伺服阀动态特性对控制回路的影响

　　0 引言

　　液压伺服系统是液压技术领域的重要分支，也是控制技术的重要组成部分。液压控制系统有着输出功率大、功率密度高、动静态特性良好、抗干扰能力强、散热方便等诸多优点，在矿山机械、冶金石化等行业得到广泛应用[1]。

　　电液伺服阀是高性能机械控制系统中的核心元件。掌握电液伺服阀的工作原理，尤其对如何建立传递函数及对主要参数进行分析，对伺服系统的应用有着重要的作用。文章通过对电液伺服阀的调节技术的研究，可以加深对调节回路的认识，帮助我们对预期达到的系统特性作出相对准确的估计。同时，提供一些经验公式，用来代替复杂的数学分析，更好发挥电液伺服阀的调节作用[2]。

　　1 回路增益对调节性能的影响

　　如图 1 所示，该液压位置伺服系统由伺服放大器、伺服阀、调节液压缸、负载、位置传感器等组成。输入信号放大后传至伺服阀，电信号转化为阀芯位移信号，然后转换成液压信号（如流量、油液压力）来驱动液压缸带动负载完成动作。图 1 所示伺服系统具有典型性，因此以该系统为模型分析回路增益Kv 及其对调节性能的影响。

　　图 2 是图 1 所示液压伺服系统模型简化后的方框图。在简化的方框图中，回路增益 Kv 等于调节回路中各传递环节增益的乘积。

　　K_V=K_P·K_I·K_Q·K_x/A 　　（1）

　　式中 K_P——电路增益；

　　K_I——比例增益（mA/V）；

　　K_Q——流量增益；

　　K_x——位移传感器增益（V/mm）；

　　A——液压缸面积。

　　对图 2 中的各环节进行拉氏变换后得出详细的频率特性方程，并带入图 2 的各个环节得到图 3所示的详细方框图。

　　阀与负载液压缸串联时，可看成一个二阶系统[3]。

　　表征液压缸特性的是液压固有的频率（质量、油、弹簧系统）。调节过程中的速度变化用积分环节（1/s）来描述。调节回路的时间常数与 1/K_V成正比，即:T=1/K_V（s），也就是说，回路增益越大，系统的动态过程就越快。在稳定状态下，抵抗力干扰的刚度为 C=F/X=KV·A2/KPQ，可以看出系统刚度与回路增益成正比，与压力增益 KPQ成反比，其中：

　　K_PQ=Q/Ps+L 　　（2）

　　式中 Q———流量，cm³/s；

　　Ps———系统压力。

　　式（2）表明的是压力流量增益加上负载处与压力相关的泄露。可以看出，增大阀芯面积，增大调节液压泵的排量，可提高系统的刚度。而刚度在数值上与上述增大量的平方成正比。在位置调节回路中，通常用低于 5%的阀流量使速度降到零，并用来对干扰力进行补偿，其调整误差为：△X≤0.05*V_max/K_V(mm)。由此可见，回路增益应尽可能选得大一些。Kv 选得越大，调整误差越小，系统抗干扰的能力越强。式（2）中 V_max是伺服阀阀口开度为 100%时所对应的速度。从式（2）中也可以看出，伺服阀额定流量 Q=A·V_max应尽可能选得小一些。根据系统稳定性条件来看，回路的增益不能选得很大。因为当回路增益 K_V大于回路的临界增益K_vcrit时，系统在某种干扰作用下，就会发生振荡，也就是导致系统不稳定[3]。