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數(shù)字閥控制技術

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。電液比例控制技術的發(fā)展與普及，使工程系統(tǒng)的控制技術進入了現(xiàn)代控制工程的行列，構成電液比例技術的液壓元件，也在此基礎上有了進一步發(fā)展。傳統(tǒng)液壓閥容易受到負載或者油源壓力波動的影響。針對此問題，負載敏感技術利用壓力補償器保持閥口壓差近似不變，系統(tǒng)壓力總是和高負載壓力相適應，大限度地降低能耗。多路閥的負載敏感系統(tǒng)在執(zhí)行機構需求流量超過泵的大流量時不能實現(xiàn)多缸同時操作，抗流量飽和技術通過各聯(lián)壓力補償器的壓差同時變化實現(xiàn)各聯(lián)負載工作速度保持原設定比例不變。

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，應用電液流量匹配控制技術，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)行機構，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采用泵閥同步并行控制的方式，可以基本消除傳統(tǒng)負載敏感系統(tǒng)控制中泵滯后閥的現(xiàn)象。電液流量匹配控制系統(tǒng)致力于結合傳統(tǒng)機液負載敏感系統(tǒng)、電液負載敏感系統(tǒng)和正流量控制系統(tǒng)各自的優(yōu)點，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)能性和響應操控性。

相對于傳統(tǒng)液壓閥閥芯進出口聯(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，目前國內(nèi)外研究的高速開關式數(shù)字閥基本都使用負載口獨立控制技術，從而實現(xiàn)進出油口的壓力、流量分別調(diào)節(jié)。瑞典林雪平(Linkping)大學的Jan Ove Palmberg教授根據(jù)Backé教授的插裝閥控制理論首先提出負載口獨立控制(Separate controls of meter-in and meter-out orifices)概念。在液壓執(zhí)行機構的每一側(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)控制目標速度控制。此外，在負載口獨立方向閥控制器設計上，采用LQG優(yōu)控制方法。在其應用于起重機液壓系統(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)大學研究了獨立控制策略以及閥的結構參數(shù)對負載口獨立控制性能的影響。美國普渡(Purdue)大學用5個錐閥組合，研究了魯棒自適應控制策略實現(xiàn)軌跡跟蹤控制和節(jié)能控制。其中4個錐閥實現(xiàn)負載口獨立控制功能，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(Technical University Dresden)在執(zhí)行器的負載口兩邊分別使用一個比例方向閥和一個開關閥的結構，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(RWTH Aachen University)研究了負載口獨立控制的各種方式，并提出了一種單邊出口控制策略。美國明尼蘇達(Minnesota)大學設計了雙閥芯結構的負載口獨立控制閥，并對其建立了非線性的數(shù)學模型和仿真。國內(nèi)學者從20世紀90年代開始對負載口獨立控制技術進行深入研究，浙江大學、中南大學、太原理工大學、太原科技大學、北京理工大學等均在此技術研究與工程應用方面取得相關進展。

負載口獨立控制系統(tǒng)，如圖13所示，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：負載口獨立系統(tǒng)進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)負載工況實時修改控制策略，所有工作點均可達到佳控制性能與節(jié)能效果;使用負載口獨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、電液負載敏感技術、電液流量匹配控制技術與負載口獨立控制技術的研究和應用進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相結合以提高控制的精確性和靈活性。

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