双阀芯控制非对称缸系统的动态特性研究

　　非对称缸具有结构简单，占用空间少，承载能力较大等优点。但非对称液压缸在换向时，由于两腔的有效作用面积不等，如果采用对称阀来控制非对称油缸，就使得对称阀两对节流窗口的阀压降不同，造成活塞杆伸出、缩回两个方向运动时的流量增益不等，因而使系统的静、动态特性出现较大差异，产生严重的非线性［1］。针对上述问题，国内外学者提出了有实用价值的静、动态补偿方法和现代控制策略，促进了非对称缸系统性能的提高［2 －3］或者采用非对称阀控制非对称缸来缓解压力突变和提高系统的承载能力［4］。但是上述研究不管是对称阀还是非对称阀都是基于单阀芯来实现非对称缸的控制。然而为了得到与不同非对称缸相匹配的单阀芯进出油口面积梯度，阀芯的设计生产厂家和阀用户要经过大量的调试实验才能确定某一类与相应非对称缸相匹配的单阀芯型号，这给阀的生产厂家和用户都造成了很大的经济损失。而采用双阀芯控制非对称缸，不仅阀控缸控制策略灵活［5］，而且可以非常便捷地在控制软件中实时改变进出口阀芯的位移来实现与不同非对称缸的匹配，从而达到消除非对称缸在两个方向运动时静态、动态不对称性。但文献［6］只是停留在分析阀芯的响应控制上，没有实质地讨论双阀芯控制液压缸动态性问题。针对上述情况，为了研究双阀芯控制非对称缸的动态特性，文中建立了双阀芯控制非对称缸系统的一般数学模型，提出了运用双阀芯系统来解决非对称缸双向运动时动态不对称性的一般方法。

　　1 双阀芯系统建模

　　1． 1 基本模型简述

　　所谓双阀芯控制非对称缸就是用彼此独立的阀芯1 和阀芯 2 来分别控制非对称缸的无杆腔和有杆腔。双阀芯控制非对称缸系统的结构如图 1 所示，示意图中的主要参数意义为: Q₁为流入液压缸无杆腔的流量，Q₂为流入液压缸有杆腔的流量，Ps为油源压力，P_o为回油压力，P₁为液压缸无杆腔压力，P₂为液压缸有杆腔压力，x_v1为阀芯1 的位移，x_v2为阀芯2 的位移，A₁为液压缸无杆腔的有效作用面积，A₂为液压缸有杆腔的有效作用面积，F 为负载力，K 为负载弹簧刚度，Bc为粘性阻尼系数，P_L为负载压力，M 为负载等效质量，y箭头所指方向表示为活塞杆运功的正方向，反之为反方向。

　　1． 2 负载压力和负载流量的定义

　　假定回油压力 Po= 0，油源压力 Ps在非对称缸正反向运动时始终不变。由于文中研究的双阀芯系统中单个阀芯本身是对称阀，所以它们进出油口的节流口面积梯度相等，即 w₁= w₂。不考虑阀芯1、阀芯2 的位移x_v1，x_v2的方向问题，设阀芯1 和阀芯2 的位移比值为: