CN113417898B - 一种基于电磁比例阀的电液执行器***及其位移控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于电磁比例阀的电液执行器***及其位移控制方法，通过三位四通电磁阀控制流体流向，建立数学模型，并采用PID控制器对液压作动器进行位移精确控制，从而有效解决了现有电液执行器位置控制***控制精度低、响应慢的问题，实现了对电液执行器的高动态响应、低跟踪误差的位置精确控制。

Description

一种基于电磁比例阀的电液执行器***及其位移控制方法
技术领域
本发明涉及电液执行器领域，特别涉及一种用于电液执行器精确位置控制的方法。
背景技术
电液执行器***广泛应用于各种工业领域。该***的特点是能够传递大的力和高动态响应，并且具有高耐用性和高功率重量比，能够以相对较小的尺寸在高速下提供大的力。近年来，电液执行器***的高精度位置控制受到了人们的广泛关注，各种电液执行器***及其控制方案已被大量应用于移动设备、机床、塑料工业、汽车检测、矿山石油勘探等领域。
发明内容
针对电液执行器的应用需求，本发明提出了一种基于电磁比例阀的电液执行器***及其位移控制方法，通过三位四通电磁阀控制流体流向，建立数学模型，并采用PID控制器对液压作动器进行位移精确控制，从而有效解决了现有电液执行器位置控制***控制精度低、响应慢的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于电磁比例阀的电液执行器***，包括：三位四通电磁比例阀1、容积泵2、双作动液压活塞缸3、位置传感器4和油箱5；
所述三位四通电磁比例阀1通过液压管路分别连接双作动液压活塞缸3、容积泵2和油箱5；
所述位置传感器4与双作动液压活塞缸3的活塞连接，测量双作动液压活塞缸活塞的实际位置。
进一步的，所述三位四通电磁比例阀1控制流体流向，通过控制比例阀端口的开度，保持流量以及执行器的压力。
进一步的，所述容积泵2作为增压动力源，与电动机耦合组成，为***提供恒定的加压流体。
进一步的，还包括调压阀6，所述调压阀作为***安全阀。
一种使用上述电液执行器***的位移控制方法，包括以下步骤：
S1建立电液执行器***的执行机构动力学模型：
Figure BDA0003136410100000021
其中，Ak为活塞面积，M为活塞外载荷质量，
Figure BDA0003136410100000022
为执行器加速度，
Figure BDA0003136410100000023
为执行器速度，C为泄漏系数，P1和P2为分别为左、右活塞腔的压力。
执行器左、右活塞腔的压力为：
Figure BDA0003136410100000024
Figure BDA0003136410100000025
其中，β为流体体积模量，Vh为执行器的半体积，Q1、Q2分别为流入执行器和流出执行器的流量，QL为通过环形活塞区域从一个腔泄漏到另一个腔的流量，Y为执行器活塞的位移。
所述流入执行器和流出执行器的流量Q1、Q2，以及计泄漏流量QL由下式计算：
Figure BDA0003136410100000026
Figure BDA0003136410100000027
Figure BDA0003136410100000028
式中，Cd为流量系数，AP为三位四通电磁比例阀计量口面积，ρ为流体密度，Ps为泵提供的压力，Pr为储层压力，dk为执行机构直径，hs为环隙，ls为阀芯长度。
三位四通电磁比例阀计量口面积的计算方法如下：
Figure BDA0003136410100000029
其中，r为三位四通电磁比例阀计量口半径，xSP为三位四通电磁比例阀阀芯位移。
三位四通电磁比例阀通电后驱动阀芯，电流与阀芯位移的关系为：
xSP＝f(ISC)
其中，Isc为三位四通电磁比例阀电流。
S2采用闭环PID控制器对电液执行器的位置进行控制，位置传感器实时将活塞位移信号反馈至PID控制器中，PID控制器将期望输入变量Yd与活塞位移Y作差得到位移跟踪误差，即e＝Yd-Y，PID控制器根据位移跟踪误差e的大小，计算并得到占空比η，且0≤η≤1，并通过电流驱动三位四通电磁比例阀动作，调节左、右活塞腔的压力，使电液执行器的活塞位移Y逐步达到期望位移Yd，完成电液执行器的位移闭环控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案采用三位四通电磁阀控制流体流向，针对性地建立了可靠的数学模型，并配合PID控制器实现了对电液执行器的高动态响应、低跟踪误差的位置精确控制。
附图说明
通过参考附图可更好地理解本发明。图中的构件不应视作按比例绘制，重点应放在示出本发明的原理上。
图1为本发明的电液执行器***示意图；
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明基于电磁比例阀的电液执行器***包括：三位四通电磁比例阀1、容积泵2、双作动液压活塞缸3、位置传感器4和油箱5；所述三位四通电磁比例阀1通过液压管路分别连接双作动液压活塞缸3、容积泵2和油箱5；所述位置传感器4与双作动液压活塞缸3的活塞连接，测量双作动液压活塞缸活塞的实际位置。
所述三位四通电磁比例阀1控制流体流向，通过控制比例阀端口的开度，保持流量以及执行器的压力。
所述容积泵2作为增压动力源，与电动机耦合组成，为***提供恒定的加压流体。
还包括调压阀6，所述调压阀作为***安全阀。
一种使用上述电液执行器***的位移控制方法，包括以下步骤：
S1建立电液执行器***的执行机构动力学模型：
Figure BDA0003136410100000031
其中，Ak为活塞面积，M为活塞外载荷质量，
Figure BDA0003136410100000032
为执行器加速度，
Figure BDA0003136410100000033
为执行器速度，C为泄漏系数，P1和P2为分别为左、右活塞腔的压力。
执行器左、右活塞腔的压力为：
Figure BDA0003136410100000034
Figure BDA0003136410100000041
其中，β为流体体积模量，Vh为执行器的半体积，Q1、Q2分别为流入执行器和流出执行器的流量，QL为通过环形活塞区域从一个腔泄漏到另一个腔的流量，Y为执行器活塞的位移。
所述流入执行器和流出执行器的流量Q1、Q2，以及计泄漏流量QL由下式计算：
Figure BDA0003136410100000042
Figure BDA0003136410100000043
Figure BDA0003136410100000044
式中，Cd为流量系数，AP为三位四通电磁比例阀计量口面积，ρ为流体密度，Ps为泵提供的压力，Pr为储层压力，dk为执行机构直径，hs为环隙，ls为阀芯长度。
三位四通电磁比例阀计量口面积的计算方法如下：
Figure BDA0003136410100000045
其中，r为三位四通电磁比例阀计量口半径，xSP为三位四通电磁比例阀阀芯位移。
三位四通电磁比例阀通电后驱动阀芯，电流与阀芯位移的关系为：
xSP＝f(ISC)
其中，Isc为三位四通电磁比例阀电流。
S2采用闭环PID控制器对电液执行器的位置进行控制，位置传感器实时将活塞位移信号反馈至PID控制器中，PID控制器将期望输入变量Yd与活塞位移Y作差得到位移跟踪误差，即e＝Yd-Y，PID控制器根据位移跟踪误差e的大小，计算并得到占空比η，且0≤η≤1，并通过电流驱动三位四通电磁比例阀动作，调节左、右活塞腔的压力，使电液执行器的活塞位移Y逐步达到期望位移Yd，完成电液执行器的位移闭环控制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种使用基于电磁比例阀的电液执行器***的位移控制方法，所述电液执行器***包括三位四通电磁比例阀(1)、容积泵(2)、双作动液压活塞缸(3)、位置传感器(4)和油箱(5)；所述三位四通电磁比例阀(1)通过液压管路分别连接双作动液压活塞缸(3)、容积泵(2)和油箱(5)；所述位置传感器(4)与双作动液压活塞缸(3)的活塞连接，测量双作动液压活塞缸活塞的实际位置；其特征在于，包括以下步骤：
S1建立电液执行器***的执行机构动力学模型：
Figure FDA0003679166670000011
其中，Ak为活塞面积，M为活塞外载荷质量，
Figure FDA0003679166670000012
为执行器活塞加速度，
Figure FDA0003679166670000013
为执行器活塞速度，C为泄漏系数，P1和P2分别为左、右活塞腔的压力；
执行器左、右活塞腔的压力为：
Figure FDA0003679166670000014
Figure FDA0003679166670000015
其中，β为流体体积模量，Vh为执行器的半体积，Q1、Q2分别为流入执行器和流出执行器的流量，QL为通过环形活塞区域从一个活塞腔泄漏到另一个活塞腔的流量，Y为执行器活塞位移；
所述流入执行器和流出执行器的流量Q1、Q2，以及泄漏流量QL由下式计算：
Figure FDA0003679166670000016
Figure FDA0003679166670000017
Figure FDA0003679166670000018
式中，Cd为流量系数，AP为三位四通电磁比例阀计量口面积，ρ为流体密度，Ps为容积泵提供的压力，Pr为储层压力，dk为执行机构直径，hs为环隙，ls为阀芯长度；
三位四通电磁比例阀计量口面积的计算方法如下：
Figure FDA0003679166670000019
其中，r为三位四通电磁比例阀计量口半径，xSP为三位四通电磁比例阀阀芯位移；
三位四通电磁比例阀通电后驱动阀芯，电流与阀芯位移的关系为：
xSP＝f(ISC)
其中，Isc为三位四通电磁比例阀电流；
S2采用闭环PID控制器对电液执行器的位置进行控制，位置传感器实时将活塞位移信号反馈至PID控制器中，PID控制器将期望输入变量Yd与执行器活塞位移Y作差得到位移跟踪误差，即e＝Yd-Y，PID控制器根据位移跟踪误差e的大小，计算并得到占空比η，且0≤η≤1，并通过电流驱动三位四通电磁比例阀动作，调节左、右活塞腔的压力，使执行器活塞位移Y逐步达到期望输入变量Yd，完成电液执行器的位移闭环控制。
2.根据权利要求1所述的位移控制方法，其特征在于，所述三位四通电磁比例阀(1)控制流体流向，通过控制三位四通电磁比例阀端口的开度，保持流量以及执行器的压力。
3.根据权利要求1所述的位移控制方法，其特征在于，所述容积泵(2)作为增压动力源，与电动机耦合组成，为***提供恒定的加压流体。
4.根据权利要求1所述的位移控制方法，其特征在于，所述基于电磁比例阀的电液执行器***还包括调压阀(6)，所述调压阀(6)作为***安全阀。
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