深海环境下电液比例阀的动态特性仿真研究

　　随着科学技术的发展,电液比例控制技术已不仅仅是一种传动手段,而逐渐变成一种控制手段,充当了连接现代微电子技术与液压技术的角色[1]。控制部分已成为了高端液压的神经部分,是系统不可或缺的部分,其控制特性的好坏将直接决定整个系统的工作性能。

　　当一个系统工作在一个深海高压环境中时,整个工作过程靠预定的控制模式进行工作,所用的控制程序必须能适用工作过程中的各种变化,如油液黏度等。在众多电液阀中滑阀应用比较普遍,作者进行深海环境下,由于阻尼系数(黏度)等参数的变化对系统影响的仿真研究。

　　1　电液比例阀结构

　　作者研究的电液比例阀结构简图如图1所示。这种滑阀结构由弹簧、滑阀、电磁铁等组成,图1中xe表示滑阀出口的开度大小,阀的开口特性决定了系统的输出特性。

　　2　PID控制基础

　　PID控制规律就是一种对偏差ε(t)进行比例、积分和微分变换的控制规律,即

式中:Kpε( t)为比例控制项, Kp为比例系数;为积分控制项,Ti为积分时间常数,为微分控制项,Td为微分时间常数[2]。

　　PID控制参数的作用:

　　(1)比例系数Kp直接决定控制作用的强弱,加大Kp可以减少系统的稳态误差,提高系统的动态响应速度,但Kp过大会使动态品质变坏,引起被控制量震荡甚至导致闭环系统不稳定[2]。

　　(2)在比例调节的基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差[2]。

　　(3)微分的控制作用是跟偏差的变化速度有关的参数[2]。

　　3　黏度-压力关系

　　深海环境的液压油动力黏度随压力的变化有如下关系[4]

式中:μp为总压力下的动力黏度(N·s/m²);

　　μ_o为大气压下的动力黏度(N·s/m²);

　　k为黏度压力指数(Pa^-1);

　　ρ为海水的密度(kg/m³);

　　h为工作环境的海水深度(m);

　　p′为大气环境下泵工作时的液压油的压力(Pa)。

　　4　系统模型建立

　　在系统中,作如下假设: (1)比例滑阀工作在恒温环境下; (2)油液没有空蚀、可压缩性等特性,认为油液是刚性的; (3)不考虑油液的泄漏情况;(4)弹簧腔及电磁线圈中都没有油液[3]。

　　(1)比例电磁铁电磁力方程[3]

　　Fe(s)=Kii(s) 　　(3)

式中:Fe为电磁力(N);Ki为比例电磁铁力-电流增益(kN/A);i为控制电流(mA)。

　　(2)线性弹簧方程

　　Fs(s)=Ks(xe(s)+0·205) 　　(4)

式中:Fs为弹簧力(N);Ks为弹簧力位移系数(N/mm); (xe(s)+0·205)为弹簧的压缩量, 0·205为弹簧的预压缩量(mm),xe为阀出口的轴向开度(mm)。