单阀直控式高速开关阀液压同步系统数学模型的建立

　　0 引言

　　所谓高速开关阀直控式液压同步控制,是指用高速开关阀直接对回路的流量进行比例调节,从而实现系统各执行元件同步的控制方式。根据系统的结构要求及传递功率的不同,液压回路可设计成为单阀直控或多阀组合控制等形式[1]。其中单阀直控式尽管受限于单个高速开关阀的通流能力(一般小于10 L/min),不能直接应用于功率很大的场合,但对于小型系统而言,单阀直控式回路相较传统的基于伺服阀或比例阀的回路,无论是在系统成本还是响应速度等方面都具有明显的优势。并且还可非常方便地扩展为多缸同步,因而具有良好的工业应用前景。在液压系统的分析与设计中,系统的动态特性是评判系统好坏的最为关键的指标。通过建立系统的动态数学模型并进一步利用仿真工具进行仿真,设计者能迅速地发现研究对象在将来实际工作中的特点和不足,并结合仿真的结果对系统的结构以及各部分的参数进行匹配和优化,以达到改善、改进系统特性的目的。系统数学模型的建立有多种形式,采取何种形式主要取决于系统本身的特性及条件。如对一个单输入单输出系统的响应分析,采用传递函数形式就比较简单方便;如果是一个复杂的系统,则采用状态空间方程进行描述表示更为理想一些[2]。

　　1 单阀直控式同步系统的基本原理

　　系统的基本结构如图1所示[1](图1中只画出了主从2个回路,如果系统需要,可进一步添加从回路)。该系统的同步控制策略是基于/主从0控制的方式,即所有需要执行同步的元件以其中一个的输出为理想输出,其余执行元件跟踪这一选定的理想输出而达到系统同步的控制形式[3]。其控制的基本原理如下:根据系统对执行器速度的要求,控制器首先对主从两回路的高速开关阀输出一个相同的调制率D0(又叫占空比),从而限制液压缸出口流量,系统稳定后,活塞杆以一定的速度伸出。如果主回路和从回路因负载不一致等因素造成系统不能同步,布置在两活塞杆上的位移传感器3,4所传出的电信号,经比较后送入回路的控制器,控制器据此调整高速开关阀2的调制率,加大或缩小从回路的通流量,以实现两回路的同步。

　　2 主回路特性数学模型的建立

　　将图1中左部的回路作为主回路。由图1可知,这是一个开关型阀控缸系统。油泵输出的液压油经换向阀进入活塞缸,推动活塞运动;切换下部的电磁换向阀的工作状态可实现活塞运动的换向。本研究将活塞杆伸出作为工况,并且只对工况同步建立了数学模型。如果系统对回程也有同步要求,则将无杆腔侧的支路参照有杆腔侧的支路镜像处理即可,分析处理方法相同。回路的动态特性如下述。设q1, q2为油缸无杆腔、有杆腔的流量;A1, A2为活塞无杆腔、有杆腔的面积。