D665型先導(dǎo)式電液伺服比例閥響應(yīng)仿真分析

目錄 一、 任務(wù)書(shū)———————————————— 2 二、 研究目的——————————————— 4 三、 工作原理——————————————— 4 四、 滑閥受力分析與計(jì)算—————————— 4 五、 D665 型閥的數(shù)學(xué)模型—————————— 8 六、 D665 型閥的仿真模型—————————— 11 七、 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析——————————— 13 八、 項(xiàng)目心得——————————————— 14 九、 參考文獻(xiàn)——————————————— 15 0 一、任務(wù)書(shū) 課題一、 D665 型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析 一、研究目的 采用 AMESim 軟件仿真分析手段，通過(guò)本課題的完成，使學(xué)生對(duì)液壓滑閥及電液伺服閥的相關(guān)理論進(jìn)行更為深入的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)掌握以下知識(shí)點(diǎn)： 1) 滑閥受力分析； 2) 兩級(jí)先導(dǎo)式大流量電液伺服閥的工作原理； 3) 兩級(jí)先導(dǎo)式大流量電液伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析 (時(shí)域分析、頻域分析 )； 4) 簡(jiǎn)要總結(jié)得出影響伺服閥動(dòng)態(tài)特性的因素。 二、設(shè)計(jì)參數(shù) 序號(hào) 參 數(shù) 項(xiàng) 參 數(shù) 值 單 位 備 注 1 開(kāi)口型式 零開(kāi)口 2 主閥芯行程 6 mm 3 主閥芯驅(qū)動(dòng)面積 33.2 cm2 標(biāo)準(zhǔn)閥芯 4 主閥芯型式 圓形 5 主閥芯長(zhǎng)度 74 mm 6 先導(dǎo)閥 D631 伺服閥 MOOG 7 閥芯材料 0Cr17Ni4Cu4Nb 8 流量系數(shù) Cd 0.61 9 速度系數(shù) Cv 0.98 10 油液密度 850 Kg/m 3 11 油液粘度 32 mm 2/s 12 工作溫度 40 ℃ 13 額定流量 1000 L/min 14 工作壓力 31.5 MPa 15 反饋環(huán)節(jié)型式 5 ms 位移電反饋 三、設(shè)計(jì)要求及完成過(guò)程 本課題研究?jī)?nèi)容如下： 1) D665 型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥功率級(jí)滑閥受力分析計(jì)算； 2) 建立 D665 型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥的數(shù)學(xué)模型； 3) 采用 AMESim 軟件建立 D665 型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥仿真模 型； 4) 得出該閥的時(shí)間響應(yīng)曲線和頻率響應(yīng)曲線，得出閥的頻寬。課題研究過(guò)程如下： 1) 每人結(jié)合自己的研究過(guò)程，提交課題一份研究報(bào)告，研究報(bào)告不得雷 同； 1 2) 報(bào)告完成后，組長(zhǎng)組織成員對(duì)所有報(bào)告進(jìn)行評(píng)議，并打分； 3) 導(dǎo)師對(duì)每名學(xué)生的研究報(bào)告進(jìn)行品議，并打分； 4) 一份匯總研究報(bào)告和匯報(bào) PPT，完成后，向答辯委員會(huì)提交申請(qǐng)； 5) 組織答辯，并打分。 四、提交形式 1) 個(gè)人研究報(bào)告； 2) 匯總研究報(bào)告； 3) 匯報(bào) PPT 2 二、 研究目的 采用 AMESim 軟件仿真分析手段，通過(guò)本課題的完成，使學(xué)生對(duì)液壓滑閥及電液伺服閥的相關(guān)理論進(jìn)行更為深入的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)掌握以下知識(shí)點(diǎn)： 1) 滑閥受力分析； 2) 兩級(jí)先導(dǎo)式大流量電液伺服閥的工作原理； 3) 兩級(jí)先導(dǎo)式大流量電液伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析 (時(shí)域分析、頻域分析 )； 4) 簡(jiǎn)要總結(jié)得出影響伺服閥動(dòng)態(tài)特性的因素。 三、 工作原理 （ 1）伺服噴嘴擋板先導(dǎo)閥工作原理 伺服射流管先導(dǎo)閥主要由力矩馬達(dá)、 噴嘴擋板和接收器組成。 當(dāng)線圈中有電流通過(guò)時(shí)， 產(chǎn)生的電磁力使擋板偏離中位。 這個(gè)偏離和特殊形狀的噴嘴設(shè)計(jì)使得當(dāng)擋板偏向一側(cè)時(shí)造成先導(dǎo)閥的接收器產(chǎn)生偏差。 此壓差直接導(dǎo)致閥芯兩側(cè)驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生偏差， 推動(dòng)主閥芯產(chǎn)生位移。 先導(dǎo)閥的泄漏油通過(guò)噴嘴環(huán)形區(qū)域處的排出通道流回回油口。 （2）多級(jí)閥工作原理 主閥芯的位置閉環(huán)控制是由閥內(nèi)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)電氣指令信號(hào) 作用于集成電路位置控制器并由此來(lái)驅(qū)動(dòng)閥線圈。 位置傳感器通過(guò)震蕩器 測(cè)出主閥芯實(shí)際位移。 此信號(hào)被解調(diào)并反饋至控制器與指令信號(hào)相比， 得 出的偏差信號(hào)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)級(jí)從而使主閥芯產(chǎn)生位移， 直至指令信號(hào)與反饋信 號(hào)之間偏差為零。由此得到主閥芯位移與指令電信號(hào)成正比。 四、 D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥功率級(jí)滑 閥受力分析計(jì)算 操縱滑閥閥芯運(yùn)動(dòng)需要先后克服各種阻力，其中包括：閥芯質(zhì)量的慣性力，閥芯與閥套間的摩擦力，閥芯所受的液動(dòng)力，彈性力和任意外負(fù)載力。 （一） 作用在滑閥閥芯上的液動(dòng)力 液動(dòng)力分為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力 1）、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力 由動(dòng)量定理求得穩(wěn)態(tài)軸向液動(dòng)力為 3 = 由柏努利方程可求得閥口射流最小斷面處流速為 v= 為速度系數(shù)， =0.98 通過(guò)理想矩形閥口的流量為 q= W 為流量系數(shù) 聯(lián)立有 =2 W = 為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度， =2 W 對(duì)于理想滑閥，射流角 = ，取 =0.61 有 =0.43W 對(duì)于零開(kāi)口四邊滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有 （ ） 于空載時(shí)（ ）達(dá)到最大值 = 全周開(kāi)口，閥芯直徑 d= =6.5 cm W= d=20.42cm =0.43 =16598.16N 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的方向總是指向使閥口關(guān)閉的方向。 4 2)、瞬態(tài)液動(dòng)力 由動(dòng)量變化得瞬態(tài)液動(dòng)力有 = m = = = 對(duì)于零開(kāi)口四邊滑閥來(lái)說(shuō) =（ ） 由樣本，知道阻尼長(zhǎng)度為 知 82.5-41.3=41.2 mm 5 =114.3-82.5=31.8 mm =41.2-31.8=9.4 mm 其中 為負(fù)阻尼長(zhǎng)度， 正阻尼長(zhǎng)度 =9.4 =108 N 瞬態(tài)液動(dòng)力的方向始終與閥腔內(nèi)液體的加速度方向相反， 據(jù)此可以判斷瞬態(tài)液動(dòng)力的方向。 3)、滑閥的驅(qū)動(dòng)力 根據(jù)閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的力平衡方程式，可得閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的總驅(qū)動(dòng)力 = +( ) + 閥芯與閥套間的粘性摩擦系數(shù) ——任意負(fù)載力 有 850 +7780 6 6 +7780 =4.9 Kg 則穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度， =3.9 N/m 五、建立 D665型先導(dǎo)式大流量電液伺服比例閥的數(shù) 學(xué)模型 圖1、電液伺服閥的方塊圖 由該題目中反饋環(huán)節(jié)型式為位移電反饋可知， 上面方塊圖中的力反饋環(huán)節(jié) 應(yīng)用慣性環(huán)節(jié) 代替轉(zhuǎn)換為位移反饋通道， 并且 反饋環(huán)節(jié)應(yīng) 該去掉。 7 那么，可以計(jì)算得到傳遞函數(shù)為 其中，有 為避免伺服放大器特性對(duì)伺服閥特性的影響，通常采用電流負(fù)反饋伺 服放大器，以控制線圈回路的轉(zhuǎn)折頻率 很高，則 近似等于 0，則力矩 馬達(dá)小閉環(huán)的傳遞函數(shù)為 （ s）= 式中 為銜鐵擋板組件的固有頻率， = 為由機(jī)械阻尼和電磁阻尼產(chǎn)生的阻尼比， 8 = 對(duì)位移反饋回路進(jìn)行化簡(jiǎn)有 滑閥的固有頻率 很高， ，故滑閥動(dòng)態(tài)可以忽略。 r 圖 2、簡(jiǎn)化后的位移反饋回路方塊圖 則位移反饋回路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 G(s)H(s) = 式中 為位移反饋回路開(kāi)環(huán)放大系數(shù)， 位移反饋回路的穩(wěn)定條件為 處的諧振峰值不能超過(guò)零分貝線， 9 即 <2 六、采用 AMESim 軟件建立 D665型先導(dǎo)式大流量電 液伺服比例閥仿真模型 通過(guò)樣本，查詢得到 D665型大流量電液伺服比例閥的各項(xiàng)參數(shù)，利用 AMESim 軟件搭建符合題目要求的液壓系統(tǒng)圖，設(shè)定參數(shù)后，進(jìn)行仿真，得到所需的時(shí)域曲線和頻域曲線。 圖 3 利用 AMESim 搭建的閉環(huán)系統(tǒng)圖 系統(tǒng)搭建完進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，通過(guò)調(diào)節(jié) PID中的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)本系統(tǒng)的曲線走向，可以得到各項(xiàng)曲線。 10 時(shí)域曲線： 位移曲線 頻域曲線：根據(jù)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)得出 8 伯德圖 則由此可以得出 ：頻寬為 =6.42Hz 幅值穿越頻率為 5.21Hz 相角裕度為 32.7度 相角穿越頻率為 15.62Hz 11 幅值裕度 17.03dB 七、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 (1) 先導(dǎo)級(jí)小球磨損， 對(duì)于位置控制系統(tǒng)， 三級(jí)電液伺服閥基本工作在零位，小球與閥芯基本為點(diǎn)接觸，久而久之， 小球磨損形成的非線性特性會(huì)影響三級(jí)電液伺服閥的穩(wěn)定性的現(xiàn)象， 只有更換三級(jí)電液伺服閥先導(dǎo)級(jí)小球才能解決。 (2) 主閥常見(jiàn)的問(wèn)題是閥芯凸臺(tái)棱邊的磨損，即閥芯臺(tái)階的直角邊被磨鈍，造成內(nèi)泄漏增大，壓力增益降低，閥分辨率降低，系統(tǒng)誤差增大。誤差過(guò)大時(shí)也會(huì)造成三級(jí)電液伺服閥的控制精度超差， 形成廣義不穩(wěn)定現(xiàn)象， 使 伺服系統(tǒng)表現(xiàn)出振蕩。 在磨損不嚴(yán)重、 增益降低不大的情況下可調(diào)高伺服放大器增益，必要時(shí)需要配合 PID調(diào)整，將誤差調(diào)至正常范圍。 (3) 三級(jí)電液伺服閥先導(dǎo)級(jí)被臟物堵塞時(shí)，會(huì)降低先導(dǎo)級(jí)增益，引起誤差增大，形成廣義不穩(wěn)定 ，需要徹底清洗整臺(tái)閥。 除了自身的因素外，還有外界的影響，比如管道效應(yīng)、元件組合不合理、機(jī)構(gòu)彈性的影響、壓力控制閥引起的不穩(wěn)定等，這些都可以使三級(jí)電液伺服閥表現(xiàn)出不穩(wěn)定。 12 八、項(xiàng)目心得 通過(guò)本次項(xiàng)目的實(shí)際操作，對(duì)課本的知識(shí)有了更深一步的 理解，初步了解了如何將本科的實(shí)際理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中 去。我們也對(duì)滑閥、噴嘴擋板閥和一些先導(dǎo)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工 作原理有了進(jìn)一步的理解，學(xué)會(huì)了如何對(duì)滑閥進(jìn)行受力分析， 對(duì)在計(jì)算過(guò)程中需要注意的地方也明確了許多，例如：明確了 如何確定阻尼長(zhǎng)度。在項(xiàng)目的過(guò)程中，也知道了如何利用已有 產(chǎn)品的樣本解決問(wèn)題，會(huì)初步使用樣本，對(duì)以后的工作打下了 一定基礎(chǔ)。還有，在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的時(shí)候，對(duì)方塊圖和 傳遞函數(shù)的建立有了一定掌握， 也掌握了一定的簡(jiǎn)化傳遞函數(shù) 的算法。在數(shù)學(xué)模型建立后，通過(guò)課本上的知識(shí)，可以對(duì)自己 做的系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，當(dāng)然還不是很熟練，也有些問(wèn)題不 明白。同時(shí)，在用 AMEsim 進(jìn)行仿真時(shí)，學(xué)會(huì)了如何搭建系統(tǒng)， 在老師的指導(dǎo)下學(xué)會(huì)了怎么進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，但是，還不 能熟練運(yùn)用，所以對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)仍不知所措，以至于 未能得出能夠滿足系統(tǒng)的所有穩(wěn)定圖線，所以仍需要繼續(xù)學(xué) 習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)自身。 13 九、參考文獻(xiàn) 【 1】王春行 .液壓控制系統(tǒng) .機(jī)械工業(yè)出版社 .2010 【 2】孔祥東 .王益群 .控制工程基礎(chǔ) .機(jī)械工業(yè)出版社 .2008 【 3】付永領(lǐng) .祁曉野 .AMESim 系統(tǒng)建模與仿真 .北京航空航天大學(xué)出版社 .2006 【 4】劉小初 .葉正茂 .韓俊偉 .肖林 .基于 AMESim 軟件的三級(jí)電業(yè)伺服閥建模與仿真 .機(jī)床與液壓 .2008 14