伺服阀流量动态校正改善电液位置系统性能的理论和方法

　　0 前言

　　在液压系统中，通过液压阀的流量不仅与输入信号有关，还和阀口压差呈非线性关系，负载对液压执行器的运行速度产生很大干扰。国内许多学者对此进行了研究，文献[1-2]较早提出了通过压差校正阀芯开口的流量补偿方法，文献[3-5]研究了利用压力补偿修正比例阀流量特性的方法，文献[6]提出了非对称液压缸对称控制的解决方法。但在实际应用和试验中发现，电液位置伺服系统，特别是带有大惯性负载的系统，为了追求响应速度，造成起动过程油源供油不足产生液压冲击，如果油源同时向多个液压执行器供油，还会引起相互干扰。如钢坯修磨机，磨削中磨头位置采用电液位置伺服系统控制，其水平和垂直运动采用同一个油源供油，当磨头横向进给时，起动过程会导致油源压力下降，使垂直方向的液压缸失控，磨头下落，引发安全事故。

　　在这样的系统中，如果采用大流量液压动力源，虽然可减少各执行器对系统压力的扰动，但会使系统的能量效率大幅降低。研究发现，造成这种现象的主要原因是伺服阀压力—流量的非线性特性。本文提出两种新的方法，在不增加系统能源消耗，不降低系统动特性的前提下，解决上述问题。

　　1 伺服系统试验和仿真方法

　　图 1 显示了研究工作中采用的包含试验系统的电液位置伺服系统。

　　系统由液压泵与溢流阀组成的油源、伺服阀、液压缸、惯性负载、DSpace 实时控制卡(Realtimecontrol card, RTC)、计算机组成。试验时，把设计好的控制方案通过计算机输入到 DSpace RTC 中，由 DSpace RTC 完成试验过程。控制方案、结果分析所需要的全部信号，通过 DSpace RTC 从传感器获取。试验中所需要的信号包括油源压力 ps、液压缸无杆腔压力 pA、有杆腔压力 pB、液压缸运动速度v、负载位置 x 和伺服阀芯位移 xv。

　　研究中的仿真过程采用 AMEsim 仿真软件。为保证准确性，仿真过程考虑了管路动特性的影响，伺服阀模型按产品提供的技术参数建立并经过试验校正。首先对控制过程做仿真研究，获得满意效果后，再将控制器的结构和参数在 DSpace 中实现，通过试验验证结果。

　　2 位置闭环系统起动特性研究

　　采用位置闭环的电液位置伺服系统在起动过程中很容易产生液压冲击。图 2 是实际测试和仿真的位置伺服系统阶跃响应过程中油源压力和管路振动加速度的变化曲线。从图 2 可以看出，液压缸活塞杆伸出过程中，油源压力 ps从调定的 10 MPa 瞬间下降到 1 MPa 以下，持续时间长达 0.4 s 左右，影响到整个位置响应过程。活塞杆伸出时最大瞬间冲击加速度达到 2.23g;收回时活塞面积小，油源供油能力相对充足，压力有小幅下降，约 10%～15%，对系统影响较小。