许振保赵春娥许振珊

（1泰山学院；2泰山职业技术学院，山东 泰安；3济宁职业技术学院，山东 济宁）

电液比例阀中位死区的线性化补偿方法

许振保1赵春娥2许振珊3

（1泰山学院；2泰山职业技术学院，山东 泰安；3济宁职业技术学院，山东 济宁）

电液比例阀存在比较大的零位死区，死区过大，手动操作时，容易使人产生滞后感；位置闭环时，影响控制系统的稳定性和动态特性。为了使电液比例阀在使用中获得更好的性能，应该设法减小比例阀死区的影响。目前比较常用的减小死区的方法有先导电流法和变增益法。文中提出了另一种解决比例阀死区影响的线性补偿方法，并用于比例阀系统的PID控制中。

电液比例阀；中位死区；线性化补偿

0 引 言

对电液比例阀控马达位置闭环系统的控制选择目前比较成熟的PID控制方法。其中比例方向阀是比例系统中主要控制元件。但为了降低比例阀的制造精度，电液比例阀的中位一般引入较大的搭接量，因而存在比较大的零位死区，死区过大，在手动操作时，容易产生滞后感；在位置闭环时，影响控制系统的稳定性和动态特性。为了使电液比例阀在使用中获得更好的性能，应设法减小比例阀死区的影响。目前比较常用的减小死区的方法有先导电流法和变增益法。

1 常用减少电液比例阀死区的方法

1.1 先导电流法

通过在控制器上设定最小电流(Imin)或者通过提高控制器在零区附近的灵敏度来达到有效地消除(或者显著地减小)死区。当最大补偿时，很小的输入信号就使阀芯“跳过”死区，从而消除其影响。如图1所示：

图1 先导电流减小死区原理图

1.2 变增益控制方法

如图2所示，电液比例阀工作特性可分为三部分：CD段为死区段；BC、DE段为线性段；AB、EF段为饱和段。

图2 电液比例阀的工作特性

电液比例阀主要工作在死区段和线性段。当阀工作在死区段时，使放大器增益增大，控制电流变大，阀芯快速移过中位，从而实质上减小死区范围；当阀工作在线性段时放大器增益保持正常，满足控制精度的要求。由于具体的电液比例阀的死区范围各不相同，只能由实验确定，因此，变增益放大器应能在一定范围内调整增益到正常增益的转折点。变增益放大器的特性如图3。

图3 变增益放大器工作特性

2 线性化补偿方法的研究

通过上面对比例阀死区特性的研究知道，比例阀的死区特性曲线如图4所示。当输入比例阀电磁铁线圈的电流I＜D时，比例阀没有开度，因而没有液流流过比例阀。但实际上我们希望只要电磁铁线圈上有电流流过，比例阀就应该有开度，从而有液流流过。以前常用的方法就是当电流值I＜D时，用模拟电路产生I=D的电流值施加到电磁铁线圈上，或者在数字控制器中预加初始值。下面采用的方法将根据输入电磁铁线圈的电流值的增加，使施加的初始电流值逐渐减小至零。

图4 比例方向阀死区特性曲

根据电位器的工作原理知道电位器的输入与输出成线形关系。电位器的输出信号经过处理后线形变换为电流信号施加于电磁铁线圈上。因而经过一系列变换后，电位器的输出信号与电磁铁线圈的输入电流I之间成正比。即I=KU。如图5中的I-U曲线所示：

图5 I-U 曲线

从上面对比例阀特性的研究知道，通过比例阀阀芯的流量QL与电磁线圈电流之间的关系如图6所示。图中D为死区电流值，M 为比例阀最大开口时的电流值。当电流值I＜D时 比例阀没有流量。

图6 I-QL

比例阀的流量与电磁线圈电流间的关系可用下面的分段方程表示。

将电位器输出U与电磁线圈输入I之间的关系式I=KU带入式(1)，可以得出电位器输出U与比例阀流量间的关系：

从而电位器输出与比例阀流量间存在死区。而我们期望的目标是电位器输出值与比例阀流量间成比例关系。因此当电位器输出值比较小时，需要加较大的补偿，最大补偿量应为对应产生I-QL坐标上I=D的电流值。当电位器输出值增大时，对应补偿量减小直至等于零补偿。根据这样一种思想，在I-U坐标上过（0，D）和对应U坐标轴上I=M时的U=M/K点（M/K，0）作一直线就是我们需要的补偿曲线。这一直线的方程可求得：

曲线III′′′,,如图7所示。

图7曲线

根据条件M＞D及U＞=0可以得出 I′＞=D，因而可以将叠加后的信号带入电磁线圈电流与比例阀流量关系式中的中得出比例阀流量与叠加信号间的关系为：

很明显两者之间为线形比例关系。如图8中曲线1所示。

图8 U-QL

图8中曲线2为没有补偿信号时的电位器输出信号与比例阀流量之间的关系曲线，很明显加上补偿信号后比例阀的死区区间减小了。

3 采用线性补偿的PID控制方法

图9是加补偿的数字电液比例位置控制系统结构框图。

图9 加补偿的数字电液比例位置控制系统结构框图

数字控制器主要由数字PID控制器(控制算法)、死区补偿量及比例阀控制/驱动单元等部分组成。死区补偿量根据补偿曲线计算。将位置给定信号与位置反馈信号的偏差的绝对值作为该时刻的U值代入补偿曲线方程即可得到补偿量的大小而电流偏差信号两者的和为:即为数字PID控制器的输入信号，控制器的输出信号施加给比例阀控制/驱动单元。

图10 加补偿的PID 流程图

加上线性补偿后的PID控制算法流程图如图10所示。采用线性补偿的PID控制方法的实质就是在输入信号与反馈信号形成的偏差信号基础上，根据比例阀的死区特性曲线在软件中人为的加上一个由偏差信号大小决定的补偿量，从而大大提高了系统的定位精度和稳定性。当然采用这种方法的前提是认为比例阀的死区特性不随温度，流量，压力等外界条件而改变。实践证明外界条件对比例阀死区特性的影响比较小，采用这种方法对一般应用系统是可行的。

4 总 结

比例阀中位死区在位置闭环控制系统中对系统性能的影响比较严重，线性化补偿方法能够减小比例阀死区的影响，但还应进一步寻求解决比例阀死区影响的非线性化方法。

[1]路雨祥. 电液比例控制技术[M]. 北京:机械工业出版社, 1988:11-14.

[2]黎启柏. 电液比例控制与数字控制系统[M]. 北京:机械工业出版社, 1997:82-91.

[3] Richard. A simplified approach to feedback control system design[J]. Asrne Design Engineering Conferences, 1998, 12(4):45-57.

[4]薛晓虎. 液压系统阀控液压马达回路的动态特性分析[J].起重运输机械, 2002, (8):23-28.

[5]李皿. 关于自动控制系统的PID调节参数整定模式的改进[J]. 微电子学与计算机, 1994, 3(2):5-8.

(责任编校:刘志壮)

Linearity Compensation Method on Electro-hydraulic Proportional Valve Zero Dead Area

XU Zhen-bao1, ZHAO Chun-e2, XU Zhen-shan3
（1. Taishan University，2. Taishan Polytechnic，Tai’an；3. Jining Vocational Technology College, Jining）

Electrohydraulic proportional valve exits zero dead section. If dead section is over big, it will bring lag effect when handle operate, and affects stability and dynamic characteristic of the control system in positional closed-loop system. So we should manage to decrease the effects of the dead section in order to attain good performance. At present, there are two methods in common use-precursor current and charged plus method. This paper brings forward another method-linearity compensation method, and uses in PID control system.

Electro-hydraulic proportional valve; Dead area; Linearity compensation

TH 137

A

1673-2219（2010）08-0019-03

2010－04－20

许振保（1978－），男，山东宁阳县人，助教，硕士，主要从事控制技术方面的研究和教学。