第

4

章控制元件

(4.5電調(diào)制連續(xù)控制閥)發(fā)源：需求驅(qū)動(dòng)熱軋艦

(二戰(zhàn))軍事?伺服閥(1960s)工業(yè)?比例控制閥軍事伺服閥工業(yè)比例控制閥?(之后)4.5.1與普通閥(4.1?4.4節(jié))的不同電調(diào)制連續(xù)控制閥(electricallymodulatedcontinuouscontrolvalve)

是響應(yīng)連續(xù)的輸入電信號(hào)以連續(xù)方式控制系統(tǒng)能量流的閥包括：

比例控制閥

(proportionalcontrolvalve)

伺服閥

(servovalve)01二值[0,1]

區(qū)間連續(xù)播放較快可將視頻暫停后觀看電磁換向閥比例方向控制閥或流量伺服閥1：閥口全開0：閥口關(guān)閉10方向控制方向控制+流量控制4.5.1與普通閥(4.1?4.4節(jié))的不同電調(diào)制連續(xù)控制閥(electricallymodulatedcontinuouscontrolvalve)

是響應(yīng)連續(xù)的輸入電信號(hào)以連續(xù)方式控制系統(tǒng)能量流的閥包括：

比例控制閥

(proportionalcontrolvalve)

伺服閥

(servovalve)執(zhí)行元件變量泵定量泵伺服電動(dòng)機(jī)01二值[0,1]

區(qū)間連續(xù)播放較快可將視頻暫停后觀看本書框圖省略“+”

比例控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)：1)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，有穩(wěn)、快、準(zhǔn)要求2)精度高

響應(yīng)快，性能優(yōu)于普通閥系統(tǒng)3)可用于隨動(dòng)控制(servocontrol)、定值控制、程序控制4)比例控制系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)控制，伺服系統(tǒng)均為閉環(huán)控制本書框圖省略“+”

4.5.2比例控制閥與伺服閥的不同1.發(fā)源、功用及性能不同電調(diào)替代手調(diào)(離線預(yù)設(shè)值)功能相同電調(diào)替代手調(diào)(離線在線)電調(diào)替代手調(diào)(離線在線)電調(diào)：自動(dòng)(開閉環(huán))、遠(yuǎn)程、響應(yīng)(準(zhǔn)確快速)問：■三級(jí)調(diào)壓用幾只溢流閥實(shí)現(xiàn)？■一只比例溢流閥能實(shí)現(xiàn)幾級(jí)調(diào)壓？3只、等無數(shù)級(jí)(見圖4-29)4.5.2比例控制閥與伺服閥的不同電磁原理，還有：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)利用新型功能材料：

壓電晶體磁致伸縮電流變流體磁流變流體形狀記憶合金2.電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及其放大器不盡相同GB/T17446、ISO5598：

比例控制閥伺服閥閥芯行程3%死區(qū)≥死區(qū)<顫振信號(hào)的幅值和頻率以產(chǎn)品說明書為準(zhǔn)為防止閥芯卡滯、減小靜摩擦力影響、提高分辨率放大器的一般構(gòu)成4.5.3比例壓力控制閥和比例流量控制閥1.比例電磁鐵輸出力(見下圖)

■與輸入電信號(hào)成比例

■與銜鐵位移無關(guān)圖形符號(hào)如何使銜鐵位移與輸入電信號(hào)成比例？電磁鐵4.5.3比例壓力控制閥和比例流量控制閥普通閥

設(shè)定壓力

電信號(hào)電調(diào)：連續(xù)平穩(wěn)2.比例壓力控制閥附加先導(dǎo)級(jí)(橙色保護(hù)罩內(nèi)為手調(diào))可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)壓或最高壓力(如異常電壓尖峰、I>In

)下溢流功能實(shí)際結(jié)構(gòu)為圓柱彈簧與錐形彈簧電流>In時(shí)，由錐形彈簧最高壓力超限不會(huì)過高制在安全范圍設(shè)定壓力集成電子器件傳力彈簧位移傳感器壓力傳感器溢流閥溢流減壓閥先導(dǎo)式比例溢流閥集成電子器件I>In，機(jī)械限壓直動(dòng)式先導(dǎo)式4.5.3比例壓力控制閥和比例流量控制閥

流量與電信號(hào)成比例電調(diào)3.比例流量控制閥放大器(驅(qū)動(dòng)器)位移傳感器4.5.4比例方向控制閥、伺服比例閥和流量伺服閥這三種閥：方向+流量復(fù)合控制閥隨著伺服閥技術(shù)的下沉，出現(xiàn)了工業(yè)伺服閥之后，1990s出現(xiàn)了高頻響比例方向控制閥在閥壓降恒定條件下，這三種閥的流量q與輸入電流I成比例

K為閥的設(shè)計(jì)參數(shù)閥壓降這兩種閥統(tǒng)稱：伺服比例閥1MPa22MPa18.5MPa4.5MPaMPa7pressuredrop供油壓力(P口壓力)回油壓力(T口壓力)負(fù)載壓降壓差differentialpressure閥壓降說明：1.比例方向控制閥放大器(驅(qū)動(dòng)器)集成電子器件位移傳感器額定電壓有DC24V供電電壓通常為DC24V比例電磁鐵■■直動(dòng)式先導(dǎo)式拆解表4-12元件1~32.伺服比例閥LVDT位移傳感器即差動(dòng)變壓器式(linearvariabledifferentialtransformer，LVDT)位移傳感器當(dāng)鐵心由中間向兩邊移動(dòng)時(shí)，次級(jí)兩個(gè)反向串接線圈輸出電壓之差與鐵心移動(dòng)呈線性關(guān)系LVDT線圈閥芯(與LVDT鐵心連接)閥套表4-12元件4~5元件4元件511針+PE

X7E1X7E2X2M1X2M2XH2X8MX8A元件4元件511針+PE

X7E1X7E2X2M1X2M2XH2X8MX8A1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(PTP)連接的閥2.集成現(xiàn)場(chǎng)總線的閥(Sercos、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINETRT、CANopen等)3.集成數(shù)字軸控制器的閥左側(cè)接口：現(xiàn)場(chǎng)總線模擬/數(shù)字右側(cè)接口：模擬量傳感器

(X2M1、X2M2)數(shù)字量傳感器(X8M)主級(jí)LVDT(X8A)現(xiàn)場(chǎng)總線、模擬/數(shù)字接口：都可作為控制指令輸入接口和向上一級(jí)

控制器反饋實(shí)際值的接口現(xiàn)場(chǎng)總線接口：還可作為控制器參數(shù)設(shè)置接口元件4元件54.5.4比例方向控制閥、伺服比例閥和流量伺服閥3.伺服閥伺服系統(tǒng)反饋機(jī)構(gòu)力矩電動(dòng)機(jī)(torquemotor)一般都可用

流量伺服閥

實(shí)現(xiàn)伺服位置控制系統(tǒng)(最常用)伺服速度控制系統(tǒng)(多用馬達(dá))伺服力控制系統(tǒng)(如制動(dòng)力)電-機(jī)械轉(zhuǎn)液壓放大器液壓放大器有：滑閥、噴嘴擋板閥、射流閥(射流管閥射流偏轉(zhuǎn)板閥)繞軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)4.流量伺服閥換

器最常用電氣傳動(dòng)：表4-12元件6~9伺服閥按液壓放大器可分為：單級(jí)、二級(jí)、三級(jí)伺服閥銜鐵永久磁鐵蝶形彈簧線圈軸承導(dǎo)磁體銜鐵支撐桿外殼線性力馬達(dá)MOOG(穆格)D633單級(jí)流量伺服閥表4-12元件6閥套集成電子器件的罩閥體閥芯銘牌LVDT線圈軟排線線性力馬達(dá)端蓋集成電子器件LVDT鐵心6針+PE插頭MOOGD6362.數(shù)字控制閥帶模擬量接口和現(xiàn)場(chǎng)總線接口這種閥的集成電子器件還包含了閉環(huán)控制器3.軸控閥布線簡單集成靈活遠(yuǎn)程診斷運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(PTP)連接的閥

元件7射流伺服閥接收孔射流孔射流管閥射流偏轉(zhuǎn)板閥元件7射流伺服閥UDE=?10～0VIDE=?10～0mA

閥處于P?B

A?T

元件7射流伺服閥接收孔射流孔射流管閥射流偏轉(zhuǎn)板閥（反饋珠掉了）銜鐵反饋桿擋板彈簧管上導(dǎo)磁體銜鐵組件(Rexroth力士樂)

力矩馬達(dá)反饋珠機(jī)械反饋噴擋伺服閥下導(dǎo)磁體控制線圈永久磁鐵×2元件8閥芯閥體濾芯永久磁鐵×2

導(dǎo)磁體×2銜鐵組件控制線圈×2氣隙調(diào)整墊片×2

閥芯閥套端蓋×2

端蓋STAR200罩噴擋伺服閥節(jié)流孔×2

密封圈×2參照物元件8噴擋伺服閥閥芯工作過程：電信號(hào)I??力矩馬達(dá)?銜鐵擺動(dòng)?擋板偏轉(zhuǎn)?噴嘴與擋板間隙?滑閥閥芯兩端的壓差?滑閥閥芯偏移?

閥口開度

?閥芯受力平衡力矩馬達(dá)力矩平衡元件8（反饋珠掉了）銜鐵反饋桿擋板彈簧管放大器4針插頭MOOGG761機(jī)械反饋見6.6節(jié)圖6-37調(diào)整馬達(dá)罩方位元件8二級(jí)流量伺服閥電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器第一級(jí)第二級(jí)主級(jí)三級(jí)流量伺服閥第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)主級(jí)元件9機(jī)械反饋元件8314.5.5閥系數(shù)負(fù)載壓降負(fù)載流量泰勒級(jí)數(shù)展開：…忽略二階及以上：閥芯位移324.5.5閥系數(shù)臨時(shí)保留，后面用4.5.6閥控缸數(shù)學(xué)模型Parker派克漢尼汾比例/伺服控制液壓缸普通液壓缸

低摩擦密封裝置集成度高缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器(工作原理見6.6.2節(jié))伺服閥(STAR200)缸外置位移傳感器力傳感器缸油路塊臨時(shí)保留，后面用4.5.6閥控缸數(shù)學(xué)模型1.時(shí)域方程組(1)閥的流量方程2.復(fù)域模型(電調(diào)制連續(xù)控制閥控制對(duì)稱缸)臨時(shí)保留，后面用流量增益，單位為m2·s?1

流量-壓力系數(shù)，單位為m3·s?1·Pa?1

擾動(dòng)輸入輸出給定輸入v：valveL：Loadp：piston下標(biāo)4.5.6閥控缸數(shù)學(xué)模型1.時(shí)域方程組(1)閥的流量方程(2)缸的流量連續(xù)方程(3)缸的力平衡方程2.復(fù)域模型質(zhì)量mt

彈簧k

阻尼Bp類似于：RLC(電調(diào)制連續(xù)控制閥控制對(duì)稱缸)慣性力阻尼力缸輸出力彈性力外力活塞位移所有

泄漏流量壓力波動(dòng)體積變化擾動(dòng)輸入輸出給定輸入由P18式(2-3)第2式得到外泄漏2處內(nèi)泄漏總泄漏系數(shù)v：valveL：Loadp：piston下標(biāo)4.5.6閥控缸數(shù)學(xué)模型若k=0、Bp=0，則有液壓固有角頻率液壓彈簧剛度液壓阻尼比流量增益風(fēng)電運(yùn)維母船的六自由度波浪補(bǔ)償舷梯可用MATLAB/Simulink、AMESim等軟件進(jìn)行仿真狀態(tài)空間模型(現(xiàn)代控制理論)(電調(diào)制連續(xù)控制閥控制對(duì)稱缸)控制算法：PID自抗擾等(單位為rad·s?1)4.5.7比例控制閥和伺服閥的性能指標(biāo)1.靜態(tài)性能指標(biāo)額定電流In

為產(chǎn)生額定流量對(duì)線圈任一極性所規(guī)定的輸入電流額定壓力pn

額定工作條件下的進(jìn)口壓力額定流量qn

在規(guī)定的閥壓降下，對(duì)應(yīng)于額定電流的負(fù)載流量nominal(不包括零偏電流)所有的電調(diào)制連續(xù)控制閥都是成比例：（P?A、P?B）xv的最大值即閥口全開額定流量增益KQn：額定流量qn與額定電流In之比

(單位為m3·s?1·A?1或L·min?1·mA?1)1)滯環(huán)(hysteresis)：產(chǎn)生相同流量的正向和反向控制電流之差的最大值占額定電流In的百分比。示例：0.1%原因：電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器磁滯

機(jī)械游隙

摩擦力2)液壓零偏(null

bias)：使閥處于液壓零位所需要的輸入電流值(不計(jì)閥的滯環(huán)影響)，以額定電流In的百分比表示，示例：0.5%

3)分辨率(resolution

ratio)：能使輸出流量或壓力發(fā)生微小變化所需輸入電流的變化量ΔI

與額定電流In的百分比

4)零漂(null

shift)：由于運(yùn)行工況的變化，環(huán)境因素或輸入信號(hào)的長期影響，而導(dǎo)致零偏的變化，以其對(duì)額定電流In的百分比表示通常規(guī)定有：溫度零飄壓力零飄等流量曲線(回環(huán)狀曲線)靜態(tài)性能指標(biāo)：

2.動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

(1)時(shí)域指標(biāo)上升時(shí)間tr調(diào)節(jié)時(shí)間ts最大超調(diào)量Mp或σp%

等階躍響應(yīng)：在不同供油壓力下，當(dāng)閥的電流階躍輸入為額定電流In時(shí)，閥芯行程(對(duì)應(yīng)輸出量為0～100%)隨時(shí)間的變化關(guān)系(2)頻域指標(biāo)頻率響應(yīng)：空載流量對(duì)于等幅變頻正弦輸入電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅頻寬f?3dB：對(duì)數(shù)幅頻特性達(dá)到?3dB時(shí)的頻率相頻寬f?90°：相位滯后達(dá)到?90°時(shí)的頻率注意：伺服系統(tǒng)的固有角頻率伺服閥的固有角頻率伺服閥傳遞函數(shù)ωsv=(3～5)ωh

慣性環(huán)節(jié)■ωsv>5ωh

比例環(huán)節(jié)■額定電流(實(shí)際閥壓降下的)實(shí)際流量實(shí)際閥壓降KQ：實(shí)際流量增益，即額定流量額定閥壓降ωsv≈ωh■二階環(huán)節(jié)例4-3缸負(fù)載小(閥壓降大)缸負(fù)載大(閥壓降小)(流量之比=壓差之比的平方根)當(dāng)伺服閥視為比例環(huán)節(jié)時(shí)，閥芯位移為閥控缸傳遞函數(shù)(時(shí)域)(復(fù)域)得伺服系統(tǒng)的固有角頻率伺服閥的固有角頻率伺服閥傳遞函數(shù)ωsv=(3～5)ωh

慣性環(huán)節(jié)■ωsv>5ωh

比例環(huán)節(jié)■額定電流(實(shí)際閥壓降下的)實(shí)際流量實(shí)際閥壓降KQ：實(shí)際流量增益，即額定流量額定閥壓降ωsv≈ωh■二階環(huán)節(jié)4.5.6閥控缸數(shù)學(xué)模型若k=0、Bp=0，則有液壓固有角頻率液壓彈簧剛度液壓阻尼比流量增益可用MATLAB/Simulink、AMESim等軟件進(jìn)行仿真狀態(tài)空間模型(現(xiàn)代控制理論)(電調(diào)制連續(xù)控制閥控制對(duì)稱缸)控制算法：PID自抗擾等風(fēng)電運(yùn)維母船的六自由度波浪補(bǔ)償舷梯（KQ=KqKem）

KQ

當(dāng)伺服閥視為比例環(huán)節(jié)時(shí)，閥芯位移為閥控缸傳遞