电液比例溢流阀动态特性分析

2009年 4月 第 37卷 第 4期 机床与液压 MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS Ap r12009 Vol137 No14 收稿日期 : 2008 - 04 - 18 作者简介 : 李鹏 (1983—) , 男 , 中国矿业大学机电学院硕士研究生。电话 : 13615136521, E - mail: lipeng198321 @ 1631com。 电液比例溢流阀动态特性 李鹏 , 侯友夫 , 杨少军 , 黄飞 (中国矿业大学机电工程学院 , 江苏徐州 221008) 摘要 : 电液比例溢流阀是液粘调速离合器电液控制系统的关键元件。通过实验对其动态特性进行分析 , 并与计算机仿 真结果进行比较 , 验证了根据实验数据所简化的传递函数的正确性。 关键词 : 液粘调速离合器 ; 电液比例溢流阀 ; 动态特性 ; 传递函数 ; 仿真 中图分类号 : TP211131　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1001 - 3881 (2009) 4 - 072 - 3 D ynam ica l Character istics Ana lysis of Proportion Relief Va lve L I Peng, HOU Youfu, YANG Shaojun, HUANG Fei (College ofMechanical and Electrical Engineering, China University ofM ining and Technology, Xuzhou J iangsu 221008, China) Abstract: Proportion relief valve is a vital executing component in electro2hydraulic control system of hydro2viscous drive. The dynam ical characteristics of p roportion relief valve were analyzed through the experimentation, and the correctness of the transfer func2 tion was verified through simulation test and according to real data. Keywords: Hydro2viscous drive; Proportion relief valve; Dynam ical characteristics; Transfer function; Simulation 0　引言 液体调速离合器 ( Hydro2viscous D rive) 是 20世 纪 70年代中期发展起来的一种新型流体传动形式 , 其原理是利用液体的粘性或油膜剪切作用来传递动 力 , 能够实现无级调速和同步运行 , 并且还能对传动 系统进行过载保护。液体粘性传动装置因其成本低、 体积小、运行可靠、调速灵敏且调速范围广等优点 , 已经广泛应用于水泵、风机等大能耗的调速系统中 , 并取得了显著的节能效果。 液体调速离合器的输出转速依靠电液比例系统进 行调节 , 而电液比例系统的核心是电液比例溢流阀 , 因此 , 电液比例溢流阀的性能对液粘传动的控制系统 有着重要的影响。在进行液粘传动控制器设计时 , 需 要对其进行动态分析 , 建立控制模型 , 确定输入电压 与输出转速的传递函数 , 其中电液比例溢流阀的传递 函数的确定很重要。作者通过实验的方法对电液比例 溢流阀的性能进行了分析 , 确定电液比例溢流阀的传 递函数 , 利用计算机进行了 MATLAB 仿真 , 并与实 验结果进行了比较。 1　数据采集系统 为了分析电液比例溢流阀在液体调速离合器中的 压力控制特性 , 需采集比例阀的运行参数作为研究依 据。由于部分数据对采集的实时性要求较高 , 所以需 构建专用采集系统。 控制系统一般要求稳定、准确、快速及时 , 因此 作者对电液比例溢流阀的动态响应特性、稳态精度和 重复精度 3个方面进行测试 , 实验测定参数包括输出 油压、控制电压。其中油压信号由压力变送器获取 , 输出信号为的 4～20mA电流信号 , 经精密电阻 处理后可获得相应电压信号 ; 控制电压信号从信号发 生器输出端获取。 为了获取阶跃响应等对采集实时性要求较高的数 据 , 采集系统需有较高的采样频率 , 作者选用了研华 公司生产的 PC I1713系列采集板卡。该板卡采用 12 位精度的 A /D转换器 , 内部集成 4kB的 F IFO缓存 , 支持的采样频率高达 100kHz, 并具备增益可调功能。 除此外 , 该卡采用高速 PC I总线 , 可以很容易地嵌入 到 PC机上。而研华公司所提供的 W aveSCAN210数据 采集软件可方便地实现数据存储和曲线生成。采集系 统结构如图 1所示。 图 1　采集系统结构框图 2　电液比例溢流阀性能测试及分析 211　时域瞬态响应 瞬态响应是系统在某一输入信号的作用下其输出 量从初始态到稳定态的响应过程。在分析瞬态响应时 往往选择典型输入信号 , 通常这些信号可以是阶跃函 数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数和正弦函数 , 图 2　电液比例溢流 阀阶跃响应 作者选用最为典型的阶 跃函数。电液比例溢流 阀压力阶跃响应如图 2 所示 , 由图中可以看出 , 电液比例溢流阀的阶跃 响应时间大约为 013 s, 满足液粘传动装置响应 时间的要求。 212　频域动态响应 对于一般线性系统 , 当输入正弦信号时 , 其输出 稳定后同样也是与输入同样频率的正弦信号。当输入 信号幅值不变而频率变化时 , 其输出幅值和相位一般 也是随频率变化而变化的。频率特性可以采用实验的 手段获得。在系统的输入端加入一定幅值的正弦信 号 , 稳定后系统的输出也是正弦信号。不同频率 下输入、输出的幅值和相位 , 即可获得系统的频率特 性。这里 , 分析电液比例溢流阀压力频域响应特性所 用的正弦信号由信号发生器产生。 为避免电液比例溢流阀死区对测试结果的影响 , 信号发生器所产生的信号应高于死区电压 , 所以这里 使用波谷为 1V、波峰为 2V的正弦电压信号 , 正弦信 号角频率主要选用 2、3、4、⋯、10、20、30、40、 图 3　频率响应实测曲线 ⋯、１００ｒａｄ／ｓ。图 3为 使用 W aveSCAN210 软 件采集的角频率为 4 rad / s 的响应曲线 , 图的下部曲线为正弦 信号曲线 , 上部曲线 为电液比例溢流阀的 压力响应曲线。 图 4　频率响应处理曲线 实测响应曲线是压力传感器产生的电压信号 , 需 转换成相应的油压值。压力传感器量程为 0～20MPa, 输出信号为 4～20mA电流信号 , 采集电阻选用 500Ω 精密电阻 , 所以采集电压向实际油压的转换公式为 p = (VS - 2) ×20 /8 ( p示油压 , VS表示压力传感器 的测量值 )。经过转换后的实测油压数据与相应正弦 信号由 O riginPRO软件在同一坐标中生成曲线 , 如图 4所示。通过对多组曲线的分析 , 可以获得不同角频 率下电液比例溢流阀的幅值增益和相位滞后 , 并根据 数据绘制波德图 , 如图 5所示。 图 5　电液比例溢流阀波德图 213　稳态特性测试 稳态特性测试主要测试电液比例溢流阀的稳态精 度和重复精度。实验方法是采用可编程控制器的模拟 图 6　稳态特性测试曲线 量输出口产生驱动电压 , 同时使用采集模块采集数 据 , 并做滤波处理。驱动 电压从 0开始每次递增 1V 输出 , 增至 10V 后 , 每次 递减 1V输出 , 直至电压为 0。实验曲线如图 6所示。 由图 6 可以看出 , 电液比例溢流阀存在约 0178MPa的死区 , 而在 1～9MPa范围内 , 线性度比 较好 , 大于 9MPa时 , 曲线存在明显的弧度 , 同时可 以看出电液比例溢流阀存在一定的重复精度误差 , 但 误差比较小 , 两条曲线能基本重合。 214　电液比例溢流阀模型简化 许多学者已经采用经典控制理论的方法对电液比 例溢流阀的性能作了分析和描述 , 但导出的模型十分 复杂 , 对系统分析带来不便 , 所以作者将对电液比例 溢流阀模型向二阶系统进行简化。 由图 5可以看出相位差超过了 180°, 所以可以 断定该系统为非最小相位系统 , 存在着延迟环节。电 液比例溢流阀频率特性可以表示为如下形式 : G0 ( s) = e - τs 1 ω20 s 2 + 2ξ0 ω0 s + 1 (1) 式中 : τ为延迟时间 , ω0 为固有频率 , ξ0 为阻尼比。 确定电液比例溢流阀的传递函数 , 实际上就是确 定τ、ω0、ξ0 3个参数。由于延迟环节对系统增益无影 响 , 所以可以先确定后 2个参数。由图 5中的实验曲 线可知增益曲线未超越零点 , 所以可以初步判定 017 < ξ0 < 110, 固有频率点在 - 2192dB和 - 6120dB线与实 测曲线两交点之间 ( 25～40rad / s)。通过多次试凑 , ω0 = 36rad / s、ξ0 = 0195的仿真曲线与实验曲线最为接 近 , 如图 5所示 , 所以可以确定 ω0 = 36rad / s、ξ0 = ·37·第 4期 李鹏 等 : 电液比例溢流阀动态特性分析 　　　 0195。延迟环节只对相位差有影响 , 所以通过相位差 仿真曲线逼近实验曲线的方法可以很容易地获得延迟 时间τ。通过多次逼近实验 , 最后确定τ= 0101。将 各参数代入式 ( 1) 得 G0 ( s) = e - 0101s 01000 771 6s2 + 0105s + 1 (2) 式 (2) 即为电液比例溢流阀的传递函数。 3　MATLAB仿真 基于上述分析及所求得的传递函数 , 在 Simulink 环境下仿真电液比例溢流阀阶跃响应与正弦激励响 应。画出电液比例溢流阀的仿真系统框图如图 7和图 8所示。 运行仿真得到仿真曲线如图 9、10所示 , 通过与 实验得到的曲线比较可以看出仿真曲线与实验曲线的 吻合度较好 , 所以用式 (2) 简化表示电液比例溢流 阀的传递函数比较合理。 4　结束语 作者通过实验分析了电液比例溢流阀的动态特 性 , 根据实验数据求得传递函数。在确定传递函数的 基础上利用 MATLAB 的 Simulink建立仿真系统 , 并 将仿真结果与实验数据进行比较 , 可以看出所简化的 比例阀传递函数比较合理 , 为准确建立液粘调速离合 器的控制系统模型提供了依据。 参考文献 【1】魏宸官 , 赵家象. 液体粘性传动技术 [M ]. 北京 : 国防工业出版社 , 1996. 【2】董景新 , 赵长德 , 熊沈蜀 , 郭美凤. 控制工程基础 [M ]. 北京 : 清华大学出版社 , 2003. 【3】路甬祥 , 胡大纮. 电液比例控制技术 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 1987. 【4】范影乐 , 杨胜天 , 李秩. 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