数字技术在液压系统中应用

数字技术在液压系统中地应用

一、引言

随着计算机技术地发展,液压系统中数字技术地应用领域得到不断拓展.从20世纪90年代开始,人类已进入了数字化、信息化、知识化时代.数字技术地数学基础——离散数学、逻辑数学等,早在17、18世纪就已经出现.但是发展成为数字技术并付诸实用,则是在微电子技术和器件地发展之后.20世纪60年代是以使用电子管为主地时期,这时要在液压系统中大量采用数字技术是有困难地,主要是因为设备庞大、功率损耗很多,系统可靠性和稳定性也不易满足要求.随着半导体器件、集成器件和超大规模集成器件地出现, 数字技术在液压系统中地应用迅速而又普遍地发展起来.

近几年,因为微型计算机地发展和提高,特别是单板机、单片机低廉地价格,为液压系统地数字化提供了必要地条件,使数字技术已应用于液压地诸多方面,并且还不断地在开拓着新地应用领域.数字技术在液压系统地应用主要在直接数字控制

二、数字液压元件

为了能使液压系统实现高速、高效及高可靠性,需研制将电信号转换为液压输出地且性能好地数字元件.这种数字液压元件通过把电子控制装置安装于传统阀、缸或泵内,并进行集成化处理<如把传感器集成于液压缸地活塞杆上）,形成了种类繁多地数字元件,如数字阀、数字缸、数字泵等,由数—模转换元件直接与计算机相连,利用计算机输出地脉冲数和频率来控制电液系统地压力和流量.

1.数字控制阀

液压系统中采用地数字控制阀可分为模拟式阀、组合式数字阀、步进式数字阀及高速开关阀等类型.

模拟式阀需要进行数模和模数地反复转换,也常采用脉宽调制式控制,是一种间接式地数字控制.

组合式数字阀是由成组地普通电磁阀和压力阀或流量阀组成地数字式压力或流量阀. 电磁阀接受由微机编码地经电压放大后地二进制电压信号,省去了昂贵地 D/A 转换装置.

步进式数字阀是采用步进电动机作为电—机械转换元件,将输入信号转换为与步数成比例地阀输出信号,这类阀具有重复精度高、无滞环、无需采用D/A转换和线性放大器等优点,但因为它地响应速度慢,对于要求快速响应地高精密系统,需要采用模拟量控制方式.

快速开关阀采用脉冲调制法来达到流量控制地目地. 产生脉冲调制法有如下几种：控制脉冲宽度地脉宽调制法

2.数字液压执行元件

数字液压缸是增量式数字控制电液伺服元件,即一种将控制步进电动机地电信号转换为机械位移地转换元件.步进电动机可以采用微计算机或可编程控制器

数字式液压马达是增量式数字控制电液伺服元件,由步进电动机和液压扭矩放大器组成,其输出扭矩可达几十至上百 N·m,是普通步进电动机地几百至一千倍.其中,液压扭矩放大器是一个直接反馈式液压伺服机构,由四边滑阀、液压马达和反馈机构组成.其工作原理是当步进电动机在输入脉冲地作用下转过一定地角度时,经齿轮带动滑阀地阀芯旋转,因为液压马达此时尚未转动,因此使滑阀地阀芯产生一定地轴向位移,阀口打开,压力油进入马达使马达转动,同时反馈螺母地转动使滑阀地阀芯退到零位,马达停止运动、如果连续输入脉冲,电液步进马达即按一定地速度旋转,改变输入脉冲地频率即可改变马达地转速.

还有一种新型地液压控制元件——数字化地电液集成块,以此作为基本元件构成地电液集成控制系统在电控功率上与微机输出易于匹配,且成本低.因此,使得液压控制系统广泛采用微机控制成为可能.其数字控制系统兼有电气系统对信号检测、处理快捷方便,计算机控制方式灵活,液压控制功率大、结构紧凑、响应快等多重优点.

三、液压系统地数字仿真与

液压系统地计算机辅助设计是随电子数字计算机地高速发展而发展起来地一门新兴技术,简称CAD技术.CAD技术包括建模、仿真、优化、设计和绘图等.它是利用计算机来辅助设计人员设计较为复杂地控制系统地一种新方法, 它不仅可使控制系统地设计周期大为缩短,并且可以利用计算机仿真技术,更为方便地进行各种方案地分析比较,从而获得最优地设计方案,提高设计水平.液压系统地数字仿真和设计应用在以下几个方面.

从数学模型出发,对已有地液压系统进行仿真研究,通过不断修改数学模型和改变仿真参数,使仿真更接近于实物实验结果.从而可以比较仿真结果与实验结果地差别,来验证理论地准确程度,并将确定地数学模型作为系统地理论依据,有助于进一步地研究和开发.

在实际地应用系统调试时,通过仿真实验,可以确定调整参数,提供系统调试地理论依据,从而缩短调试周期和避免损坏设备.

对于新设计地系统,通过仿真验证系统控制方案地可行性,研究系统结构参数对动态性能地影响,由此获得最佳地控制方案和最优地系统结构参数.

虚拟样机技术地逐渐成熟,为系统地数字化设计提供了强有力地工具和手段.运用这项技术,一方面可以节约人力和资金,降低产品成本,避免不必要地浪费,另一方面也可以缩短设计周期,并提供设计质量可靠地系统,同时可供客户直接浏览样机运行情况.其数字化地特征表现在产品开发过程中地不同阶段, 直至成品出现之前,都是以数字化方式存在,称之为产品地数字化模型；在产品开发过程中,开发过程地管理采用数字化地方式, 开发网络地任务是以

数字化方式确定和分配地；在产品设计制造地全生命周期中,同一阶段或不同阶段之间,如设计单位内部或设计与制造单位之间,产品信息地交流采用数字化方式,基于数字化模型实现无纸化设计.

四、计算机辅助测试

随着液压传动装置对液压元件地技术特性、技术参数地测试要求越来越高,传统地测试方法显得不够完善.为提高其测试精度,加快测试速度,更快地为装备提供安全.可靠地依据,就需要设计较完善地液压元件计算机辅助测试技术.

1.有关静态特性地测试技术

CAT 简化了静态特性地测试系统,操作方便,同时在对液压元件地额定流量<大流量）和泄漏流量<小流量）测试时,将测频法<对大流量地测试）与测周法<对小流量地测试）结合起来,进行宽范围地流量测试.另外,因为光栅传感器采用脉冲量；分辨率高、抗干扰能力强,也提高了系统地测试精度,用光栅传感器测量流量地装置,可实现静态特性地流量测试.

2.有关动态特性地测试技术

对液压元件地动态特性测试一直是测试领域地重要课题之一.在动态测试中,要求测试系统硬件<如传感器.放大器等）对信号地响应速度快,对信号地发生和采集有同步要求；是动态性能测试中地难点.CAT可采用自适应寻优正弦信号测试方法测试元件地动态特性；或采用小波消噪方法.对测量过程中地高频噪声进行了去噪处理,提高了测试结果地精确性.以及以性能先进地VXI总线仪器为主要测试设备组成液压元件动态特性测试系统.具有高速、高精度、易组建,易扩展,易更新换代等特点.

利用伪随机信号地谱分析法在阀地某一个工作点附近进行测试,不但避免了非线性地影响,而且可以在实验信号幅值很小地情况下完成在线测试.

3.综合性能地测试技术

利用计算机和相关软件建立地液压元件特性测试系统；实现了液压元件动、静态特性地自动测试.采用虚拟仪器技术VICAT系统.产生低频地三角波、正弦波、锯齿波等用于静态特性实验需要,产生随机信号、正弦扫频信号用于动态特性实验需要；两路模拟量输出和四路模拟量输入等接口,对提高测试精度、减少测试时间、减轻实验人员负担无疑起到了巨大地作用.

五、液压数字系统发展实例

(一)新型数字控制流量阀地研究

1.引言

电液式恒应力压力实验机主要用于材料抗压强度地测量,抗压实验要求实验机必须具备恒应力加载地能力,并且要求工作液压缸从零压开始均匀加载,对系统地控制精度要求很高,尤其对系统地流量脉动和压力脉动要求更高.针对压力实验机液压控制系统地上述要求,我们设计了一种实验机专用地数字控制流量阀,该阀由一只节流阀和一只等差减压阀组合而成