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數(shù)字閥控制技術(shù)

閥控液壓系統(tǒng)依靠控制閥的開口來控制執(zhí)行液壓元件的速度。液壓閥從早期的手動閥到電磁換向閥，再到比例閥和伺服閥。電液比例控制技術(shù)的發(fā)展與普及，使工程系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)入了現(xiàn)代控制工程的行列，構(gòu)成電液比例技術(shù)的液壓元件，也在此基礎(chǔ)上有了進(jìn)一步發(fā)展。傳統(tǒng)液壓閥容易受到負(fù)載或者油源壓力波動的影響。針對此問題，負(fù)載敏感技術(shù)利用壓力補(bǔ)償器保持閥口壓差近似不變，系統(tǒng)壓力總是和高負(fù)載壓力相適應(yīng)，大限度地降低能耗。多路閥的負(fù)載敏感系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求流量超過泵的大流量時不能實現(xiàn)多缸同時操作，抗流量飽和技術(shù)通過各聯(lián)壓力補(bǔ)償器的壓差同時變化實現(xiàn)各聯(lián)負(fù)載工作速度保持原設(shè)定比例不變。

數(shù)字閥的出現(xiàn)，其與傳感器、微處理器的緊密結(jié)合大大增加了系統(tǒng)的自由度，使閥控系統(tǒng)能夠更靈活的結(jié)合多種控制方式。

數(shù)字閥的控制、反饋信號均為電信號，因此無需額外梭閥組或者壓力補(bǔ)償器等液壓元件，系統(tǒng)的壓力流量參數(shù)實時反饋控制器，應(yīng)用電液流量匹配控制技術(shù)，根據(jù)閥的信號控制泵的排量。電液流量匹配控制系統(tǒng)由流量需求命令元件，流量消耗元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，流量分配元件數(shù)字閥，流量產(chǎn)生元件電控變量泵和流量計算元件控制器等組成。電液流量匹配控制技術(shù)采用泵閥同步并行控制的方式，可以基本消除傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)控制中泵滯后閥的現(xiàn)象。電液流量匹配控制系統(tǒng)致力于結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)液負(fù)載敏感系統(tǒng)、電液負(fù)載敏感系統(tǒng)和正流量控制系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮電液控制系統(tǒng)的柔性和靈活性，提高系統(tǒng)的阻尼特性、節(jié)能性和響應(yīng)操控性。

相對于傳統(tǒng)液壓閥閥芯進(jìn)出口聯(lián)動調(diào)節(jié)、出油口靠平衡閥或單向節(jié)流閥形成背壓而帶來的靈活性差、能耗高的缺點(diǎn)，目前國內(nèi)外研究的高速開關(guān)式數(shù)字閥基本都使用負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)，從而實現(xiàn)進(jìn)出油口的壓力、流量分別調(diào)節(jié)。瑞典林雪平(Linkping)大學(xué)的Jan Ove Palmberg教授根據(jù)Backé教授的插裝閥控制理論首先提出負(fù)載口獨(dú)立控制(Separate controls of meter-in and meter-out orifices)概念。在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的每一側(cè)用一個三位三通電液比例滑閥控制執(zhí)行器的速度或者壓力。通過對兩腔壓力的解耦，實現(xiàn)控制目標(biāo)速度控制。此外，在負(fù)載口獨(dú)立方向閥控制器設(shè)計上，采用LQG優(yōu)控制方法。在其應(yīng)用于起重機(jī)液壓系統(tǒng)的試驗中獲得了良好的壓力和速度控制性能。丹麥的奧爾堡(Aalborg)大學(xué)研究了獨(dú)立控制策略以及閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對負(fù)載口獨(dú)立控制性能的影響。美國普渡(Purdue)大學(xué)用5個錐閥組合，研究了魯棒自適應(yīng)控制策略實現(xiàn)軌跡跟蹤控制和節(jié)能控制。其中4個錐閥實現(xiàn)負(fù)載口獨(dú)立控制功能，一個中間錐閥實現(xiàn)流量再生功能。德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)(Technical University Dresden)在執(zhí)行器的負(fù)載口兩邊分別使用一個比例方向閥和一個開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)，并研究了閥組的并聯(lián)串聯(lián)以及控制參數(shù)對執(zhí)行器性能的影響。德國亞琛工業(yè)大學(xué)(RWTH Aachen University)研究了負(fù)載口獨(dú)立控制的各種方式，并提出了一種單邊出口控制策略。美國明尼蘇達(dá)(Minnesota)大學(xué)設(shè)計了雙閥芯結(jié)構(gòu)的負(fù)載口獨(dú)立控制閥，并對其建立了非線性的數(shù)學(xué)模型和仿真。國內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)90年代開始對負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)進(jìn)行深入研究，浙江大學(xué)、中南大學(xué)、太原理工大學(xué)、太原科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等均在此技術(shù)研究與工程應(yīng)用方面取得相關(guān)進(jìn)展。

負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)，如圖13所示，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：負(fù)載口獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)出口閥芯可以分別控制，因此可以通過增大出口閥閥口開度，降低背腔壓力，以減小節(jié)流損失;由于控制的自由度增加，可根據(jù)負(fù)載工況實時修改控制策略，所有工作點(diǎn)均可達(dá)到佳控制性能與節(jié)能效果;使用負(fù)載口獨(dú)立控制液壓閥可以方便替代多種閥的功能，使得液壓系統(tǒng)中使用的閥種類減少。

電液比例控制技術(shù)、電液負(fù)載敏感技術(shù)、電液流量匹配控制技術(shù)與負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)一步提高了液壓閥的控制精度和節(jié)能性。數(shù)字液壓閥的發(fā)展必然會與這些閥控技術(shù)相結(jié)合以提高控制的精確性和靈活性。

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