反饋控制原理圖

2．2 壓力控制策略

壓力控制方法主要是對閥的出口或入口進行壓力控制使其維持恒定，控制器將閥口前后壓力反饋信號與操作者輸入信號進行對比并計算出相應的閥芯位移，然后用該位移信號控制閥芯位移，實現壓力的閉環控制，控制原理如圖3所示。

圖3 壓力反饋控制原理圖

2．3 復合控制策略

執行器在啟動時其承受的負載與活塞桿運動速度相反，進油側節流閥可以采用流量控制策略以控制活塞桿速度，出油側節流閥可以采用壓力控制策略降低系統背壓從而降低能耗并防止產生氣穴，控制策略如圖4所示。

圖4 執行器復合動作時控制策略

為保證執行器復合動作的協調性必須對執行器流量進行分配，假設執行器1、2的操作指令輸入流量為 Qv1、Qv2，控制器處理后輸入流量指令為 Qk1、Qk2，進油側節流閥的實際輸入流量為Q11、Q21。當泵的輸出流量不足時，系統控制泵的擺角達到最大，此時泵輸出流量最大，系統流量可以按等量減少、等比減少和優先級原則進行分配。

當系統采用優先級原則進行分配時，假設執行器1優先級高于執行器2，則有:

當系統采用等量減少原則時有:

當系統采用等比減少原則時有:

當執行器承受慣性負載時，其啟動速度較慢，此時泵的輸出流量不能完全利用，因此需給出其流量分配方法［6］。假設 M1＞M2，兩個執行器優先級相同，剛啟動時兩個執行器的需要流量之和小于泵的最大輸出流量，即:Qmax＞Q11+Q21

隨著兩個執行器速度的提升，需要的流量也越來越大，由于執行器2啟動速度較快，所以其進油側節流閥實際輸入流量最先達到操作指令輸入流量，即Q21=Qk2=Qv2，而隨著執行器1速度的提升，泵的輸出流量達到飽和而難以滿足兩執行器的實際需要流量之和，此時執行器1的控制流量逐漸降低:

2．4 流量分配策略

由此可得執行器2的進油口節流閥流量為:

則各執行器的進油側節流閥口流量之和為:Q11+Q21=Qmax。待執行器1控制流量逐漸降低，Qk1=Q11時，此時兩個執行器按流量等比減少原則進行分配，兩執行器流量分配與負載無關。負載慣性較小支路執行器可以較快達到設定速度，負載慣性較大支路執行器的控制器輸出流量為操作指令流量并逐漸降低。相比于傳統負載敏感控制系統在流量飽和時出現重載支路執行器動作緩慢，且泵的能量利用率低等缺點，該系統實現了執行器的平穩啟動和協調運動，提高了系統控制特性和負載適應特性。

3 仿真分析

3．1 仿真模型建立

在雙執行器獨立閥控系統中檢測泵的出口壓力P0，液壓缸 1、2 的進出口壓力 P11、P12、P21、P22，負載口獨立閥的主閥芯位移 x11、x12、x21、x22，然后通過simulink連接AMESim進行聯合仿真，輸出負載口獨立閥先導閥的閥芯位移 D11、D12、D21、D22。針對上述提出的壓力流量復合控制策略和流量分配策略，建立系統的simulink控制模型并對其封裝(見圖5)，并通過AMESim建立獨立閥口控制系統的仿真模型(見圖6)。

圖5 simulink控制模型

模型中的負載口獨立閥采用EATON公司的ZTS16閥，閥芯建模及參數設置見參考文獻［7］。系統中所選用的液壓缸缸筒直徑為80 mm，活塞桿直徑為56 mm，獨立閥口控制系統中執行器背壓信號為0．5 MPa，執行器1進油側閥口壓差設定為1 Mpa，對于執行器1、2的輸入流量信號同時設為60 L/min，兩個執行器活塞桿及負載質量M1=20 t，M2=5 t。設定執行器1負載力為40 kN，在第3 s時跳變到50 kN，執行器2負載力恒為40 kN，仿真時間為5 s，仿真步長為 0．01 s。

圖6 AMESim仿真模型

3．2 仿真結果分析

兩個執行器的流量分配曲線如圖7，執行器1輸入流量可快速達到指令流量，執行器2啟動平穩，流量脈動小。隨著執行器2速度的提高，泵的輸出流量達到最大值，此時系統按等比例分配原則對兩執行器進行流量分配，兩個執行器的輸入流量均穩定在50 L/min，實現了執行器復合動作的協調性。在第3 s時執行器1輸入負載發生變化，而執行器1的輸入流量在產生一個較小的流量脈動后系統迅速恢復平穩。泵出口壓力和執行器進口壓力曲線如圖8所示。

圖7 執行器輸入流量

圖8 泵出口壓力和執行器進口壓力

泵出口壓力與執行器1進口壓力始終維持1 MPa左右的壓差，當執行器1負載變化時，系統壓力和進口壓力可以快速響應，執行器2受到的干擾較小。由圖9可知兩個執行器的背壓也可以為維持在設定的0．5 MPa左右，因此可得獨立閥口控制系統可以通過對執行器出口節流閥進行壓力控制，從而降低系統的背壓，為系統節能控制的研究提供了條件。

［12］ Mohammed E1 Moursi，Geza Joos，Chad Abbey．A Second Voltage Control Strategy for Transmission Level Interconnection ofWind Generation［J］．IEEE Trans on Power Electronics，2008，23(3):1178－1190．

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