高压阀口液动力补偿控制策略仿真分析.pdf
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1、第48 卷第1 期2024 年1 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.001液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics高压阀口液动力补偿控制策略仿真分析Vol.48 No.1January.2024李海宾,沈俊,仇智,苏琦,张志豪,徐兵(浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州3 1 0 0 2 7)摘要:直动式比例伺服阀是一种新型的单级伺服阀,采用比例电磁铁或线性力马达直接驱动滑阀运动,具有成本低、频响高、抗污染能力强等优点,广泛应用于注塑机进给控制、轧机板厚控制系统等高速高精度液压控制系统中。传统的直动式比例伺服
2、阀采用PID控制策略实现阀芯的精确位置控制,在高压大流量工况下(供油压力达到2 0 MPa、流量大于1 0 0 L/min),阀芯受到液动力扰动变得更加剧烈,易出现响应速度慢、阀芯抖动的现象,影响了比例伺服阀的控制精度。为了解决大液动力扰动的问题,提出了一种基于指数收敛干扰观测器的滑模控制器。通过建立阀芯动力学模型来设计滑模控制器,保证阀芯位置的高动态跟踪性能;使用基于指数收敛的干扰观测器,估计阀芯动力学模型中液动力的不确定性扰动,解决高压大流量工况下的阀芯液动力扰动补偿问题。搭建了比例伺服阀系统的联合仿真模型进行仿真验证,结果表明,提出的控制器可以解决高压大流量工况下阀芯液动力扰动对阀芯位置
3、控制的干扰问题。关键词:直动式比例伺服阀;阀芯位置控制;滑模控制;液动力中图分类号:TH137文献标志码:B文章编号:1 0 0 0-48 58(2 0 2 4)0 1-0 0 0 1-0 9Simulation Analysis of Fluid Force Compensation ControlStrategy for High Pressure Valve PortLI Hai-bin,SHEN Jun,QIU Zhi,SU Qi,ZHANG Zhi-hao,XU Bing(State Key Laboratory of Fluid Power&Mechatronic Systems,
4、Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310027)Abstract:Direct proportional servo valve is a new type of single-stage servo valve,which uses proportional solenoidor linear force motor to drive the spool valve directly.Because it has the advantages of low cost,high frequencyresponse and strong anti-pol
5、lution ability,it is widely used in high-speed and high-precision hydraulic controlsystems,such as feed control of injection molding machine and plate thickness control system of rolling mill.Traditional direct proportional servo valve adopts PID control strategy to achieve precise spool position co
6、ntrol.However,under the condition of high pressure(20 MPa)and large flow(100 L/min),the flow force disturbanceof the valve spool becomes more and more serious,which leads to slow response speed,spool dither and it cannotmeet the high-precision control requirements of the proportional servo valve.In
7、order to solve the problem ofworsening flow force disturbance,a sliding mode controller based on exponential convergent disturbance observer isproposed in this paper.The sliding mode controller is designed by establishing spool dynamic model to ensure highdynamic tracking performance of the spool po
8、sition.The disturbance observer based on exponential convergence isused to estimate the uncertain disturbance of flow force in the spool dynamic model and to compensate spool flowforce disturbance under high pressure and large flow conditions.A co-simulation model of direct proportional servo收稿日期:2
9、0 2 2-0 3-0 2基金项目:国家重点研发计划(2 0 2 0 YFB2009903);国家自然科学基金(51 90 547 3)作者简介:李海宾(1 998 一),男,河北衡水人,硕士研究生,主要从事比例伺服阀技术方面的研究工作。修回日期:2 0 2 3-0 6-2 52valve system is built for simulation verification.The simulation results show that the proposed controller can solvethe interference problem of spool flow force
10、 disturbance on spool position control under high pressure and large flowconditions.Key words:direct proportional servo valve,spool position control,sliding mode control,flow force引言比例伺服阀是应用最广泛的电液控制阀之一,在注塑机的压力控制、火炮的姿态调节、舰船汽轮机的调速系统中备受青睐,其阀口开度只取决于输人控制信号,而与供油压力、负载压力和回油压力无关。传统的伺服阀在大流量工况下采用先导级方式进行控制,克服了单
11、级结构推力不足的瓶颈2 ,但伺服阀同时也有加工精度高、对油液清洁度要求较高、价格昂贵等缺点。伴随着电子技术的快速发展,电液比例伺服控制技术的新成员一一比例伺服阀应运而生。比例伺服阀成功将电子信息技术应用到产品开发当中,使用数字模拟控制技术、电信号反馈调节技术3 代替了传统的机械控制、机械反馈功能,具有功能拓展性强、控制性能易调节等优点。同时,其功率级主阀采用阀芯阀套结构,也克服了传统伺服阀加工精度高、对油液清洁度要求较高、价格昂贵等缺点,具有广泛的应用前景。随着电磁铁技术的发展,,比例电磁铁在众多电一机械转换元件中具有输出推力大、抗油液污染程度高的优点,这使得由比例电磁铁直接推动阀芯进行驱动的
12、直动式比例伺服阀快速发展4-5。因此,直动式比例伺服阀克服单级结构推力不足的问题成为了研究人员需要攻克的一大难题。在高压大流量工况下,阀芯所受到的液动力几乎与电磁铁推力达到同一个数量级,比例伺服阀的扰动补偿问题呕待解决。对于比例伺服阀液动力的扰动问题,一些研究人员通过计算流体力学的方法2.6 对大流量工况下的阀芯液动力进行了模拟分析,分析结果表明比例伺服阀的阀芯液动力在高压大流量工况下表现出明显的非线性特征7 ,通过改变阀口结构可以改善这种非线性8 。阀芯液动力的相关研究工作表明,液动力的主要来源在于阀芯阀套形成的节流口改变了液压油的流向,形成了射流角9。YEY等1 0 通过计算流体力学仿真和
13、相关实验探究了比例阀节流口凹槽形状对阀芯液动力的影响。张志豪等1 提出了阀芯导流壁面的优化方案,将液动力降低到原来的6 0%,提出的阀芯导流优化方案通过阀芯导流结构定向引导射流角,有液压与气动利于比例伺服阀的稳定控制。同样的,GUIS 等6 通过减少作用在阀芯上的液动力和减小阀芯质量的方法来提高电液伺服阀的整体性能;通过建立阀芯参数与液动力之间的关系,并使用NSGA-II的遗传算法对阀芯外形设计进行多目标优化,优化后的电液伺服阀的动态带宽提升了2 6%。这些研究对于比例伺服阀的稳定控制具有重要意义。除此之外,还有更多的研究致力于通过高级控制策略的应用,实现阀芯的稳定控制。例如使用基于模型的控制
14、器来解决阀芯液动力扰动的补偿,如非线性控制、滑模鲁棒控制、自适应控制等。在控制策略的选择上,GAMBLEJB等1 2 评估了非线性滑模控制器、状态反馈控制器和PID控制器的抗阀芯液动力的能力,经过实验给出了每个控制器的阶跃响应结果,指出滑模控制器在众多控制器中具有更快、更鲁棒的闭环响应性能。SHIW等1 3 采用了非线性串级控制策略完成比例伺服阀进的控制器设计,对比例伺服阀系统中的所有环节进行了建模分析,设计了降阶扩展状态观测器来估计系统中不可直接测量的状态量,将系统的测量误差影响降到最小。LI Wending等1 4 在使用扩张观测器的基础上,提出了一种基于反步法设计的RBF神经网络电液执行
15、器滑模控制方法,RBF神经网络对电液伺服控制系统中的未建模部分进行快速学习与建模,对非线性控制起到了很好的补偿作用。这些控制策略的研究表明,基于液动力模型的控制策略对于比例伺服阀的抗扰动控制具有非常好的应用前景1 5。以上研究仅在阀芯结构优化或者控制策略应用两者其中一个方向进行深入探讨,从而对降低液动力扰动的方案进行探究。本研究则将液动力模型与控制器模型进行综合考虑,将液动力模型应用到阀芯位置控制策略当中,提升比例伺服阀的控制性能。针对比例伺服阀在高压大流量工况下的抗扰动稳定控制策略的研究,首先对滑阀阀芯的稳态液动力进行了仿真,并对其进行了数学模型描述。然后为了降低不确定性扰动对阀芯控制带来的
16、影响,提出了一种基于指数收敛干扰观测器的滑模控制器(SlidingModeController,SMC)。最后,使用联合仿真模型对控制策第48 卷第1 期2024 年第 1 期略的可行性进行了验证。1比例伺服阀的工作原理比例伺服阀是一种具有较高控制性能的比例阀,其控制的流量与输入信号成比例关系。直动式比例伺服阀在结构上采用滑阀进行液流控制。图1 展示了一种经典的直动式比例伺服阀的组成原理,主要包括比例控制放大器、检测反馈传感器、电磁铁、阀芯、阀套、阀壳体、复位弹簧和端盖等。检测反馈传感器电磁铁阀芯阀套阀壳体图1比例伺服阀结构示意图Fig.1 Schematic diagram of propo
17、rtional servovalve structure本研究的直动式比例伺服阀采用比例电磁铁作为执行元件,使用线性可变差动变压器作为检测反馈传感器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT),比例伺服阀的具体参数如表1 所示。表1 比例伺服阀参数表Tab.1Proportional servo valve parameter table参数供电电压/V线圈阻值/Q线圈电感/mH电磁力系数/NA-1LVDT位移增益/V mm-1阀芯工作行程/mm阀芯质量/电磁铁铁芯质量/阀芯运动阻尼系数/Nsm=1弹簧刚度系数/Nm1弹簧预紧力/N阀芯初始位置
18、/mm液压与气动比例伺服阀的阀芯工作行程为1 mm,由于电磁铁只能施加单一方向的推力,因此将阀芯的实际运动行程设计为-3.5 1.5mm。当比例电磁铁断电时,复位弹簧将阀芯推至-3.5mm的安全位;当给比例伺服阀放大器供电后,比例伺服阀放大器会依据输人1 0 V的参考信号,控制阀芯在1 mm的工作行程内移动,如图2 所示。ATUIAAYIAPWLA BUIAT比例控制放大器MATWIA AWIAPWIABWIATEa)-3.5 mmTATUIAAYAPWIABYUATE复位弹簧端盖数值243.650681015010030800050-3.53ATWIAAUIAPWIABIATATWAAAPW
19、IABEb)-1 mmMATUAAYIAPUIABYIATTATWIAAWIAPWIABWIATEATOAAWAPABWIATc)0 mmd)+1 mm图2 阀芯工作位置示意图Fig.2 Schematic diagram of working positionof valve2比例伺服阀数学模型2.1比例电磁铁模型比例伺服阀作为电液控制技术的精密元件,其响应速度达到毫秒级别,频率响应范围也在50 Hz(-3 dB)左右。满足以上条件的比例电磁铁的数学模型可以用公式表述,即在整个比例伺服阀模型中,将比例电磁铁简化为一个比例环节:Fsol=ksol i式中,Fsol电磁铁推力电磁铁的电流-力系数
20、电磁铁的线圈电流图3 为比例电磁铁的参数图,在其工作区间内计算得到参数ksol=68 N/A。3.0A160F2.0A1201.0A0.5A.0A0804000.0图3比例电磁铁的位移-力特性Fig.3 Displacement-force characteristics of proportionalelectromagnets(1)11.63.2Xso/mm4.86.442.2阀芯运动学和动力学模型比例伺服阀的机械结构组成中,含有质量块(阀芯和电磁铁铁芯)、复位弹簧两种储能元件,因此可以使用一个二阶系统建立对应的数学模型:=X2(Fsol-Cdx2-kspxi+Fex)x2mLFe=-ka
21、pxmi+fo+Faow+dX式中,x一阀芯位移X2阀芯速度m阀芯、电磁铁衔铁等移动元件的质量和cd速度阻尼系数复位弹簧的刚度系数xini复位弹簧的预紧行程一摩擦力Fa一稳态液动力d模型中未考虑因素和不确定性因素2.3液动力模型比例伺服阀的机械部分使用滑阀来实现液压油流向和流量大小的控制功能。滑阀结构由阀芯和阀套组成,阀芯轴肩与阀套构成2 个阀腔,4个节流口,如图2所示。当液压油流进、流出滑阀的阀腔时,由于液压油流向、流速大小被改变,导致液压油的动量发生变化,而在阀芯上产生的一种反作用力,称作液动力。由于比例伺服阀阀口的多样性,使用集中参数法计算的稳态液动力精确度不高,本研究使用有限元仿真技术
22、来获得更加准确的液动力。如图4所示,统计滑阀单个阀腔内流体域与阀芯接触面在轴向方向的作用力,这个作用力就是单个阀腔内液压油由于动量变化所作用在阀芯上的稳态液动力,将瞬态液动力看作扰动,包含在d当中。Fluent统计受力面液动力受力方向Fluent统计受力面图4Fluent液动力仿真图Fig.4Fluent fluid force simulation diagram仿真分析了在不同压力、不同阀芯位移(节流窗口开度)工况下,阀芯所受稳态液动力的大小,仿真结液压与气动果如图5所示,最大液动力可达3 0 N以上,已经与电磁铁的推力达到了同一数量级。405MPa3010MPa15MPa20MPa202
23、5MPa拟合5MPa10拟1 0 MPa拟合1 5MPa拟合2 0 MPa/Mou0-101(2)-20-30-40-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2x/mm图5液动力仿真结果图Fig.5Results of fluid force simulation从图5的仿真结果可以看出,相同系统压力的作用下,阀芯所受到的液动力可以使用三次曲线进行很好的拟合:Flow=Agx+Azx+Afx+A式中,x一一阀芯位置A;待拟合的系数,i=0,1,2,3由图5可以看出,在不同系统压力工况下,阀芯所受液动力在随着系统压力增加而线性增大。因此使用一次函数对液动力与系统压力进行线性拟合,即将三次拟合曲线的系
24、数描述为:A,(p)=Rp+Qi,ie(0,1,2,3)使用系数矩阵来表示三次拟合曲线的系数,最终得到稳态液动力模型的数学描述:Fnow=Pf(x)+fi()f()=RXf2()=QX式中,Flow由三次拟合函数计算得到的液动力P系统压力R,Q一三次拟合函数的系数矩阵X一一由阀芯位置及其幂组合的因变量矩阵具体表示为:-4140-1.89 10 16R=0.00579.71 10-23JX=xx2 1第48 卷第1 期拟合2 0 MPa100.2 0.4 0.6 0.81.0(3)(4)(5)7T0.00027-1.12 10-9 Q二T-4.96 10-11 2.63 10-16 2024 年
25、第 1 期3控制策略3.1滑模控制策略与 PID控制策略不同,滑模控制策略是一种基于控制对象模型的控制策略,能够将稳态液动力模型嵌人其中,实现液动力的补偿控制。并且滑模控制策略相比于其他控制策略,具有运算量少、收敛快、易于在数字控制器中实现的优点。针对比例伺服阀的物理模型,建立了一种基于指数收敛干扰观测器的滑模控制流程框图,如图6所示。输入信号滑模控制算法电流PI控制电磁铁比例阀阀芯位置传感器系统压力传感器图6 滑模控制流程框图Fig.6 Flow diagram of sliding mode control strategy比例伺服阀系统的输出量是阀芯位置,因此考虑将控制系统的滑模面设计为
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