基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计_高钦和

引言液压伺服系统是以液体压力能为动力的机械量（位移、速度和力）自动控制系统按系统。

控机械量的不同，它又可以分为电液位置伺服系统、电液速度伺服控制系统和电液力控制系统三种。

电液控制系统的基本元件包括电磁阀、电液开关控制阀、光电耦合器、功率放大器、电—机械转换器、普通电液伺服阀(频宽数十赫)、高频电液伺服阀(国内产品 400 赫)、电液比例流量阀、电液比例压力阀、电液比例方向阀、电液复合阀、电液比例泵、电液通断控制阀、电液数字阀、电液数字缸、电液数字泵等。

它们广泛用于机床工业、冶金工业、船舶工业、煤炭工业和工程机械等的控制系统中。

本文要研究的是电液速度控制系统及其仿真分析，是对电液速度控制系统的各个环节进行了数学模型的建立，并应用Matlab/Simulink对电液速度控制系统进行了仿真分析,通过幅频特性和相频特性的变化得到数学模型中各个部分对整个控制系统的影响。

1 绪论液压控制是液压技术领域的重要分支。

近20年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率—重量比和大功率液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。

特别是控制理论在液压系统中的应用、计算及电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在元件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门学科。

目前液压技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门及飞机、船舶部门等。

我国于50年代开始液压伺服元件和系统的研究工作，现已生产几种系列电液伺服产品，液压控制系统的研究工作也取得很大进展。

1.1电液控制技术的发展及趋势液压技术的发展与流体力学理论研究相互关联。

自1650年帕斯卡提出静态液体中的压力传播规律--帕斯卡原理以来，1686年牛顿揭示了粘性液体的内摩擦定律，18世纪建立了流体力学的连续性方程。

这些理论的建立为液压技术的发展奠定了理论基础。

从1795年，英国人首先制造出世界上第一台水压机起，液压传动开始进入工程领域。

68液压与气动2010年第2期基于A MESi m 的电磁高速开关阀动静态特性研究苏明, 陈伦军1, 21Dyna m ic Characteristic Research ofH i gh Speed On -off Solenoi dV al ve Based on AMES m iS U M i n g , C H E N Lun -jun1, 21(1. 贵州大学机械工程学院, 贵州贵阳 550003; 2. 贵州省机电研究设计院, 贵州贵阳 550003摘要:在分析电磁高速开关阀磁路及机液结构的基础上, 采用AMES i m 建立了电磁高速开关阀模型, 基于该模型在不同占空比及不同工作频率情况下进行了仿真, 分析了P WM 信号、电流、阀芯位移关系, 从控制角度提出了改善电磁高速开关阀性能的思路。

关键词:AMES i m ; 电磁高速开关阀; 动态模型; 仿真中图分类号TH 137 文献标识码:B 文章编号:1000-4858(2010 02-0068-051 引言电磁高速开关阀作为一种流体控制的新型控制元件, 采用P WM 控制方法, 可容易与计算机接口直接相连, 实现计算机技术与流体控制技术的良性有机结合, 进行液压系统的直接数字控制。

同比例阀、伺服阀等相比, 电磁高速开关阀且具有结构简单、抗污染能力强等特点。

电磁高速开关阀涉及机、电、磁、液多种领域知识, 很难建立其精确数学模型, 而且流体脉宽调制P WM 控制系统是一类本质非线性控制系统, 由于流体控制阀的响应速度限制, 调制频率不可能很高, 系统的分析[5]和设计比较困难。

法国I M AG I N E 公司于1995年推出的专门用于工程系统建模、仿真及动力学分析的AM ES i m 软件, 为流体动力、机械、热、电磁、控制等工程系统提供了一个完善的综合仿真环境及灵活的解决方案, 具有丰富的模型库, 可以采用基本元素法按照实际物理系统来构建自定义模块或者仿真模型, 而不需要去推导复杂的数学模型, 这可使研究人员将更多精力投入到实际物理模型的研究当中。

基于PWM控制的ESP高速开关阀动力学特性研究与仿真王冬良;陈南;刘远伟【摘要】汽车ESP中采用的高速开关阀是二位二通电磁阀,通过电磁阀的开启或关闭来实现车轮轮缸的增压、保压和减压.在(10～100)Hz低频范围内,高速开关阀虽实现了平均开度控制,但阀还是会出现时开时闭的状态,且电磁阀在状态切换中存在压力响应滞后现象.为了提高液压系统的控制精度,提出了脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制高速开关电磁阀的仿真模型,研究分析了调制频率在高频情况下,通过改变PWM下的占空比,实现高速开关阀压力精确控制的效果,达到ESP 制动压力响应快且平稳.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P87-90)【关键词】PWM控制;ESP;高速开关电磁阀;仿真【作者】王冬良;陈南;刘远伟【作者单位】三江学院机械工程学院,江苏南京 210012;东南大学机械工程学院,江苏南京 211189;三江学院机械工程学院,江苏南京 210012【正文语种】中文【中图分类】TH16;U46摘.：汽车ESP中采用的高速开关阀是二位二通电磁阀，通过电磁阀的开启或关闭来实现车轮轮缸的增压、保压和减压。

在（10～100）Hz低频范围内，高速开关阀虽实现了平均开度控制，但阀还是会出现时开时闭的状态，且电磁阀在状态切换中存在压力响应滞后现象。

为了提高液压系统的控制精度，提出了脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制高速开关电磁阀的仿真模型，研究分析了调制频率在高频情况下，通过改变PWM下的占空比，实现高速开关阀压力精确控制的效果，达到ESP制动压力响应快且平稳。

汽车电子稳定性程序（Electronic Stability Program，ESP）是改善汽车行驶稳定性的一种主动安全系统[1]。

ESP系统是制动防抱死系统（Anti-lock Braking System，ABS）和 ABS/驱动防滑控制系统（Acceleration Slip Regulation，ASR）两大系统组合系统的进一步发展，可以快速、主动地对汽车各个车轮进行制动。

word毕业论文题目：液压传动的根本原理与在工业中的应用班级：专业：学生某某：指导教师：日期：目录1.引言………………………………………………………………………………………(2)2. 第二章液压技术的定义与开展 (3)2.1. 液压传动概论……………………………………………………………………………(3) 2.2. 开展概况 (5)3. 第三章液压传动根本原理……………………………………………………………12)3.1 液压传动的根本原理…………………………………………………………………(12)3.2 工作特点………………………………………………………………………………(14)3.3 液压传动系统的组成 (15)3.4 液压传动系统的工作原理…………………………………………………………(16)4. 第四章液压传动系统在工业开展中的应用……………………………………(22)4.1 在能源工业中的应用…………………………………………………………………(22)完毕语…………………………………………………………………………………………(26)致谢……………………………………………………………………………………………(27)参考文献………………………………………………………………………………………(28)《一》引言论文目的：深入学习液压传动工作原理，开拓液压应用技术的广阔开展空间社会意义：随着计算机技术的开展，液压系统与智能控制技术、计算机控制技术的结合使液压应用技术在未来有着广阔的开展前景，而且已收到世界各国的关注与重视论文内容：简述液压的定义、工作原理与开展前景结论：应努力提高液压技术在我国的应用频率，开拓液压技术在我国的应用领域第二章液压技术的定义与开展2.1：液压传动概论1、定义：以液体作为工作介质，并以压力能进展动力〔或能量〕的传递、转换与控制的液体传动。

2、分类：原动机----动力源按机器不同传动装置工作机按传动件不同机械传动3、与机械驱动相比液压传动的各种元件，可根据需要灵活布置重量轻、体积小、运动惯性小、反响速度快柴油机C.操纵控制方便，可实现大X围的无极调速D.可自动实现过载保护E.一般采用矿物油为工作介质，相对而言，可自行润滑，使用寿命长F.很容易实现直线运动G.H.缺点I.由于流体流动的阻力和泄漏较大，所以效率较低，如果处理不当，泄漏不仅污J.易受温度变化的影响K.L.2.2：开展概况一、起步与历史电动机M.液压和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而开展起来的、相对于机械传动来说的一门新兴技术。

2016年6月机床与液压Jun . 2016第 44 卷第 11 期M A C H IN E TO O L&H Y D R A U L IC SVol . 44 No . 11D O I : 10.3969/j . issn . 1001-3881. 2016. 11. 025基于占空比线性转换的高速开关阀流量控制李玉贵\张辽\申竹茂2 !徐玉蕊\褚艳涛1(1.重型机械教育部工程研究中心，山西太原030024$2.太原科大重工科技有限责任公司，山西太原030024)摘要：分析高速开关阀的占空比一流量特性，针对其流量控制中存在的死区、非线性区及饱和区问题，提出基于占空 比线性转换的P W M 控制模型，以实现高速开关阀对平均流量的线性控制。

推导占空比线性转换公式，建立占空比线性转 换P W M 控制模型，从仿真和实验的角度对比分析高速开关阀在进行占空比线性转换前后对流量的控制特性。

研究结果表 明：阀口压差一定时，基于占空比线性转换的P W M 控制能够实现高速开关阀在0~ 100%占空比范围内对平均流量进行线 性控制。

关键词！高速开关阀；占空比；线性转换；P W M 中图分类号：T H 137.52 文献标志码：A 文章编号：1001-3881(2016)11-104-5F l o w Control of H i g h -s p e e d On-(^ff V a l v e B a s e d o n L i n e a r T r a n s f o r m a t i o nof the D u t y RatioLI YuguS1 & Z H A N G Liao1 & S H E N Zhumao2 & X U YuruS1 & C H U Yantao1(1. Heavy Mechanical Engineering Research Center of Ministry of Education & Taiyuan Shanxi 03002. Taiyuan Heavy I ndustry Science and Technology C o . & Ltd.，Taiyuan Shanxi 03002Abstract ： The h i g h -sjDeed o n-off valveb c h a r a c t e r i s t i c s o f duty r a t i o and flow was analyzed，t he P W M c o n t r o l model based on l i n ­ear transformation of duty r a t i o was presented f o r the dead，non-linear and s a turated zones i n the flow c o n t r o l o f high-speed o n -o f f valve . The c o n t r o l model could make high-speed o n-off vvlve r e a l i z e the l i n e a r c o n t r o l of average flow . The l i n e a r transformation o f duty r a t i o formula was conducted and t he P W M c o n t r o l model based on l i n e a r transformation o f duty r a t i o was e s t a b l i s a c t e r i s t i c s were analyzed of h igh-sjDeed o n-off valve before and ater l i n e a r transformation o f duty r a t i o c o n t r a s l a t i o n and experiment . The anal y s i s r e s u l t s show t h a t when di f e r e n t i a l pressure i s constant，t he P W M c o n t r o l model based on l i n e a r transformation o f duty r a t i o can make high-speed o n -off valve r e a l i z e t he l i n e a r c o n t r o l o f average flow with the duty r a t i o o f 0〜100%.Keywords： High speed o n-off valve； Duty ra t i o ； Linear transformation； P W M 〇前言高速开关数字阀是目前数字液压控制技术中应用 最为广泛的液压元件，它只有快速切换的“开”和 “关”两种状态，并通过调节阀口的开/关时间来改 变通过阀的平均通过流量。

第一章概述思考题与习题1-1说明什么叫液压传动?解：用液体作为工作介质进行能量传递的传动方式称为液体传动。

按照其工作原理的不同，液体传动又可分为液压传动和液力传动两种形式。

液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要利用液体的动能来传递能量。

1-2液压传动系统由哪几部分组成？试说明各组成部分的作用。

解：液压传动系统主要由以下四个部分组成：(1)动力元件将原动机输入的机械能转换为液体压力能的装置，其作用是为液压系统提供压力油，是系统的动力源。

如各类液压泵。

(2)执行元件将液体压力能转换为机械能的装置，其作用是在压力油的推动下输出力和速度(或转矩和转速)，以驱动工作部件。

如各类液压缸和液压马达。

(3)控制调节元件用以控制液压传动系统中油液的压力、流量和流动方向的装置。

如溢流阀、节流阀和换向阀等。

(4)辅助元件除以上元件外的其它元器件都称为辅助元件，如油箱、工作介质、过滤器、蓄能器、冷却器、分水滤气器、油雾器、消声器、管件、管接头以及各种信号转换器等。

它们是一些对完成主运动起辅助作用的元件，在系统中也是必不可少的，对保证系统正常工作有着重要的作用。

1-3液压传动的主要优、缺点是什么？解：1.液压传动的优点(1)液压传动容易做到对速度的无级调节，且其调速范围大，并且对速度的调节还可以在工作过程中进行；(2)在相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、结构紧凑；(3)液压传动工作比较平稳、反应快、换向冲击小，能快速起动、制动和频繁换向；(4)液压装置易实现自动化，可以方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地与电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作；(5)液压传动易实现过载保护，液压元件能够自行润滑，故使用寿命较长；(6)液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

2.液压传动的缺点(1)液体的泄漏和可压缩性使液压传动难以保证严格的传动比；(2)液压传动在工作过程中能量损失较大，因此，传动效率相对低，不宜作远距离传动；(3)液压传动对油温变化比较敏感，不宜在较高和较低的温度下工作；(4)液压系统出现故障时，不易诊断。

引言液压伺服系统是以液体压力能为动力的机械量（位移、速度和力）自动控制系统按系统。

控机械量的不同，它又可以分为电液位置伺服系统、电液速度伺服控制系统和电液力控制系统三种。

电液控制系统的基本元件包括电磁阀、电液开关控制阀、光电耦合器、功率放大器、电—机械转换器、普通电液伺服阀(频宽数十赫)、高频电液伺服阀(国内产品 400 赫)、电液比例流量阀、电液比例压力阀、电液比例方向阀、电液复合阀、电液比例泵、电液通断控制阀、电液数字阀、电液数字缸、电液数字泵等。

它们广泛用于机床工业、冶金工业、船舶工业、煤炭工业和工程机械等的控制系统中。

本文要研究的是电液速度控制系统及其仿真分析，是对电液速度控制系统的各个环节进行了数学模型的建立，并应用Matlab/Simulink对电液速度控制系统进行了仿真分析,通过幅频特性和相频特性的变化得到数学模型中各个部分对整个控制系统的影响。

1 绪论液压控制是液压技术领域的重要分支。

近20年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率—重量比和大功率液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。

特别是控制理论在液压系统中的应用、计算及电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在元件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门学科。

目前液压技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门及飞机、船舶部门等。

我国于50年代开始液压伺服元件和系统的研究工作，现已生产几种系列电液伺服产品，液压控制系统的研究工作也取得很大进展。

1.1电液控制技术的发展及趋势液压技术的发展与流体力学理论研究相互关联。

自1650年帕斯卡提出静态液体中的压力传播规律--帕斯卡原理以来，1686年牛顿揭示了粘性液体的内摩擦定律，18世纪建立了流体力学的连续性方程。

这些理论的建立为液压技术的发展奠定了理论基础。

从1795年，英国人首先制造出世界上第一台水压机起，液压传动开始进入工程领域。

第一章概述思考题与习题1-1说明什么叫液压传动?解：用液体作为工作介质进行能量传递的传动方式称为液体传动。

按照其工作原理的不同，液体传动又可分为液压传动和液力传动两种形式。

液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要利用液体的动能来传递能量。

1-2液压传动系统由哪几部分组成？试说明各组成部分的作用。

解：液压传动系统主要由以下四个部分组成：(1)动力元件将原动机输入的机械能转换为液体压力能的装置，其作用是为液压系统提供压力油，是系统的动力源。

如各类液压泵。

(2)执行元件将液体压力能转换为机械能的装置，其作用是在压力油的推动下输出力和速度(或转矩和转速)，以驱动工作部件。

如各类液压缸和液压马达。

(3)控制调节元件用以控制液压传动系统中油液的压力、流量和流动方向的装置。

如溢流阀、节流阀和换向阀等。

(4)辅助元件除以上元件外的其它元器件都称为辅助元件，如油箱、工作介质、过滤器、蓄能器、冷却器、分水滤气器、油雾器、消声器、管件、管接头以及各种信号转换器等。

它们是一些对完成主运动起辅助作用的元件，在系统中也是必不可少的，对保证系统正常工作有着重要的作用。

1-3液压传动的主要优、缺点是什么？解：1.液压传动的优点(1)液压传动容易做到对速度的无级调节，且其调速范围大，并且对速度的调节还可以在工作过程中进行；(2)在相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、结构紧凑；(3)液压传动工作比较平稳、反应快、换向冲击小，能快速起动、制动和频繁换向；(4)液压装置易实现自动化，可以方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地与电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作；(5)液压传动易实现过载保护，液压元件能够自行润滑，故使用寿命较长；(6)液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

2.液压传动的缺点(1)液体的泄漏和可压缩性使液压传动难以保证严格的传动比；(2)液压传动在工作过程中能量损失较大，因此，传动效率相对低，不宜作远距离传动；(3)液压传动对油温变化比较敏感，不宜在较高和较低的温度下工作；(4)液压系统出现故障时，不易诊断。