【正文】 下圖為反饋控制系統(tǒng)框圖。 反饋檢測輸入指令放大器 缸、馬達 控制對象速度、力、位置轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩液壓源電流比例閥 圖 52 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 閉環(huán)控制系統(tǒng) (即反饋控制系統(tǒng) ) 的優(yōu)點是對內(nèi)部和外部干擾不敏感 , 系統(tǒng)工作原理是反饋控制原理或按偏差調(diào)整原理。 閉環(huán)控制： 包含外反饋回路的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果在比例閥本身的內(nèi)反饋，也可以構(gòu)成實際的局部小閉環(huán)控制。 輸入指令放大器 比例閥 控制對象速度、力、位置轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩液壓源缸、馬達 圖 51 開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 由于開環(huán)控制系統(tǒng)的精度比較低 ， 無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸 入量就可以無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出量 —— 力、速度、以及加減速度等。比如 比例閥控制液壓缸或馬達系統(tǒng)可以實現(xiàn)速度、位移、 36 36 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等的控制 。同樣，采用反饋控制原理的控制系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)。 反饋的概念 反饋就是指通過適當 的檢測裝置將信號全部或一部分返回輸入量與輸入量進行比較，比較的結(jié)果叫偏差。 比例控制系統(tǒng)是電液控制技術(shù)的一項新發(fā)展，是微電子技術(shù)與液壓技術(shù)間的接口。它與傳統(tǒng)的電液伺服技術(shù)相比， 具有可靠、節(jié)能和廉價等明顯特點，已應用于相當廣泛的領(lǐng)域，形成了頗具特色的技術(shù)分支。因此，工程控制理論的應用已逐步從航天、航空和軍事工程領(lǐng)域普及到民用工業(yè)部門。 5 電液比例控制系統(tǒng) 在比例閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，而因為比例閥將最終應用于比例控制系統(tǒng)中，故在本說明書的最后一章對比例控制系統(tǒng)做一個簡單的介紹。處，該處的頻率越高，閥的性能 35 35 越好。 (2)頻率響應 當加入頻率為ω的正弦擾動時，在穩(wěn)定狀態(tài)下輸出和輸入的復數(shù)比值關(guān)系稱為頻率響應。階躍時間一般應小于 。重復精度越小閥的性能越好。分辨率小，靜態(tài)性能好，但分辨率不能過小，否則會使閥的工作不穩(wěn)定。選擇電液比例閥時，應選線性范圍寬及線性度小的閥。 (2)線性范圍及線性度 為了保證電液比例閥輸出的流量或壓力與輸入的電流成正比變化，一般將壓力――電流、流量――電流的工作范圍取在特性曲線的近似直線部分，這個工作范圍稱為電液比例閥的線性范圍。通常規(guī)定差值中的最大值 maxI? 與額定電流的百分比為電液比例閥的滯環(huán)誤差。 此處省略 NNNNNNNNNNNN字。需要注意的是，雙通路比例放大器工作時，只有其中一個比例電磁鐵起實質(zhì)性的控制作用：當控制三位比例方向閥時，比例放大器根據(jù)信號的極性選通一個起作用的比例電磁鐵。 34 34 比例放大器的分類 (1) 按放大器輸出控制電流的通路數(shù)可將比例放大器分為單通路和雙通路兩種類型。 比例放大器要具有斷電保護功能；控制信號中要迭加高頻小振幅的顫振信號，以克服摩擦力 ,保證控制靈活；要有斜坡信號發(fā)生器，以便控制壓力變化、速度或位移部件的加速度，有效防止慣性沖擊；要有函數(shù)發(fā)生器 ,以補償死區(qū)特性。 電液比例控制系統(tǒng)既有液壓元件傳遞功率大，響應快的優(yōu)勢，又有電器元件處理和運算信號方便，易于實現(xiàn)信號遠距離傳輸（遙控）的優(yōu)勢。 比例放大器 比例放大器是電液比例閥的控制和驅(qū)動裝置，比例閥的基本電控單元，能夠根據(jù)比例閥和比例泵的控制需要對控制電信號進行處理、運算和功率放大。 由于要達到相同的精度級，孔比軸難加工，故在設(shè)計中無論主閥閥芯與閥套之間還是先導閥閥芯與閥套之間的配合均采用基孔制；又因為主閥閥芯與閥套之間的運動形式為軸向滑動，故為降低摩擦力，采用間隙配合，而為防止泄漏，以降低在閥上面的能量損失，此間隙應該盡量的小，查文獻 [7]第11頁，采用基本偏差系列中間隙最小的 g。 公差與配合的確定 本設(shè)計的課題為液壓閥，而液壓閥屬精密機器設(shè)備，故對公差與配合的要求較高，查文獻 [7] 可知，公差 IT5（孔到 IT6）級用于高精度和重要的配合處， IT7～ IT8級則用于一般精度要求的配合。 在先導閥減壓閥部分開啟狀態(tài)下，先導閥相對于中位狀態(tài)最大行程為 ，對應的彈簧力為 ??? dSCS KFF = ?? =869 Ｎ 當先導閥溢流閥部分開啟時，先導閥最大行程也為 ，對應的彈簧力為 ??? dSCS KFF = ?? =1975 N 彈簧的自由長度： H0=H2＋ 1RCX =16+9=25mm 彈簧節(jié)距： P=(H0d2)/n=(252)/6= 33 33 螺旋角（自由狀態(tài)下）： 02 arctan PP?? ? = ? ?? 39。 先導閥彈簧參數(shù)的確定 前面已經(jīng)確定部分先導閥彈簧參數(shù)為：簧絲直徑 d2選用為 ，彈簧中徑 D0為 10mm，彈簧預緊力 2SCF 為 1422N，彈簧預壓縮量 1RCX 為 9mm，彈簧剛度2dK=158 N/mm，彈簧工作長度 H2為 16mm。 彈簧的自由長度 : H0 = H2＋ RCX = 77+20=97mm 彈簧節(jié)距 : P＝（ H0－ 2 d1） / n = (972 )/12=90/12= 螺旋角 (自由狀態(tài)下）： 01 arctan PP?? ? = ? 39。本設(shè)計中支承圈采用 圈。 32 32 彈簧其余參數(shù)確定如下： 彈簧內(nèi)徑 D1＝ D0－ d1＝ 16－ = 彈簧外徑 D2＝ D0＋ d1＝ 16＋ = 為了使壓縮彈簧工作時受力均勻并增加彈簧的平穩(wěn)性，將彈簧兩端并緊，且將 兩端端面磨平，而這些并緊磨平的各圈僅起支承作用，因而稱為支承圈。 上述就是三通比例減壓溢流閥可以恒定控制腔油壓力的原理。 當控制腔的油壓力小于這個設(shè)定值時，由 “ 減壓閥詳細受力分析 ” 一節(jié)可知，先導閥閥芯將上移，控制腔與 X 口（ X 口與進油口相連）之間的通道被打開，高壓油液（主閥進油口的工作壓力達到 ）從主閥進油口進入控制腔中，引起控制腔中油液壓力升高，這樣又會引起閥芯逐漸下移，閥口減小，當控制腔中油液壓力最終回升到設(shè)定值時，控制腔與 X口之間的通道也將被關(guān)閉，先導閥閥芯將回復到中位狀態(tài) 。當閥芯處于中位時，三個通口全關(guān)閉；當閥芯處上位時， K口和 X口相連；當閥芯處下位時， K口和Y口相連。在先導閥內(nèi)部，當油液從Ｘ口流向 K口時為減壓閥功能，當油液從 K口從流向 Y口時為溢流閥功能。 先導閥的連接方式 當主閥為正向（即節(jié)流閥的總進油口接 A口，總出油口接 B 口，油液從Ａ口流向Ｂ口）時， X 口接 A口，Ｙ口接油箱，此連接在通道塊中實現(xiàn)（通道塊上加工有具專門通油道，本閥安裝時就是要插入通道塊中）； 當主閥為反向通流（即節(jié)流閥的總進油口接 B口，總出油口接 A口，油液從 B口流向 A口）時， X口接Ｂ口，Ｙ口接油箱。 為解決這個問題，本設(shè)計再在減壓閥之上復合了一個溢流閥，而且使該閥的開啟壓力剛好等于前面減壓閥的調(diào)定壓力，這樣當出現(xiàn)控制腔的壓力突然高于比例電磁鐵調(diào)定壓力的情況出現(xiàn)時，溢流閥開啟讓油液泄出，以使控制腔的壓力回復到調(diào)定值上。 將上式中自變量與因變量調(diào)換得： bF? = DKAP? ?? 或 bF? ＝－ KP? 上式的數(shù)學含義為當控制腔的壓力增量為 KP? 時，對應的比例電磁鐵的增量必為 DKAP? ?? 或－ KP? 。所以 2CX =22dSKF ? = mm (333) 上式說明要使比例閥具斷電保護功能，先導閥彈簧的預壓縮量（此預壓縮量是指先導閥閥芯處中位時，先導閥彈簧的預壓縮量）必須大于 mm，實際應用時為保有一定保險系數(shù)，復位彈簧的預緊力應高于此值，故在本設(shè)計中采用９ mm的預壓縮量。由 ，要使主閥關(guān)閉， KP 應滿足 KP ? 即 DbSA FF ?2 ? (330) 而此時 bF =０ ,故 DSAF2 ? (331) 其中 DA 的半徑為 DR ， DR 在本閥中擬定為 4mm 28 28 DA = 24?? = mm2 代入式 (331)中 ,得 2SF ? DA ? =? = N (332) 上式表明當比例電磁鐵輸出力為 0時，欲使主閥關(guān)閉，先導閥彈簧的預緊力必須大于 。 由于先導閥閥芯相對于中位時的位移 2RX 相對于先導閥彈簧的預壓縮量較小，因此在不作精確計算時可將其忽略，故式 (326)可化為： KP ＝DbSCA FF ?2 (328) 或 KP ＝DSCDb AFAF 2?? (329) 上式即為控制腔 壓力與比例電磁鐵輸出力的關(guān)系式。 忽略閥芯自重 gF 及閥芯移動過程中的摩擦力 fF ，將閥芯移動過程中穩(wěn)態(tài)液動力 bsF 也忽略，式（ 324）變?yōu)椋? DKAP ＝ bS FF ?2 (325) 轉(zhuǎn)化為 27 27 DbSK A FFP ?? 2 (326) 上式即控制腔壓力的決定因素。 相應的結(jié)構(gòu)圖如下所示： A DK口X口連控制腔比例電磁鐵推桿復位彈簧Pk先導閥節(jié)流口 圖 38 先導閥示意圖 控制腔油液對先導閥閥芯的壓力方向與比例電磁鐵剛好相反，這樣原來由比例電磁鐵單獨來控制先導閥閥芯的情形現(xiàn)在變?yōu)橛杀壤姶盆F和先導閥復位 彈簧共同控制。 因此在設(shè)計時應 該使比例電磁鐵斷電即輸出力為 0時，主閥閥芯是關(guān)閉的，以避免意外情況的發(fā)生。而液壓閥在使用過程中，由許多難以預測的原因（如電網(wǎng)的斷電，控制系統(tǒng)的故障及比例電磁鐵自身電路故障等等）會導致比例電磁鐵突然斷電， 25 25 而如果此時比例電磁鐵輸出力為 0，閥芯開度為最大。 在本設(shè)計中可采用比例電磁鐵的輸出推力來替代彈簧力調(diào)定減壓閥，即讓減壓閥的輸出壓力與比例電磁鐵輸出推力成比例關(guān)系。反之，如出口壓力增大，則閥芯上移，閥口關(guān)小，閥口處阻力加大，壓降增大，使出口壓力下降到調(diào)定值上。如忽略其它阻力，僅考慮閥芯上的液壓力和彈簧力相平衡的條件，則可以認為出口壓力基本上維持在某一定植 —— 調(diào)定值上。 當出口壓力未達到調(diào)定壓力時，閥口全開，閥芯不工作。來自液壓泵或高壓油路的一次壓力油從 P1腔，經(jīng)閥芯（滑閥） 3的下端圓柱臺肩與閥孔間形成常開閥口（開度 X），從二次油腔 P2流向低壓支路，同時通過流道 a反饋在閥芯（滑閥）底部面積上產(chǎn)生一個向上的液壓作用力，該力與調(diào)壓彈簧的預調(diào)力相比較。 由上述可知，本畢業(yè)設(shè)計中先導閥應采用定值減壓閥。 (2) 有的減壓閥其一次 壓力（進口壓力）與二次壓力之差能保持恒定，可與其它閥于節(jié)流閥組成調(diào)速閥等復合閥，實現(xiàn)節(jié)流口兩端的壓力補償及輸出流量的恒定，此類閥稱之為定差減壓閥。例如，液壓系統(tǒng)的夾緊、控制潤滑等回路。 因此，下面將深入的分析減壓閥的工作原理，并在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計。 先導閥設(shè)計 由第三章分析可知，節(jié)流閥的流量應由控制主閥閥芯的開度來實現(xiàn)，而欲控制主閥閥芯的開度，則必須調(diào)節(jié)控制腔的壓力，那么 如何實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制腔的壓力呢？在我們所有已學過的知識中，減壓閥可完成此功能，油液流經(jīng)液壓系統(tǒng)中的減壓閥后，壓力降低，并基本恒定于減壓閥調(diào)定的壓力上。 將上式中自變量與變量調(diào)位，轉(zhuǎn)化為： KP? ＝CRSAXK 11?? (321) 代入?yún)?shù) : KP? ＝－ 1RX? ＝－ 1RX? (322) 上式的數(shù)學含義為：在 AB 通流情況下，當閥芯開度增量為 1RX? 時，對應的控制腔的壓力增量為CRSAXK 11?? 或－ 1RX? 。 將各常數(shù)值代入式 (312)中，得 : 1RX ＝－ KP + 36 2 72 4030 224 .38 4 ＝－ ＋ (313) 上式說明，若 KP 增大，則閥芯將向下運動，閥芯開度將減?。? 若 KP 減小，閥芯將向上運動，則閥芯開度 1RX 將 增大。由該公式可見，如果在額定工作狀況下，進、出油口工作壓力 1P 、 2P 等都是固定的，則節(jié)流口開度將主要決定于控制腔壓力 KP 。由于穩(wěn)態(tài)液動力與閥芯所受其他力相比之下較小，因此將其忽略。 在工作狀態(tài)下，閥芯一般處于平衡位置。 主閥閥芯開啟時的動力分析 設(shè)閥芯質(zhì)量為 1m ， )(tx 為閥芯位移 1RX 隨時間變化的函數(shù)，其方向的正向為閥芯向上運動方向，起點為主閥芯關(guān)閉時的位置。 在反向流通即Ｂ－Ａ通流且閥芯關(guān)閉時，對閥芯進行受力分析如下： 往上的力 B1A2X APAP F ?? ＋ RF 往下的力 gF??? S C 1CKW