CN109488646A - 一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统及方法，该系统包括油箱、吸油过滤器、主泵、电动机、安全阀、主油路过滤器、控制阀组、位移传感器和液压缸；控制阀组包括四个微型高速数字阀和比例阀，比例阀实现位置控制系统对液压缸位置的快速调节，微型高速数字阀实现对液压缸位置的精确调节。本发明系统采用比例阀与微型高速数字阀联合控制，避免采用高精度的伺服阀，降低了系统成本；采用的微型高速数字阀结构简单，满足高温高压等特殊工况环境，故障率低，采用的普通比例阀对复杂工况具有良好的适应性，提高了系统的可靠性；采用比例阀与微型高速数字阀联合控制，构成了并联通路，提高了系统冗余度。
Description
技术领域
本发明属于液压控制系统领域，尤其涉及一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统及方法。
背景技术
位置控制系统是采用位移传感器检测被控对象的位置变化，并以闭环负反馈控制方式工作，将控制指令所表达的被控对象的机械位置快速、高精度的转变为被控对象实际物理位置的液压控制系统。位置控制系统在实际生产生活中应用十分广泛，位置控制系统既可以独自构成系统，如机床运动滑台的位置控制系统；也经常作为执行元件参与构建大型控制系统，这时，位置控制系统是一个高频响高精度执行器，如飞机飞行控制系统中包含的多个电业伺服作动器。
目前的电液位置控制系统采用电液伺服阀作控制元件，成本花费巨大而且对系统的要求较高。电液高速数字阀是一种机、电、液一体化的智能型液压基础元件，具有对油液的清洁度要求较低，抗污染能力强，可靠性高以及加工制造成本低，装配调试周期短等优点。而液压系统对低成本，高可靠性和冗余度的要求，使数字液压技术替代传统的比例伺服技术提出了实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统及方法，该系统具有结构简单、成本低、控制精度高、使用寿命长的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统，包括油箱、吸油过滤器、主泵、电动机、安全阀、主油路过滤器、控制阀组、位移传感器和液压缸；所述主泵的吸油口通过吸油过滤器与油箱连接，所述主泵的排油口与主油路过滤器连接，且主泵与电动机连接；所述控制阀组具有主进油口、主回油口、A工作油口和B工作油口；所述主油路过滤器后的油路通道设置两个分支，分别与安全阀、控制阀组的主进油口相连；所述控制阀组的A工作油口和B工作油口分别与液压缸的无杆腔和有杆腔相连；所述控制阀组的主回油口与油箱连接；
所述控制阀组包括第一微型高速数字阀、第二微型高速数字阀、比例阀、第三微型高速数字阀、第四微型高速数字阀；所述控制阀组的主进油口设置三个分支，分别与比例阀的主进油口、第三微型高速数字阀的进油口、第四微型高速数字阀的进油口相连；所述控制阀组的主回油口设置三个分支，分别与比例阀的主回油口、第一微型高速数字阀的出油口、第二微型高速数字阀的出油口相连；所述控制阀组的A工作油口设置三个分支，分别与比例阀的A工作油口、第一微型高速数字阀的进油口、第三微型高速数字阀的出油口相连；所述控制阀组的B工作油口设置三个分支，分别与比例阀的B工作油口、第二微型高速数字阀的进油口、第四微型高速数字阀的出油口相连；所述位移传感器连接液压缸，用于测量液压缸的活塞位置。
进一步地，所述比例阀的流量大于第一微型高速数字阀、第二微型高速数字阀、第三微型高速数字阀、第四微型高速数字阀的流量，所述比例阀实现位置控制系统对液压缸位置的快速调节；所述第一微型高速数字阀、第二微型高速数字阀、第三微型高速数字阀、第四微型高速数字阀实现对液压缸位置的精确调节。
进一步地，所述第一微型高速数字阀、第二微型高速数字阀、第三微型高速数字阀、第四微型高速数字阀采用电脉冲信号控制，使得微型高速数字阀流量离散化。
进一步地，所述电脉冲信号采用PWM控制，通过调节脉冲信号的频率与占空比，设定微型高速数字阀的脉冲流量，达到调节系统位置精度的目的。
一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制方法，包括以下步骤：
(1)在液压缸活塞伸出阶段，位置控制系统判断液压缸的活塞目前位置与目标位置之间的距离是否超出比例阀的工作状态切换设定值；液压缸的活塞目前位置通过位移传感器测得；
当液压缸的活塞位置与目标位置之间的距离超出比例阀的工作状态切换设定值，比例阀工作在左位，液压油由主泵出口经比例阀进入液压缸的无杆腔，液压缸的有杆腔的液压油经比例阀流回油箱，液压缸快速伸出，保证位置控制系统快速响应；
同时位置控制系统通过位移传感器不断检测液压缸的活塞位置，并与目标位置进行比较，直到液压缸的活塞位置与目标位置的距离小于比例阀的工作状态切换设定值，此时比例阀关闭，位移传感器检测液压缸实际位置信号，做闭环反馈，计算出液压缸到达目标位置所需的流量，向第三微型高速数字阀、第二微型高速数字阀输出控制信号，主泵出口液压油经第三微型高速数字阀离散为脉冲流量进入液压缸的无杆腔，液压缸的有杆腔的液压油经第二微型高速数字阀离散为脉冲流量回到油箱，液压缸的活塞慢速伸出到目标位置，保证位置控制系统的控制精度；
当液压缸的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀的工作状态切换设定值，控制系统根据液压缸的活塞位置与目标位置之间的距离以及第二微型高速数字阀和第三微型高速数字阀设定的脉冲流量，计算并对第三微型高速数字阀、第二微型高速数字阀发出对应数目的脉冲信号，主泵出口液压油经第三微型高速数字阀离散为脉冲流量进入液压缸的无杆腔，液压缸的有杆腔的液压油经第二微型高速数字阀离散为脉冲流量回到油箱，液压缸的活塞慢速伸出到目标位置；
(2)在液压缸活塞缩回阶段，位置控制系统判断液压缸的活塞目前位置与目标位置之间的距离是否超出比例阀的工作状态切换设定值；
当液压缸的活塞位置与目标位置之间的距离超出比例阀的工作状态切换设定值，比例阀工作在右位，液压油由主泵出口经比例阀进入液压缸的有杆腔，液压缸的无杆腔的液压油经比例阀流回油箱，液压缸快速缩回，保证位置控制系统快速响应；
同时位置控制系统通过位移传感器不断检测液压缸的活塞位置，并与目标位置进行比较，直到液压缸的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀的工作状态切换设定值，此时比例阀关闭，位置控制系统根据比例阀的工作状态切换设定值与第一微型高速数字阀、第四微型高速数字阀设定的脉冲流量，计算并对第四微型高速数字阀、第一微型高速数字阀发出对应数目的脉冲信号，主泵出口液压油经第四微型高速数字阀离散为脉冲流量进入液压缸的有杆腔，液压缸的无杆腔的液压油经第一微型高速数字阀离散为脉冲流量回到油箱，液压缸的活塞慢速缩回到目标位置，保证位置控制系统的控制精度；
当液压缸的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀的工作状态切换设定值，控制系统根据液压缸的活塞位置与目标位置之间的距离以及第一微型高速数字阀、第四微型高速数字阀设定的脉冲流量，计算并对第四微型高速数字阀、第一微型高速数字阀发出对应数目的脉冲信号，主泵出口液压油经第四微型高速数字阀离散为脉冲流量进入液压缸的有杆腔，液压缸的无杆腔的液压油经第一微型高速数字阀离散为脉冲流量回到油箱，液压缸的活塞慢速缩回到指令要求位置。
本发明的有益结果是：
(1)本发明液压缸位置控制系统成本降低：本发明液压缸位置控制系统采用比例阀与微型高速数字阀联合控制，避免采用高精度的伺服阀，降低了系统成本。
(2)本发明液压缸位置控制系统可靠性高：本发明液压缸位置控制系统采用的微型高速数字阀结构简单，满足高温高压等特殊工况环境，故障率低，采用的普通比例阀对复杂工况具有良好的适应性，提高了系统的可靠性。
(3)本发明液压缸位置控制系统冗余度增加：本发明液压缸位置控制系统采用比例阀与微型高速数字阀联合控制，构成了并联通路，提高了系统冗余度。
附图说明
图1是本发明采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统结构示意图；
图中：1-油箱、2-吸油过滤器、3-主泵、4-电动机、5-安全阀、6-主油路过滤器、7-第一微型高速数字阀、8-第二微型高速数字阀、9-比例阀、10-第三微型高速数字阀、11-第四微型高速数字阀、12-位移传感器、13-液压缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，本实施例提供的一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统，包括油箱1、吸油过滤器2、主泵3、电动机4、安全阀5、主油路过滤器6、控制阀组、位移传感器12和液压缸13；所述主泵3的吸油口通过吸油过滤器2与油箱1连接，所述主泵3的排油口与主油路过滤器6连接，且主泵3与电动机4连接；所述控制阀组具有主进油口、主回油口、A工作油口和B工作油口；所述主油路过滤器6后的油路通道设置两个分支，分别与安全阀5、控制阀组的主进油口相连；所述控制阀组的A工作油口和B工作油口分别与液压缸13的无杆腔和有杆腔相连；所述控制阀组的主回油口与油箱1连接。
进一步地，所述控制阀组包括第一微型高速数字阀7、第二微型高速数字阀8、比例阀9、第三微型高速数字阀10、第四微型高速数字阀11；所述控制阀组的主进油口设置三个分支，分别与比例阀9的主进油口、第三微型高速数字阀10的进油口、第四微型高速数字阀11的进油口相连；所述控制阀组的主回油口设置三个分支，分别与比例阀9的主回油口、第一微型高速数字阀7的出油口、第二微型高速数字阀8的出油口相连；所述控制阀组的A工作油口设置三个分支，分别与比例阀9的A工作油口、第一微型高速数字阀7的进油口、第三微型高速数字阀10的出油口相连；所述控制阀组的B工作油口设置三个分支，分别与比例阀9的B工作油口、第二微型高速数字阀8的进油口、第四微型高速数字阀11的出油口相连。
进一步地，所述比例阀9为大流量比例阀，流量可选用100L/min，实现位置控制系统对液压缸位置的快速调节；所述第一微型高速数字阀7、第二微型高速数字阀8、第三微型高速数字阀10、第四微型高速数字阀11为小流量微型高速数字阀，流量可选用1L/min，其控制精度高，可实现对液压缸位置的精确调节。
进一步地，所述第一微型高速数字阀7、第二微型高速数字阀8、第三微型高速数字阀10、第四微型高速数字阀11采用电脉冲信号控制，使得微型高速数字阀流量离散化。
进一步地，所述电脉冲信号采用PWM控制，通过调节脉冲信号的频率与占空比，设定微型高速数字阀的脉冲流量，达到调节系统位置精度的目的。
本发明液压缸位置控制系统的工作过程如下：
一、在液压缸13活塞伸出阶段，位置控制系统判断液压缸13的活塞目前位置与目标位置之间的距离是否超出比例阀9的工作状态切换设定值；液压缸13的活塞目前位置通过位移传感器12测得；比例阀9的工作状态切换设定值的一种具体的选取示例如下，但不限于此：
取液压缸13的缸径为100mm，比例阀9单独控制液压缸13时，液压缸13的移动速度为212.2mm/s，第二微型高速数字阀8和第三微型高速数字阀10单独控制液压缸13时，液压缸13的移动速度为2.1mm/s，此时可取比例阀9的工作状态切换设定值为10mm。
当液压缸13的活塞位置与目标位置之间的距离超出比例阀9的工作状态切换设定值，比例阀9工作在左位，液压油由主泵3出口经比例阀9进入液压缸13的无杆腔，液压缸13的有杆腔的液压油经比例阀9流回油箱1，液压缸13快速伸出，保证位置控制系统快速响应；
同时位置控制系统通过位移传感器12不断检测液压缸13的活塞位置，并与目标位置进行比较，直到液压缸13的活塞位置与目标位置的距离小于比例阀9的工作状态切换设定值，此时比例阀9关闭，位移传感器12检测液压缸13实际位置信号，做闭环反馈，计算出液压缸13到达目标位置所需的流量，向第三微型高速数字阀10、第二微型高速数字阀8输出控制信号(脉冲信号)，主泵3出口液压油经第三微型高速数字阀10离散为脉冲流量进入液压缸13的无杆腔，液压缸13的有杆腔的液压油经第二微型高速数字阀8离散为脉冲流量回到油箱1，液压缸13的活塞慢速伸出到目标位置，保证位置控制系统的控制精度。
当液压缸13的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀9的工作状态切换设定值，控制系统根据液压缸13的活塞位置与目标位置之间的距离以及第二微型高速数字阀8和第三微型高速数字阀10设定的脉冲流量，计算并对第三微型高速数字阀10、第二微型高速数字阀8发出对应数目的脉冲信号，主泵3出口液压油经第三微型高速数字阀10离散为脉冲流量进入液压缸13的无杆腔，液压缸13的有杆腔的液压油经第二微型高速数字阀8离散为脉冲流量回到油箱1，液压缸13的活塞慢速伸出到目标位置。
二、在液压缸13活塞缩回阶段，位置控制系统判断液压缸13的活塞目前位置与目标位置之间的距离是否超出比例阀9的工作状态切换设定值；
当液压缸13的活塞位置与目标位置之间的距离超出比例阀9的工作状态切换设定值，比例阀9工作在右位，液压油由主泵3出口经比例阀9进入液压缸13的有杆腔，液压缸13的无杆腔的液压油经比例阀9流回油箱1，液压缸13快速缩回，保证位置控制系统快速响应；
同时位置控制系统通过位移传感器12不断检测液压缸13的活塞位置，并与目标位置进行比较，直到液压缸13的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀9的工作状态切换设定值，此时比例阀9关闭，位置控制系统根据比例阀9的工作状态切换设定值与第一微型高速数字阀7、第四微型高速数字阀11设定的脉冲流量，计算并对第四微型高速数字阀11、第一微型高速数字阀7发出对应数目的脉冲信号，主泵3出口液压油经第四微型高速数字阀11离散为脉冲流量进入液压缸13的有杆腔，液压缸13的无杆腔的液压油经第一微型高速数字阀7离散为脉冲流量回到油箱1，液压缸13的活塞慢速缩回到目标位置，保证位置控制系统的控制精度。
当液压缸13的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀9的工作状态切换设定值，控制系统根据液压缸13的活塞位置与目标位置之间的距离以及第一微型高速数字阀7、第四微型高速数字阀11设定的脉冲流量，计算并对第四微型高速数字阀11、第一微型高速数字阀7发出对应数目的脉冲信号，主泵3出口液压油经第四微型高速数字阀11离散为脉冲流量进入液压缸13的有杆腔，液压缸13的无杆腔的液压油经第一微型高速数字阀7离散为脉冲流量回到油箱1，液压缸13的活塞慢速缩回到指令要求位置。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统，其特征在于，包括油箱(1)、吸油过滤器(2)、主泵(3)、电动机(4)、安全阀(5)、主油路过滤器(6)、控制阀组、位移传感器(12)和液压缸(13)；所述主泵(3)的吸油口通过吸油过滤器(2)与油箱(1)连接，所述主泵(3)的排油口与主油路过滤器(6)连接，且主泵(3)与电动机(4)连接；所述控制阀组具有主进油口、主回油口、A工作油口和B工作油口；所述主油路过滤器(6)后的油路通道设置两个分支，分别与安全阀(5)、控制阀组的主进油口相连；所述控制阀组的A工作油口和B工作油口分别与液压缸(13)的无杆腔和有杆腔相连；所述控制阀组的主回油口与油箱(1)连接；
所述控制阀组包括第一微型高速数字阀(7)、第二微型高速数字阀(8)、比例阀(9)、第三微型高速数字阀(10)、第四微型高速数字阀(11)；所述控制阀组的主进油口设置三个分支，分别与比例阀(9)的主进油口、第三微型高速数字阀(10)的进油口、第四微型高速数字阀(11)的进油口相连；所述控制阀组的主回油口设置三个分支，分别与比例阀(9)的主回油口、第一微型高速数字阀(7)的出油口、第二微型高速数字阀(8)的出油口相连；所述控制阀组的A工作油口设置三个分支，分别与比例阀(9)的A工作油口、第一微型高速数字阀(7)的进油口、第三微型高速数字阀(10)的出油口相连；所述控制阀组的B工作油口设置三个分支，分别与比例阀(9)的B工作油口、第二微型高速数字阀(8)的进油口、第四微型高速数字阀(11)的出油口相连；所述位移传感器(12)连接液压缸(13)，用于测量液压缸(13)的活塞位置。
2.根据权利要求1所述的一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统，其特征在于，所述比例阀(9)的流量大于第一微型高速数字阀(7)、第二微型高速数字阀(8)、第三微型高速数字阀(10)、第四微型高速数字阀(11)的流量，所述比例阀(9)实现位置控制系统对液压缸位置的快速调节；所述第一微型高速数字阀(7)、第二微型高速数字阀(8)、第三微型高速数字阀(10)、第四微型高速数字阀(11)实现对液压缸位置的精确调节。
3.根据权利要求1所述的一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统，其特征在于，所述第一微型高速数字阀(7)、第二微型高速数字阀(8)、第三微型高速数字阀(10)、第四微型高速数字阀(11)采用电脉冲信号控制，使得微型高速数字阀流量离散化。
4.根据权利要求3所述的一种采用比例阀、微型高速数字阀联合控制的液压缸位置控制系统，其特征在于，所述电脉冲信号采用PWM控制，通过调节脉冲信号的频率与占空比，设定微型高速数字阀的脉冲流量，达到调节系统位置精度的目的。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述系统进行液压缸位置控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在液压缸(13)活塞伸出阶段，位置控制系统判断液压缸(13)的活塞目前位置与目标位置之间的距离是否超出比例阀(9)的工作状态切换设定值；液压缸(13)的活塞目前位置通过位移传感器(12)测得；
当液压缸(13)的活塞位置与目标位置之间的距离超出比例阀(9)的工作状态切换设定值，比例阀(9)工作在左位，液压油由主泵(3)出口经比例阀(9)进入液压缸(13)的无杆腔，液压缸(13)的有杆腔的液压油经比例阀(9)流回油箱(1)，液压缸(13)快速伸出，保证位置控制系统快速响应；
同时位置控制系统通过位移传感器(12)不断检测液压缸(13)的活塞位置，并与目标位置进行比较，直到液压缸(13)的活塞位置与目标位置的距离小于比例阀(9)的工作状态切换设定值，此时比例阀(9)关闭，位移传感器(12)检测液压缸(13)实际位置信号，做闭环反馈，计算出液压缸(13)到达目标位置所需的流量，向第三微型高速数字阀(10)、第二微型高速数字阀(8)输出控制信号，主泵(3)出口液压油经第三微型高速数字阀(10)离散为脉冲流量进入液压缸(13)的无杆腔，液压缸(13)的有杆腔的液压油经第二微型高速数字阀(8)离散为脉冲流量回到油箱(1)，液压缸(13)的活塞慢速伸出到目标位置，保证位置控制系统的控制精度；
当液压缸(13)的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀(9)的工作状态切换设定值，控制系统根据液压缸(13)的活塞位置与目标位置之间的距离以及第二微型高速数字阀(8)和第三微型高速数字阀(10)设定的脉冲流量，计算并对第三微型高速数字阀(10)、第二微型高速数字阀(8)发出对应数目的脉冲信号，主泵(3)出口液压油经第三微型高速数字阀(10)离散为脉冲流量进入液压缸(13)的无杆腔，液压缸(13)的有杆腔的液压油经第二微型高速数字阀(8)离散为脉冲流量回到油箱(1)，液压缸(13)的活塞慢速伸出到目标位置；
(2)在液压缸(13)活塞缩回阶段，位置控制系统判断液压缸(13)的活塞目前位置与目标位置之间的距离是否超出比例阀(9)的工作状态切换设定值；
当液压缸(13)的活塞位置与目标位置之间的距离超出比例阀(9)的工作状态切换设定值，比例阀(9)工作在右位，液压油由主泵(3)出口经比例阀(9)进入液压缸(13)的有杆腔，液压缸(13)的无杆腔的液压油经比例阀(9)流回油箱(1)，液压缸(13)快速缩回，保证位置控制系统快速响应；
同时位置控制系统通过位移传感器(12)不断检测液压缸(13)的活塞位置，并与目标位置进行比较，直到液压缸(13)的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀(9)的工作状态切换设定值，此时比例阀(9)关闭，位置控制系统根据比例阀(9)的工作状态切换设定值与第一微型高速数字阀(7)、第四微型高速数字阀(11)设定的脉冲流量，计算并对第四微型高速数字阀(11)、第一微型高速数字阀(7)发出对应数目的脉冲信号，主泵(3)出口液压油经第四微型高速数字阀(11)离散为脉冲流量进入液压缸(13)的有杆腔，液压缸(13)的无杆腔的液压油经第一微型高速数字阀(7)离散为脉冲流量回到油箱(1)，液压缸(13)的活塞慢速缩回到目标位置，保证位置控制系统的控制精度；
当液压缸(13)的活塞位置与目标位置之间的距离小于比例阀(9)的工作状态切换设定值，控制系统根据液压缸(13)的活塞位置与目标位置之间的距离以及第一微型高速数字阀(7)、第四微型高速数字阀(11)设定的脉冲流量，计算并对第四微型高速数字阀(11)、第一微型高速数字阀(7)发出对应数目的脉冲信号，主泵(3)出口液压油经第四微型高速数字阀(11)离散为脉冲流量进入液压缸(13)的有杆腔，液压缸(13)的无杆腔的液压油经第一微型高速数字阀(7)离散为脉冲流量回到油箱(1)，液压缸(13)的活塞慢速缩回到指令要求位置。
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2018
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