CN101307787B - 基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀及控制方法。伺服阀包括并联先导级、主级插装阀、微处理器，并联先导级由两个液压阀并联组成，主级插装阀的控制上腔与并联先导级的第一个控制油口相连接、主级插装阀的控制下腔与并联先导级的第二个控制油口相连接，主级插装阀的阀芯上设有位置传感器。方法是以插装阀作为主级，采用多个阀并联作为先导级，先导级采用同步或分段非线性协同控制方法，通过先导级与主级控制参数的反馈，实现对主级插装阀的闭环控制。本发明能实现大流量电液伺服阀在大范围控制时具有较高的阶跃响应性能和在小范围调整时具有较高的频率响应和控制精度，解决传统电液伺服阀在大流量与高频响之间的矛盾。

Description

基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀及控制方法

技术领域

本发明属于流体传动与控制领域，涉及一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀及控制方法。

背景技术

近年来，随着电液伺服系统在航空航天、冶金、船舶、军事等应用领域的深入发展，对电液伺服阀提出了更高的要求。例如在大型模锻液压机、水压机、摩擦焊机、压铸机、军用负载模拟装置、高频电液振动台、高频材料试验机等重大装备应用领域中，要求电液伺服阀同时具备高压、大流量、高频响、抗油液污染等技术特征，并且对上述各项指标的要求越来越高。

传统的电液伺服阀由于采用串联型先导级因而很难同时满足上述技术指标，其主要矛盾在于：随着额定流量的增加，电液伺服阀的频率响应会大幅度降低。图3给出了MOOG公司DSHR系列大流量插装式伺服阀的额定流量与频率响应之间关系的变化趋势。由图3可见，在额定流量超过2000L时，伺服阀的频响已降至50HZ以下，这样的频率响应已接近比例阀的水准，远达不到人们对大流量高频响电液伺服阀的要求。

为了提高电液伺服阀的额定流量和响应频率，传统的方法是采用增加先导级级数或改进电-机械转换器性能，各级阀之间是单纯的串联关系。随着主阀流量需求的增加，由于级间流量放大倍数有限，先导级的级数和流量会进一步增加，最终会导致主阀芯的位移在大范围内调整时阶跃响应产生严重的滞后、在小范围内调整时频率响应大幅度降低，此外也会导致电液伺服阀的尺寸增大、驱动功率提高。

因此，研制新型的“大流量、高频响、高精度”的电液伺服阀，解决传统电液伺服阀在“大流量”与“高频响”之间的矛盾，已经成为流体传动及控制领域的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是：克服现有的实现大流量高频响电液伺服阀技术所存在的不足，提出一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀及控制方法。

一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀包括并联先导级、主级插装阀、微处理器，并联先导级具有第一阀、第二阀，主级插装阀的控制上腔与第一阀的第一个工作油口、第二阀的第一个工作油口相连接，主级插装阀的控制下腔与第一阀的第二个工作油口、第二阀的第二个工作油口相连接，主级插装阀的阀芯上设有位置传感器，微处理器分别与第一阀的外控电信号端口、第二阀的外控电信号端口、主级插装阀阀芯的位置传感器的信号端口相连接。

另一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀包括并联先导级、主级插装阀、微处理器，并联先导级具有第二阀、四通开关换向阀，主级插装阀的控制上腔与第二阀的第一个工作油口、四通开关换向阀的第一个工作油口相连接，主级插装阀的控制下腔与第二阀的第二个工作油口与四通开关换向阀的第二个工作油口相连接，主级插装阀的阀芯上设有位置传感器，微处理器分别与第二阀的外控电信号端口、四通开关换向阀的外控电信号端口、主级插装阀阀芯的位置传感器的信号端口相连接。

所述的第一阀为比例阀或伺服阀，第二阀为比例阀或伺服阀。

基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀的控制方法是以插装阀作为主级，采用两个或多个阀并联作为先导级，先导级采用同步或分段非线性协同控制方法，通过先导级与主级控制参数的反馈，实现对主级插装阀的闭环控制。

所述的先导级同步控制方法为先导级中各并联阀的动作是同步的。所述的先导级分段非线性协同控制方法是根据主级阀芯位置反馈信号与目标值的误差，对先导级进行分段协同控制，在误差较大时，先导级中的各阀同时参与工作，加大调节增益，先导级工作在高增益、低频响段，随着误差逐渐减小，大流量先导级逐渐关闭，降低调节增益；在误差较小时，仅小流量阀工作，先导级工作在小增益、高频响段。

本发明所提出的基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀及控制方法，不仅能解决传统大流量电液伺服阀在控制流量与频率响应之间的矛盾，而且能实现大流量高频响电液伺服阀在大范围控制时具有较高的频率响应和在小范围调整时具有较高的控制精度，满足人们对大流量高频响电液伺服阀的迫切需求。

附图说明

图1是第一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀结构示意图；

图2是第二种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀结构示意图；

图3是插装式伺服阀额定流量(Q)与频响(f)统计关系曲线；

图中：第一阀1、第一阀1的第一个工作油口2、第一阀1的第二个工作油口3、第二阀4(比例阀或伺服阀)、第二阀4的第一个工作油口5、第二阀4的第二个工作油口6、微处理器7、位置传感器8、主级插装阀9、主级插装阀9的控制上腔10、主级插装阀9的控制下腔11、四通开关换向阀12、四通开关换向阀12的第一个工作油口13、四通开关换向阀12的第二个工作油口14。

具体实施方式

传统的提高电液伺服阀的额定流量和频率响应的方法是采用增加先导级级数或改进电一机械转换器性能，各级阀之间是单纯的串联关系。随着主阀流量需求的增加，由于级间流量放大倍数有限，先导级的级数和流量会进一步增加，最终会导致伺服阀的频率响应低，主阀芯的位移在大范围内调整时阶跃响应产生严重的滞后、在小范围内调整时频率响应大幅度降低。传统的电液伺服阀在实现大流量高频响输出控制时遇到了其发展的瓶颈。

与额定流量大的电液伺服阀相比，额定流量小的电液伺服阀具有较高的频率响应(如图3所示)，这样在保证额定的先导控制流量的条件下，可通过并联多个小流量的伺服阀作为大流量伺服阀的先导级、过流能力大的插装阀作为大流量伺服阀的主级，且对并联的各先导级阀实施合理的控制方法便可大幅度提高大流量伺服阀的频率响应；此外由于各个小流量伺服阀具有较高的电-机械转换器分辨率，使得大流量电液伺服阀的控制精度得到大幅度的提高。正是基于这种并联型先导级控制的思想，本发明提出基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀及控制方法。

采用多阀并联作为先导级，在满足电液伺服阀先导控制流量的情况下，先导级中各并联阀可由相同或不同种类、参数的液压控制阀组成，如开关阀与比例阀或伺服阀的组合、比例阀与伺服阀的组合等，以便充分合理地利用各类液压控制阀的优点使得大流量伺服阀在不同工况下具有更优的控制性能。

基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀的控制方法是以插装阀作为主级，采用两个或多个阀并联作为先导级，先导级采用同步或分段非线性协同控制方法，通过先导级与主级控制参数的反馈，实现对主级插装阀的闭环控制。

所述的先导级同步控制方法为先导级中各并联阀的动作是同步的。所述的先导级分段非线性协同控制方法是根据主级阀芯位置反馈信号与目标值的误差，对先导级进行分段协同控制，在误差较大时，先导级中的各阀同时参与工作，加大调节增益，先导级工作在高增益、低频响段，随着误差逐渐减小，大流量先导级逐渐关闭，降低调节增益；在误差较小时，仅小流量阀工作，先导级工作在小增益、高频响段。

基于并联型先导级控制的伺服阀是到目前为止解决“大流量”与“高频响”矛盾的最有效和最具发展前景的解决方案之一。本发明具有重要的理论研究意义与实际应用价值。

如图1所示，第一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀包括并联先导级、主级插装阀9、微处理器7，并联先导级具有第一阀1、第二阀4，主级插装阀9的控制上腔10与第一阀1的第一个工作油口2、第二阀4的第一个工作油口5相连接，主级插装阀9的控制下腔11与第一阀1的第二个工作油口3、第二阀4的第二个工作油口6相连接，主级插装阀9的阀芯上设有位置传感器8，微处理器7分别与第一阀1的外控电信号端口、第二阀4的外控电信号端口、主级插装阀阀芯的位置传感器8的信号端口相连接。所述的第一阀1为比例阀或伺服阀，第二阀4为比例阀或伺服阀，其中第一阀1具有比第二阀4小的额定流量、高的频率响应。当大流量电液伺服阀在大范围控制时，第一阀1与第二阀4同时参与工作，为大流量电液伺服阀提供足够的先导控制流量；当大流量电液伺服阀在小范围内进行高精度调整时，仅由频率响应高、控制精度高的第一阀1参与工作，因而能实现大流量电液伺服阀在大范围控制时具有较高的频率响应和在小范围调整时具有较高的控制精度。

如图2所示，另一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀包括并联先导级、主级插装阀9、微处理器7，并联先导级具有第二阀4、四通开关换向阀12，主级插装阀9的控制上腔10与第二阀4的第一个工作油口5、四通开关换向阀12的第一个工作油口13相连接，主级插装阀9的控制下腔11与第二阀4的第二个工作油口6与四通开关换向阀12的第二个工作油口14相连接，主级插装阀9的阀芯上设有位置传感器8，微处理器7分别与第二阀4的外控电信号端口、四通开关换向阀12的外控电信号端口、主级插装阀阀芯的位置传感器8的信号端口相连接。所述的第二阀4为比例阀或伺服阀，四通开关换向阀12具有比第二阀4较大的额定流量。当大流量电液伺服阀在大范围控制时，四通开关换向阀12与第二阀4同时参与工作，为大流量电液伺服阀提供足够的先导控制流量，因四通开关换向阀12的开关速度较快、额定流量大，故能保证大流量电液伺服阀在大范围控制时具有较高的频率响应；当大流量电液伺服阀在小范围内进行高精度调整进，仅由额定流量小、控制精度高的第二阀4参与工作，因而能实现大流量电液伺服阀在小范围调整时具有较高的控制精度。

Claims (4)

1.一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀，其特征在于：包括并联先导级、主级插装阀(9)、微处理器(7)，并联先导级具有第一阀(1)、第二阀(4)，主级插装阀(9)的控制上腔(10)与第一阀(1)的第一个工作油口(2)、第二阀(4)的第一个工作油口(5)相连接，主级插装阀(9)的控制下腔(11)与第一阀(1)的第二个工作油口(3)、第二阀(4)的第二个工作油口(6)相连接，主级插装阀(9)的阀芯上设有位置传感器(8)，微处理器(7)分别与第一阀(1)的外控电信号端口、第二阀(4)的外控电信号端口、主级插装阀阀芯的位置传感器(8)的信号端口相连接；其中并联先导级的第一阀(1)具有比第二阀(4)小的额定流量、高的频率响应，当大流量电液伺服阀在大范围控制时，第一阀(1)与第二阀(4)同时参与工作，为大流量电液伺服阀提供足够的先导控制流量；当大流量电液伺服阀在小范围内进行高精度调整时，仅由频率响应高、控制精度高的第一阀(1)参与工作，因而能实现大流量电液伺服阀在大范围控制时具有较高的频率响应和在小范围调整时具有较高的控制精度。

2.根据权利要求1所述的一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀，其特征在于所述的第一阀(1)为比例阀或伺服阀，第二阀(4)为比例阀或伺服阀。

3.一种基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀，其特征在于：包括并联先导级、主级插装阀(9)、微处理器(7)，并联先导级具有第二阀(4)、四通开关换向阀(12)，主级插装阀(9)的控制上腔(10)与第二阀(4)的第一个工作油口(5)、四通开关换向阀(12)的第一个工作油口(13)相连接，主级插装阀(9)的控制下腔(11)与第二阀(4)的第二个工作油口(6)与四通开关换向阀(12)的第二个工作油口(14)相连接，主级插装阀(9)的阀芯上设有位置传感器(8)，微处理器(7)分别与第二阀(4)的外控电信号端口、四通开关换向阀(12)的外控电信号端口、主级插装阀阀芯的位置传感器(8)的信号端口相连接；其中并联先导级中的第二阀(4)为比例阀或伺服阀，四通开关换向阀(12)具有比第二阀(4)较大的额定流量，当大流量电液伺服阀在大范围控制时，四通开关换向阀(12)与第二阀(4)同时参与工作，为大流量电液伺服阀提供足够的先导控制流量，因四通开关换向阀(12)的开关速度较快、额定流量大，故能保证大流量电液伺服阀在大范围控制时具有较高的频率响应；当大流量电液伺服阀在小范围内进行高精度调整时，仅由额定流量小、控制精度高的第二阀(4)参与工作，因而能实现大流量电液伺服阀在小范围调整时具有较高的控制精度。

4.一种实现基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀的控制方法，其特征在于：以插装阀作为主级，采用两个或多个阀并联作为先导级，先导级采用同步或分段非线性协同控制方法，通过先导级与主级控制参数的反馈，实现对主级插装阀的闭环控制，所述的先导级分段非线性协同控制方法是根据主级阀芯位置反馈信号与目标值的误差，对先导级进行分段协同控制，在误差较大时，先导级中的各阀同时参与工作，加大调节增益，先导级工作在高增益、低频响段，随着误差逐渐减小，大流量先导级逐渐关闭，降低调节增益；在误差较小时，仅小流量阀工作，先导级工作在小增益、高频响段。

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