閥-泵并聯變模式電液比例調速系統研制及實驗教學應用

丁海港 趙繼云 沈剛 陳飛 楊寅威

摘? 要 針對目前電液比例控制實驗系統功能單一、操控困難、不易二次開發、無法滿足教學需求的問題，研制閥-泵并聯變模式電液比例調速系統。該系統可以改變控制模式，開展泵控馬達、閥控馬達、閥-泵并聯控制馬達等多種電液比例調速實驗。設計閥-泵并聯變模式電液比例調速系統，闡述其結構和工作原理，建立基于虛擬儀器技術的測控系統，并將此實驗平臺用于電液比例控制的實驗教學，有效提高學生的實踐能力，促進電液比例控制課程建設。

關鍵詞 閥-泵并聯變模式;電液比例控制;液壓調速系統;實驗教學;LabVIEW;虛擬儀器技術

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0114-04

1 引言

電液比例控制技術是在以開環傳動為主要特征的傳統液壓技術和以閉環控制為主要特征的電液伺服控制技術的基礎上，為適應一般工程系統對傳動與控制特性提出的更高要求，采用比例閥或比例泵作為電液控制元件的新興液壓控制技術[1-2]。電液比例控制技術是連接現代微電子技術和大功率的液壓傳動之間的橋梁，已被廣泛應用于工程機械、礦山機械及國防尖端產品等領域，已經成為現代控制工程的基礎技術之一[3-5]。目前美國普渡大學、德國亞琛工業大學以及國內的浙江大學、燕山大學、中國礦業大學均將電液比例控制技術作為機械工程專業學生的專業課程，以培養機電液控制復合人才[6-8]。

電液比例控制實驗系統是開展電液比例控制教學，培養機電液控制復合人才的重要保障。電液比例調速實驗是必開實驗之一，但目前的實驗系統功能單一，只能進行閥控或泵控實驗，而且界面不友好，操控困難，且不易二次開發，無法滿足教學需求[9-10]。針對這些問題，中國礦業大學電液控制團隊研制了閥-泵并聯電液比例調速系統，該系統界面友好，易于操控和二次開發，可以改變控制模式，開展泵控馬達、閥控馬達、閥-泵并聯控制馬達等多種電液比例調速實驗，有效提高電液比例控制課程教學質量。

2 閥-泵并聯變模式電液比例調速系統設計

如圖1所示，閥-泵并聯變模式電液比例調速系統主要由比例泵控馬達單元、比例閥控馬達單元、加載單元、測控單元、切換單元組成，主要元器件及其參數見表1。

比例泵控馬達單元是閉式回路，主要由14-補油電機-泵組、1-閉式電比例變量泵、3-電比例變量馬達組成。補油電機-泵組為閉式系統向閉式泵控馬達閉式回路供油，以補充系統泄漏，通過調整變量泵或者變量馬達的排量，調節變量馬達的轉速。

比例閥控馬達單元是開式回路，主要由13-閥控油源、7-比例方向閥組成。閥控油源為比例方向閥提供恒壓油源，通過調整比例方向閥的開度，就可以調節變量馬達的轉速。

加載單元主要由6-轉動慣量、8-加載泵、9-比例溢流閥、10-加載電機-補油泵組組成。通過改變慣量的大小，實現慣量加載;通過調節比例溢流閥的溢流壓力，實現負載力矩的加載。

測控單元主要有2-流量傳感器、12-壓力傳感器、5-轉速扭矩儀及變模式控制器，主要實現系統的狀態監測和模式切換。

切換單元包括15-L型三通截止閥、16-二通截止閥、17-梭閥。通過切換截止閥的位置，可實現閥控馬達、泵控馬達、閥-泵并聯控制馬達。截止閥狀態與控制模式關系見表2。

閥-泵并聯變模式電液比例調速系統是多輸入單輸出系統，可以處于多種工作模式。當處于泵控模式時，通過調節變量泵或變量馬達的排量，以控制馬達的轉速;當處于閥控模式時，通過調節比例方向閥的開度，以控制馬達的轉速;當處于閥-泵并聯模式時，轉速進入馬達的流量等于泵的流量和閥的流量之和，泵控和閥控共同調節馬達的轉速。閥-泵并聯變模式電液比例調速系統，建立了控制結構依控制要求而變的靈活的控制機制，可充分發揮閥控、泵控各自的優勢，改變了目前液壓調速方式選擇的單一性和簡單化，豐富了液壓系統的方式，使電液控制系統更具靈活性和適應性，將有望提高大功率液壓調速系統的綜合性能。

3 基于虛擬儀器技術的測控系統

虛擬儀器技術是儀器領域的一次變革，利用“硬件虛擬化、軟件化”的思想，以便最大限度降低成本，并增加系統的功能與靈活性。利用美國NI公司研發的LabVIEW平臺開發基于虛擬儀器技術的測控系統（見圖2），其主要包括工控機、采集卡、傳感器、測控程序。通過傳感器測量馬達轉速、系統壓力、泵及比例閥的流量等信號，通過采集卡采集傳感器信號，然后傳輸進入工控機，以進行數據處理、顯示與存儲、變結構控制，最后采集卡分別輸出信號到變量泵、控制閥、比例溢流閥，實現多模式控制和系統加載。

4 實驗教學應用

在江蘇高校品牌專業建設工程、江蘇省自然基金項目、中國礦業大學教育教學項目等項目的資助下，研制閥-泵并聯變模式電液比例調速系統（見圖3），其主要由泵站、電液控制系統、回轉臺組成，系統總功率180 kW，流量250 L/min，壓力25 MPa。利用該實驗系統可進行閥-泵并聯控制馬達閉環調速實驗[11-12]（見圖4），各調速階段的控制模式為：在低轉速運行階段，采用泄油式并聯閥控模式，以提高馬達轉速的低速平穩性;加速和減速階段，采用并聯泵控模式，以保持系統的高效率;在勻速階段，采用補油式并聯閥控，以實現馬達轉速對階躍負載干擾的快速調節。實驗結果表明，閥-泵并聯變模式比例調速系統具有較高的穩定性和速度跟蹤特性，提高了大功率液壓馬達調速的綜合性能，如啟停平穩性，對負載干擾的快速調節特性，以及系統的高效率。

目前，該實驗系統已成為電液比例控制課程主要的實驗設備，開設的實驗主要有變量泵控定量馬達、定量泵控變量馬達、閥控馬達、閥-泵并聯控制馬達實驗，虛擬儀器測控實驗，電液比例智能控制實驗。通過以上實驗，貫通了機械工程專業學生在機械傳動、液壓傳動、電氣傳動、自動控制等方面的理論知識，使學生更加深入了解電液比例調速系統與控制技術，提高了學生對復雜機電系統設計、搭建、分析的能力，增強了綜合利用機電液一體化技術進行創新的能力和實踐能力。

5 結語

針對目前電液比例調速實驗系統功能單一、操控困難、不易二次開發的問題，研制閥-泵并聯變模式電液比例調速系統，豐富了電液比例控制實驗教學資源。該實驗系統可通過改變控制模式，實現泵控馬達、閥控馬達、閥-泵并聯控制馬達等多種電液比例調速實驗;同時基于虛擬儀器技術開發測控系統，以便于系統的二次開發。將閥-泵并聯變模式電液比例調速系統用于實驗教學，促進了電液比例控制課程建設，有效提升了機械工程專業學生的綜合實踐能力、創新能力，有利于培養國家急需的機電液復合型專業人才。

參考文獻

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