2D伺服阀控单出杆缸的实验研究

， ， 　， 　(.衢州职业技术学院 机电工程学院， 浙江 衢州　34000； .浙江工业大学 机械工程学院， 浙江 杭州　3004)

引言

电液伺服控制技术是现代控制技术的重要组成部分，它是在各学科发展的基础上产生的，主要来源于四个方面：液压流体力学、控制理论、电气学和电子学。单出杆缸兼具工作空间小、制造方便与出力大等优点，在液压控制系统中得到了广泛的应用[1]。电液控制机构既具有电子控制的灵活性和快速性，又有液压元件的巨大功率[2]。随着计算机技术的发展，电液控制机构与之结合，更具有控制灵活、操作方便、数据处理和实现大系统控制的功能。同时随着科学技术的发展，要求各种由液压控制系统驱动的产品可实现其特有的功能并保持本身的精度，同时对液压控制系统的稳定性能和位置精度要求也逐日提高[3]。本研究主要以2D阀控单出杆缸为实验平台，分析了2D阀控单出杆缸稳定性、响应性、系统误差等。

1　工作原理与结构设计

本实验室采用的是自主研制的2D数字阀，其结构如图1所示。2D数字阀由阀体、电-机械转换器(步进电机)、齿轮传动机构等主要部分组成[4]。步进电机位于2D数字阀的上方，其尾部装有检测电机转角的角位移传感器。步进电机通过齿轮副与2D阀阀芯连接，即步进电机的运动可以控制阀芯的运动，同时可以放大力矩。相对其他伺服阀而言其具有以下优点： ① 抗污染能力强；② 响应速度快。伺服螺旋机构的液压固有频率决定于敏感腔的体积及阀芯的质量，2D数字阀的结构特点决定了其敏感腔可以设计的很小，因此其液压固有频率很高，响应速度快。

1.步进电动机　2.阀座　3.阀套　4.O形圈　5.挡板　6.盒盖 7.紧固螺钉　8.同心环　9.阀芯　10.端盖　11.摆轮　12.齿轮 13.限位销　14.电动机安装板　15.安装销

2D阀属于对称滑阀，对称阀控非对称缸动力机构如图2所示，由零开口四边滑阀和单出杆缸组成。单出杆缸加工和密封都比较简单，制造成本也比较低，但是由于单出杆缸有效工作面积不相等，因而正反向运动时所需要的流量各不相同，且正反方向运动时动、静特性也不相同，从而使系统存在严重的压力跃变，并使系统存在附加静态误差[5]。

图2　2D伺服阀控单出杆缸

图2中A1、p1、Q1分别表示无杆腔的有效作用面积、无杆腔的压力和流量；A2、p2、Q2分别表示有杆腔的有效作用面积、有杆腔的压力和流量；y表示活塞杆的位移。由于活塞杆两腔的有效作用面积不同，因此流量是不连续的，而且系统的流量方程与活塞杆运动的方向有关。

2　实验研究

单出杆缸位置闭环实验包括两小部分，它们是PID参数的整定和频响实验。在不同参数下，液压缸的响应时间、超调量和调整时间都不一样，本实验要求在系统稳定的前提下，尽可能缩短上升时间，超调量尽可能小，调整时间尽可能短。频响实验借助于信号发生器产生不同频率和不同幅值的信号(对应着液压缸偏离平衡位置最大位移)。单出杆实物图如图3、图4所示。

图3　2D伺服阀控单出杆缸实验

图4　电源板实物图

2.1　PID参数的整定

PID控制算法是现代工业中最常用的算法之一。在实际工程中应用最为广泛的调节器是比例、积分、微分控制，简称PID控制[6]。

式中：Kp为比例系数；TIs为微分时间系数；TDs为微分时间系数。

从图5中可知不同的比例因子对系统的影响有较大的差别，当Kp=0.03时，系统能较快响应，但是系统的调整时间较长，而且当系统稳定时还存在静差。而当Kp=0.07时，系统响应较Kp(Kp=0.03)快，而且系统稳定时几乎没有静差，当Kp=0.15时，是最为理想的情况，无论是响应时间、调整时间、系统静差都优于前面二者。通过实验验证了Kp值对系统的影响，适当增大Kp值能够使系统迅速趋于稳定，并且系统的静差会适当减小。图6是当Kp=0.15时，不同的Ki值对系统的影响，Ki值增大时对消除系统静差有一定的好处，但是如果Ki值过大，会造成系统不稳定，使其超调过大(超过可承受范围)。由图可知，当Ki=0.000015时，系统还比较稳定，但稍微增加，会造成系统剧烈振荡，因此Ki=0.000015为临界值。

图5　Kp对系统响应的影响

图6　Ki对系统响应的影响

2.2　频响实验

图7是系统在不同压力下的响应，(系统的压力越高，响应越快)可见随着系统的压力越高，响应也越快。在闭环的实验中还针对不同的输入进行了分析，并对同一输入量进行了重复性实验。在图8闭环实验曲线中在不同输入下，系统的响应，其中输入量折算成位移分别是80 mm和240 mm。对于系统的重复性实验，一共做了7组数据，重复性良好。由上述实验结果可见，系统不仅具有快速的响应能力，而且具有良好的重复性，说明2D阀控单出杆的响应特性良好，可以在实践中得到应用。

图7　不同压力下的阶跃响应

图8　不同输入的响应

频率特性是根据单出杆缸在外界输入信号(信号发生器)，输入幅值为0.1 V，对应偏离平衡位置的位移为8 mm，不同频率的正弦信号。由图9可以看出，在低频输入信号下，液压缸能够很好地跟随输入的控制信号，这也说明液压缸具有良好的静态特性。随着输入信号频率的提高，输出信号的幅值逐渐衰减，同时输出信号的相位也逐渐滞后。从图中可以看出，当输入信号的频率为5 Hz时，幅值很明显衰减至满幅值的50%，相位滞后90°。可见在输入幅值为0.1 V条件下，其对应的-3 dB、-90°的频宽约为5 Hz。当然，在不同幅值输入下，系统的频宽会有所改变。

图9　正弦频率响应

3　结论

对2D伺服阀控单出杆缸进行实验研究得到如下结论：

(1) PID参数的调整关系到系统响应的快慢、系统的静差、以及系统的稳定性；

(2) 阶跃响应实验表明系统不仅具有快速的响应能力，而且具有良好的重复性，说明2D阀控单出杆的响应特性良好，可以在实践中得到应用；

(3) 当输入信号幅值为0.1 V(8 mm)时，阶跃响应的上升时间为1.2 s，调整时间为2.5 s，系统稳态误差为0，-3 dB时对应的频宽为5 Hz。

参考文献：

[1]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]Murrenhoff H. Develop Trends in Fluid Power[J]. Konstruklion, 1997,(3):20-29.

[3]王占林.近代液压控制[M].北京：机械工业出版社，1998:1-3.

[4]张凯,阮健,励伟,等．大流量2D伺服阀的研究与设计[J]．液压气动与密封,2013,(12)：26-28．

[5]阮健,李胜,孟彬.2D数字伺服阀[J].液压与气动，2010,(9)：77-80.

[6]邢印娇.电液比例同步控制系统研究[D].南京:南京航空航天大学,2010.