一种新型电液比例阀的模糊控制研究

　　液压系统中的负载口独立控制技术是当今最前沿的研究热点,自从德国Back?教授在插装阀控制理论中引入了独立控制概念后^{[1, 2]},各国研究者都开始对独立调节原理和控制策略进行研究。瑞典LinkLping大学用4个锥阀独立控制一个执行机构,并且获得良好的控制性能和节能效果[2]。美国的Purdue大学在Caterpillar的资助下用5个锥阀深入研究鲁棒自适应控制策略实现节能^[3]。Illinois大学用5个双向滑阀进行研究,用独立控制方法实现普通比例方向阀的功能^[4]。丹麦的Aalborg大学在Danfoss资助下研究独立控制策略以及阀的结构参数对负载口独立控制性能的影响^[5]。本文针对英国Ultronics公司应用负载口独立控制技术设计的一款型号为U0306的新型电液比例多路阀展开研究,目前该阀已在中联重科、詹阳动力、山河智能等工程机械厂商有初步应用,而且表现非常好的使用性能,因此对该阀的研究有着重要意义。

　　1 阀的结构和工作原理

　　该阀主要由两个比例电磁铁、两个先导阀、两个主阀、位移传感器、压力传感器、嵌入式微电子部件等构成。先导阀为三位四通阀,主阀为两位三通阀。阀的基本工作原理是先导阀在控制电流的驱动下离开中位换向,先导油液经先导阀芯流向主阀芯一端,推动主阀芯移动,从而主阀芯偏离中位,使得工作油口与系统压力油口或回油口接通,最终实现执行机构的动作。每个先导阀控制一个主阀,两个主阀分别控制执行机构的进油口和回油口,两个主阀芯既可以分别独立控制执行机构的进油口和回油口,也可以联合控制执行机构的进油口和回油口。相对于传统换向阀的进出油口控制通过一根阀芯来进行,两油口的开口对应关系早在阀芯设计加工时就已经确定,在使用过程中不能被修改,该阀是通过两根阀芯分别独立或联合控制执行机构的进油口、出油口来控制液压回路,这可使液压系统在作业过程中得到更加灵活方便的控制,从而达到节能、完成复杂运动、提高系统稳定性等目的。

　　该阀功能强大,可以对执行机构的进、出油口分别做压力控制或流量控制,从而实现对挖掘机执行机构的控制。而,执行机构进、出油口的压力控制和流量控制最终都是通过系统对工作阀片中主阀芯的位置控制来实现的。所以,主阀芯位置控制的精度和主阀芯的动态响应品质对于整个阀的性能有着至关重要的影响。

　　2 阀的数学模型

　　从该阀的结构可知,阀内部分别控制执行机构进、出油口的先导阀-主阀结构完全相同,因此,只需研究任何一侧的先导阀-主阀即可。该阀一侧的简化原理图如图1所示。仔细分析图1,发现该阀除主阀芯中间有油液流过外,其结构与经典的对通阀控对称液压缸完全一样,应此该阀可以当作一个带位置反馈的阀控缸系统来进行研究。该阀由比例放大器环节,电-机械转换环节,先导阀-主阀环节组成。其中比例放大器的频宽远远大于电液比例多路阀中其它环节的频宽,故可将其视为一比例环节,因此其传递函数为