三級電液伺服閥特性及其控制技術研究.pdf

1、在航空、航天、艦船、冶金和交通等領域的許多大型機械和測試設備中，大流量高響應三級電液伺服閥被廣泛應用。為打破國外對三級電液伺服閥的技術和價格壟斷，進一步提高相關重要設備的性能和降低設備研制成本，我國必須掌握大流量高響應三級電液伺服閥的關鍵技術。本文以哈爾濱工業(yè)大學電液伺服仿真及試驗系統研究所承擔的“十一五”國家科技支撐計劃子課題“具有失效保護功能的大流量高響應三級電液伺服閥關鍵技術研究”為背景，對三級電液伺服閥進行數學模型建立、主功率滑

2、閥零位流場特性仿真分析、控制策略和專用伺服控制器的理論分析與實驗研究。
　　三級電液伺服閥是集機械、電氣、液壓和控制技術于一體的關鍵元件。本文先介紹了它的工作原理，并根據它的工作原理將它分成前置級伺服閥、伺服控制器、主功率級滑閥和閥芯位移傳感器四大組成部分。然后詳細分析每一部分的結構和原理并建立相應的數學模型。最后將四部分的模型組合起來得到三級電液伺服閥的詳細整體數學模型，并對模型進行了分析和合理的簡化。這為深入分析三級電液伺服閥

3、的特性和控制策略研究奠定了基礎。
　　在三級電液伺服閥主功率滑閥零位流場特性分析中，以被國際上廣泛應用的流體仿真軟件FLUENT作為仿真分析工具。首先分別建立了主功率滑閥進油腔、出油腔和包含進油腔與出油腔的整體二維模型，驗證了以滑閥進油腔代替滑閥整體作為零位特性研究對象的可行性，并仿真得到了理想滑閥零位流量特性曲線和流量系數曲線。然后首次推導出了同時考慮閥芯閥套節(jié)流棱邊圓角、徑向間隙和預開口量的閥口過流面積的準確表達公式，并利用此

4、公式分析出了單個因素和多個因素如何影響閥的過流面積。最后對只考慮閥芯節(jié)流棱邊圓角、只考慮閥芯閥套徑向間隙、只考慮預開口量、同時考慮節(jié)流棱邊圓角和徑向間隙、同時考慮棱邊圓角和預開口量、同時考慮徑向間隙和預開口量以及同時考慮節(jié)流棱邊圓角徑向間隙預開口量七種情況如何影響主功率滑閥性能進行了詳細的分析和仿真研究，得到了各種情況對應的流量特性曲線、流量系數曲線和零位泄漏流量曲線等，并與理想滑閥進行對比，獲得了各種情況與滑閥流量線性度、零位泄漏流量

5、、流量系數等性能指標之間的定性或定量關系；同時分析了閥芯節(jié)流棱邊圓角和徑向間隙如何影響閥口液流射流角。這些分析和結果具有很好的理論意義和應用價值。
　　研究三級電液伺服閥控制策略時，首先介紹了比例控制和比例微分控制的作用，并仿真分析了它們對閥動態(tài)特性的影響；然后提出并研究了利用速度反饋補償來提高系統動態(tài)性能的方法，仿真分析表明這種方法是可行的。最后提出應用“基于傳函辨識的前饋補償控制”來改善系統的動態(tài)性能，該方法先辨識出三級電液伺

6、服閥的傳遞函數并求出傳遞函數的逆，然后利用逆作為前饋補償環(huán)節(jié)。
　　在三級電液伺服閥伺服控制器研究中，先根據模擬式控制器的原理，按功能不同將它分成信號輸入電路、比例微分控制電路、LVDT調制解調電路、閥芯位移信號調理電路、速度反饋電路、顫振信號電路和驅動器電路七個組成部分，然后對每一部分進行具體研究和建模分析，從而研制出了模擬式伺服控制器。最后研究了基于DSPs的數字式伺服控制器，完成了數字式伺服閥控制器的硬件結構設計，實現了基于

7、模型的控制程序設計方式，加快了控制程序的開發(fā)，方便了軟件和硬件調試。
　　實驗研究中，首先介紹了實驗測試的原理。接著對前面研究的各種控制策略進行實驗驗證，并對模擬式控制器和數字式控制器進行測試。然后對三級電液伺服閥的其它性能進行了測試。最后將三級電液伺服閥的測試結果與國外的同類閥進行了對比。實驗表明比例微分控制、速度反饋補償和基于傳函辨識的前饋補償控制使三級電液伺服閥的動態(tài)特性明顯提高。實驗結果同時表明研制的模擬式控制器和數字式控