一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法，该专利针对非对称电液比例系统在负载，结构等非对称因素影响下，比例阀输出流量特性不对称，影响整个系统的控制问题，提出以理想线性的比例阀流量模型为控制目标，对实际负载流量非对称的比例阀进行精确建模，并通过两次函数求解的方法得到补偿方程，使得输出经过补偿后，能够达到理想模型的流量输出，实现负载流量输出不受负载、阀的内部流态影响，从而使比例阀模型为线性模型，非对称电液比例系统为线性系统，最后通过统一的线性控制策略对非对称电液比例系统实现高精度控制。

权利要求

1.一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法，其特征在于，利用比例阀的数学模型，并基于理想线性的比例阀输出流量模型，对补偿函数进行求解，得到实现负载流量的对称的补偿方程；

其中所述的补偿方程为：

其中：当xv＞0时，Δp＝Ps-P1；当xv≤0时，Δp＝P1-PR，PS为液压泵供油压力，PR为油液回油箱压力，P1为无杆腔的压力；ρ为液压油密度，单位为kg/m3；ν为流体的运动粘度，单位为m2/s；xv阀口的开口量单位为m；Cdt为湍流状态下的阀口流量系数；kc为与临界雷诺数相关的系数，0.1Rc≤kc≤0.2Rc，其中Rc为临界雷诺数；Δp为阀口压差，单位为Pa，w为比例阀阀口面积梯度，单位为m；

补偿函数通过比例阀输入信号补偿实现：

以比例阀设定输入信号为u，实际输入信号为u'，控制实际输入为：其中 γ＝kcν，当xv＞0时，Δp＝Ps-P1；当xv≤0时，Δp＝P1-PR；xvmax为阀芯位移的最大值；

所述的比例阀数学模型为：

所述的理想线性的比例阀输出流量模型为：

说明书

一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于机械与电子技术领域，特别涉及一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法。

背景技术

[0002] 现有的电液系统正反速度特性一致性研究通过非对称结构改进，或者复杂的现代控制策略解决非对称响应问题，都存在一定的应用难题，还有些学者利用比例阀的负载流量模型进行补偿调节，但是其模型建立忽略了伺服阀内部的流态的影响，调节的范围和精度有限，对于比例阀开口较小和外部负载过大时，调节偏差大，难以实现非对称电液比例系统时变小位移跟踪的高精度响应。根据以上分析，现有的非对称控制策略在制造成本，复杂工况，稳定性方面无法满足现场实用。本发明提出通过比例阀精确建模，将比例阀流量输出特性通过补偿，成为线性的流量模型，最后通过现有的线性控制策略实现非对称电液系统的高精度控制，该控制方法提出对于工业现场可实用的非对称控制策略有重要的工程意义。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法，其目的在于，克服现有技术中对于实现一般性的非对称电液系统控制的缺陷，利用补偿函数将比例阀流量输出的非对称，非线性，补偿成对称、线性系统模型，使得采用统一线性控制器实现非对称系统的响应高精度，降低控制器设计难度，减少控制参数调试工作量。

[0004] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

[0005] 一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法，利用比例阀的数学模型，并基于理想线性的比例阀输出流量模型，对补偿函数进行求解，得到实现负载流量的对称的补偿方程；

[0006] 其中所述的补偿方程为：

[0007]

[0008] 其中：当xv＞0时，Δp＝Ps-P1；当xv≤0时，Δp＝P1-PR，PS为液压泵供油压力，PR为油3
液回油箱压力，P1为无杆腔的压力；ρ为液压油密度，单位为kg/m ；ν为流体的运动粘度，单位为m2/s；xv阀口的开口量单位为m；Cdt为湍流状态下的阀口流量系数；kc为与临界雷诺数相关的系数，0.1Rc≤kc≤0.2Rc，其中Rc为临界雷诺数；Δp为阀口压差，单位为Pa，w为比例阀阀口面积梯度，单位为m。

[0009] 所述的一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法，补偿函数通过比例阀输入信号补偿实现：

[0010] 以比例阀设定输入信号为u，实际输入信号为u'，控制实际输入为：

[0011]

[0012] 其中 γ＝kcν，当xv＞0时，Δp＝Ps-P1；当xv≤0时，Δp＝P1-PR；xvmax为阀芯位移的最大值。

[0013] 所述的一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法，所述的比例阀数学模型为：

[0014]

[0015] 所述的一种基于比例阀精确建模的非对称电液比例系统的控制方法，所述的理想线性的比例阀输出流量模型为：

[0016]

[0017] 理想的比例阀输出流量随阀芯位移为线性关系，不受外部负载影响。

[0018] 对于非对称电液比例系统而言，设液压缸无杆腔的流量为负载流量，则仅需保证比例阀连接液压缸无杆腔的阀口流量输出为理想线性的，就能实现非对称电液系统液压缸正反向运动不随负载、结构等因素影响，使得采用统一线性控制器实现非对称电液比例系统响应的高性能，且该方法实现简单、可行、有效。

[0019] 本发明的技术效果在于，提供了一种基于比例阀精确模型的非对称电液比例系统的控制方法，利用补偿函数将比例阀非线性模型，补偿为线性模型，实现比例阀负载流量输出呈线性，使得采用统一线性控制器时非对称电液比例系统正反向运动响应不随负载、结构等因素影响，从而达到统一的控制器实现非对称电液比例系统响应的高性能。该方法基于系统模型的补偿，通过采集系统的压力值，简单智能的实现电液比例非对称系统的响应一致，大大减少了现场的调试工作量，并解决了负载变化时非对称电液比例系统的响应一致问题。该控制方法对于解决非对称响应问题简单有效，适用于工业现场，成本低，可靠性高。

附图说明

[0020] 图1是非对称电液比例系统的内部结构图；

[0021] 图2是非对称电液比例系统实验台原理图；

[0022] 图3是本发明的PLC控制示意图；

[0023] 图4是本发明在不同负载状态下，经补偿后系统的比例阀流量输出特性图；

[0024] 图5是本发明未采用补偿控制时液压缸两腔压力变化图；

[0025] 图6是未采用本发明补偿控制时，在变化负载下正弦位移跟踪响应图；

[0026] 图7是未采用本发明补偿控制时，在变化负载下正弦跟踪误差图；

[0027] 图8是本发明采用补偿控制时的液压缸两腔压力变化图；

[0028] 图9是通过本发明的补偿控制后，非对称电液系统在变化负载下正弦位移跟踪响应图；

[0029] 图10是通过本发明的补偿控制后，非对称电液系统在变化负载下正弦位移跟踪误差图；

具体实施方式

[0030] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

[0031] 本发明基于以下模型来实现：

[0032] 1.比例阀精确建模

[0033]

[0034] 其中：ρ为液压油密度，单位为kg/m3；w为阀口的面积梯度，单位为m；ν为流体的运动粘度，单位为m2/s；xv阀口的开口量单位为m；Cdt为湍流状态下的阀口流量系数，一般取值为0.7；kc为与临界雷诺数相关的系数，0.1Rc≤kc≤0.2Rc，其中Rc为临界雷诺数；Δp为阀口压差，单位为Pa。

[0035] 2.理想流量

[0036] 理想的比例阀输出流量模型为线性的模型，如下所示：

[0037]

[0038] 其中：PS为液压泵供油压力，PR为油液回油箱压力，xvmax为阀芯位移的最大值，理想的比例阀输出流量随阀芯位移为线性关系，不受外部负载影响。

[0039] 3.补偿计算

[0040] 给定的比例阀输入开口量xv，设通过控制器计算补偿后给定比例阀的开口量xv'＝f(xv)，使得输出的负载流量Q'呈线性输出。列出方程如下：

[0041]

[0042] 计算补偿函数如下：

[0043]

[0044] 4.控制补偿

[0045] 实际系统中给比例阀的信号为电流值或电压值，根据电流或电压满量程的比例信号，对应阀芯位移的比例，设信号比例值为u，故信号比例值与阀芯位移的关系如下：

[0046]

[0047] 其中：u为比例阀实际信号与最大信号的比值；xv为比例阀阀芯实际开口度；xvmax为比例阀阀芯最大开口度。

[0048] 设定输入信号为u，变换计算后的输入信号为u'，将上式代入补偿函数中，化简可得：

[0049]

[0050] 其中

[0051] 理论上来说，比例阀通过上述公式的控制补偿后，能够保证其输出的流量为理想线性的。

[0052] 下面结合实例来对本发明作出进一步说明：

[0053] 非对称电液比例系统的内部结构图，如图1所示。

[0054] 负载流量为流入或流出无杆腔的流量，正向运动时流入无杆腔流量为负载流量，反向运动时流出无杆腔流量为负载流量。一种基于比例阀精确模型的非对称电液比例系统的控制方法，利用补偿函数补偿比例阀输出流量与负载、阀开口的非线性因素，实现比例阀负载流量输出呈线性，使得采用统一控制器时非对称电液比例系统正反向运动响应一致。

[0055] 图2为本发明实施例中的非对称电液系统实验台原理图，实验台包括非对称电液系统液压回路，提供负载液压回路，对顶缸工作台。非对称电液系统液压回路为本发明的控制对象，液压缸为非对称缸，并通过负载回路提供外部负载，通过测试比例阀的零点在阀开口2％位置处，故测试系统特性以2％为零点测试。

[0056] 根据实验台的比例阀型号，油液型号等可知相关的参数。

[0057] (1)调节系统泵油压力PS＝5MPa

[0058] (2)比例阀结构参数ω，xvmax

[0059] 阀口的面积梯度w＝9.23×10-3m，xvmax＝0.5×10-3m；

[0060] (3)kc取值

[0061] 油液绝对粘度μ＝51cP；ρ＝850kg/m3，油液运动粘度

[0062]

[0063] kc与临界雷诺数相关的系数，取kcν＝0.014。

[0064] 图3为本发明实施例中的检测控制系统，检测控制系统系统由检测元件(压力传感器，位移传感器)，PLC控制系统及上位机构成。检测元件检测系统参数系统的供油的压力PS，回油的压力PR，无杆腔和有杆腔的压力P1，P2，以及液压缸的位移响应。

[0065] 图4显示本发明实施例中实验台通过负载控制回路给定不同外部负载，使得阀口压差为0.1～0.6PS，阀开口从2％～15％变化，测试控制前和补偿控制后系统的负载流量特性，实验表明，在使用本发明提出的补偿控制后，不同阀口压差的负载流量都能调节近似压差为2.5MPa时的负载流量，负载流量曲线基本呈线性状态，说明通过本专利的补偿函数控制，比例阀的流量输出基本接近理想模型负载流量输出。

[0066] 图6和图7显示在图5所示的压力状态变化过程中，非对称电液系统未采用补偿控制时液压缸追踪幅值为5mm，频率为0.5Hz的位移响应曲线，图9和图10显示在图8所示的压力状态变化过程中，非对称电液系统采用本发明所述的控制方法后液压缸追踪幅值为5mm，频率为0.5Hz的位移响应曲线，从图中可知系统在未使用控制方法时，系统运动控制精度随着两腔压力变化影响较大，当P1压力为4MPa时，误差达0.8mm，而在使用本发明所述的控制方法的位移跟踪响应精度几乎与液压缸两腔压力变化无关，误差均控制在0.5mm以内，即通过补偿控制后，外部负载对系统的精度控制几乎无影响，通过统一的控制策略可以较好的实现液压缸运动响应品质，降低非对称系统控制器设计难度。