基于比例換向閥的智能流量控制方法

王潤林， 徐兵， 王迪， 張春峰

(1.浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江,杭州 310027；2.北京機械設備研究所，北京 100854)

比例換向閥作為電液控制技術(shù)中重要的基礎元件，其作用是連續(xù)成比例控制液壓執(zhí)行器的工作速度、方向、位置和輸出力的大小. 隨著傳感器技術(shù)和智能化技術(shù)的不斷進步，帶有內(nèi)置式壓力和溫度傳感器的智能化比例換向閥產(chǎn)品不斷出現(xiàn). EATON的AxisPro比例閥嵌入了4個壓力傳感器，并在T口嵌入了溫度傳感器. Rexroth 的4WREQ比例換向閥在P、A、B端口安裝有3個壓力傳感器[1]. 通過嵌入式傳感器，可以實現(xiàn)靈活的控制策略和對系統(tǒng)性能的診斷，但由于受到流量傳感器的體積和頻響等因素的影響，流量傳感器難以集成至比例換向閥中，需要采用計算的方式間接獲取流量信息[2]. 采用壓力傳感器和閥芯位移傳感器來計算流量是間接獲得流量的常用方法. 薄壁孔口節(jié)流(如圖1所示)流量方程為

(1)

式中:qV為體積流量;Cd為流量系數(shù);A為節(jié)流面積;ρ為流體密度；P1為進口壓力；P2為出口壓力. 由方程可知，閥口流量不僅取決于節(jié)流面積A和閥口壓降(P1-P2)，還與流量系數(shù)Cd有關.

本文首先通過實驗觀測了流量系數(shù)的變化曲線，由于實際流量系數(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式差異較大，無法采用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式直接計算流量. 因此，在流量計算過程中首先通過實驗插值計算獲得在不同位移和壓差情況下流量的三維數(shù)據(jù)表，然后通過查表獲得計算流量. 在此基礎上利用調(diào)節(jié)器對閥口的流量進行反饋控制.

1 流量控制原理

圖2所示是閥流量控制原理圖. 通過壓力傳感器和閥芯位移傳感器將閥兩端的壓差ΔP和閥芯位移X后送給控制器，控制器根據(jù)存儲的表格插值計算得出通過閥的流量qVcal，與給定流量qVref進行比較，選擇合適的調(diào)節(jié)器形成流量閉環(huán)控制，輸出閥芯位移給定值Xu[3].

當壓差、閥芯位移改變時，雖然原有的壓差、流量關系將不再成立，但閥口流量三維數(shù)據(jù)表中通過大量實驗均有所總結(jié)，可以實現(xiàn)對當前工況下流量與壓差關系的復現(xiàn).

本研究選擇PID算法作為調(diào)節(jié)器，如圖2所示. 算法的工作流程圖如圖3所示. 其主要步驟有：

① 獲得閥口流量給定值qVref、閥兩端的壓差ΔP和閥芯位移X.

② 通過流量與位移、壓差三維數(shù)據(jù)表查找插值計算得到閥口流量.

③ 選擇合適的調(diào)節(jié)器形成流量閉環(huán)控制.

④ 通過調(diào)節(jié)器輸出閥芯位移給定值Xu.

⑤ 判斷輸出閥芯位移給定值Xu與閥芯位移測量值X是否相等，相等的話結(jié)束流程，否則返回執(zhí)行第①步.

2 閥流量的間接計算

2.1 流量系數(shù)的實驗

由薄壁孔口節(jié)流流量方程可知，流量系數(shù)與節(jié)流面積、閥口壓降和流量相關，圖4給出了對比例換向閥壓差-節(jié)流面積-流量關系進行試驗測試的液壓系統(tǒng)原理圖. 圖4中，變量泵能夠為測試閥提供流量為400 L/min的油液，節(jié)流閥調(diào)節(jié)負載壓力，比例溢流閥調(diào)整系統(tǒng)的供油壓力. 實驗是在油溫40 ℃時進行測量的. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過位移傳感器、流量傳感器和壓力傳感器分別采集測量閥芯位移、閥口流量和進、出口壓力[4]，傳感器的主要參數(shù)如表1所示.

傳感器量程精度壓力傳感器0～35.0 MPa±0.1%FS流量傳感器3～700 L/min±0.1%FS位移傳感器±5 mm±0.05%FS溫度傳感器0～100 ℃±0.5%FS

實驗裝置是基于實驗液壓系統(tǒng)搭建的. 其中數(shù)據(jù)采集設備選用NI USB 6343，分辨率為16位，采樣率可達到500 kS/s. 閥由信號發(fā)生器控制.

由液壓閥口流量和閥口壓差的關系式(1)可得流量系數(shù)[5]，

其中qV、P1和P2為試驗測試數(shù)據(jù)，節(jié)流面積A參考閥芯位移信號和閥芯結(jié)構(gòu)計算得到，油液密度ρ取860 kg/m3.

計算得到的流量系數(shù)曲線如圖5(a)所示. 圖5(b)為1967年Merrit得出的流量系數(shù)與雷諾數(shù)根方之間的曲線關系. 液壓閥的傳統(tǒng)設計和性能計算中,通常以圖5(b)為計算依據(jù)，把湍流狀態(tài)下的閥口流量系數(shù)作為常數(shù)0.61處理[6]. 但由于本研究中閥口形狀和流道等因素的影響難以簡化為銳邊節(jié)流模型，傳統(tǒng)流量系數(shù)數(shù)據(jù)難以應用于實際情況. 因此本研究首先建立不同位移和壓差情況下流量的三維數(shù)據(jù)表，然后通過位移和閥口壓降采用查表和插值的方法得到計算流量.

2.2 閥口流量三維數(shù)據(jù)表建立

本實驗在控制被試閥在恒定的壓力差條件下，通過改變閥口開度改變閥芯位移，分別測試了P-B端口的壓差和流量，得到在不同的控制信號和不同的壓差下被試閥的流量-信號曲線如圖6所示.

由圖6可知，閥口流量與閥芯位移曲線較為復雜，主要與閥口形狀、流量系數(shù)的變化等相關. 將不同的位移控制信號和不同的壓差情況下，測得的閥口流量制成一個流量、位移和壓差三維數(shù)據(jù)表.

雖然閥芯位移發(fā)生改變，但此時的閥口流量與壓差的關系已通過實驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)在流量與位移、壓差三維數(shù)據(jù)表中，可以通過查表直接獲得閥口流量. 在閥流量實時控制時，只需要通過閥芯位移傳感器、壓力傳感器分別測得閥芯位移和閥口壓降，然后直接在流量與位移、壓差三維數(shù)據(jù)表查找得到閥口流量，用于調(diào)節(jié)器形成流量閉環(huán)控制.

3 流量控制實驗

流量控制實驗仍然可以采用圖4所示液壓系統(tǒng)完成. 壓力、位移和流量測試信號由計算機內(nèi)數(shù)據(jù)處理軟件處理，然后給出控制被試閥的各種信號[7].

圖7為閥口流量對輸入信號響應曲線，隨著輸入信號的變化，閥口流量隨之變化，穩(wěn)態(tài)誤差和振蕩較小.

圖8是被試閥閥口流量控制特性曲線，由圖8可知，閥口實際流量與計算流量一致性較好，但存在穩(wěn)態(tài)誤差和振蕩的現(xiàn)象. 壓差的變化是由流量的變化引起的. 在80～220 s之間，隨著P口和B口壓差的變化，閥口實際流量的穩(wěn)態(tài)誤差較小，這說明在改變壓差的情況下流量的穩(wěn)定控制能力較好. 在300～360 s之間，供油壓力從110 MPa降到60 MPa，閥口實際流量能基本保持140 L/min，穩(wěn)態(tài)誤差較小，這說明在不同的供油壓力情況下流量的控制能力較好.

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，不需確定流量系數(shù)，通過實驗插值計算獲得在不同位移和壓差情況下流量的三維數(shù)據(jù)表，然后通過查表獲得計算流量，這種方法是完全可行的. 在閥流量實時控制時，只需要通過閥芯位移傳感器、壓力傳感器分別測得閥芯位移和閥口壓降，然后直接在流量與位移、壓差三維數(shù)據(jù)表查找得到閥口流量，用于調(diào)節(jié)器形成流量閉環(huán)控制.

應用該方法，采用流量反饋控制原理控制比例換向閥的流量可以動態(tài)調(diào)節(jié)流量的控制特性，在改變壓差和供油壓力的情況下流量的穩(wěn)定控制能力較好. 但PID算法控制有待進一步改進，使穩(wěn)態(tài)控制精度更高.