CN110296113A - 一种基于流量电液伺服阀的施力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于流量电液伺服阀的施力系统及其控制方法，在垂直加载伺服液压缸9的的液压回油管路增加比例节流阀，起到溢流的作用，以卸掉垂直加载伺服液压缸9液压回油管路的一部分流量，可适度调节垂直加载伺服液压缸9在施力过程中的产生的液压刚度，减小施力过程动态加载力的影响。在施力系统中，采用分段自适应PID控制方法，将自适应PID的控制参数进行分段处理，使控制系统快速调节以达到稳定状态，实现自动控制溢流大小，缓冲施力过程中的动态冲击作用。

Description

一种基于流量电液伺服阀的施力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于流量电液伺服阀的施力系统及其控制方法。
背景技术
在众多领域中，经常会遇到要研究各种力作用在研究对象上的情况。为了比较精确地对研究对象施加作用力，需要在施力系统中采用控制精度较高且反应灵敏的伺服阀。在各种伺服阀中，流量电液伺服阀对于调节流量具有非常高的精度，具有很灵敏的换向功能，使用广泛。但是，如果想要通过流量电液伺服阀间接调节油压，进而间接控制加载力的大小时，流量变化很小而油压却变化很大，流量电液伺服阀的输入电流和输出压力不能呈现线性关系，而是有很大的突变现象。因此，采用流量伺服阀来控制油压的稳定性和实时响应性是很难实现的。
另外，目前的伺服系统控制普遍采用智能PID控制方法，其优点是算法简便、鲁棒性好、易于实现，并且不依赖于被控对象的精确模型，可以解决伺服系统精确建模的困难。但是随着伺服系统向着高精度、高速度方向的发展，对控制器的稳态精度、动态响应特性、鲁棒性的性能也提出了更高的要求。常规PID控制的缺陷，比如响应低等，也逐渐暴露出来。这使得常规PID控制面对具有高精度和高响应的伺服系统显得无能为力。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述不足，本申请提供了一种基于流量电液伺服阀的施力系统，从而使其对施加的力控制精度高、控制更加方便。
一种基于流量电液伺服阀的施力系统，包括滤油器1、空气滤清器2、温度计3、液压泵4、电机5、垂直加载伺服液压缸9、压力表10、压力表11、高压过滤器13、油箱15，其特征在于：还包括比例节流阀14和流量电液伺服阀8；流量电液伺服阀8为三位四通阀，其两个通道口分别与垂直加载伺服液压缸9无杆腔进油口和有杆腔进油口连接，一个通道口与高压过滤器13输出端连接，一个通道口与油箱15连接，高压过滤器13输入端连接液压泵4的输入端，在垂直加载伺服液压缸9的液压回油管路上增设比例节流阀14，比例节流阀14一端与流量电液伺服阀8连接，比例节流阀14的另一端连接油箱15，比例节流阀14和流量电液伺服阀8形成并联连接。
进一步的，本发明所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统还包括三位四通换向阀16、调速阀17、液压泵4和横向加载伺服液压缸18，液压泵4输出端连接三位四通换向阀16的一个通道口，所述三位四通换向阀16的一个通道口连接油箱15，两个通道口连接横向加载伺服液压缸18，所述横向加载伺服液压缸18和三位四通换向阀16之间安装调速阀17。
更进一步的，所述液压泵4采用双联液压泵。
进一步的，所述液压泵4输出端与油箱15之间以并联方式分别安装有溢流阀6和二位四通换向阀7，所述溢流阀6和二位四通换向阀7以并联方式安装。
进一步的，所述垂直加载系统和横向加载系统上均安装有压力表11，压力表11上安装压力表开关10。
进一步的，所述油箱15上安装有温度计3。
本发明还提供了一种基于流量电液伺服阀的施力系统的控制方法，所述方法采用分段自适应PID控制方法，包括以下步骤：
A.根据加载力大小，配合实验调节比例节流阀14的开度；
B.将自适应PID控制中的参数分为若干段，让其在一个时间段若干次自动调节参数值，形成分段自适应PID控制；
C.开启液压泵4，将油箱15内压力油输送至流量电液伺服阀8；
D.改变流量电液伺服阀8的输入信号，控制垂直加载伺服液压缸9，让其液压杆输出；
E.当流量电液伺服阀8向垂直加载伺服液压缸9输送液压油时，卸掉液压回油管路一部分流量，实现自动控制溢流大小。
进一步的，步骤B中所述的“若干段”为3-7段。
进一步的，步骤B中所述的“若干段”为5段。
本发明对电液流量伺服阀进行改进，在垂直加载伺服液压缸9的液压回油管路上增设比例节流阀14，并将比例节流阀14和流量电液伺服阀8形成并联连接，以卸掉垂直加载伺服液压缸9的一部分流量，减小油压随流量变化的影响。这一改进消除了加载力随控制电流变化时的增益，使施力系统通过流量电液伺服阀对施加力的控制精度更高、控制更加简便。
溢流阀6和二位四通换向阀7的安装，在垂直加载伺服液压缸9和横向加载伺服液压缸18停止工作时，让液压泵4的液压油回油箱15，起到保护液压器件的作用。
采用分段自适应PID控制方法，将自适应PID的控制参数进行分段处理，使控制系统在短时间内快速调节以达到稳定状态，实现自动控制溢流大小，消除测量物体在接触瞬间产生的较大冲击力较大。
附图说明
图1为本发明的实施例1中动态加载过程所使用的施力液压系统的原理图；
图2为本发明的实施例2中静态加载过程所使用的施力液压系统的原理图；
图3为本发明中比例节流阀存在前后的静态加载过程随时间其控制精度对比图；
图4为本发明在动态加载过程中使用自适应PID控制时控制精度随加载力变化的示意图；
图5为本发明在动态加载过程中使用分段自适应PID控制时控制精度随加载力变化的示意图；
图6为本发明在动态加载过程中使用自适应PID控制时控制精度随轴向位移变化的示意图；
图7为本发明在动态加载过程中使用分段自适应PID控制时控制精度随轴向位移变化示的意图；
图8为本发明在静态加载过程中使用自适应PID控制时控制精度随时间变化的示意图。
具体实施方式
附图中：滤油器1、空气滤清器2、温度计3、液压泵4、电机5、溢流阀6、二位四通换向阀7、流量电液伺服阀8、垂直加载伺服液压缸9、压力表开关10、压力表11、压力变送器12、高压过滤器13、比例节流阀14、油箱15、三位四通换向阀16、调速阀17、横向加载伺服液压缸18、位移传感器19。
下面结合附图，对本发明的实施作详细描述：
实施例1：一种基于流量电液伺服阀的施力系统及其控制方法使用在动态加载过程。
如图1所示，动态加载过程由垂直加载系统和横向加载系统共同完成。同时使用垂直加载系统和横向加载系统，通过垂直加载伺服液压缸9和横向加载伺服液压缸18在横向运动过程对测试物体施加垂直加载力。
本申请中所述的“垂直加载系统”是指驱动垂直加载伺服液压缸9的推动杆向下施加压力和提升回位的零部件组成的系统。
本申请中所述的“横向加载系统”是指驱动横向加载伺服液压缸18的推动杆向前后运动的零部件组成的系统。
图1中，流量电液伺服阀8为三位四通阀，其两个通道口分别与垂直加载伺服液压缸9无杆腔进油口和有杆腔进油口连接，一个通道口与高压过滤器13输出端连接，一个通道口与油箱15连接，高压过滤器13输入端连接液压泵4输出端；在垂直加载伺服液压缸9的液压回油管路上增设比例节流阀14，比例节流阀14一端与流量电液伺服阀8连接，比例节流阀14的另一端连接油箱15，比例节流阀14和流量电液伺服阀8形成并联连接。
所述横向加载系统与垂直加载系统同时连接于液压泵4上，液压泵4采用双联液压泵，其两个输出口分别连接垂直加载系统和横向加载系统；横向加载系统包括三位四通换向阀16、调速阀17、液压泵4和横向加载伺服液压缸18，液压泵4输出端连接三位四通换向阀16的一个通道口，三位四通换向阀16的一个通道口连接油箱15，两个通道口连接横向加载伺服液压缸18，横向加载伺服液压缸18和三位四通换向阀16之间安装调速阀17。
液压泵4输出端与油箱15之间以并联方式分别安装有溢流阀6和二位四通换向阀7，所述溢流阀6和二位四通换向阀7以并联方式安装，所述溢流阀6和二位四通换向阀7在垂直加载伺服液压缸9和横向加载伺服液压缸18停止工作时，让液压泵4的液压油回油箱15，起到保护垂直加载系统和横向加载系统的内液压元器件的作用。
垂直加载系统和横向加载系统上均安装有压力表11，压力表11上安装压力表开关10，压力表11实时监测管道内的压力。
油箱15上安装有滤油器1、空气滤清器2、温度计3。液压泵4上安装电机5。
垂直加载伺服液压缸9和横向加载伺服液压缸18上均安装有位移传感器19，位移传感器19实时监测垂直加载伺服液压缸9和横向加载伺服液压缸18的运动。
如图3所示，增加比例节流阀后，本施力系统的控制精度提高了将近10倍。其中精度百分比越低表示控制精度越高。
在动态加载过程中采用分段自适应PID控制方法，其步骤为：
A.根据加载力大小，配合实验调节比例节流阀14的开度。比例节流阀14起到溢流的作用，以卸掉垂直加载伺服液压缸9的液压回油管路的一部分流量；
B.将自适应PID控制中的参数分为若干段，让其在一个时间段若干次自动调节参数值，形成分段自适应PID控制；分段自适应PID控制比例节流阀14的开度。分段自适应PID控制中的参数可分为5段，该5段参数具体如表1所示，达到5次调节比例节流阀14的控制电压，降低加载力随流量电液伺服阀8控制电流变化时的增益；当加载力逐渐变小时，以一定的速率逐渐增大比例节流阀14的控制电压，以增大其节流口，从而降低加载力随流量电液伺服阀8控制电流变化时的增益，反之亦然；
C.将横向加载系统和垂直加载系统的两个二位四通换向阀7的电磁铁均得电，两个二位四通换向阀7的左位处于工作状态，让横向加载系统和垂直加载系统同时处于工作的状态；开启电机5，驱动液压泵4，将油箱15内压力油输送至流量电液伺服阀8和三位四通换向阀16；
D.改变流量电液伺服阀8的输入信号，控制垂直加载伺服液压缸9，让其液压杆输出，垂直加载伺服液压缸9根据调定的值向下加载力；同时，控制调节三位四通换向阀16的通道位，液压油通过调速阀17从横向加载伺服液压缸18的无杆腔进入，将横向加载伺服液压缸18的液压杆向外推出，让施力物体在横向和纵向上运动，控制调速阀17来调节横向运动的速度；
E.当流量电液伺服阀8向垂直加载伺服液压缸9输送液压油时，卸掉垂直加载伺服液压缸9的液压回油管路一部分流量，实现自动控制溢流大小，同时，测量施力物体在横向移动时的垂直加载力。测量垂直加载力完成后，再次改变流量电液伺服阀8的输入信号，让流量电液伺服阀8反向输送液压油，控制垂直加载伺服液压缸9的液压杆向上提升回到原位；再改变三位四通换向阀16的通道位，让横向加载伺服液压缸18的液压杆缩回原来的位置。
表1分段自适应PID控制参数的各段具体参数值
如图4和图5表示在动态加载过程，控制精度随加载力变化的示意图，可看出，采用分段PID控制方法可将控制精度提高8倍左右。
如图6和图7表示在动态加载过程，控制精度随轴向位移的变化示意图，同样可看出，采用分段PID控制方法可将控制精度提高8倍左右。
实施例2：一种基于流量电液伺服阀施力系统及其控制方法使用在静态加载过程。如图2所示，静态加载过程单独使用垂直加载系统，此时，只通过垂直加载伺服液压缸9对测试物体施加垂直加载力。
在静态加载过程中所使用的垂直加载系统组成及工作原理与实施例1中相同。
在静态加载过程中不用将自适应PID控制进行分段处理，直接采用自适应PID控制方法，其步骤为：
根据加载力大小，首先调好比例节流阀14的开度。比例节流阀14起到溢流的作用，以卸掉液压回油管路的一部分流量；
单采用自适应PID直接控制比例节流阀14的开度；
将横向加载系统的二位四通换向阀7的电磁铁断电，该二位四通换向阀7的右位处于工作状态，让横向加载系统处于不工作的状态；将垂直加载系统的二位四通换向阀7的电磁铁得电，该二位四通换向阀7的左位处于工作状态，让垂直加载系统处于工作状态；开启电机5，驱动液压泵4，将油箱15内压力油输送至流量电液伺服阀8；
改变流量电液伺服阀8的输入信号，控制垂直加载伺服液压缸9，让其液压杆输出，垂直加载伺服液压缸9根据调定的值向下加载力；
当流量电液伺服阀8向垂直加载伺服液压缸9输送液压油时，卸掉液压回油管路一部分流量，实现自动控制溢流大小，同时，测量施力物体的垂直加载力。测量垂直加载力完成后，再次改变流量电液伺服阀8的输入信号，让流量电液伺服阀8反向输送液压油，控制垂直加载伺服液压缸9的液压杆向上提升回到原位。
如图8，单采用自适应PID直接控制比例节流阀14的开度，即可达到很高的控制精度。
以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于流量电液伺服阀的施力系统，包括滤油器(1)、空气滤清器(2)、温度计(3)、液压泵(4)、电机(5)、垂直加载伺服液压缸(9)、压力表(10)、压力表(11)、高压过滤器(13)、油箱(15)，其特征在于：还包括比例节流阀(14)和流量电液伺服阀(8)；流量电液伺服阀(8)为三位四通阀，其两个通道口分别与垂直加载伺服液压缸(9)无杆腔进油口和有杆腔进油口连接，一个通道口与高压过滤器(13)输出端连接，一个通道口与油箱(15)连接，高压过滤器(13)输入端连接液压泵(4)输出端，在垂直加载伺服液压缸(9)的液压回油管路上增设比例节流阀(14)，比例节流阀(14)一端与流量电液伺服阀(8)连接，比例节流阀(14)的另一端连接油箱(15)，比例节流阀(14)和流量电液伺服阀(8)形成并联连接。
2.如权利要求1所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统，其特征在于：还包括三位四通换向阀(16)、调速阀(17)、液压泵(4)和横向加载伺服液压缸(18)，液压泵(4)输出端连接三位四通换向阀(16)的一个通道口，所述三位四通换向阀(16)的一个通道口连接油箱(15)，两个通道口连接横向加载伺服液压缸(18)，所述横向加载伺服液压缸(18)和三位四通换向阀(16)之间安装调速阀(17)。
3.如权利要求1或2所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统，其特征在于：所述液压泵(4)采用双联液压泵。
4.如权利要求3所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统，其特征在于：所述液压泵(4)输出端与油箱(15)之间以并联方式分别安装有溢流阀(6)和二位四通换向阀(7)，所述溢流阀(6)和二位四通换向阀(7)也以并联方式安装。
5.如权利要求1-4中任一项所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统，其特征在于：所述油箱(15)上安装有温度计(3)。
6.如权利要求1所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统的控制方法，所述方法采用分段自适应PID控制方法，包括以下步骤：
A.根据加载力大小，配合实验调节比例节流阀(14)的开度；
B.将自适应PID控制中的参数分为若干段，让其在一个时间段若干次自动调节参数值，形成分段自适应PID控制；
C.开启液压泵(4)，将油箱(15)内压力油输送至流量电液伺服阀(8)；
D.改变流量电液伺服阀(8)的输入信号，控制垂直加载伺服液压缸(9)，让其液压杆输出；
E.当流量电液伺服阀(8)向垂直加载伺服液压缸(9)输送液压油时，卸掉液压回油管路一部分流量，实现自动控制溢流大小。
7.如权利要求6所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统的控制方法，其特征在于：步骤B中所述的“若干段”为3-7段。
8.如权利要求6所述的一种基于流量电液伺服阀的施力系统的控制方法，其特征在于：步骤B中所述的“若干段”为5段。
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石头等: "质心模拟装置加载力的信号采集与数据处理", 《机床与液压》 *

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CN111677716A (zh) * 2020-05-19 2020-09-18 江苏理工学院 一种液压试验台的主被动加载控制方法

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