新型先导脉宽调制的电液比例节流与调速复合控制方法及系统集成

Digital hydraulics has more advantage than analog hydraulic system. As viewed from the development trend of digital hydraulics, the prospects for future development of high speed on/off valve is seem to be more promising than other types of digital valves. But now the further development and application of high speed on/off valve is limited because there exists a contradiction between the high frequency and high pressure,large flow rate. Researchers have continued to explore new methods to solve the problem. But it can be concluded from their research literatures that direct actuated high speed on/off valve technology is hardly used to deal with this contradictory problem because of the effects of moving components of valve spool and the solenoid stroke,etc. Therefore, this project proposes a new way to solve the above problem. In this project, the high speed on/off valve is used as pilot valve, and the main valve adopts Valvistor structure principle,then a constant flow meter is series connected between the pilot and main stages. Therefore not noly does it control flow precisely, but also it can reduce throttling losses. On this basis, proportional throttle and proportional speed composite control method is proposed to increase the flow capacity of the main valve under the condition of precise control of flow rate. Finally, this novel flow control method is applied to exploratory research of the separate meter in and meter out valve. The proposed research provides a theoretical foundation for the future development of digital hydraulics, and broadens the application areas of the digital hydraulics.

数字液压技术较模拟液压技术具有更多优势。就当前数字液压发展趋势而言，高速开关阀未来发展前景比其他类型数字阀更加明朗。但高速开关阀存在高频响与高压、大流量之间的矛盾，从而限制了其进一步发展和应用。虽然研究人员不断尝试寻求解决此问题的新方法，但由于受阀芯运动部件及电磁铁行程等因素影响，导致直动式高速开关阀方案很难解决此问题。因而，本项目提出以高速开关阀为先导阀，主阀采用液压晶体管结构原理，并在先导油路设置定值流量器的一种新型流量精确控制方法，不但有效解决了以上难题，而且还可减小因在主油路中设置压差补偿器所产生的节流损失。在此基础上，又提出了比例节流和比例调速复合的流量控制方法，以保证在实现精确控制流量前提下，主阀依然具有较大的通流能力。最后，将新型流量控制方法应用到进出口独立控制阀的探索性研究中。本项目的实施将为我国数字液压技术的新发展奠定重要的理论基础，并将进一步拓宽数字液压技术的应用领域。

数字液压技术已成为液压领域未来的发展方向之一。就当前发展趋势而言，高速开关阀发展前景比其他类型数字阀更加明朗。但由于高速开关阀存在高频响与高压、大流量之间的矛盾，限制了其进一步发展和应用。因此，提出了以高速开关阀为先导阀，主级采用Valvistor液压晶体管的数字比例节流阀和数字比例调速阀。项目实施过程中对高速开关阀性能特性、Valvistor阀性能特性、基于先导脉宽调制的数字比例节流阀特性和比例调速阀特性，以及基于数字比例流量阀的负载口独立控制系统特性等内容开展了理论分析、仿真建模、结果分析和试验测试研究。研究结果表明：（1）商业化HSV3143S3高速开关阀在7MPa压差条件下，阀芯开启和关闭时间之和大于6ms，该参数对高速开关阀控制信号的载波频率和占空比有较大的限制；随载波频率增加，高速开关阀输出流量粗糙度和线性范围均减小；双阀并联性能与单个高速开关阀相比，死区与饱和区基本一致，但前者平均流量是后者的两倍，该结论为基于多个高速开关阀驱动的数字比例流量阀的研究提供了依据。（2）全锥阀芯过流面积计算表达式不完全适用于Valvistor阀过流面积的求解；Valvistor阀稳定性与阀口压降、级间容腔、反馈槽面积梯度和先导阀流量等参数有关；阀口压差与反馈槽面积梯度越大，阀芯不稳定区域也越大，控制腔体积越小，阀芯稳定性越好；在1MPa压差条件下Valvistor阀的频宽约为10Hz，小于高速开关阀控制信号的载波频率，为数字比例流量阀的稳定工作提供了基础。（3）基于先导脉宽调制的数字比例节流是可行的；此外，在数字比例节流阀基础上采用先导压差补偿方法所构成的数字比例调速阀也是可行的；由于受先导高速开关阀载波频率限制，数字比例流量阀输出流量存在脉动和冲击，且很难通过增加蓄能器予以消除；输出流量脉动幅值与控制频率、级间容腔体积成反比；增大Valvistor主阀反馈槽面积梯度或预开口量，都将使数字比例流量阀平均输出流量减小；此外，Valvistor主阀反馈槽预开量的增加将使数字比例流量动态响应特性降低。（4）基于6个数字比例流量阀构成的负载口独立控制系统具有可控性，所采用的前馈-反馈复合控制策略能够对系统速度和压力进行控制；对阻抗负载伸出工况而言，通过采用复合控制策略，系统回路取得了良好的动态特性和抗干扰性。综上所述，本项目的研究内容对拓宽数字液压技术的发展提供了一个新途径。