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数字液压阀液压执行机构比例控制的仿真
摘要：长期以来在土方工程和施工设备中石油液压的流体动力系统一直使用比例和伺服控制阀以实现精确的位移控制，该位移控制以系统性能为后盾的控制，这种阀具有反馈控制，并表现出良好的响应，灵敏度和精细控制的执行机构。伺服阀和比例阀、开关型阀相比，它具有较小的迟滞现象，但当伺服阀阀轴卡在一个位置时，采用高频的抖动来使阀芯复位。 在开关阀中，它需要较少的技术来收回阀芯.因此，开关阀被用于数字阀技术中，来满足精确控制的需求。 具有快速切换时间和良好的流量和压力控制的慢移动负载模拟等效的“比例阀”或“伺服”的性能。
1.引言
流体动力系统已经存在了几十年。它们被归类为气动（低成本）和油压系统（中高成本）。技术已经发展到目前的需求需要高压和高负荷，但同时相对较低的成本。因此，数字水力学一词已经出现。数字液压阀具有许多特点，如液压系统的传感、控制和精度。由于中等规模甚至大规模先进的阀的液压技术所涉及的成本，是令人望而却步的 ，如伺服阀，比例阀。伺服阀的另一个问题是，如果卡在一个位置，就需要很高的频率才能使阀芯达到正常位置。
因此，在过去的十年中，人们发展了更多的技术，使液压系统成本低、数字化，以获得更好的位移控制和精度。数字液压阀的概念符合最大限度地减少能源损失、成本和改进跟踪或控制性能的要求。制造数字式液压阀技术的想法是将开关阀安装在 组合的2s有一个二进制组合或代码，以实现更好的比例或斜坡控制来开关阀。开/关阀各自给予步骤输入，分别输出完全流动或没有流动。但在与许多类似的开关型阀的组合中，2s的比例给出了比比例或伺服阀更好的比例流量输出。这是从在[5]的工作中，他模拟了使用阀作为一个机电一体化软件包的想法，该软件包带有二进制代码来跟踪钢瓶的位置
作者在他们的论文[7]中使用了并联的双向开/关阀，以及用于实现气缸数字液压控制的智能控制，并得出结论。 上述方法是节能的。另一位研究人员[3]在他的工作中对高流量开关类型的阀门使用4times;2开/关阀作为2times;2阀进行高流量控制，证明了数字液压能够在不节流的情况下实现高流量。
然而，其他作者在他们关于数字液压系统快速开关阀的工作[1]中已经演示了如何将开关阀用作脉宽调制，而且阀是如此的坚固。在10bar时65l/min，它有低流量最小泄漏和流量增益。他们的系统以这样的方式工作，使阀在高压和低压供应端口之间切换流量， 在1毫秒内具有方波响应。另一组研究人员[2]在一个分布式阀系统上实验，该系统启用了几种控制模式。也就是说，传统的液压缸控制模式有限，多腔缸控制模式容易减少能源消耗这种控制方式是必要的。
研究人员[4]在其关于开关惰性装置的理论和实验研究的工作中，设计了用于液压供应中的流量控制和压力。这个装置由开关元件，电感和电容组成，是增加压力或流量所必需的，在他们的论文中通过相应的流量或压力下降的模拟和实验，对阀门的开关、非线性和泄漏在频域、效果进行了考虑和验证。作者[6]在他们关于数字阀门控制的文章中，已经模拟了一个三向阀作为四个双向开关阀。对五种不同的数字控制方法进行了讨论和研究，目的是寻找最佳的数字控制方法的直流开关阀门组合。
在他们的论文[7]中，数字液压使用并联的双向开关阀与智能控制，以研究高惯性气缸的能量效率。 铆钉系统采用歧管块外壳4times;5双向螺杆式墨盒阀进行气缸的数字液压控制。费函数用于使功率损耗最小，研究了不同的加载条件和不同流动模式之间的切换逻辑。
研究人员[8]在研究位置跟踪控制系统时，利用脉冲编码调制的方法，得到了一系列四个阀的阶跃流量控制，每个阀都含有双向螺线管 。作者观察到低速重稀土元素或四个阀系列一起打开可能达到良好的控制。阀很大，需要很大的空间来做管道。其他作者[9]在他们关于阀的论文中追溯了微型阀的历史，以及如何使它们更小，并在数字液压控制中更有效地使用它们。研究人员[10]在他们的论文中对数字流体动力系统的组成部分进行了动态性能、可控性和可靠性的分析。因此，他们开发了一个单级快速开关类型阀门的工作模型。作者[11]开发了一种基于开关阀的轨迹跟踪控制解决方案，该方案具有阀的缓慢和间歇切换。他们采用脉冲编码调制的方法逐步获得控制进出执行器的流量，所得结果与水基伺服阀控制动作相似。
研究人员[12]在与航空航天应用有关的数字水力学工作中已经证明，这种系统是节能的。作者[13]在他的数字液压的工作中，在几乎为零的流量下，实现了开关式阀的切换。
我们的工作目标是比较单缸的性能与负荷时，用一套4位开关阀取代比例和控制阀。因此，考虑性能的参数是压力、速度、位置和二进制代码（类似于流体性能）。开发的二进制代码被用作输入控制，以监测执行器的性能。最后，本工作的主要目的是确保对执行器的二进制编码控制进行仿真，并对其性能进行监控。所以观察到即使其中一个阀门故障，不影响执行器性能。
2.建模
在Automation Studio中，借助PLC程序，开发了4位二进制码阀组合的电路图，用于正向和正向阀的驱动汽缸的行程已经进行。该组阀遵循1：2：4：8的二进制代码，对应相应的流量比。换句话说，一系列开/关阀 是由4位二进制码以以下列形式布置的。最后，不同的图不仅表示斜坡在液压活塞杆伸出和缩回方面的输出，而且还表示执行机构活塞和杆侧压力在向前的形成和回程中的输出。 增加高阶二进制的阀数量会导致一个或一组执行器的更好的伺服或比例控制。
图1.带有PLC程序的四位DFC液压电路
图1显示了在我们的工作中，整个模型的液压回路和部分PLC程序和控制脉冲的电磁阀设置的模拟。
通过阀的流量计算孔口公式如下：Q=0.0851*C*AQ=流量（l/min）。
C=流量系数（C=0.8的锐边孔口，0.6的方边孔口）
A=孔口面积（mm2）=A=（pi;d2）/4d=孔口直径（mm）
D= P1-P2=过孔口压降（kPa）
SG=流动流体比重。
孔板流量的样本计算：Q=0.4l/min，D=500kPa，C=0.8，SG=1，方程（1）中的替换得到d=0.5784mm。同样，对于Q=0.8l/min，d=0.8179毫米。Q= 1.6升/分钟，d=1.1568毫米。 对于Q=3.2升/分钟，d=1.6359毫米。
该模型是在自动化工作室中开发出来的，并通过阶梯逻辑PLC程序获得了螺线管的电气控制。电路图类似于4位二进制码 与LSB对应的电路的下部和阀门电路的顶部是MSB。因此，从底部到顶部从直流阀门流出的流量之比为1：2：4：8（LSB） 致MS B）。这些阀是平行布置的，单个阀在液压活塞杆伸出和缩回以获得最大的和流量。一套阀组用于伸出（左起第二列），一套阀组用于缩回（左起第三列） 在系统图上。最左和最右的两列阀组表示在延伸和收缩期间返回到邮箱的流量。PLC由4套阀组组成以0和1的真值表的形式指示操作，以指示哪个阀或哪些阀按二进制码4位顺序工作。
- 仿真结果
显示了x轴上的时间，分别在y轴上绘制了位置、速度、活塞侧、压力、杆侧压力。其他表示阀输出的图线表示电磁阀相对时间的位移LVDT式的行为。一些研究人员做了很多关于驱动器的阀的性能的研究工作，除了一些研究人员使用了一组5位的开/关阀门，这些阀门不能被归类为2进制的2次方排列。结果中将随时间变化的周期性无杆腔压力和有杆腔压力行为与其他研究人员的工作进行了充分的对比 。速度时间图表示图的循环斜坡样图，表示重复行为。 并与其他作者在工作中研究的执行器的循环操作进行了比较。液压缸的位移时间响应表示输出的正弦类型， 该输出响应与其他研究人员的结果一致。阀响应时间设置为100毫秒，这可以根据响应速度的要求而变化。
图2位置与时间
图2显示了执行器相对于时间的位移，时间延迟为100ms。该图表明，在加速过程中，压力上升，在减速过程中，压力下降。因此，位移图图看起来如上图。下图也显示了曲线的相同性质，只是增加了1秒的时间延迟。这意味着通过改变时间延迟，在执行器的加速和减速阶段的压力变化导致执行器的控制，但惯性很小。因此，我们可以看到图形性质的剧烈变化。
图3位置与时间
图3显示了执行器相对于时间的位移，时间延迟为1秒。这意味着，随着较大的时间延迟，阀开关时间也较慢，曲线和压力更平滑的的变化。
图4.电磁阀1的控制脉冲
最后，图4中的上图表示电磁阀1的阀芯的位置或位移随时间的变化。阀的开启和关闭（开关）如上图所示 最大开口/-100毫米，最长时间为71.61秒。这表明电磁阀的位移与时间有关。
图5.电磁阀2的控制脉冲
图5中的上图表示电磁阀2的阀芯的位置或位移随时间的变化。阀芯的行为与之相似，只是它可能在阀门1之后打开，这取决于真值表中的操作顺序。
图6.电磁阀3的控制脉冲
图6中的上图表示电磁阀3的阀芯的位置或位移随时间的变化。同样，从上面的图表中可以看到，阀3打开，不同的是响应更快，以便有更快的流动组合从LSB到MSB。阀开度也是根据阀芯的惯性。
图7电磁阀4的控制脉冲
图7中的上图表示电磁阀4的阀芯的位置或位移随时间的变化。最后，阀的响应是基于电磁阀在电气输入下的惯性。但惯性不是以大小来改变快速切换时间。同样，如果有16个阀。更快地打开更远的阀将表明更快的切换时间和更大的基于二进制代码的组合，从而更好地控制。
图8.速度与时间
图8的图显示了相对于执行器时间的速度。上图显示了95.0秒的时间内在延伸和后退行程中速度的变化，最大可达2米/秒。这意味着如果使用更多的阀，速度和时间曲线则会更平滑，但如果使用的阀门数量较少，则是不平滑的，会导致执行器的不稳定运动。
图9.A端口（活塞侧）VS时间的压力（MPa）
图9中的上述图表示液压缸活塞的压力随时间的变化。可以看出，在每个大约80秒循环中，活塞的压力峰值达到每次400bar。压力在变化可能是由于我们正在使用开关阀，输出不完全相似的结果。
图10.B端压力（MPa）（杆侧）Vs时间
图10的上图说明了有杆腔压力随时间的变化，因为活塞杆比柱塞更细 气缸，有杆腔压力可能更高。
4.结论
速度时间图是一个循环斜坡，指示在执行器停止之前缓慢的加速和更快的减速。液压缸的位移时间响应表示正弦型o 它显示了相对于时间的位置的周期性上升和下降。阀响应时间设置为100毫秒以及1秒，这可以根据特定执行器所需的响应速度的要求而变化。无杆腔与有杆腔执行机构压力图表明了活塞和杆组件的设计方案。这些系统的精度和精度取决于阀开关时间。前面提到，根据驱动器的伸出和缩回要求,阀的响应时间从100毫秒到1秒不等。
参考文献
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[3] Hyouml;ty I., 2012 Commercial high flow on/off-valves for digital hydraulics. In Proceedings of The
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[5] Linjama M., 2012 “Fundamentals of Digital Microhydraulics,” in 8th International Fluid Power
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[6] Schepers I., Weiler D. and Weber J., 2012 “Comparison and Evaluation of Digital Control
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[7] Linjama M., Huova M., Bostouml;m P., Laamanen A., Siivonen L.,
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