电液比例溢流阀动态特性分析

2009年 4月 第 37卷 第 4期 机床与液压 MACH INE TOOL & HYDRAULICS Apr12009 Vol137 No14 收稿日期: 2008- 04- 18 作者简介: 李鹏 ( 1983) ), 男, 中国矿业大学机电工程学院硕士研究生。电话: 13615136521, E - m ai:l lipeng198321@ 1631com。 电液比例溢流阀动态特性分析 李鹏, 侯友夫, 杨少军, 黄飞 (中国矿业大学机电工程学院, 江苏徐州 221008) 摘要: 电液比例溢流阀是液粘调速离合器电液控制系统的关键元件。通过实验对其动态特性进行分析, 并与计算机仿 真结果进行比较, 验证了根据实验数据所简化的传递函数的正确性。 关键词: 液粘调速离合器 ; 电液比例溢流阀; 动态特性; 传递函数; 仿真 中图分类号: TP211131 文献标识码: A 文章编号: 1001- 3881 ( 2009) 4- 072- 3 Dynam icalCharacteristics Analysis of P roportion R elief Valve LI Peng, HOU You fu, YANG Shao jun, HUANG Fei ( Co llege o fM echanical and E lectrica lEng ineering, Ch ina Un iversity ofM in ing and Technology, Xuzhou Jiangsu 221008, Ch ina) Abstrac t: Proportion re lief va lv e is a v ital executing com ponent in e lec tro-hydraulic contro l system of hydro-v iscous drive. The dynam ical cha racte ristics o f propo rtion re lief va lve w ere ana ly zed through the exper imentation, and the correctness of the transfer func- tion w as ve rified through s imu la tion test and according to real da ta. K eys: H ydro-v iscous dr ive; Proportion re lief va lv e; Dynam ica l character istics; T ransfer function; S im ulation 0 引言 液体调速离合器 (H ydro-viscous D rive) 是 20世 纪 70年代中期发展起来的一种新型流体传动形式, 其原理是利用液体的粘性或油膜剪切作用来传递动 力, 能够实现无级调速和同步运行, 并且还能对传动 系统进行过载保护。液体粘性传动装置因其成本低、 体积小、运行可靠、调速灵敏且调速范围广等优点, 已经广泛应用于水泵、风机等大能耗的调速系统中, 并取得了显著的节能效果。 液体调速离合器的输出转速依靠电液比例系统进 行调节, 而电液比例系统的核心是电液比例溢流阀, 因此, 电液比例溢流阀的性能对液粘传动的控制系统 有着重要的影响。在进行液粘传动控制器时, 需 要对其进行动态分析, 建立控制模型, 确定输入电压 与输出转速的传递函数, 其中电液比例溢流阀的传递 函数的确定很重要。作者通过实验的方法对电液比例 溢流阀的性能进行了分析, 确定电液比例溢流阀的传 递函数, 利用计算机进行了 MATLAB仿真, 并与实 验结果进行了比较。 1 数据采集系统 为了分析电液比例溢流阀在液体调速离合器中的 压力控制特性, 需采集比例阀的运行参数作为研究依 据。由于部分数据对采集的实时性要求较高, 所以需 构建专用采集系统。 控制系统一般要求稳定、准确、快速及时, 因此 作者对电液比例溢流阀的动态响应特性、稳态精度和 重复精度 3个方面进行测试, 实验测定参数包括输出 油压、控制电压。其中油压信号由压力变送器获取, 输出信号为的 4~ 20mA电流信号, 经精密电阻 处理后可获得相应电压信号; 控制电压信号从信号发 生器输出端获取。 为了获取阶跃响应等对采集实时性要求较高的数 据, 采集系统需有较高的采样频率, 作者选用了研华 公司生产的 PCI1713系列采集板卡。该板卡采用 12 位精度的 A /D转换器, 内部集成 4kB的 F IFO缓存, 支持的采样频率高达 100kH z, 并具备增益可调功能。 除此外, 该卡采用高速 PCI总线, 可以很容易地嵌入 到 PC机上。而研华公司所提供的W aveSCAN210数据 采集软件可方便地实现数据存储和曲线生成。采集系 统结构如图 1所示。 图 1 采集系统结构框图 2 电液比例溢流阀性能测试及分析 211 时域瞬态响应 瞬态响应是系统在某一输入信号的作用下其输出 量从初始态到稳定态的响应过程。在分析瞬态响应时 往往选择典型输入信号, 通常这些信号可以是阶跃函 数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数和正弦函数, 图 2 电液比例溢流 阀阶跃响应 作者选用最为典型的阶 跃函数。电液比例溢流 阀压力阶跃响应如图 2 所示, 由图中可以看出, 电液比例溢流阀的阶跃 响应时间大约为 013s, 满足液粘传动装置响应 时间的要求。 212 频域动态响应 对于一般线性系统, 当输入正弦信号时, 其输出 稳定后同样也是与输入同样频率的正弦信号。当输入 信号幅值不变而频率变化时, 其输出幅值和相位一般 也是随频率变化而变化的。频率特性可以采用实验的 手段获得。在系统的输入端加入一定幅值的正弦信 号, 稳定后系统的输出也是正弦信号。不同频率 下输入、输出的幅值和相位, 即可获得系统的频率特 性。这里, 分析电液比例溢流阀压力频域响应特性所 用的正弦信号由信号发生器产生。 为避免电液比例溢流阀死区对测试结果的影响, 信号发生器所产生的信号应高于死区电压, 所以这里 使用波谷为 1V、波峰为 2V的正弦电压信号, 正弦信 号角频率主要选用 2、 3、 4、,、 10、 20、 30、 40、 图 3 频率响应实测曲线 ⋯、 100rad / s。图 3为 使用 W aveSCAN210软 件采集 的角 频率为 4rad/ s 的响应 曲线, 图的下部曲线为正弦 信号曲线, 上部曲线 为电液比例溢流阀的 压力响应曲线。 图 4 频率响应处理曲线 实测响应曲线是压力传感器产生的电压信号, 需 转换成相应的油压值。压力传感器量程为 0~ 20MPa, 输出信号为 4~ 20mA电流信号, 采集电阻选用 5008 精密电阻, 所以采集电压向实际油压的转换公式为 p= ( VS - 2 ) @ 20 /8 (p表示油压, VS表示压力传感器 的测量值 )。经过转换后的实测油压数据与相应正弦 信号由 Orig inPRO软件在同一坐标中生成曲线, 如图 4所示。通过对多组曲线的分析, 可以获得不同角频 率下电液比例溢流阀的幅值增益和相位滞后, 并根据 数据绘制波德图, 如图 5所示。 图 5 电液比例溢流阀波德图 213 稳态特性测试 稳态特性测试主要测试电液比例溢流阀的稳态精 度和重复精度。实验方法是采用可编程控制器的模拟 图 6 稳态特性测试曲线 量输出口产生驱动电压, 同时使用采集模块采集数 据, 并做滤波处理。驱动 电压从 0开始每次递增 1V 输出, 增至 10V后, 每次 递减 1V输出, 直至电压为 0。实验曲线如图 6所示。 由图 6 可以看出, 电液比例 溢流阀存在约 0178MPa的死区, 而在 1~ 9MPa范围内, 线性度比 较好, 大于 9MPa时, 曲线存在明显的弧度, 同时可 以看出电液比例溢流阀存在一定的重复精度误差, 但 误差比较小, 两条曲线能基本重合。 214 电液比例溢流阀模型简化 许多学者已经采用经典控制理论的方法对电液比 例溢流阀的性能作了分析和描述, 但导出的模型十分 复杂, 对系统分析带来不便, 所以作者将对电液比例 溢流阀模型向二阶系统进行简化。 由图 5可以看出相位差超过了 180b, 所以可以 断定该系统为非最小相位系统, 存在着延迟环节。电 液比例溢流阀频率特性可以表示为如下形式: G 0 ( s) = e - Ss 1 X20 s 2 + 2N0 X0 s+ 1 ( 1) 式中: S为延迟时间, X0为固有频率, N0为阻尼比。 确定电液比例溢流阀的传递函数, 实际上就是确 定 S、 X0、N0 3个参数。由于延迟环节对系统增益无影 响, 所以可以先确定后 2个参数。由图 5中的实验曲 线可知增益曲线未超越零点, 所以可以初步判定 017< N0 < 110, 固有频率点在 - 2192dB和 - 6120dB线与实 测曲线两交点之间 ( 25~ 40rad / s)。通过多次试凑, X0 = 36rad/ s、N0= 0195的仿真曲线与实验曲线最为接 近, 如图 5所示, 所以可以确定 X0 = 36rad / s、N0 = #73#第 4期 李鹏 等: 电液比例溢流阀动态特性分析 0195。延迟环节只对相位差有影响, 所以通过相位差 仿真曲线逼近实验曲线的方法可以很容易地获得延迟 时间 S。通过多次逼近实验, 最后确定 S= 0101。将 各参数代入式 ( 1 ) 得 G 0 ( s) = e - 0101s 01000 771 6s2+ 0105s+ 1 ( 2) 式 ( 2 ) 即为电液比例溢流阀的传递函数。 3 MATLAB仿真 基于上述分析及所求得的传递函数, 在 Smi ulink 环境下仿真电液比例溢流阀阶跃响应与正弦激励响 应。画出电液比例溢流阀的仿真系统框图如图 7和图 8所示。 运行仿真得到仿真曲线如图 9、 10所示, 通过与 实验得到的曲线比较可以看出仿真曲线与实验曲线的 吻合度较好, 所以用式 ( 2 ) 简化表示电液比例溢流 阀的传递函数比较合理。 4 结束语 作者通过实验分析了电液比例溢流阀的动态特 性, 根据实验数据求得传递函数。在确定传递函数的 基础上利用 MATLAB的 S mi ulink建立仿真系统, 并 将仿真结果与实验数据进行比较, 可以看出所简化的 比例阀传递函数比较合理, 为准确建立液粘调速离合 器的控制系统模型提供了依据。 参考文献 =1> 魏宸官, 赵家象. 液体粘性传动技术 [M ]. 北京: 国防工业出版社, 1996. =2> 董景新, 赵长德, 熊沈蜀, 郭美凤. 控制工程基础 [M ] . 北京: 清华大学出版社, 2003. =3> 路甬祥, 胡大纮. 电液比例控制技术 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 1987. =4> 范影乐, 杨胜天, 李秩. 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