数字阀在压力控制系统中的应用

　　0 引 言

　　数字阀的主要特点有： 1) 可直接与计算机接口、不需 D/A 转换器，与电液伺服阀和比例阀相比，结构简单； 2) 工艺性好，价格低廉； 3) 不存在精度很高的间隙配合，因而抗污染能力强，重复性好； 4) 工作稳定可靠，操作维护更简单； 5) 输出量准确、由脉冲频率或宽度调节控制更可靠； 6) 功耗小，可得到较高的开环控制精度等。

　　随着工业技术与电子技术的发展，高速开关阀的优点日益突显。 在计算机实时控制的电液系统中，已部分取代比例阀，发展这种数字元件及其系统是工业现代化的必然选择。 上海豪高机电科技有限公司自主开发的二位二通数字阀已应用在压力控制系统中，如河南理工大学煤矿压力控制系统、广西大学数字阀实验台系统等。 数字阀在机床控制、机器人控制、水电控制、火电控制、舰船控制、压铸机和塑料注射机的控制、冶金、化工和原子能等工业上的应用均有广阔的前景。

　　1 脉宽调制式数字阀的控制原理

　　由数字阀组成的系统通常采用时间比率式脉冲调制来达到流量控制的目的，所谓时间比率式脉冲调节就是常用的脉宽调制(PWM)。 目前技术上比较成熟的数字阀一般用于小流量的调速和方向的控制中。

　　脉宽调节控制方法是通过改变占空比，使一个周期时间内输出的平均值与相应时刻采样得到的信号成比例。 如果周期 T 是固定不变的，通过改变导通时间来改变占空比的控制方式称为脉宽调节控制式。

　　脉宽调制信号是具有恒频率、不同开启时间比率的信号，如图 1 所示。

　　脉宽时间 tP对采样周期 T 的比值 τ 称为脉宽占空比，用它来表征采样周期的幅值。 用脉宽信号对连续信号进行调制，可将图 1(a)中的连续信号调制成图1(b)中的脉宽信号[1]。

　　则采样周期的平均流量 q

　　式中：Cd为流量系数， 取 0.67～0.82；A 为阀口通流面积，mm2；%% ρ 为油液密度 ，g/ml；%% Δp 为进出口压差 ，bar。 由式(1)知：当 Δp、 A 一定时，采样周期的平均流量与占空比成正比变化。

　　脉宽调制型数字阀的控制系统框图如图 2 所示。由微型计算机根据要求发出相应的脉冲信号，再经脉宽调制放大器，将脉冲信号放大给数字阀，以开启时间的长短来控制流量。 由作用于阀上的信号是一系列脉冲，所以数字阀也只有与高低电平对应的快速切换的“开”和 “关”两种状态，而以调节开启时间即通过调节占空比来控制平均流量。 如果信号是确定的周期信号或其他给定信号，可预先编程在计算机内，由计算机完成信号发生功能。 如果信号是随机信号，则信号源经 A/D 转换后输入计算机内，由计算机完成脉宽调制后输出。 在需要作多个方向运动的控制系统中，可以用多个数字阀分别控制不同方向上的运动[2]