比例控制与比例阀及应用_李素玲

2 测试系统的组成 构建该试验台的关键是合理 、有效地缩小硬件的
几何尺寸 , 优化供气系统 , 在较小的气体流量状态下建 立座舱压力调节器的工作环境 , 准确地模拟座舱压力 调节器在不同高度下(0 ～ 18 km)的工作状态 。 试验台 主要由模拟座舱 、模拟大气室 、压差计 、进气流量控制 阀 、流量计 、各种调 节阀和方向阀 组成 , 如图 1 所示 。 座舱压差计用来检测和显示座舱与大气的压差 ;薄膜 压差计间接检测排气活门的开度 ;进气控制装置与限 量阀配合来限制流过排气活门的流量并使模拟座舱和 模拟大气室之间建立压差 。 3 主要技术原理
1 前言 我军新型的歼强飞机座舱空调系统中广泛采用间
接式座舱压力调节器, 该部件由座舱压力传感器 (CTQ-3)和排气活门(CTQ-23)组成 。 飞机飞行时 , 由传 感器根据座舱压力的要求控制排气活门的排气量 , 从 而保证座舱压力按照预定规律变化 。实际工作中排气 活门的最大排气量高达 550 kg/ h 。 地面测试时 , 为了 满足排气活门的最大排气量的需要 , 真空泵的理论功 率不小于 320 kW 。长期以来 , 我国对该部件的测试以 及测试设备依然局限于原苏联的工艺和技术条件 , 试 验设备的体积庞大 、功耗很高 、价格昂贵 , 而且测试费 用高达新品价格的 20 %。 由于这些方面的局限性 , 我 军部队及各级修理厂都无法对该部件修理和检测 , 使 该部件成了“不可修复件” , 修理时只能整体更换 , 造成 人力物力的极大浪费 。根据部队 、修理厂的要求 , 我们 研制出了体积小 、功耗低(1.2 kW)、价格低的座舱压力 调节器专用试验台 , 较好地满足了该部件修理测试的 需要 。
和先导两种结构 ;
(2)比例方向阀 , 有直动和先导两种结构 , 直动阀
有带位移传感器和不带位移传感器两类 ;
(3)比例流量阀 , 有比例调速阀和比例溢流流量 控制阀 。
比例阀与放大器配套使用 , 放大器采用电流负反
馈 , 设置斜坡信号发生器 , 控制升压 、降压时间或运动
加速度及减速度 。断电时 , 能使阀芯处于安全位置 。
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液压与气动
2003 年第 2 期
比例控制与比例阀及应用
李素玲 , 刘军营
The Introduction and Application of Proportional Control and Proportional Valves
Li Su-ling , Liu Jun-ying
(山东理工大学电气工程学院 , 山东省淄博市 255049)
摘 要 :针对座舱压力调节器(CTQ-3 ,CTQ-23)的结构特点 , 通过分析该部件性能测试的实质 , 利用气体 在负压状态下流动时流量和通气面积的对应关系 , 设计了座舱压力调节器专用试验台 。介绍了该试验台的 组成和采用的技术原理 。
关键词 :座舱压力调节器 ;试验台 ;性能测试
中图分类号 :V211.72 文献标识码 :B 文章编号 :100-4858(2003)02-0032-02
该试验台是根据负压状态下气体流动的基本规律
收稿日期 :2002-08-01 作者简介 :程明学 , (1964 —), 男 , 河南内 乡人 , 副教授 , 硕士 , 主要从事飞机液压 、气 压传 动与 控制 , 计算 机辅 助测试 的教 学 和科研工作 。
产中获得了广泛的应用 , 输入的电信号有模拟式和数 字式两大类 , 可以用于控制位置(转角)、速度(转速)、 加速度(角加速度)、压力(压差)、力(力矩)等参数 。如 陶瓷地板砖制坯压力机 、带钢轧机的带钢恒张力控制 、 压力容器疲劳寿命试验机 、液压电梯运动及控制系统 、 金属切削机床工作台运动控制 、轧钢机压下及控制系 统 、液压冲床 、弯管机 、塑料注射成形机等 。 我们在吸 收 、改造英国进口的板簧轧机和德国进口的板簧予压 分选机时 , 用比例阀替代了伺服阀 , 既保持了设备原有
198 8 . [ 2] 钟约先 , 林亨 .机械 系统计 算机控制[ M] .北 京 :清华大 学
出版社 , 2001.
电液比例阀是比例控制系统中的主要功率放大元 件 , 按输入电信号指令连续地成比例地控制液压系统 的压力 、流量等参数 。 与伺服控制系统中的伺服阀相 比 , 在某些方面还有一定的性能差距(主要性能比较如 表 1 所示), 但它显著的优点是抗污染能力强 , 大大地 减少了由污染而造成的工作故障 , 提高了液压系统的 工作稳定性和可靠性 ;另一方面比例阀的成本比伺服
mm , 输出力与输入电流成正比 , 常用在比例阀的先导 控制级上 ;
(2)行程控制型 由力控制型加负载弹簧共同组 成 , 电磁铁输出的力通过弹簧转换成输出位移 , 输出位 移与输入电流成正比 , 工作行程达 3 mm , 线性好 , 可以 用在直控式比例阀上 ;
控制 。 如比例阀控 制液压缸或马达系统 可以实现速 度 、位移 、转速和转矩等的控制 , 其控制系统方框图如 图 2a 。
帕斯卡定律为奠基石 , 之后获得了快速发展 , 特别是被 20 世纪第二次世界大战期间战争的激励 , 取得了很大 进展 , 整体上经历了开关控制 、伺服控制 、比例控制 3 个阶段 。 比例控制技术是 20 世纪 60 年代末人们开发 的一种可靠 、价廉 、控制精度和响应特性 , 均能满足工 业控制系统实际需要的控制技术 。 当时 , 电液伺服技 术已日趋完善 , 但电液伺服阀成本高 、应用和维护条件 苛刻 , 难以被工业界接受 。希望有一种价廉 、控制精度 能满足需要的控制技术去替代 , 这种需求背景导致了 比例技术的诞生和发展 。 1967 年 瑞士某公司生产的 KL 比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中应 用的正式开始 , 主要是将比例型的电 -机械转换器(比 例电磁铁)应用于工业液压阀 , 到 80 年代 , 随着微电子 技术和数学理论的发展 , 比例控制技术已达到比较完 善的程度 , 主要表现在 3 个方面 :首先是采用了压力 、 流量 、位移 、动压等反馈及电校正手段 , 提高了阀的稳 态精度和动态响应品质 , 这些标志着比例控制设计原 理已经完善 ;其次是比例技术与插装阀已经结合 , 诞生 了比例插装技术 :再是以比例控制泵为代表的比例容 积元件的诞生 。 2 比例阀的特点与种类
3)比例阀的选用 (1)根据用途和被控对象选择比例阀的类型 ; (2)正确了解比例阀的动 、静态指标 , 主要有额定 输出流量 、起始电流 、滞环 、重复精度 、额定压力损失 、 温飘 、响应特性 、频率特性等 ; (3)根据执行器的工作精度要求选择比例阀的精 度 , 内含反馈闭环阀的稳态性 、动态品质好 。 如果比例 阀的固有特性如滞环 、非线性等无法使被控系统达到 理想的效果时 , 可以使用软件程序改善系统的性能 ; (4)如果选择带先导阀的比例阀 , 要注意先导阀 对油液污染度的要求 。一般应符合 ISO 18/15 标准 , 并 在油路上加装过滤精度为 10 μm 以下的进油过滤器 ; (5)比例阀的通径应按执行器在最高速度时通过 的流量来确定 , 通径选得过大 , 会使系统 的分辨率降 低; (6)比例阀必须使用与之配套的放大器 , 阀与放 大器的距离应尽可能地短 。 4)比例阀的应用 电液比例阀是采用了比例控制技术 , 介于开关型 液压阀和电液伺服阀之间的一种液压元件 , 在工业生
a)开环控制
图 1 比例电磁铁结构图
(3)位置调节型 衔铁的位置由传感器检测后 ,
发出一个阀内反馈信号 , 在阀内进行比较后重新调节
衔铁的位置 。阀内形成闭环控制 , 精度高 , 衔铁的位置
与力无关 , 精度高的比例阀如德国的博世 、意大利的阿
托斯等都采用这种结构 。
比例阀有三大类 :
(1)比例压力阀 , 有溢流阀 、减压阀 , 分别有直动
放大 K 倍后输出 。
2)比例控制系统
比例控制系统根据有无反馈分为开环控制和闭环
b)闭环控制 图 2 控制方框图
由于开环控制系统的精度比较低 , 只能应用在精 度要求不高并且不存在内外干扰的场合 , 但开环控制 系统一般不存在所谓稳定 性问题 。 而闭 环控制系统 (即反馈控制系统)的优点 是对内部和外 部干扰不敏 感 , 但反馈带来了系统的稳定性问题 。 只要系统稳定 , 闭环控制系统可以保持较高的精度 。因此 , 目前普遍 采用闭环控制系统(图 2b)。
收稿日期 :2002-08-06 作者简介 :李素玲(1960—), 女 , 山 东淄博 市人 , 副教授 , 主 要 从事过程自动化和工业控制及调速系统的研发工作 。
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液压与气动
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的比例电磁铁是耐高压直流比例电磁铁 。 比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几
类: (1)力控制 型 这类电磁铁的行程 短 , 只有 1.5
3 比例控制系统及应用
1)比例环节
比例环节也称为无惯性环节 , 对于液压缸或马达 ,
忽略液压油的 可压缩 性和泄 漏 , 液压缸 的流量 Q = VA 。 其中 V 为活塞速度 ;A 为活塞面积 。
其传递函数为 :
g (s) =
QV((ss) )=
1 A
=K
式中 K 为比例环节放大系数或增益 , 表示输入量经过
阀低 , 结构也简单 , 已在许多场合获得广泛应用 。
表 1 比例阀和伺服阀主要性能比较
类别 性能
过滤精度(μm) 阀内压降(MPa) 滞环(%) 重复精度(%) 频宽(Hz/ 3dB) 中位死区 价格比
比例阀
25 0.5 ～ 2 1～ 3 0.5 ～ 1
25 有 1
伺服阀
3 7 1～ 3 0.5 ～ 20 ～ 200 无 3
的精度和生产率 , 又降低了设备的故障率 , 延长了设备 的无故障运行时间 。 由于比例阀可以利用电信号调制 的灵活性 , 非常容易实现一阀多用 , 或采用组合结构 , 从而实现复合功能 , 简化液压系统的构成 。
参考文献 : [ 1] 路甬祥 .电液比 例控制 技术[ M] .北京 :机械 工业出 版社 ,
摘 要 :介绍了比例控制技术的兴起 、比例阀和比例控制的工作原理以及比例阀的选择和在一些设备中 的应用 。
关键词 :流体传动 ;比例控制 ;比例阀 中图分类号 :TH137.5 文献标识码 :B 文章编号 :1000-4858(2002)03-0030-03
1 比例控制的兴起 流体传动的理论基础是由 17 世纪帕斯卡提出的
开关阀
25 ～ 50 0.25～ 0.5
— — — 有 0.5
比例阀按主要功能分类 , 分为压力控制阀 、流量控 制阀和方向控制阀三大类 , 每一类又可以分为直接控 制和先导控制两种结构形式 , 直接控制用在小流量小 功率系统中 , 先导控制用在大流量大功率系统中 。 比 例阀的输入单元是电-机械转换器 , 它将输入的电信号 转换成机械量 。 转换器有伺服电机和步进电机 、力马 达和力矩马达 、比例电磁铁等形式 。 但常用的比例阀 大都采用了比例电磁铁 , 比例电磁铁根据电磁原理设 计 , 能使其产生的机械量(力或力矩和位移)与输入电 信号(电流)的大小成比例 , 再连续地控制液压阀阀芯 的位置 , 进而实现连续地控制液压系统的压力 、方向和 流量 。 比例电磁铁的 结构如图 1 所示 , 它由线 圈 、衔 铁 、推杆等组成 , 当有信号输入线圈时 , 线圈内磁场对 衔铁产生作用力 , 衔铁在磁场中按信号电流的大小和 方向成比例 、连续地运动 , 再通过固连在一起的销钉带 动推杆运动 , 从而控制滑阀阀芯的运动 。 应用最广泛
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液压与气动
2003 年第 2 期
飞机座舱压力调节器试验台
程明学 , 张志祥
Test Stand for Aircraft Cabin Pressure Regulator
Cheng Ming-xue , Zhang Zhi-xwenku.baidu.comang
(空军第一航空学院一系 , 河南省信阳市航空路 23 号 464000)