电液比例阀的双闭环控制技术

在干粉成型液压机中，电液比例阀是核心执行组件，其控制性能对产品的质量具重大影响。采用单闭环控制的干粉成型液压机在投人生产之初能够较好满足生产、质量需要，但是随着产品精度要求的提高和生产节拍的加快，干粉成型液压机不能适应新产品要求。为此，对干粉成型液压机中电液比例阀采用了双闭环控制方法进行控制，就达到了较高的精度。

1．单闭环系统的控制特性

在干粉自动成型液压机中，电液比例阀用于精度需求zui高的下主缸，单闭环系统计算机控制原理图如图33所示，系统控制框图如图34所示。该系统的负载主要是惯性负载，其他负载可忽略不计，由此，简化后的函数框图如图35所示。

由此可以得到系统的开环传递函数为

                          （5-6）

式中：K_a为比例放大环节的电放大系数；K为油的弹性模量；k´为比例阀主阀放大系数，k为比例阀内弹簧刚度；G₁(s)为比例放大环节，G₁(s)=k_a；G₂(s)为电液比例阀的传递函数，C₂(S)= (k´)/（fs+k）；G₃(s)为液压缸和惯性负载的传递函数。为

式中：K_q为流量常数,f为液压油摩擦系数；A为液压缸的作用面积；ω_h为液压缸的固有频率；ξ_h为液压缸的阻尼系数。

则单闭环系统的闭环传递函数为

                 （5-7）

式中：H(s)为位移传感器的传递函数，H(s)=K_fx。

2. 双闭环控制系统

在原单闭环系统内再加入一个小闭环，增加比例阀阀心的位置反馈，形成局部小闭环，嵌入原系统内，形成了新的双闭环控制系统。对比例阀阀心的位置反馈控制可以提高比例阀的响应频率，从而改进整个系统的控制特性。原系统内的比例放大器改为PID调节器，使改进后的系统增益可调，参数调整方便。改进后的双闭环控制系统电路图如图36所示，系统控制框图如图37所示，系统传递函数框图如图38所示。

由比例阀的开环传递函数，可得小闭环系统的闭环传递函数为

                             （5-8）

式中：G_PID(s)为小闭环中PID调节器传递函数。为

K_p2、T₂、T_d2均为常数；H₂(s)为比例环节，H₂(s)=K_fx2。

则大闭环的开环传递函数为

          G´(s)=G´₁(s)×Ф_i(s)×G₃(s)                 (5-9)

大闭环的闭环传递函数为

            Ф´(s)=G´(s)/[1+G´(s)×H₁(s)]               (5-10)

3．系统仿真分析

根据式(5-6)和式(5-7)，对单闭环和双闭环系统采用MATLAB软件进行了仿真分析，其中单闭环系统的阶跃响应曲线如图39所示。单闭环控制系统的控制精度为±0.05mm。对双闭环系统采取同样的处理方法，得到的阶跃响应曲线如图40所示。从两种系统的阶跃响应曲线得出如下仿真分析结果：单闭环系统：稳定时间1.5s，稳态误差±0.05mm；双闭环系统：稳定时间1.2s，稳态误差±0.015mm。

4．实验及结论

在干粉自动成型液压机上进行两种系统对比实验，测试结果为：单闭环系统稳定时间1.72s，10次重复测量稳态误差±0.05mm，系统压力不稳、振动较大，产品的密度一致性偏差大；双闭环系统稳定时间1.2s，10次重复测量稳态误差±0.02mm，系统压力较稳、振动较小，产品的密度一致性偏差小。

改造为双闭环系统后，系统稳定时间缩短了21%，控制精度得以提高，对保证产品质量、加快生产节奏起到重要作用。