基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计_高钦和

τon = τ1 + τ2 ；τoff = τ3 + τ4 ； T 为脉冲控制信号周期。 阀口开度与阀芯位移之间的函数关系[14]如式（4）
所示。
Ahsv
=
π 2
Dxhsv
sin(2θ)
式中，D 为球阀直径；
θ 为球阀座半角；
（4）
Ahsv 为阀口开度； xhsv 的计算参见文献[12]。 高速开关阀的通过流量如式（5）所示。
Bc 为活塞的粘性阻尼系数； βe 为油液弹性模量；
kc 为有杆腔到无杆腔油液泄漏系数； g 为重力加速度。
旁路节流式系统和单阀直控式系统的流量连续
性方程不同。则旁路节流式系统的数学模型如式（7）
所示。
ìmẍ = py Ay - pw Aw - mg - Bc ẋ
ïïïï
dpy dt
í ï
dpw
τϵ[1 - τ3, 1]
（3）
式中，τ1 = t1 T ；τ2 = t2 T ；τ3 = t3 T ；τ4 = t4 T ；
τyc1 = (τ - τ1)τ3 τ2 ；τyc2 = (1 - τ - τ3)τ1 τ4 ；
τ12 = τ1 + τ22 (τ2 + τ3) ；τ34 = 1 - τ3 - τ42 (τ1 + τ4) ；
本文在分析二位二通常闭式高速开关阀特性的 基础上，设计了基于高速开关阀的单阀直控式和旁路 节流式两种应用形式来实现对液压缸速度的控制，并 对两种方案进行了仿真与实验研究，较为全面的研究 了高速开关阀在液压缸速度控制系统中的应用。
1 系统设计
1.1 液压油路设计
本文设计了基于高速开关阀的单阀直控式和旁
图 9 旁路节流式系统液压缸速度
2013 年 3 月
高钦和，等：基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计
第9页
图 10 旁路节流式系统液压缸加速度
对比结果表明旁路节流式系统的仿真与实验结 果的一致性较好。未使用高速开关阀时的液压缸速 度为-0.26 m/s ，而在基于高速开关阀的旁路节流式 系统中液压缸的最大速度也为-0.26 m/s ，可见系统 中的高速开关阀未影响到液压系统的刚性。仿真与 实验的结果表明在旁路节流式系统中高速开关阀能 较好地实现对液压缸速度的控制。
图 1 单阀直控式液压系统
旁路节流式液压系统指将高速开关阀连接于液 压缸有杆腔与无杆腔之间，如图 2 所示。
两种系统均通过对高速开关阀开通时间的控制 来控制进入液压缸有杆腔的流量，从而控制液压缸的 缩缸速度。本文采用恒流源液压泵，单阀直控式的高 速开关阀控制的是从系统进入有杆腔的流量；旁路节 流式的高速开关阀将进入有杆腔的流量分流到无杆 腔来控制进入有杆腔的流量。由于在面积一定的情 况下，流量与速度呈现线性关系，即可以通过流量控
仿真模型中的部分参数如表 1、2 所示。
表 1 仿真模型参数列表
参数
大小
单位
Ay
0.00012
m2
Aw
0.0002
m2
m
9
kg
βe
7×108
N ⋅ s/m
kc
1.25×10-13 m5/(N ⋅ s)
ρ
850
kg/m3
图 3 单阀直控式系统仿真模型
表 2 高速开关阀动态特性参数
参数 大小 参数
t1
2.00
ïï dt
îïqx =
=
Vy0
βe + Ay
x
(qin
-
qhsv
-
qx
-
=
Vw0
βe - Aw
x
(qx
+
qhsv
+
Aw
ẋ
kc( py - pw)
Ay ẋ ) - qout)
（7）
式中，qin 为流入有杆腔的流量。 根据已建立的数学模型，建立单阀直控式、旁路
节流式液压系统仿真模型分别如图 3、图 4 所示。
3.2 旁路节流式系统仿真与实验
搭建旁路节流式系统进行实验，采用与单阀直控 式系统实验数据处理相同的方法，得系统的位移、速 度、加速度比对结果分别如图 8 至图 10 所示。
图 5 单阀直控式系统液压缸的位移
图 6 单阀直控式系统中液压缸的速度
图 8 旁路节流式系统液压缸位移
图 7 单阀直控式系统中液压缸的加速度
第6页 制实现对液压缸速度的控制。
图 2 旁路节流式液压系统
1.2 脉宽调制信号设计
为了实现当液压缸在端部运行时，使流入有杆腔 的流量较小。则在单阀直控式液压系统中，控制信号 在液压缸端部采用小占空比；而旁路节流式系统则相 反。
高速开关阀在单阀直控式系统应用中要避免死 区，即不能切断对有杆腔的油液供给，所以系统中高 速开关阀控制信号的占空比变化范围通常设定为 25%～100%；而旁路节流式系统是利用高速开关阀的 死区与饱和区，通过占空比渐变实现死区与饱和区之 间的过渡，所以旁路节流式系统中高速开关阀控制信 号占空比的变化范围设定为 0%～100%。
τϵ[τon, 1 - τoff )
ïæ ïïèç
τ
+
τ3
-
τ yc2
+
τ4 - τ2 2
ö
÷
ø
x
hsv
τϵ[1 - τoff , τ34)
ïïéêê1 ïë
-
(τ
+
τ3 - τyc2 2τ4
-
1)2
-
τ2(τ
+
τ3 - τyc2
2τ
2 4
-
1)2ù úú
xhsv
û
τϵ[τ34,
1 - τ3)
îïxhsv
ï2 ï
æ ç è
τ2
+
τ
2 2
τ4
ö ÷ ø
τ + τyc1 - τ1
2 xhsv
τϵ[τ1, τ12)
ïïïéëêæèç
τ2
+ τ2
τ3
ö÷τ ø
-
τ1
-
τ2 2
+
τ4 2
-
ττ1τ23ùûú xhsv
τϵ[τ12, τon)
xˉv
=
íïïæèç τ + τ3 - τ1 +
τ4
2
τ
2
ö
÷
ø
xhsv
2013 年第 2 期
由图 5~图 7 可知，高速开关阀均能较好地实现对 液压缸速度的控制。在液压缸起动时，能较好地实现 对活塞速度的控制，减小活塞起动时的机械抖动；在 液压缸运行到位时，能有效地降低活塞的末速度，削 弱液压缸到位时活塞与缸套之间的碰撞冲击。仿真 结果与实验结果的一致性较好。
由于实验数据在拟合时存在端部误差，所以实验 结果与仿真结果端部一致性较差。仿真与实验的结 果表明：在单阀直控式油路中高速开关阀能实现对液 压缸速度的有效控制，但是在高速开关阀全开时，单 阀直控式系统中液压缸的速度为-0.15 m s ，而未使 用高速开关阀时的液压缸速度为-0.26 m/s ，可见单 阀直控式系统中的高速开关阀影响到液压缸的正常 运行状态。
中图分类号：TH137.7
文献标志码：A
文章编号：1672-8904-（2013）02-0005-005
高速开关阀具有切换速度快、重复精度高、抗污 染性强、价格低廉、可以通过脉冲进行调节等优点[1-3]， 能够较好地实现计算机控制技术和液压流体技术的 有机结合，有良好的应用前景[4-5]。
目前，高速开关阀在液压缸速度控制系统中的应 用有多种形式。如文献[6]使用单阀直控式将两个共 进、出油口的二位三通高速开关阀分别与液压缸的有 杆腔和无杆腔相连，通过改变阀控制信号的占空比来 实现对液压缸速度的控制，文中仿真出了液压缸行程 曲线，但未进行实验。而这种连接方式用在液压缸位 置控制系统[7-8]中居多。文献[9]在研究高速开关阀特 性的基础上，提出在液压缸有杆腔管道上接入两个二 位二通高速开关阀，采用旁路节流方式的速度控制方 案，但未对方案做仿真或实验研究。文献[10]在液压 缸有杆腔、无杆腔与 P、T 油口之间分别连接四个二位 二通高速开关阀进行速度控制，进行了对液压缸速度 控制的研究，说明高速开关阀对速度控制的有效性。
2013 年 3 月
高钦和，等：基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计
第7页
ìmẍ = py Ay - pw Aw - mg - Bc ẋ
ïïïïddpty íïïïddptw îïqx =
=
Vy0
βe + Ay
x
(qhsv
=
Vw0
βe - Aw
x
(qx
kc( py - pw)
- qx + Aw
图 4 旁路节流式系统仿真模型
仿真模型中阀口开度和阀芯位移与占空比之间 的关系由高速开关阀模块实现，高速开关阀的脉宽调 制信号由 PWM 模块实现。
3 仿真与实验
仿真过程中，利用 Simulink 对单阀直控式和旁路 节流式液压系统进行建模，分析液压缸的位移、速度 和加速度曲线。
系统使用 NI PCI-6221 数据采集卡实现对液压缸 位移信号的采集，并通过 Labview 软件对位移信号处 理，产生脉宽调制 PWM(Pulse Width Modulation)[2-11] 信号，对高速开关阀进行控制。
第 2 期（总期 57 期） 2013 年 3 月
Βιβλιοθήκη Baidu
Fluid Power Transmission and Control
No.2(Serial No.57) Mar., 2013
基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计
高钦和 刘志浩 宋海洲 于传强
（第二炮兵工程大学 兵器发射理论与技术国家重点学科实验室 陕西西安 710025）
t2
t3
0.50
t4
注：时间单位为 ms
大小 2.60 4.10
参数 ton toff
大小 4.60 4.60
第8页
表 2 中：ton 为阀的打开时间，toff 为关闭时间，t1 为吸合延迟时间，t2 为吸合运动时间，t3 为释放延迟 时间，t4 为释放运动时间。
3.1 单阀直控式系统仿真与实验
基于 FESTO 液压实验平台搭建系统进行实验。 对实验数据进行有效数据提取、数据拟合、求导等处 理，将单阀直控式系统的实验结果与仿真结果的进行 比对，得出位移、速度、加速度比对结果分别如图 5 至 图 7 所示。
x ≤ 0.04 0.01
式中，τ1 、τ2 为脉冲控制信号占空比，x 为液压缸位
移。
2013 年第 2 期
2 数学与仿真建模
2.1 高速开关阀建模
依据高速开关阀的开关特性及其数学模型[12- ， 13]
确定阀芯位移 xhsv 与脉宽调制信号之间的关系如式 （3）所示。
ì0 ï
τϵ[0, τ1)
( ) ï1
摘 要：为了研究高速开关阀在液压缸速度控制系统中的应用，在分析高速开关阀流量特性的基础上，提出了基于高 速开关阀的单阀直控式和旁路节流式两种液压控制系统方案，并且采用脉宽调制技术（PWM），根据液压缸的位移信 号调节 PWM 的占空比，控制进入液压缸的流量，间接达到控制液压缸速度、削弱冲击的目的。针对两种应用方案，分 别通过 Simulink 建立仿真模型、FESTO 液压实验平台搭建系统进行实验的方式，得出了仿真与实验情况下的位移、速 度、加速度曲线。仿真曲线与实验结果的对比表明：单阀直控式和旁路节流式两种液压控制系统方案都能较好地实现 液压缸速度的控制，其中单阀直控式更加适合于小流量液压系统，而旁路节流式的应用范围较广。 关键词：高速开关阀；速度控制；仿真；实验
qhsv = Cd Ahsv
2 ρ
Δp
（5）
式中，qhsv 为高速开关阀的通过流量； Cd 为流量系数； Δp 为高速开关阀两端压差； ρ 为油液密度。
2.2 液压系统建模
根据已设计的液压系统，采用节点容腔建模法， 建立液压系统的流量连续性方程，力平衡方程和辅助 方程，联立方程得系统的数学模型。则单阀直控式系 统的数学模型如式（6）所示。
设液压缸行程为 0.2 m，即液压缸的位移信号区 间为[0,0.2]，设计单阀直控式和旁路节流式系统中高 速开关阀的脉宽调制信号的占空比与液压缸行程之 间的函数关系分别如式（1）、（2）所示。
ì0.25
0.19 < x ≤ 0.2
τ1
=
íïï1-25(x
-
0.2)
0.16 0.04
< <
x x
≤ ≤
0.19 0.16
(1)
îïï02.52x5
0.01 < x ≤ 0.04 0 ≤ x ≤ 0.01
ì1
0.19 < x ≤ 0.2
τ2 = íïï1000(x - 0.16)/3
0.16 < x ≤ 0.19 0.04 < x ≤ 0.16
(2)
îïï1-100(x
-
0.04)/3
0.01 < 0≤x≤
收稿日期：2012-09-28 作者简介：高钦和（1968-），男，教授，主要从事机电一体化研究。
路节流式两种应用系统，研究高速开关阀在收缸过程 中对液压缸的速度控制。以位移传感器采得的位移 信号作为脉冲控制信号占空比变化函数的基信号。
单阀直控式液压系统指将高速开关阀连接于液 压缸有杆腔与换向阀之间，如图 1 所示。
- Ay ẋ ) ẋ - qout)
（6）
式中，m 为液压缸活塞的等效质量；
py 为有杆腔压力，Ay 为活塞在有杆腔的有效
受力面积，Vy0 为有杆腔初始容积；
pw 为无杆腔压力，Aw 为活塞在无杆腔的有
效受力面积，Vw0 为无杆腔初始容积； qx 为有杆腔泄漏到无杆腔的流量； qout 为流出无杆腔的流量；