电液比例阀的阀芯微量控制

　　1 引言

　　电液比列阀是一种性能介于普通液压控制阀和电液伺服阀之间的新阀种,它既可以根据输入电信号大小连续地成比例对液压系统的参量(压力,流量及方向)实现远距离控制,计算机控制,又在制造成本,抗污染等方面优于电液伺服阀,因此,广泛用于控制性能低于电液伺服阀,要求不是很高的一般工业部门。在实际应用中,经常采用改进的比例阀来替代电液伺服阀[1~4]。

　　由于自身结构品质特性,可动部件的摩擦特性和控制线圈的滞环特性等,都是造成比例阀芯不能获得精确微量位移的主要因素。为了比较直观了解比例阀的缺陷,在一个位置控制伺服机构上采用差动变压器来测量标准比例阀的阀芯的位移,其比例阀的阀芯位移实验输出特性曲线如图1所示。图中xref为基准参考输入正弦波形标准信号,x为输出阀芯位移信号。从图中很清晰看到x没有获得较好的跟踪微小参考输入xref。

　　为了提高阀芯位移控制精确度和抗干扰能力,在本文所使用标准比例阀的基础上,开发能够推测负载变化和运动部件摩擦力的扰动观测器,并且利用扰动观测器来改善原有比例阀的输出特性。

　　2 比例阀基础方程式

　　实验采用的比例阀基本结构示意图如图2所示。组成的部件主要由比例阀阀芯,控制线圈,用于检测阀芯位移的LVDT(差动变压器)和平衡弹簧组成。

　　本实验所使用的实验装置如图3所示。实验装置除了比例阀和LVDT之外,由1个PID和1个小功率液压马达和1个V/i信号放大器组成。为了能够精确地跟踪输入信号,PID同样也是1个重要的实验装置。依据图3,如果用基准输入Vref和输出位移x的两个参量,求出阀芯的力平衡方程,经拉氏变换和消除I和F整理后,形成了以下基础方程式:

　　其中Kis为控制线圈电流、吸力转换系数,Kfs为阀芯位移、吸力转换系数,M1为阀芯的质量,KL为阀芯位移、LVDT转换系数,D1为排量系数,fd为扰动,K1为平衡弹簧刚度系数,Kp为V/i放大器的增益,s为拉普拉斯演算符(d/dt)。

　　根据图3和式(1)进行分析,输出x(s)受到扰动Fd(s)瞬间变化的影响有直接关系,并且直接影响比例阀的输出稳定性。

　　3 扰动观测器的设计

　　由于式(1)中的Kfs是一个难于确定的参数,其系统的扰动Fdis(s)定义为:

　　如用控制线圈输入电流I(s)和阀心位移x(s),表达传递函数相互关系时,得到下式:

　　本文借鉴较为成熟的控制理论及扰动观测器设计原理和方法,如用最小阶补偿控制器设计方法,设计扰动观测器将能预测阀芯位移大小。从式(3)中推导出系统的状态方程和输出方程,最后整理简化为: