流量伺服阀在液压系统仿真中的描述方法探讨

刘玉，李新有，刘勋，易坤

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

流量伺服阀在液压系统仿真中的描述方法探讨

刘玉，李新有，刘勋，易坤

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

对电液流量伺服阀在液压伺服系统仿真分析中的建模描述方法进行了探讨，重点对基于流量伺服阀样本数据的描述方法进行了原理阐述。采用Simhydraulics软件搭建了物理测试模型并进行了建模验证，为建立高精度液压系统物理仿真模型奠定了基础。

流量伺服阀;物理仿真模型;液压伺服系统;Simhydraulics软件

在传统的以经典控制理论频率法为基础，采用传递函数描述液压伺服系统的动态响应仿真方法中，通常采用二阶振荡环节传递函数来描述流量伺服阀的动态特性。随着数字仿真技术的发展，出现了多种用于液压元件和液压系统性能分析的仿真软件，如美国The MathWorks公司推出的Simhydraulics软件包，法国Imagine公司推出的AMESim等［1］。这些软件对流量伺服阀模型的描述方法不再是简单的传递函数，而是采用功率键合图的方法，用图形方式来描述流量伺服阀实际各物理量的变化规律。它能反映流量伺服阀的动态特性和功率流动情况，对伺服阀的描述将更精确、更直观，并且描述的参数具有确定的物理含义。

1 流量伺服阀模型的描述方法

伺服阀的种类很多，常用的流量伺服阀包括喷嘴挡板式、射流管式、动圈式、直接驱动力马达式等，这些流量伺服阀的结构和电气元件各不相同，但是其最终表现的性能就是在给定不同电信号和不同压差工况下形成不同的流量输出。如果不考虑流量伺服阀不同的结构，只关注流量伺服阀的使用性能，模拟实际流量伺服阀样本给出的数据，可以分成两部分来描述:第一部分为流量伺服阀主阀阀芯位移响应描述，即动态特性描述;第二部分为流量伺服阀的负载流量特性描述，即功率流动描述。以下详细介绍对这两部分的具体描述方法。

1.1 主阀阀芯位移响应描述机制

图1 伺服阀阀芯响应时间曲线

流量伺服阀先导级形式多样，但是最终都是驱动主阀芯快速运动到达指令位置。以 MOOG公司D661-G-A系列流量伺服阀为例，样本给出额定流量80 L/min伺服阀阀芯响应时间曲线如图1所示［2］。

在图1中，对于给定阀芯不同大小的输入信号，阀芯的响应时间不同;给定阀芯输入信号越小，响应时间越少。

目前有3种阀芯响应时间描述方法，分别为传统二阶传函描述方法、Simhydraulics软件内置描述方法、动态反馈阀芯描述方法。

(1)传统二阶传函描述方法

伺服阀的阀芯动态响应采用二阶传递函数来描述，其传递函数为

式中:Kv为伺服阀静态阀芯位移放大系数，m/mA;ωv为伺服阀的固有频率，rad/s;

ζv为伺服阀的阻尼比，一般取0.6～0.7。

对于MOOG公司D661-G-A系列流量伺服阀，额定流量80 L/min为例，样本给出ωv=225 rad/s，取ζv=0.7，分别给定阀芯给定信号 100%、75%、50%、25%，得到的仿真结果如图2所示。

图2 传统二阶传递函数描述阀芯响应曲线

在图2中，对于给定阀芯不同大小的输入信号，阀芯的响应时间相同，与样本给出阀芯响应描述有一定误差，难以精确表达实际阀芯响应时间。

(2)Simhydraulics软件内置描述方法

采用Simhydraulics软件内置阀芯响应描述模块功能［3］，其封装的控制框图如图3所示。

图3 软件内置阀芯响应描述控制框图

图3的控制框图中，有3个参数变量，分别为饱和参数、比例系数、时间常数，根据3个参数的组合，得到不同的阀芯响应曲线，3个参数的具体取值可以通过参数拟合方法得到。为了验证此描述方法的变化规律，取饱和参数为0.3，比例系数377，时间常数0.002s，按照控制框图建立仿真模型，分别给定阀芯给定信号100%、75%、50%、25%，得到的仿真结果如图4所示。

图4 Simhydraulics软件内置描述伺服阀阀芯响应时间曲线

在图4中，对于给定阀芯不同大小的输入信号，阀芯的响应时间不同，与样本给出的阀芯响应描述数据基本类同。但是此描述方法的具体描述参数没有具体的物理含义，参数取值难以精确获得。

(3)动态反馈阀芯描述方法

按照实际伺服阀的阀芯响应的物理意义建立闭环动态反馈框图，如图5所示。

图5 动态反馈阀芯响应描述控制框图

图5的控制框图中，给定阀芯电信号，通过一阶滞后环节转化为阀芯运动速度;阀芯运动速度限幅后进行积分，得到阀芯实际位移;阀芯实际位移限幅后反馈回与指令值比较，形成动态反馈闭环。

同样对于MOOG公司D661-G-A系列流量伺服阀，额定流量80 L/min为例，采用图5控制框图建立仿真模型，根据样本给出数据，取Ksv=448，Tsv=11 ms，分别给定阀芯给定信号100%、75%、50%、25%，得到的仿真结果如图6所示。

图6 动态反馈阀芯描述伺服阀阀芯响应时间曲线

在图6中，给定阀芯不同大小的输入信号，阀芯的响应时间不同;与样本给出的阀芯响应描述数据也基本类同。此种方法的参数取值有明确的物理含义，通过样本可以方便地获得，故采用动态阀反馈更能方便、准确描述伺服阀的动态性能。

1.2 负载流量特性描述机制

流量伺服阀的功率级通常采用滑阀结构。对于对称的四边滑阀，可以看作每一边都是一个可调节流孔，四边滑阀对应的4个节流孔的开口度之间有确定的对应变化关系。对于每一个可调节流孔的负载流量特性描述，可以有3种方法，分别为流量系数及开口度公式描述方法、流量系数及开口度表格插值描述方法、流量压降特性插值描述方法。

(1)流量系数及开口度公式描述方法

当已知流量伺服阀的流量系数、面积梯度和阀芯的最大开口度后，就可以采用流量计算公式描述出流量伺服阀的流量压降特性。适用于通过阀芯节流边的通流面积与阀芯开口度呈线性变化的情况。

(2)流量系数及开口度表格插值描述方法

当已知流量伺服阀的流量系数，且已知通流面积与阀芯开口度之间的对应变化关系时，同样可以采用流量计算公式描述出流量伺服阀的流量压降特性。此时阀芯开口度和通流面积可以采用矩阵的方法对应描述，一个开口度对应一个通流面积。显然，矩阵内的元素越多，描述越精确，两点之间采用插值的方法进行描述。适用于通过阀芯节流边的通流面积与阀芯开口度为非线性变化的情况，采用多段插值的方法描述。

(3)流量压降特性插值描述方法

通常流量伺服阀的样本都给出了在标准压差下的额定流量，还会给出在开口度最大的情况下的流量压降曲线。通过截取流量压降曲线上的对应关键点，形成流量、压降、开口度的对应矩阵，每一个开口和压降的组合将得到一组流量。同理，矩阵内的元素越多，描述越精确，两点之间采用插值的方法进行描述。适用于直接采用伺服阀样本给出数据进行流量伺服阀的负载流量特性描述。

2 伺服阀性能仿真测试结果

为了测试整个伺服阀的描述性能，采用MATLAB软件Simhydraulics液压仿真工具箱，搭建测试模型如图7所示。测试模型中，伺服阀A、B出口直接对接，形成双边压降，同时在模型中增加必要的流量传感器、压力传感器，用于检测模型中间数据。采用动态反馈阀芯描述方法和流量压降特性插值描述方法对伺服阀进行描述，以MOOG公司D661-G-A系列流量伺服阀，额定流量80 L/min为例，得到的伺服阀性能仿真曲线如图8所示。

图7 伺服阀性能描述测试模型

图8 伺服阀性能仿真曲线

图8中分别描述了阀芯响应变化规律、指令信号与流量之间的变化规律、压降与流量之间的变化规律。与样本给出的数据进行对比后，变化规律基本一致，表明测试模型和描述方法可以应用到伺服系统的性能仿真中。

3 结论

针对采用功率键合图的液压系统仿真建模方法，对流量伺服阀的建模原理进行了详细描述。采用Simhydraulics软件搭建了物理测试模型并进行了建模验证，为建立高精度液压伺服系统仿真模型奠定了基础。

［1］刘勋，刘玉，李新有.基于Simhydraulics软件的电液伺服系统仿真分析［J］.机床与液压，2009，37(10):41 －45.

［2］MOOG D661-G伺服阀样本，MOOG公司，2010.

［3］Simhydraulics®User's Guide［M］.ThemathworksTM，2008.

Analysis of Flow Control Servovalve Modeling in Simulation for Hydraulic System

LIU Yu，LIXinyou，LIU Xun，YIKun
(CISDIEngineering Co.，Ltd，Chongqing 400013，China)

The flow control servovalvemodelingmethods in hydraulic system simulation were discussed，focusing on the principle of descriptionmethod based on sample data of flow control servovalve.A physical simulation model was established by Simhydraulics software.It provides base for improving the accuracy of hydraulic servo system simulation.

Flow Control Servovalve;Physical Modeling;Hydraulic Servo System;Simhydraulics

TH137

A

1001－3881(2014)10－137－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.042

2013－04－08

刘玉 (1982—)，男，工程师，主要研究方向为冶金液压系统设计、伺服控制及其仿真研究。E－mail:Yu.A.Liu@cisdi.com.cn。