高速开关阀桥式数字比例阀空穴游隙产生机理及补偿方法研究

The digital proportional valve with four high speed switch valves as the pilot has the advantages of strong anti-pollution ability, high reliability, easy to manufacture and so on. It is a core control element in the intelligent process of engineering machinery and other equipment in bad environment.But due to the inertia of the load and leakage, when the main valve of the proportional valve is positioned, the expansion of the valve core chamber lacks oil to produce holes, and within the chamber leads to the main valve hydraulic “cavitation backlash”, and adopted by the digital proportional valve pulse width modulation (PWM) control method, to strengthen the influence of hydraulic cavitation backlash on the stability and control precision of the digital proportional valve, and the digital proportional valve may produce the limit cycle oscillation phenomenon with high frequency and small value in the process of controlling.So to research the hydraulic cavitation backlash mechanism of high-speed on-off valve bridge type digital proportional valve, and establish an effective prediction model of hydraulic cavitation backlash and a dynamic model of high-speed switch bridge digital proportional valve with hydraulic cavitation backlash, explore the influence of hydraulic cavitation backlash on digital proportional valve and hydraulic proportional control system, find an effective method to eliminate or compensate hydraulic cavitation backlash, design a high-speed bridge-type digital proportional valve control strategy with hydraulic cavitation backlash, It has general guiding significance for digital proportion valve and digital proportion control system.

以四个高速开关阀组成的阀桥为先导级的数字比例阀具有抗污染能力强，可靠性高，易于制造等优点，是环境恶劣的工程机械等装备智能化过程中一种核心控制元件。但由于负载惯性作用和泄漏等原因，使得比例阀主阀在定位时，阀芯一腔扩容缺油产生空穴，而空穴会导致主阀内产生液压“空穴游隙”，而数字比例阀所采用的脉宽调制（PWM）控制方式，强化了液压空穴游隙对数字比例阀稳定性及控制精度的影响，可能使得数字比例阀在控制过程中产生高频、小幅值的极限环震荡现象。因此研究高速开关阀桥式数字比例阀中液压空穴游隙的产生机理，建立液压空穴游隙的有效预测模型及具有液压空穴游隙的高速开关阀桥式数字比例阀动力学模型，探究液压空穴游隙对数字比例阀和液压比例控制系统产生的影响，找到消除或补偿液压空穴游隙的有效方法，设计具有液压空穴游隙的高速阀桥式数字比例阀控制策略，对数字比例阀及数字比例控制系统具有普遍指导意义。

以四个高速开关阀组成的阀桥为先导级的数字比例阀抗污染能力强，可靠性高，易于制造，控制方法灵活，在工程机械等工作环境恶劣的场合优势明显，是工程机械等装备智能化发展中的核心控制元件。研究过程中发现，数字比例阀主阀芯在高速运动至给定位置过程中，会出现高频的振荡现象，从而造成数字比例阀控制精度变低，稳定性变差。.基于以上问题，项目建立了高速开关阀详细的理论数学模型，提出了双频可变占空比PWM控制方法，提高了高速开关阀的响应频率，为建立详细的数字比例阀动力学模型奠定了基础；提出了一种高速开关阀的驱动电路，能根据高速开关阀阀芯上采集的电流信号以及开关阀到位检测信号对驱动信号进行动态补偿，保证了高速开关阀的开关频率和稳定性，为提高数字比例阀的响应速度，增加运行稳定性奠定了基础；提出了一种数字比例阀流量控制系统及方法，实现了真正的流量控制，为解决数字比例阀振荡现象奠定了基础。对高速开关阀的内部流场进行了研究，分析了影响高速开关阀响应特性的主要因素为线圈匝数，其次为线圈内阻、阀芯质量和复位弹簧刚度，最后为环形接触面积；分析了数字比例阀中液压空穴游隙的产生机理和特点，分析了数字比例阀先导级高速开关阀桥和主滑阀输入输出之间的约束关系，建立了详细的数字比例阀动力学模型，提出了液压空穴游隙结构补偿方案和软件补偿方案；分析了引起数字比例阀主阀芯振荡的因素，并进行仿真分析与验证；提出了一种斜坡渐扩形节流槽对比例阀微动特性进行了改善；设计了基于模糊自适应PID控制的数字比例阀控制策略，结果表明该方法能够有效抑制数字比例阀运行过程中产生的振荡现象，搭建了半实物仿真测试实验平台，进行了以高速开关阀桥式数字比例阀为实物的半实物仿真实验。该项目的研究为高速开关阀桥式数字比例阀国产化的发展奠定了基础。