新型直动式压电电液伺服阀复合控制方法

　　在电液伺服系统中,电液伺服阀作为连接电气部分与液压部分的桥梁是电液伺服控制系统的核心部件。传统电液伺服阀通常采用力矩马达作为电-机械转换器,分辨率不高,工作频宽较窄。而航空航天和军事等领域常需要高性能电液伺服阀。如何进一步提高电液伺服阀的性能已成为液压技术发展中的一个重点问题。

　　随着以新型功能材料为基础的新型执行器的研制开发,新型高频响电-机械转换器的出现和应用成为可能。新型功能材料包括压电陶瓷、超磁致伸缩材料、形状记忆合金等,都具有各自优良的特性。其中压电陶瓷材料中的压电叠堆型执行器具有刚度强、控制精度高、响应速度快和驱动力大等优点,在精密机械及微定位中有着广泛的应用[1~5]。

　　作者利用压电叠堆执行器取代传统的力矩马达作为电液伺服阀的电-机械转换器,研制出了一种新型直动式压电电液伺服阀,提高了系统的工作频宽。并提出了基于动态Preisach模型的前馈控制和PID反馈控制的复合控制方法,获得了很好的控制精度。

　　1 新型直动式压电电液伺服阀结构

　　新型直动式压电电液伺服阀主要由位移传感器1、弹性回复板2、左端延长杆3、滑阀4、右端延长杆5、压电叠堆执行器6和阀体等部分组成,见图1。当输入电压增加时,压电叠堆执行器伸长推动滑阀向左运动;当输入电压减小时,压电叠堆执行器缩短,由弹性回复板的回复作用力使滑阀向右运动。通过滑阀的运动来控制进油口的开口量,进而控制液体流量以及压力的变化。

　　2 系统特性分析

　　压电叠堆执行器虽然具有诸多优点,但是其输出位移存在非线性,主要表现为迟滞非线性和蠕变非线性两种。迟滞非线性特性是由压电陶瓷晶体极化的偶极矩偏转引起的,表现为压电叠堆执行器在同一输入电压作用下的输出位移并不相同。蠕变非线性是随外加电压变化产生的一种特性,是在恒定电场作用时晶体电畴缓慢排列所表现出来的现象,当施加电压时,压电叠堆执行器的输出位移会在ms级时间内产生变化,之后在很长的一段时间内会发生很微小的位移变化。蠕变的位移变化方向总是与施加电压变化方向相一致。

　　由于压电叠堆执行器的输出通过延长杆直接作用到滑阀上,所以新型直动式压电电液伺服阀滑阀的输出位移也具有迟滞和蠕变非线性。研究新型直动式压电电液伺服阀的特性主要是研究该阀在控制电压作用下的输出位移以及电压不变时输出位移和时间的关系。图2为新型直动式压电电液伺服阀在三角波作用下的位移输出曲线。图中虚线代表新型直动式压电电液伺服阀的标称输入/输出线性化关系。可见,新型直动式压电电液伺服阀具有较强的迟滞非线性,输出响应与标称输出相比有很大的偏差。图3是新型直动式压电电液伺服阀在90 V电压作用下100 s内的位移输出变化曲线,在这段时间内的位移输出的蠕变量约为1.37Lm。可见,新型直动式压电电液伺服阀的蠕变非线性会对控制精度产生一定的影响。