基于键合图的高速开关阀建模与应用

　　1 高速开关阀的优点及使用范围

　　高速开关阀,即脉冲调制开关式数字阀,是根据脉冲信号的高低电平来控制阀芯的开启和关闭,通过占空比的改变或频率调制来改变阀的平均流量。高速开关阀可一直在全开或全闭状态下工作,能将数字信号直接转换所以具有结构简单、易于配合电子电路等特点。同时,由于高速开关阀与比例阀相比具有控制方便、成本低及抗污染性、重复性好的优点,且非线性现象对数字控制系统的影响较小,因此有很大的竞争力和发展前景。高速开关阀结构简图如图1所示。

　　广泛使用的电液伺服阀在所组成的电液伺服系统中,抗污染性能比较差,对环境要求比较严格,工作可靠性较差,结构比较复杂,零件的加工精度与配合精度要求较高,通常在几微米之内,价格较昂贵。当应用微机与伺服放大器相连时,还必须增设D/A转换,当需反馈时,也必须设置A/D转换。在频率较高的情况下,电液伺服阀有着不可取代的地位,而响应频率在10Hz左右时,高速开关阀及其系统不但克服了伺服阀上述的缺点,并且成本大幅度降低。因此,发展高速开关阀来取代相当一部分电液伺服阀或电液比例阀就非常有意义。

　　2 键合图简介

　　长期以来,在对液压元件和液压系统进行动态分析研究中,往往采用属于经典控制理论的传递函数方法来建模,但是这种方法有其局限性。基于经典控制理论的传递函数分析法仅适用于线性或已线性化的系统,且初始条件为0的情况;然而对某些液压元件或液压系统来说存在一些非线性的因素,有时候这些非线性因素对整个元件或整个系统的相关特性的影响还比较大,不容许将这些因素进行线性化处理。因此,用经典控制理论的传递函数法进行液压元件和液压系统的动态特性分析是有局限性的,在某种程度上说是不准确的。

　　键合图方法是由H1M1Paynter教授于20世纪50年代末提出。键合图法提供了一种统一处理多种能量形式并存的工程系统的动态分析方法,它将多种物理参量归纳为四种状态变量,即势、流、广义位移和广义动量,并采用表征基本物理性能和描述功率变换和守恒的基本连接方式的元件,这样就可以根据系统功率的流向,按照规定的步骤来制定系统的键合图模型并列出状态方程,建立数学模型。与其它数学模型相比,键合图方法可以规则地导出状态方程,而且列写状态方程所用的状态变量一般都是人们所感兴趣的、实际的物理变量,而不是某一变量的高阶导数,因此建立的数学模型条理清楚,简明易懂。同时,可以包含多种非线性,适用于模拟多输入、多输出、工作在大范围内的非线性系统。