非对称缸垂直力加载系统研究

　　当弹性负载变化很大且要求很高的控制精度时,采用液压比例控制技术。以比例换向阀为控制元件,非对称液压缸为执行元件,压力传感器为反馈元件构成闭环控制系统,实现对非对称液压缸的输出力进行精确的控制,满足使用要求。

　　1 由比例换向阀构成闭环力控制系统的物理模型及工作原理

　　比例换向阀是通过阀口的节流作用,实现对阀口后端压力的控制,达到使被控制回路的压力维持恒定,实现稳压和调压的目标。在有限的阀口开度范围内节流阀口保持压力的性能好坏(也就是在有限的阀口开度范围内,电压和阀口位移是否保持绝对的线形关系),直接影响它的压力控制精度^[1~3]。

　　图1是一个由比例换向阀所构成的闭环力控制系统模型图。U_i为输入的电压信号,U_f为由力传感器反馈的电压信号。当Ui增加时,U_i与Uf的偏差信号就会增加,比例放大器就会推动比例换向阀使它有一个成比例的阀芯位移,阀芯位移使比例换向阀阀口的节流作用减小,压力传感器的输出电压U_f增加,直到U_i与U_f的偏差信号趋于零为止。U_i减小时的工作过程与上述过程相反。

　　2 力控制系统的数学模型

　　根据整个系统的组成,低速轮胎实验机垂直力加载系统的等效负载控制原理如图1所示。从图中可以看出,电液负载仿真台主要由非对称液压缸、电液伺服阀、比例放大器、力传感器等4部分组成。为了便于公式的推导,可以忽略一些对系统影响比较小的次要因素,首先做如下假设:1)滑阀为理想零开口4通阀, 4个节流窗口是匹配和对称的;2)节流窗口处的流动为紊流,液体压缩性的影响在阀中予以忽略;3)液压缸为理想的非对称缸,并且每个相应工作腔的各点压力相同,油液温度和容积弹性模数可认为是常数;4)油源供油压力恒定,且回油压力为零。

　　基于以上假设,对图1所示的加载系统进行分析,可以得出加载系统动力元件的三个基本方程^[4~5]。

　　阀的线性化流量方程:

　　液压缸流量连续性方程:

　　加载缸力平衡方程:

　　式中:Q_L为阀的负载流量;K_q为阀的流量增益;X_v为阀芯的开口量;K_c为阀的流量压力系数;P_L为油缸的负载压力;A_m为油缸有效作用面积;y_m为油缸的负载位移;C_m为油缸总泄露系数;V_t为油缸腔、阀腔、连接管路的总容积;B_e为等效容积弹性模亮;m为油缸和负载总质量;B_m为油缸和负载粘性阻尼系数;K为油缸和负载等效刚度;