电液比例阀的阀芯微量控制
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收稿日期： NGGK6EG6NO 作者简介： 孔祥冰 （ ERFM—） ， 男， 哈尔滨市人， 讲师， 硕士， 主要从事流体控制方面的科研和教学工作。
图!
比例阀的阀芯位移曲线
为了提高阀芯位移控制精确度和抗干扰能力， 在 本文所使用标准比例阀的基础上， 开发能够推测负载 万方数据
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液压与气动
下式
-<<. 年第 , 期
图!
响应曲线图
有较好地跟踪基准输入， 而当使用了观测器进行补偿 后， 液压马达角位移响应也有了较大的改善。然而， 马 达的转动可较为理想地跟踪阀芯的运动， 但相对十分 小的流量， 马达的转动也相应的受到影响， 所以， 尽管 流量比较小，得到阀芯精确位移对此项实验结果是非 常重要的。 !"# 实验结论 $%& 数字式扰动观测器应用到普通液压比例阀阀 芯微动控制实验， 其实验结论如下： 但欠稳定， 特 ! 阀芯的位移输出特性得到改善，
摘Biblioteka Baidu
要： 提出了既能有效地发挥普通电液比例阀在制造成本低， 抗污染能力强优点， 又能适应现代控制
技术， 提高普通电液比例阀控制精确度的扰动数字观测器补偿处理方法。为实现该方法， 利用扰动数字观测 器来推定负载和惯性变化的扰动量， 重构状态反馈闭环控制系统， 通过调制和补偿， 能够把普通电液比例阀 阀芯的位移量控制精确到产品标准值的 GIFJ 范围内 （相当于 F ! 。 - 的位移等级） 关键词： 电液比例阀； 阀芯位移； 扰动； 数字观测器； B"; 中图分类号： A7EKLIF ! 引言 电液比列阀是一种性能介于普通液压控制阀和电 液伺服阀之间的新阀种， 它既可以根据输入电信号大 小连续地成比例对液压系统的参量 （压力， 流量及方 向） 实现远距离控制， 计算机控制， 又在制造成本， 抗污 染等方面优于电液伺服阀， 因此， 广泛用于控制性能低 于电液伺服阀， 要求不是很高的一般工业部门。在实 际应用中， 经常采用改进的比例阀来替代电液 伺 服
由于自身结构品质特性， 可动部件的摩擦特性和 控制线圈的滞环特性等， 都是造成比例阀芯不能获得 精确微量位移的主要因素。为了比较直观了解比例阀 的缺陷， 在一个位置控制伺服机构上采用差动变压器 来测量标准比例阀的阀芯的位移， 其比例阀的阀芯位 移实验输出特性曲线如图 E 所示。图中 ! ),1 为基准参 考输入正弦波形标准信号， ! 为输出阀芯位移信号。 从图中很清晰看到 ! 没有获得较好的跟踪微小参考 输入 ! ),1。
如用控制线圈输入电流 （ 和阀心位移 ) （ "） ， 表 . "） 达传递函数相互关系时， 得到下式： （ "）+ （ "） ! !" （ . "）/ * )!" "$ " , #$ " , !$ （,）
本文借鉴较为成熟的控制理论及扰动观测器设计 原理和方法， 如用最小阶补偿控制器设计方法， 设计扰 中推导出 动观测器将能预测阀芯位移大小。从式 （ ,） 系统的状态方程和输出方程， 最后整理简化为： （ "） （ " $ "- , #$ " , !$） ! （ . "）/ 0 )!" （.） （ "）+ !" * （ !・ " , $） （ ,） 和 其中! 为扰动观测器的时间常数。如用式 0 )!" 式 （.） 来进一步说明推定值 * （ "） 和 ) （ "） 关系， 附加 扰动观测器的重构系统传递方框图如图 . 所示。下标 有 1 字母为扰动观测器系统的名义值。其意义通过 0 )!" 扰动观测器的推定值 * （ "） 来补 偿 ) （ "） 因受扰动 （ "） 瞬间变化的影响。本文所使用比例阀阀芯位移 * )!" 量（ 补偿， 可以通过增加控制线圈的电流， 来保持 ) "） 0 )!" （ "） 的一致性。 与推定值 * 图 . 万方数据 中的 % /0# （ "） 和移 ) （ "） 的传递函数关系形成
［E P M］ 阀 。
文献标识码： （NGGM） D 文章编号： EGGG6MHFH GK6GGOE6GK 变化和运动部件摩擦力的扰动观测器， 并且利用扰动 观测器来改善原有比例阀的输出特性。 " 比例阀基础方程式 实验采用的比例阀基本结构示意图如图 N 所示。 组成的部件主要由比例阀阀芯， 控制线圈， 用于检测阀 芯位移的 Q<BA （差动变压器） 和平衡弹簧组成。
（ "） （ "）/ % /0# ! * ! !"1 2.# 扰动观测器的名义值相当于系统的固定值， 如果 （5） 中非常小， 则 * )!"完全可以被补偿。 ! 在式
图! 实验装置示意图
其中 ! !"为控制线圈电流、 吸力转换系数， ! #" 为阀芯位 移、 吸力转换系数， " $ 为阀芯的质量， ! % 为阀芯位移、 %&’( 转换系数， # $ 为排量系数， $ ) 为扰动， !$ 为平衡 弹簧刚度系数， ! * 为 % & ’ 放大器的增益， " 为拉普拉 斯演算符 （) + ) ( ） 。 根据图 , 和式 （ $） 进行分析， 输出 ) （ "） 受到扰动 瞬间变化的影响有直接关系， 并且直接影响比例 *（ ) "） 阀的输出稳定性。 ! 扰动观测器的设计 # .6$ 中的 ! #" 是一个难于确定的参数， 其系 由于式 （$） 统的扰动 * )!" （ "） 定义为： （ "）+ * ) , ! #" （ "） * )!" （-）
本文读者也读过(10条) 1. 许杏文.邱仰伟 电液比例阀的优化控制[期刊论文]-机床与液压2001(3) 2. 吴文军 比例阀和伺服阀的污染故障及对策[期刊论文]-液压气动与密封2004(5) 3. 薛阳.彭光正.范萌.伍清河 气动位置伺服系统的带α因子的非对称模糊PID控制[期刊论文]-北京理工大学学报 2003,23(1) 4. 胡勇.方庆琯.Hu Yong.Fang Qingguan 基于力平衡原理的比例阀主阀流量特性研究[期刊论文]-流体传动与控制 2011(3) 5. 吴水康.符寒光 比例阀控液压缸的制动分析[期刊论文]-液压气动与密封2001(6) 6. 刘亚欣.陈立国.孙立宁.荣伟彬.LIU Yaxin.CHEN Liguo.SUN Lining.RONG Weibin 高粘性液体试剂的自动化微量分配 系统[期刊论文]-机械工程学报2009,45(2) 7. 秦昶 移液管用简易吸器的制作[期刊论文]-生物学通报2004,39(10) 8. 李忠培.孙立.郭文静 应用光电比色法校准微量移液器[期刊论文]-医疗装备2001,14(1) 9. 肖世耀 比例阀的维修方法[期刊论文]-工程机械与维修2010(2) 10. 吕云嵩.LV Yun-song 液压自由活塞发动机的惯性负载与热效率研究[期刊论文]-南京理工大学学报（自然科学版） 2007,31(6)
孔祥冰， 唐德栋， 尤 波
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（哈尔滨理工大学， 黑龙江 哈尔滨 EFGGHG）
万方数据
电液比例阀的阀芯微量控制
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 孔祥冰， 唐德栋， 尤波 哈尔滨理工大学,黑龙江,哈尔滨,150080 液压与气动 CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 2004(3) 3次
参考文献(1条) 1.T. Ohsumi;H.Takase;H.Obara;M.Hatano;Kong Xiangbin A SPOOL CONTROL IN THE SMALL RANGE OF THE FLOW RATE OF A HYDRAULIC PROPORTIONAL VALVE (APPLICATION OF A DIGITAL OBSERVER)[会议论文] 2001
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佛山市三景工业器材贸易公司
地址： 佛山市松风路 !# 号松风大厦 CB# 室 电话： BDED F CA’#’BG’、 CA’#’BGB 传真： BDED F CA’#’BGB 广 ’B 广 ’B 广 ’’ 广 ’’ 广 ’A 广 ’A 广 ’# 广 ’# 广 ’! 广 ’! 广 ’E 广 ’E 佛山门市部： 佛山市工业大道液压市场 @ 座 A’ 铺 电话： BDED F CACAEEGB HI.2/3： ;,,28J/8:K ’G# ) 801 广 ’G 广 ’G 广 ’D 广 ’D 广 ’C 广 ’C 广 ’L 广 ’L 邮编： EACBBB 网址： <<<) ;,,28J/8: ) 76. 广 AB 广 AB
别是当输入信号非常微小的时候位移特别明显； " 系统扰动可以被检测和推定； 系统的名义值和固有值， 对 # 通过研究和分析， 阀芯位移的影响可以被消除； 为开发实用型 $ $%& 扰动观测器的应用实验， 状态观测控制器有很高的参考价值。 $%&
参考文献： ［’］ () *+,-./， 01 23) 4 ,5663 7681963 /8 1+0 ,.233 928:0 6; 1+0 ;36< ［ @］ 9210 6; 2 +=>92-3/7 5965691/6823 ?23?0 ) 第五届流体传动与 控制国际会议文集 ) 北京： 万国学术出版社， ABB’ ) ’C—AA )
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液压与气动
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液压与气动
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电液比例阀的阀芯微量控制
图# 重构系统的传递方框图
实验结果及结论 实验装置
本文实验所使用的控制器 7,8’9: 是进口的。控 制主板含有 $ 个 ’93 （ (;9,-<7,$） 和 - 个 = + ’、 ’+= 转 换器。两个输入和 ’93 电路加到图 , 所示的系统实验 装 置 中。 另 外，由 信 号 发 生 器，’93 主 控 制 器 （9&$$->5） 和阀芯位移检测分析器 （ ??(） ， 由这些仪器 构成了所有的实验装置。 .6实验结果 图 5@ 是阀芯位移响应实验曲线图。输入参考值 是一个三角波形， 频率为 $6< AB， 阀芯位移得到微小位 移量为 <6<< C 5 DD， 其相当于制造厂家已给定极限值 的 <65E 。在这个状态下 （条件） 响应曲线在没有使用 观测器的情况下， 反应出来的真正输出曲线， 没有获得 完全的三角波形， 然而， 使用观测器后得到了完整的三 角波形。 图 5F 是相当幅值基准 <65E 时的频率响应曲线。 降低观测器时间常数 ! 的数值， 就能获得了良好的输 出特性。 图 5G 是当输入 ) /0# 矩形波形时， 阀芯位移输出响 应曲线。在没有使用观测器进行补偿时， 阀芯没有较 好地跟踪基准输入。而当使用了观测器进行补偿后， 阀芯位移响应有了较大的改善。 图 5) 是当输入 ) /0# 矩形波形时， 液压马达角位移 的输出响应曲线。在没有使用观测器时，液压马达没
图" 比例阀的基本结构示意图
本实验所使用的实验装置如图 K 所示。实验装置 除了比例阀和 Q<BA 之外， 由 E 个 ;SB 和 E 个小功率液 压马达和 E 个 " # $ 信号放大器组成。为了能够精确 地跟踪输入信号， ;SB 同样也是 E 个重要的实验装置。 依据图 K， 如果用基准输入 " ),1和输出位移 ! 的两个参 量， 求出阀芯的力平衡方程， 经拉氏变换和消除 % 和 & 整理后， 形成了以下基础方程式： （ T） （ T）, & 9 ’ （ T） " ),1 ) 1T ) # ) *T *%+ （ T）( N （E） ’ （ - E T . +E T . )E . ) # ) *T ) Q ;SB T）
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比例阀的阀芯位移曲线
为了提高阀芯位移控制精确度和抗干扰能力， 在 本文所使用标准比例阀的基础上， 开发能够推测负载 万方数据
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液压与气动
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响应曲线图
有较好地跟踪基准输入， 而当使用了观测器进行补偿 后， 液压马达角位移响应也有了较大的改善。然而， 马 达的转动可较为理想地跟踪阀芯的运动， 但相对十分 小的流量， 马达的转动也相应的受到影响， 所以， 尽管 流量比较小，得到阀芯精确位移对此项实验结果是非 常重要的。 !"# 实验结论 $%& 数字式扰动观测器应用到普通液压比例阀阀 芯微动控制实验， 其实验结论如下： 但欠稳定， 特 ! 阀芯的位移输出特性得到改善，
摘Biblioteka Baidu
要： 提出了既能有效地发挥普通电液比例阀在制造成本低， 抗污染能力强优点， 又能适应现代控制
技术， 提高普通电液比例阀控制精确度的扰动数字观测器补偿处理方法。为实现该方法， 利用扰动数字观测 器来推定负载和惯性变化的扰动量， 重构状态反馈闭环控制系统， 通过调制和补偿， 能够把普通电液比例阀 阀芯的位移量控制精确到产品标准值的 GIFJ 范围内 （相当于 F ! 。 - 的位移等级） 关键词： 电液比例阀； 阀芯位移； 扰动； 数字观测器； B"; 中图分类号： A7EKLIF ! 引言 电液比列阀是一种性能介于普通液压控制阀和电 液伺服阀之间的新阀种， 它既可以根据输入电信号大 小连续地成比例对液压系统的参量 （压力， 流量及方 向） 实现远距离控制， 计算机控制， 又在制造成本， 抗污 染等方面优于电液伺服阀， 因此， 广泛用于控制性能低 于电液伺服阀， 要求不是很高的一般工业部门。在实 际应用中， 经常采用改进的比例阀来替代电液 伺 服
由于自身结构品质特性， 可动部件的摩擦特性和 控制线圈的滞环特性等， 都是造成比例阀芯不能获得 精确微量位移的主要因素。为了比较直观了解比例阀 的缺陷， 在一个位置控制伺服机构上采用差动变压器 来测量标准比例阀的阀芯的位移， 其比例阀的阀芯位 移实验输出特性曲线如图 E 所示。图中 ! ),1 为基准参 考输入正弦波形标准信号， ! 为输出阀芯位移信号。 从图中很清晰看到 ! 没有获得较好的跟踪微小参考 输入 ! ),1。
如用控制线圈输入电流 （ 和阀心位移 ) （ "） ， 表 . "） 达传递函数相互关系时， 得到下式： （ "）+ （ "） ! !" （ . "）/ * )!" "$ " , #$ " , !$ （,）
本文借鉴较为成熟的控制理论及扰动观测器设计 原理和方法， 如用最小阶补偿控制器设计方法， 设计扰 中推导出 动观测器将能预测阀芯位移大小。从式 （ ,） 系统的状态方程和输出方程， 最后整理简化为： （ "） （ " $ "- , #$ " , !$） ! （ . "）/ 0 )!" （.） （ "）+ !" * （ !・ " , $） （ ,） 和 其中! 为扰动观测器的时间常数。如用式 0 )!" 式 （.） 来进一步说明推定值 * （ "） 和 ) （ "） 关系， 附加 扰动观测器的重构系统传递方框图如图 . 所示。下标 有 1 字母为扰动观测器系统的名义值。其意义通过 0 )!" 扰动观测器的推定值 * （ "） 来补 偿 ) （ "） 因受扰动 （ "） 瞬间变化的影响。本文所使用比例阀阀芯位移 * )!" 量（ 补偿， 可以通过增加控制线圈的电流， 来保持 ) "） 0 )!" （ "） 的一致性。 与推定值 * 图 . 万方数据 中的 % /0# （ "） 和移 ) （ "） 的传递函数关系形成
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文献标识码： （NGGM） D 文章编号： EGGG6MHFH GK6GGOE6GK 变化和运动部件摩擦力的扰动观测器， 并且利用扰动 观测器来改善原有比例阀的输出特性。 " 比例阀基础方程式 实验采用的比例阀基本结构示意图如图 N 所示。 组成的部件主要由比例阀阀芯， 控制线圈， 用于检测阀 芯位移的 Q<BA （差动变压器） 和平衡弹簧组成。
（ "） （ "）/ % /0# ! * ! !"1 2.# 扰动观测器的名义值相当于系统的固定值， 如果 （5） 中非常小， 则 * )!"完全可以被补偿。 ! 在式
图! 实验装置示意图
其中 ! !"为控制线圈电流、 吸力转换系数， ! #" 为阀芯位 移、 吸力转换系数， " $ 为阀芯的质量， ! % 为阀芯位移、 %&’( 转换系数， # $ 为排量系数， $ ) 为扰动， !$ 为平衡 弹簧刚度系数， ! * 为 % & ’ 放大器的增益， " 为拉普拉 斯演算符 （) + ) ( ） 。 根据图 , 和式 （ $） 进行分析， 输出 ) （ "） 受到扰动 瞬间变化的影响有直接关系， 并且直接影响比例 *（ ) "） 阀的输出稳定性。 ! 扰动观测器的设计 # .6$ 中的 ! #" 是一个难于确定的参数， 其系 由于式 （$） 统的扰动 * )!" （ "） 定义为： （ "）+ * ) , ! #" （ "） * )!" （-）
本文读者也读过(10条) 1. 许杏文.邱仰伟 电液比例阀的优化控制[期刊论文]-机床与液压2001(3) 2. 吴文军 比例阀和伺服阀的污染故障及对策[期刊论文]-液压气动与密封2004(5) 3. 薛阳.彭光正.范萌.伍清河 气动位置伺服系统的带α因子的非对称模糊PID控制[期刊论文]-北京理工大学学报 2003,23(1) 4. 胡勇.方庆琯.Hu Yong.Fang Qingguan 基于力平衡原理的比例阀主阀流量特性研究[期刊论文]-流体传动与控制 2011(3) 5. 吴水康.符寒光 比例阀控液压缸的制动分析[期刊论文]-液压气动与密封2001(6) 6. 刘亚欣.陈立国.孙立宁.荣伟彬.LIU Yaxin.CHEN Liguo.SUN Lining.RONG Weibin 高粘性液体试剂的自动化微量分配 系统[期刊论文]-机械工程学报2009,45(2) 7. 秦昶 移液管用简易吸器的制作[期刊论文]-生物学通报2004,39(10) 8. 李忠培.孙立.郭文静 应用光电比色法校准微量移液器[期刊论文]-医疗装备2001,14(1) 9. 肖世耀 比例阀的维修方法[期刊论文]-工程机械与维修2010(2) 10. 吕云嵩.LV Yun-song 液压自由活塞发动机的惯性负载与热效率研究[期刊论文]-南京理工大学学报（自然科学版） 2007,31(6)
孔祥冰， 唐德栋， 尤 波
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电液比例阀的阀芯微量控制
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 孔祥冰， 唐德栋， 尤波 哈尔滨理工大学,黑龙江,哈尔滨,150080 液压与气动 CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 2004(3) 3次
参考文献(1条) 1.T. Ohsumi;H.Takase;H.Obara;M.Hatano;Kong Xiangbin A SPOOL CONTROL IN THE SMALL RANGE OF THE FLOW RATE OF A HYDRAULIC PROPORTIONAL VALVE (APPLICATION OF A DIGITAL OBSERVER)[会议论文] 2001
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地址： 佛山市松风路 !# 号松风大厦 CB# 室 电话： BDED F CA’#’BG’、 CA’#’BGB 传真： BDED F CA’#’BGB 广 ’B 广 ’B 广 ’’ 广 ’’ 广 ’A 广 ’A 广 ’# 广 ’# 广 ’! 广 ’! 广 ’E 广 ’E 佛山门市部： 佛山市工业大道液压市场 @ 座 A’ 铺 电话： BDED F CACAEEGB HI.2/3： ;,,28J/8:K ’G# ) 801 广 ’G 广 ’G 广 ’D 广 ’D 广 ’C 广 ’C 广 ’L 广 ’L 邮编： EACBBB 网址： <<<) ;,,28J/8: ) 76. 广 AB 广 AB
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参考文献： ［’］ () *+,-./， 01 23) 4 ,5663 7681963 /8 1+0 ,.233 928:0 6; 1+0 ;36< ［ @］ 9210 6; 2 +=>92-3/7 5965691/6823 ?23?0 ) 第五届流体传动与 控制国际会议文集 ) 北京： 万国学术出版社， ABB’ ) ’C—AA )
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电液比例阀的阀芯微量控制
图# 重构系统的传递方框图
实验结果及结论 实验装置
本文实验所使用的控制器 7,8’9: 是进口的。控 制主板含有 $ 个 ’93 （ (;9,-<7,$） 和 - 个 = + ’、 ’+= 转 换器。两个输入和 ’93 电路加到图 , 所示的系统实验 装 置 中。 另 外，由 信 号 发 生 器，’93 主 控 制 器 （9&$$->5） 和阀芯位移检测分析器 （ ??(） ， 由这些仪器 构成了所有的实验装置。 .6实验结果 图 5@ 是阀芯位移响应实验曲线图。输入参考值 是一个三角波形， 频率为 $6< AB， 阀芯位移得到微小位 移量为 <6<< C 5 DD， 其相当于制造厂家已给定极限值 的 <65E 。在这个状态下 （条件） 响应曲线在没有使用 观测器的情况下， 反应出来的真正输出曲线， 没有获得 完全的三角波形， 然而， 使用观测器后得到了完整的三 角波形。 图 5F 是相当幅值基准 <65E 时的频率响应曲线。 降低观测器时间常数 ! 的数值， 就能获得了良好的输 出特性。 图 5G 是当输入 ) /0# 矩形波形时， 阀芯位移输出响 应曲线。在没有使用观测器进行补偿时， 阀芯没有较 好地跟踪基准输入。而当使用了观测器进行补偿后， 阀芯位移响应有了较大的改善。 图 5) 是当输入 ) /0# 矩形波形时， 液压马达角位移 的输出响应曲线。在没有使用观测器时，液压马达没
图" 比例阀的基本结构示意图
本实验所使用的实验装置如图 K 所示。实验装置 除了比例阀和 Q<BA 之外， 由 E 个 ;SB 和 E 个小功率液 压马达和 E 个 " # $ 信号放大器组成。为了能够精确 地跟踪输入信号， ;SB 同样也是 E 个重要的实验装置。 依据图 K， 如果用基准输入 " ),1和输出位移 ! 的两个参 量， 求出阀芯的力平衡方程， 经拉氏变换和消除 % 和 & 整理后， 形成了以下基础方程式： （ T） （ T）, & 9 ’ （ T） " ),1 ) 1T ) # ) *T *%+ （ T）( N （E） ’ （ - E T . +E T . )E . ) # ) *T ) Q ;SB T）