齿轮流量计动态特性研究

　　0　引言

　　电液伺服系统是飞行器飞行控制、机床精密控制的重要执行部分,为了提高系统的控制精度和鲁棒性,需要测量系统的流量信号反馈到控制输入端,组成各种智能控制方案。在液压回路中流量传感器的测量原理、安装方式和测试精度等因素对系统控制精度影响很大,在要求响应较快的电液位置伺服系统中,流量计的动态特性对系统控制精度的影响尤其明显,其中流量计的动态特性误差是影响控制系统快速响应的关键[1]。电液伺服系统的控制和测试中,德国STAUFF公司VC型圆柱齿轮流量计由于安装方便和可靠性高,故应用的较多。在应用VC流量计分析航空油泵和电液伺服阀的动态特性中,流量计的动态特性和测试精度之间的矛盾,影响了整个系统的测试精度。需要从理论上分析齿轮流量计的动态特性和测试精度之间的关系,在保证测试精度的前提下,采用数据重构的方法,提高流量计的动态特性。本文在由动态缸组成的电液伺服阀动态特性测试系统上对VC1·0流量计进行了试验。

　　1　齿轮流量计的工作原理

　　齿轮流量计的工作原理是在一个惯性负载和阻尼负载很小的齿轮马达的内壁安装电脉冲发生装置[2,3],工作中马达每转过一个齿发出一个脉冲,一个脉冲代表一个流量单位Qr,即一个几何齿容量。在单位时间内记录脉冲的个数n,流过齿轮流量计的流量是n Qr。

　　齿轮流量计的动力学特性G(s)由齿轮流量计的机械动力学特性G1(s)和脉冲计数装置的动力学特性G2(s)两部分串联而成:

　　G(s) = G1(s)G2(s)　　(1)

　　式中,G1(s)为齿轮流量计的机械动力学特性,输入输出信号为流量,m3/s;G2(s)为电子脉冲装置和计数器的动力学特性,由离散环节和计算环节组成,输入信号为流量,m3/s,输出为离散化数字流量。

　　1.1　齿轮流量计机械动力学特性

　　根据文献[4],齿轮流量计的动力学特性公式为

　　齿轮流量计的动态特性的转折频率决定于液体容积弹性系数、齿排量和齿轮腔与进出口连接管道的总容积,要提高转折频率应该考虑增加齿轮排量,减少转动惯量和减少总容积,这三方面是互相矛盾的。由VC1·0流量计的机械参数计算出的-3dB频率大于600Hz,流量的测试范围是0·6778×10-5~1·333×10-3m3/s,测试精度达到0·5%,在机械上满足测试用传感器的动态特性和精度要求。

　　1.2　脉冲计数法对流量计动态特性的影响

　　齿轮流量计的脉冲计数过程是数字化离散过程,首先将模拟信号Q(t)离散为脉冲序列,在采样时间t内计数脉冲的个数,动力学特性是1/(ts+1)。测试计量出在t内的累计流量为nQr,时间t内的平均流量即瞬时流量为n Qr/t。下面分别从离散过程和量化过程两个方面分析脉冲计数器的动态特性和精度的关系。