專利名稱：基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體傳動與控制領(lǐng)域，涉及一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高 頻響電液伺服閥及控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電液伺服系統(tǒng)在航空航天、冶金、船舶、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域的 深入發(fā)展，對電液伺服閥提出了更高的要求。例如在大型模鍛液壓機(jī)、水壓機(jī)、 摩擦焊機(jī)、壓鑄機(jī)、軍用負(fù)載模擬裝置、高頻電液振動臺、高頻材料試驗(yàn)機(jī)等 重大裝備應(yīng)用領(lǐng)域中，要求電液伺服閥同時(shí)具備高壓、大流量、高頻響、抗油 液污染等技術(shù)特征，并且對上述各項(xiàng)指標(biāo)的要求越來越高。
傳統(tǒng)的電液伺服閥由于采用串聯(lián)型先導(dǎo)級因而很難同時(shí)滿足上述技術(shù)指 標(biāo)，其主要矛盾在于隨著額定流量的增加，電液伺服閥的頻率響應(yīng)會大幅度
降低。圖3給出了 MOOG公司DSHR系列大流量插裝式伺服閥的額定流量與 頻率響應(yīng)之間關(guān)系的變化趨勢。由圖3可見，在額定流量超過2000L時(shí)，伺服 閥的頻響已降至50HZ以下，這樣的頻率響應(yīng)已接近比例閥的水準(zhǔn)，遠(yuǎn)達(dá)不到 人們對大流量高頻響電液伺服閥的要求。
為了提高電液伺服閥的額定流量和響應(yīng)頻率，傳統(tǒng)的方法是采用增加先導(dǎo) 級級數(shù)或改進(jìn)電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器性能，各級閥之間是單純的串聯(lián)關(guān)系。隨著主閥 流量需求的增加，由于級間流量放大倍數(shù)有限，先導(dǎo)級的級數(shù)和流量會進(jìn)一步 增加，最終會導(dǎo)致主閥芯的位移在大范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)階躍響應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的滯后、 在小范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)頻率響應(yīng)大幅度降低，此外也會導(dǎo)致電液伺服閥的尺寸增 大、驅(qū)動功率提高。
因此，研制新型的"大流量、高頻響、高精度"的電液伺服閥，解決傳統(tǒng)電 液伺服閥在"大流量"與"高頻響"之間的矛盾，已經(jīng)成為流體傳動及控制領(lǐng)域的 迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)大流量高頻響電液伺服閥技術(shù)所存在的 不足，提出一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥及控制方法。
一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥包括并聯(lián)先導(dǎo)級、主級 插裝閥、微處理器，并聯(lián)先導(dǎo)級具有第一閥、第二閥，主級插裝閥的控制上腔 與第一閥的第一個(gè)工作油口、第二閥的第一個(gè)工作油口相連接，主級插裝閥的控制下腔與第一閥的第二個(gè)工作油口、第二閥的第二個(gè)工作油口相連接，主級 插裝閥的閥芯上設(shè)有位置傳感器，微處理器分別與第一閥的外控電信號端口、 第二閥的外控電信號端口、主級插裝閥閥芯的位置傳感器的信號端口相連接。
另一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥包括并聯(lián)先導(dǎo)級、主 級插裝閥、微處理器，并聯(lián)先導(dǎo)級具有第二閥、四通開關(guān)換向閥，主級插裝閥 的控制上腔與第二閥的第一個(gè)工作油口 、四通開關(guān)換向閥的第一個(gè)工作油口相 連接，主級插裝閥的控制下腔與第二閥的第二個(gè)工作油口與四通開關(guān)換向閥的 第二個(gè)工作油口相連接，主級插裝閥的閥芯上設(shè)有位置傳感器，微處理器分別 與第二閥的外控電信號端口、四通開關(guān)換向閥的外控電信號端口、主級插裝閥 閥芯的位置傳感器的信號端口相連接。
所述的第一閥為比例閥或伺服閥，第二閥為比例閥或伺服閥。 基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥的控制方法是以插裝閥作 為主級，采用兩個(gè)或多個(gè)閥并聯(lián)作為先導(dǎo)級，先導(dǎo)級采用同步或分段非線性協(xié) 同控制方法，通過先導(dǎo)級與主級控制參數(shù)的反饋，實(shí)現(xiàn)對主級插裝閥的閉環(huán)控 制。
所述的先導(dǎo)級同步控制方法為先導(dǎo)級中各并聯(lián)閥的動作是同步的。所述的 先導(dǎo)級分段非線性協(xié)同控制方法是根據(jù)主級閥芯位置反饋信號與目標(biāo)值的誤 差，對先導(dǎo)級進(jìn)行分段協(xié)同控制，在誤差較大時(shí)，先導(dǎo)級中的各閥同時(shí)參與工 作，加大調(diào)節(jié)增益，先導(dǎo)級工作在高增益、低頻響段，隨著誤差逐漸減小，大 流量先導(dǎo)級逐漸關(guān)閉，降低調(diào)節(jié)增益；在誤差較小時(shí)，僅小流量閥工作，先導(dǎo) 級工作在小增益、高頻響段。
本發(fā)明所提出的基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥及控制方 法，不僅能解決傳統(tǒng)大流量電液伺服閥在控制流量與頻率響應(yīng)之間的矛盾，而 且能實(shí)現(xiàn)大流量高頻響電液伺服閥在大范圍控制時(shí)具有較高的頻率響應(yīng)和在 小范圍調(diào)整時(shí)具有較高的控制精度，滿足人們對大流量高頻響電液伺服閥的迫 切需求。


圖1是第一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是第二種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是插裝式伺服閥額定流量(Q)與頻響(f)統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線； 圖中第一閥1、第一閥1的第一個(gè)工作油口 2、第一閥1的第二個(gè)工作
油口3、第二閥4 (比例閥或伺服閥)、第二閥4的第一個(gè)工作油口 5、第二閥4的第二個(gè)工作油口6、微處理器7、位置傳感器8、主級插裝閥9、主級插裝 閥9的控制上腔10、主級插裝閥9的控制下腔11、四通開關(guān)換向閥12、四通 開關(guān)換向閥12的第一個(gè)工作油口 13、四通開關(guān)換向閥12的第二個(gè)工作油口 14。
具體實(shí)施例方式
傳統(tǒng)的提高電液伺服閥的額定流量和頻率響應(yīng)的方法是采用增加先導(dǎo)級 級數(shù)或改進(jìn)電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器性能，各級閥之間是單純的串聯(lián)關(guān)系。隨著主閥流 量需求的增加，由于級間流量放大倍數(shù)有限，先導(dǎo)級的級數(shù)和流量會進(jìn)一步增 加，最終會導(dǎo)致伺服閥的頻率響應(yīng)低，主閥芯的位移在大范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)階躍響 應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的滯后、在小范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)頻率響應(yīng)大幅度降低。傳統(tǒng)的電液伺服 閥在實(shí)現(xiàn)大流量高頻響輸出控制時(shí)遇到了其發(fā)展的瓶頸。
與額定流量大的電液伺服閥相比，額定流量小的電液伺服閥具有較高的頻 率響應(yīng)(如圖3所示)，這樣在保證額定的先導(dǎo)控制流量的條件下，可通過并 聯(lián)多個(gè)小流量的伺服閥作為大流量伺服閥的先導(dǎo)級、過流能力大的插裝閥作為 大流量伺服閥的主級，且對并聯(lián)的各先導(dǎo)級閥實(shí)施合理的控制方法便可大幅度 提高大流量伺服閥的頻率響應(yīng)；此外由于各個(gè)小流量伺服閥具有較高的電-機(jī) 械轉(zhuǎn)換器分辨率，使得大流量電液伺服閥的控制精度得到大幅度的提高。正是 基于這種并聯(lián)型先導(dǎo)級控制的思想，本發(fā)明提出基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高 頻響電液伺服閥及控制方法。
采用多闊并聯(lián)作為先導(dǎo)級，在滿足電液伺服閥先導(dǎo)控制流量的情況下，先 導(dǎo)級中各并聯(lián)閥可由相同或不同種類、參數(shù)的液壓控制閥組成，如開關(guān)閥與比 例閥或伺服閥的組合、比例閥與伺服閥的組合等，以便充分合理地利用各類液 壓控制閥的優(yōu)點(diǎn)使得大流量伺服閥在不同工況下具有更優(yōu)的控制性能。
基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥的控制方法是以插裝閥作 為主級，采用兩個(gè)或多個(gè)閥并聯(lián)作為先導(dǎo)級，先導(dǎo)級采用同步或分段非線性協(xié) 同控制方法，通過先導(dǎo)級與主級控制參數(shù)的反饋，實(shí)現(xiàn)對主級插裝閥的閉環(huán)控 制。
所述的先導(dǎo)級同步控制方法為先導(dǎo)級中各并聯(lián)閥的動作是同步的。所述的 先導(dǎo)級分段非線性協(xié)同控制方法是根據(jù)主級閥芯位置反饋信號與目標(biāo)值的誤 差，對先導(dǎo)級進(jìn)行分段協(xié)同控制，在誤差較大時(shí)，先導(dǎo)級中的各閥同時(shí)參與工 作，加大調(diào)節(jié)增益，先導(dǎo)級工作在高增益、低頻響段，隨著誤差逐漸減小，大 流量先導(dǎo)級逐漸關(guān)閉，降低調(diào)節(jié)增益；在誤差較小時(shí)，僅小流量閥工作，先導(dǎo)級工作在小增益、高頻響段。
基于并聯(lián)型先導(dǎo)級控制的伺服閥是到目前為止解決"大流量"與"高頻響"矛 盾的最有效和最具發(fā)展前景的解決方案之一。本發(fā)明具有重要的理論研究意義 與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
如圖1所示，第一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥包括并
聯(lián)先導(dǎo)級、主級插裝閥9、微處理器7，并聯(lián)先導(dǎo)級具有第一閥l、第二閥4， 主級插裝閥9的控制上腔10與第一閥1的第一個(gè)工作油口 2、第二閥4的第一 個(gè)工作油口 5相連接，主級插裝闊9的控制下腔11與第一閥1的第二個(gè)工作 油口3、第二閥4的第二個(gè)工作油口6相連接，主級插裝閥9的閥芯上設(shè)有位 置傳感器8，微處理器7分別與第一閥1的外控電信號端口、第二閥4的外控 電信號端口、主級插裝閥閥芯的位置傳感器8的信號端口相連接。所述的第一 閥1為比例閥或伺服閥，第二閥4為比例閥或伺服閥，其中第一閥1具有比第 二闊4小的額定流量、高的頻率響應(yīng)。當(dāng)大流量電液伺服閥在大范圍控制時(shí)， 第一閥1與第二閥4同時(shí)參與工作，為大流量電液伺服閥提供足夠的先導(dǎo)控制 流量；當(dāng)大流量電液伺服閥在小范圍內(nèi)進(jìn)行高精度調(diào)整時(shí)，僅由頻率響應(yīng)高、 控制精度高的第一閥1參與工作，因而能實(shí)現(xiàn)大流量電液伺服闊在大范圍控制 時(shí)具有較高的頻率響應(yīng)和在小范圍調(diào)整時(shí)具有較高的控制精度。
如圖2所示，另一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥包括并 聯(lián)先導(dǎo)級、主級插裝閥9、微處理器7，并聯(lián)先導(dǎo)級具有第二閥4、四通開關(guān)換 向閥12，主級插裝閥9的控制上腔10與第二閥4的第一個(gè)工作油口5、四通 開關(guān)換向閥12的第一個(gè)工作油口 13相連接，主級插裝閥9的控制下腔11與 第二閥4的第二個(gè)工作油口 6與四通開關(guān)換向閥12的第二個(gè)工作油口 14相連 接，主級插裝閥9的閥芯上設(shè)有位置傳感器8，微處理器7分別與第二閥4的 外控電信號端口、四通開關(guān)換向閥12的外控電信號端口、主級插裝閥閥芯的 位置傳感器8的信號端口相連接。所述的第二閥4為比例閥或伺服閥，四通開 關(guān)換向閥12具有比第二閥4較大的額定流量。當(dāng)大流量電液伺服閥在大范圍 控制時(shí)，四通開關(guān)換向閥12與第二閥4同時(shí)參與工作，為大流量電液伺服閥 提供足夠的先導(dǎo)控制流量，因四通開關(guān)換向閥12的開關(guān)速度較快、額定流量 大，故能保證大流量電液伺服閥在大范圍控制時(shí)具有較高的頻率響應(yīng)；當(dāng)大流 量電液伺服閥在小范圍內(nèi)進(jìn)行高精度調(diào)整進(jìn)，僅由額定流量小、控制精度高的 第二閥4參與工作，因而能實(shí)現(xiàn)大流量電液伺服閥在小范圍調(diào)整時(shí)具有較高的 控制精度。
權(quán)利要求
1、一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥，其特征在于包括并聯(lián)先導(dǎo)級、主級插裝閥(9)、微處理器(7)，并聯(lián)先導(dǎo)級具有第一閥(1)、第二閥(4)，主級插裝閥(9)的控制上腔(10)與第一閥(1)的第一個(gè)工作油口(2)、第二閥(4)的第一個(gè)工作油口(5)相連接，主級插裝閥(9)的控制下腔(11)與第一閥(1)的第二個(gè)工作油口(3)、第二閥(4)的第二個(gè)工作油口(6)相連接，主級插裝閥(9)的閥芯上設(shè)有位置傳感器(8)，微處理器(7)分別與第一閥(1)的外控電信號端口、第二閥(4)的外控電信號端口、主級插裝閥閥芯的位置傳感器(8)的信號端口相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺 服閥，其特征在于所述的第一閥(1)為比例閥或伺服閥，第二閥(4)為比例 閥或伺服閥。
3、 一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥，其特征在于包 括并聯(lián)先導(dǎo)級、主級插裝閥(9)、微處理器(7)，并聯(lián)先導(dǎo)級具有第二閥(4)、 四通開關(guān)換向閥(12)，主級插裝閥(9)的控制上腔(10)與第二閥(4)的 第一個(gè)工作油口 (5)、四通開關(guān)換向閥(12)的第一個(gè)工作油口 (13)相連接， 主級插裝閥(9)的控制下腔(11)與第二閥(4)的第二個(gè)工作油口 (6)與 四通開關(guān)換向閥(12)的第二個(gè)工作油口 (14)相連接，主級插裝閥(9)的 閥芯上設(shè)有位置傳感器(8)，微處理器(7)分別與第二閥(4)的外控電信號 端口、四通開關(guān)換向閥(12)的外控電信號端口、主級插裝閥閥芯的位置傳感 器(8)的信號端口相連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺 服閥，其特征在于所述的第二閥(4)為比例閥或伺服閥。
5、 一種實(shí)現(xiàn)基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥的控制方法， 其特征在于以插裝閥作為主級，采用兩個(gè)或多個(gè)閥并聯(lián)作為先導(dǎo)級，先導(dǎo)級 采用同步或分段非線性協(xié)同控制方法，通過先導(dǎo)級與主級控制參數(shù)的反饋，實(shí) 現(xiàn)對主級插裝閥的閉環(huán)控制。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種實(shí)現(xiàn)基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電 液伺服閥的控制方法，其特征在于所述的先導(dǎo)級同步控制方法為先導(dǎo)級中各并 聯(lián)閥的動作是同步的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種實(shí)現(xiàn)基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電 液伺服閥的控制方法，其特征在于所述的先導(dǎo)級分段非線性協(xié)同控制方法是根據(jù)主級閥芯位置反饋信號與目標(biāo)值的誤差，對先導(dǎo)級進(jìn)行分段協(xié)同控制，在誤 差較大時(shí)，先導(dǎo)級中的各閥同時(shí)參與工作，加大調(diào)節(jié)增益，先導(dǎo)級工作在高增 益、低頻響段，隨著誤差逐漸減小，大流量先導(dǎo)級逐漸關(guān)閉，降低調(diào)節(jié)增益； 在誤差較小時(shí)，僅小流量閥工作，先導(dǎo)級工作在小增益、高頻響段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于并聯(lián)型先導(dǎo)級的大流量高頻響電液伺服閥及控制方法。伺服閥包括并聯(lián)先導(dǎo)級、主級插裝閥、微處理器，并聯(lián)先導(dǎo)級由兩個(gè)液壓閥并聯(lián)組成，主級插裝閥的控制上腔與并聯(lián)先導(dǎo)級的第一個(gè)控制油口相連接、主級插裝閥的控制下腔與并聯(lián)先導(dǎo)級的第二個(gè)控制油口相連接，主級插裝閥的閥芯上設(shè)有位置傳感器。方法是以插裝閥作為主級，采用多個(gè)閥并聯(lián)作為先導(dǎo)級，先導(dǎo)級采用同步或分段非線性協(xié)同控制方法，通過先導(dǎo)級與主級控制參數(shù)的反饋，實(shí)現(xiàn)對主級插裝閥的閉環(huán)控制。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)大流量電液伺服閥在大范圍控制時(shí)具有較高的階躍響應(yīng)性能和在小范圍調(diào)整時(shí)具有較高的頻率響應(yīng)和控制精度，解決傳統(tǒng)電液伺服閥在大流量與高頻響之間的矛盾。
文檔編號F15B13/00GK101307787SQ20081006161
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者孔曉武, 鄧業(yè)民 申請人:浙江大學(xué)