一种新结构节能型液压阀及其控制方法研究

The two-load orifices of traditional hydraulic proportional direction valves, as being mechanically solid jointed face issues including low efficiency in exploiting hydraulic energy, severe temperature increasing caused by throttling phenomenon, and performance degradation in practices. To address these issues without increasing system complexity, we propose an enhanced hydraulic valve design integrated with improved control technique. Particularly, the proposal aims to tackle the following scientific challenges: (1) A valve spool structure with non-overlapping symmetric shoulders and orifices will be designed and created that can be seamlessly composed with energy saving valves to address the problem of orifice adjusting separately. (2) A load-parameters-estimating based strategy will be developed to determine the working modes of the proposed valve to optimally identify the ideal working mode during the movement of the actuator. (3) A data-driven inversion-based iterative control will be developed to achieve high-speed smooth switching between different operation areas of the valve spools with fast response and high precision switching. (4)A nonlinear compensation strategy based on ideal differential pressure will be developed to compensate for the adverse effects such as orifice nonlinearity, system parameter variations in valve control system, and the fractional order control method will be utilized to address system parameter variations.

针对常规电液比例方向阀两个负载节流口机械固联而造成的能源利用率低、节流发热严重、控制性能下降等问题，本项目拟通过一种新结构液压阀的设计与应用，在不增加系统复杂度的前提下解决上述问题，并对其中存在的相关科学技术问题展开研究工作：（1）提出一种凸肩与负载节流口非重叠对称的阀芯结构，从而构成一种节能型液压阀，解决传统液压阀负载节流口不能独立调节的问题；（2）提出一种基于负载参数辨识的液压阀工作模式选择策略，确保执行机构连续运动过程中，可以准确选择液压阀的工作模式；（3）提出一种基于数据驱动系统逆的迭代控制策略，满足阀芯在不同工作区间切换时，应具有的时间短、精度高、运动平稳特性，以实现各个工作模式的平顺切换；（4）提出一种基于理想压差补偿与分数阶控制相结合的控制策略，以解决电液阀控系统中固有的节流口非线性、液压系统参数缓变等问题。

液压系统功率体积比大，负载刚度强，被广泛应用于工程机械、冶金设备等系统中，在传统电液阀控系统中，液压阀的两个负载节流口是机械固联的，同一时刻只能对其中一个负载节流口的开口大小进行控制，另外一个负载节流口会随之变化。这会造成液压系统的能源利用率低、节流发热严重、控制性能下降等问题。.针对上述问题，本项目研究设计了一种新结构液压阀，打破传统液压阀两个负载口的机械固联，在不增加系统复杂度的前提下，最大程度的节省液压能源，并进一步提高执行机构的控制性能。具体完成的研究工作包括：（1）以现有的高频响比例阀为基础，提出了一种凸肩与负载节流口非重叠对称的阀芯结构从而设计出了一种具有节能效果的新型液压阀；（2）研究了液压阀工作模式选择策略，以确保执行机构在连续运动过程中，可以准确的选择液压阀的工作模式；（3）研究了液压阀芯工作区的平顺切换控制策略，以减小液压阀进行工作模式切换时，阀芯在不同的工作区域之间进行位置切换时对执行机构运动特性的影响；（4）针对液压阀结构改进后，其动态特性相比传统阀控系统存在较大差异、液压阀固有的负载节流口非线性、液压参数缓变等因素，研究了基于非线性补偿的执行机构高性能运动控制策略；（5）进行了新型液压阀试制与实验测试，并搭建了测试与控制系统，对其进行了性能分析与控制效果验证。.通过上述研究，本项目阐明了传统阀控系统能源浪费的根本原因，并设计试制出了一种新型液压阀，从根本上解决了传统液压阀两个负载节流口机械固联造成的问题。通过对新型液压阀的控制策略研究，解决了液压阀由于结构变化带来的控制问题。为后续进一步的节能型高精度高频响电液伺服控制研究奠定了坚实的基础。