磁流变阀控缸系统的位置控制研究

　　0 引言

　　传统液压阀作为液压控制系统的核心元件,由于其可靠性差限制了它在一些领域的使用。由于磁流变液在外加磁场作用下独特的流变特性有利于实现液压系统的智能控制,克服传统液压控制系统的缺点,作者引入磁流变液代替传统液压油作为工作介质,以磁流变阀(MR阀)代替传统液压阀作为控制元件,设计了一种新型的基于磁流变技术[1]的液压控制系统)))磁流变阀控缸系统(MagnetorheologicalValveControlCylinderSystem,简称MRVCCS)。与传统液压控制系统相比,新系统具有以下优点:不同于传统液压阀, MR阀无相对运动件,结构简单,可靠性高;磁流变液的压缩性远小于常规液压油的压缩性,有利于提高系统的效率[2];可实现智能控制从而提高系统的控制精度。

　　1 系统结构

　　本系统中,构想一由磁流变阀组成桥式结构的控制方案,即用4个性能相同的磁流变阀组成对称和匹配的桥式结构对液压缸进行控制,以提高系统的控制性能。统结构如图1所示。桥路结构中需要电流调节器向MR阀提供两路电流信号,其中加载在阀1、3上电流为I₁,加载在阀2、4上的电流为I₂。

　　2 系统动力机构数学描述

　　2.1 桥式MR阀压力流量方程

　　由文献[3]可知,单个MR阀的压力流量方程可表示为:

　　式中:L为环状间隙的总轴向长度; h为环形间隙高度;G为MR阀的表观粘度; D为MR阀阀体内径;Sy为磁流变液屈服应力(与环形间隙处的磁通密度B有关,也即与线圈电流I有关);Δp_mrl为MR阀负载压力;Δq_mrl为MR阀负载流量。

　　令R=12ηL/πDh³,则桥式MR阀压力流量方程可用以下方程组表示[4]:

　　式中: pa、pb为a、b两腔压力; Qi(i=1,2,3,4)为各MR阀的压力流量。

　　为便于分析,假设4个MR阀性能完全等同,且令p₂=0,则方程组(1)可转化为:

　　方程组(2)即为桥式MR阀的压力流量方程。

　　2.2 质量流量连续性方程

　　假设工作介质为连续的,且不考虑泄漏,则有:

　　其中: Ca=Va/βmrf, Cb=Vb/βmrf, Va、Vb为a、b两腔容积;βmrf为MR阀体积模数; A为液压缸活塞有效工作面积。

　　2.3 力平衡方程

　　对活塞有:

　　式中: Ff为系统静摩擦力; M为活塞及折算到活塞的负载质量。

　　2.4 系统状态方程

　　由方程组(2))(4),构建的MR阀控缸系统的状态方程可表示为:

　　3 控制器设计