高速精密压电型电液伺服阀及其控制方法

　　传统的电液伺服阀一般采用力矩马达作为电-机械转换器,这种驱动方式的电液伺服阀分辨率不高,工作频宽较窄,应用范围受到了限制.压电叠堆执行器具有体积小,控制精度高,响应速度快和驱动力大等优点,在精密驱动中有着广泛的应用[1-2].本文利用这种执行器作为电液伺服阀的电-机械转换器,研制出一种新型高速精密压电型电液伺服阀.针对提出的新型高速精密压电型电液伺服阀进行了特性分析与研究.大量实验结果表明,该电液伺服阀具有迟滞、蠕变非线性等特性.

　　常规PID控制器难以取得良好的控制品质.模糊控制器通过模糊运算和模糊推理实现对象的智能控制,对系统参数的变化不敏感,具有较强的鲁棒性及非线性控制特性,在很大程度上弥补了传统PID控制算法的局限性.然而,基本模糊逻辑控制器本质上是一种具有PD控制律的非线性控制器,控制时存在较大稳态偏差,特别会在给定点附近形成极限环振荡[3],不能满足控制精度要求.

　　本文设计了一种改进的自调整函数模糊控制器,该控制器能够根据偏差大小采用不同的控制策略,使系统具有很好的稳态精度和动态性能.

　　1　压电型电液伺服阀结构及设计分析

　　图1为新型高速精密压电型电液伺服阀结构图.压电叠堆执行器的输出位移通过右端延长杆作用到滑阀,并通过左端延长杆使弹性回复板发生形变.当输入电压增加时,压电叠堆执行器伸长推动滑阀向左运动;当输入电压减小时,由弹性回复板的回复作用力使滑阀向右运动.

　　整个系统可简化为弹簧质量系统,由虎克定律得出压电型电液伺服阀的位移量

　　式中:kT为压电叠堆执行器刚度,kS为弹性回复板刚度,ΔL为压电叠堆执行器有外部约束时的位移量,ΔL0为压电叠堆执行器无外部约束时的位移量.

　　由式(1)可知,为保证电液伺服阀有足够的位移输出,必须合理设计弹性回复板的刚度值.为确保电液伺服阀的频宽不受到弹性回复板固有频率的限制,必须使其固有频率远大于电液伺服阀要求的频宽.

　　通过有限元软件得出0·7 mm厚度的弹性复板的刚度满足压电叠堆执行器的位移输出条件.表1为通过有限元得出的固有频率,可见第1阶固有频率远大于电液伺服阀的设计频宽.并且符合直动阀要求的变形规律,表明设计的合理性.

　　2　压电型电液伺服阀特性分析

　　图2为新型高速精密压电型电液伺服阀输入-输出特性曲线.由图2(a)可见,系统下一时刻的输出不仅仅取决于当前的输入和输出,而且与输入极值的历史有关.同一输入电压对应的输出位移不同,升程曲线和回程曲线明显不重合,同样是在电压下降阶段,回程时电压的峰值不同,输出的位移也不相同.这种现象是由压电陶瓷晶体极化的偶极矩偏转引起,表现为迟滞非线性特性.这种特性是影响伺服阀位移输出精度的主要因素.图2(b)为该阀在90 V电压作用下100 s时间内的位移输出.可见,施加完控制电压后系统输出会迅速完成(ms级时间内),而之后很长一段时间内是输出值持续产生微小变化的一个过程.这种现象是由压电陶瓷晶体恒定电场作用下晶体电畴缓慢排列引起,表现为蠕变非线性特性.这种特性会对控制精度产生一定的影响.