浅谈基于动阀套位移反馈的电液比例方向节流阀
作者：李根义张金喜魏兴乔张增猛周华
论文 关键词：比例方向节流阀动态仿真matlab
论文摘要：分析了一种基于动阀套位移反馈的两级电液比例方向节流阀的工作原理，建立r该阀的线性化模型，从稳态误差以及快速性两个方面，对该阌进行了动态特性仿真，提出了改进该阀动态性能的措施。
电液比例控制技术已逐渐 发展 为一种控制手段，充当了连接 现代 微 电子 技术和大功率控制对象之间的桥梁。电液比例阀也因其控制精度高、反应快的特点，在高精度的机电一体化系统、工程机械机载控制系统、大型舰船驱动系统、大型试验设备中得到广泛的应用。其中电液比例方向节流阀是一种按输入电信号的正负、数值大小，实现液流方向控制和流量比例控制的电液比例阀。
1动阀套位移反馈比例方向节流阀工作原理
电液比例方向节流阀阀体主要由先导阀动态阻尼、主阀以及反馈杠杆等组成。其中先导阀为零开口四边滑阀，其阀套设计成移动式阀套．便于形成位移式反馈，主阀为负开口四边滑阀，其原理简图如图1所示。
该阀既可以用于开环系统，也可以与带位移反馈的单活塞缸组成位置闭环控制系统，但必须利用阶跃信号快速穿越零位死区；由于其主阀带有零位死区，可以保证中位的可靠锁定；又因为其内部为杠杆机械位移反馈，大大增强了阀的安全可靠性，非常适用于对可靠性要求很高，但对快速性要求不太高的场合。
当指令位移信号作用于先导阀时，先导阀阀芯移动，液控压力通过先导阀口进入主阀两端的液控敏感腔，进而控制主阀芯移动，带动反馈杠杆移动，反馈杠杆再推动先导阀动阀套向先导阀阀芯移动的同方向移动，进而关闭先导阀阀口，主阀阀芯稳定在一定位置。
从自动控制角度来说，该比例方向节流阀是一个典型的位置控制机构，即通过反馈杠杆联系主阀阀芯位移与先导阀阀芯相对位移(先导阀阀芯位移与先导阀动阀套位移差)，控制主阀与先导阀阀芯成比例地运动。显然，该阀的性能取决于先导阀、主阀、杠杆、动态阻尼等元件的特性。
2数学模型的建立
数学模型是进行时域特性分析 计算 的基础，参照图1，建立该阀的数学模型。
2．1比例先导阀的流量方程
假设先导阀的4个节流窗口是匹配和对称的；先导阀的进口压力p，恒定，回油压力为0．则先导阀的负载流量方程为
q=k。(一d)一k…p(1)
式中：为先导阀的流量增益，k为先导阀的流量压力系数，为先导阀的阀芯位移，为先导阀动阀套的反馈位移，p为先导阀的负载压力。
2．2动态阻尼的流量方程
动态阻尼的流量方程为
式中：g．为进油口阻尼的液导；g，：为回油口阻尼的液导。
2．3主阀流量连续性方程
假设先导阀与主阀的连接通道对称且短而粗，通道中的压力损失和通道动态可以忽略，主阀每个液控敏感腔的压力处处相等，油温和体积弹性模量为常数，则流入、流出主阀液控敏感腔的流量为
式中：为主阀液控敏感腔的承压面积，：为主阀芯位移，，、为主阀液控敏感腔动态容腔体积，pp为主阀液控敏感腔压力，p为主阀液控敏感腔油液及腔壁有效体积弹性模量，m为主阀阀芯等效质量，为主阀等效粘性阻尼系数，为主阀液动力刚度，为主阀等效负载。
2．4杠杆的反馈方程
杠杆的位移反馈为
式中：f。为杠杆对动阀套驱动力，m为先导阀动阀套质量，为先导阀粘性阻尼系数，为先导阀液动力刚度。
2．5主阀的流量方程主阀的负载流量方程为
式中：c为主阀各节流口的流量系数，为主阀各节流口的面积梯度，p为供油压力，为主阀零位死区，p为主阀负载压力。
3动、静态性能仿真分析
3．1仿真框图
根据以上数学模型，利用matlab／simulink仿真软件建立相应的仿真模型，对比例方向节流阀的动、静态特性进行仿真。
对比例方向节流阀来说，与输入信号成比例的输出控制量不是流量，而是功率级阀芯的轴向位移，因为流量除了与轴向位移(阀口开度)相关外，还受负载压力和供油压力变化的影响。
该阀在simulink中的仿真框图如图2所示。仿真时间设置为1s，采用ode45求解器，仿真模式设置为变步长，容差为0．001。
根据以上仿真框图，设定单位斜坡和单位阶跃两种位移输入信号，其对应的响瘟如图3、4所示。
从图3可以看出，单位斜坡输入下的主阀芯位移的静态跟随误差为0．25mm，满行程相对误差为 2．5％；由图4可以看出，单位阶跃输入下，其上升时间为55ms，动态响应曲线无波动。先导级阀口由于存在动阀套位移闭环反馈，在主阀阀芯运动到指定位移处，其负载流量、压力接近零值，其对应的单位阶跃响应曲线如图5所示。
3.3性能改进
根据以上性能分析曲线、数据以及考虑到该阀的机械结构，为提高该阀的响应速度，拟采用改变主阀液控敏感腔的承压面积以及先导阀口的流量增益的措施。
减小承压面积为原来的90%，其仿真效果如图6所示。
增大先导阀口的流量增益为原来的120%，其仿真效果如图7所示。
从图6,7可以看出，减小主阀液控敏感腔的面积以及增大先导阀的流量增益，有助于提高该阀的动态响应，使上升时间减小，基本不影响其稳定性。
4结论
通过数学模型的建立和仿真，得到了基于动阀套位移反馈的比例方向节流阀在指定位移指令信号输入下的主阀芯位移、动阀套位移、先导阀负载压力、流量等参数的变化 规律 ，并提出了通过改变主阀液控敏感腔的承压面积以及先导阀口流量增益的方法来改进其动态特性，有利于进一步分析以及优化该阀的结构。