电液比例控制技术在耙头绞车主动补偿系统中的应用研究

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自航耙吸挖泥船耙头对波浪和海床扰动的补偿-般采用被动补偿的方式，但是这种被动补偿对于大挖深的大型耙吸挖泥船就表现得稍显滞后，因此我们对于自航耙吸挖泥船耙头的主动补偿控制展开研究，目的是能够快速对波浪和海床的影响实施主动补偿，以提高施工精度。

电液比例控制技术是指在液压传动与控制的工程系统中，能够实现系统输出量，比如流量、压力、速度、力矩等，按确定的比例随输入控制信号变化而变化的- 门技术。电液比例控制技术的日趋成熟必将使之成为实现主动补偿功能的重要工具。本文针对该项目的研究，论述了电液比例控制技术在主动补偿系统中的应用研究。

1 主动补偿液压及控制试验系统的液压系统设计方案主动补偿液压及控制试验系统(以下简称主动补偿系统”)主要运用电液比例控制技术，根据相应的模拟主动运动实现精确控制执行机构马达正反转及其转速，从而达到理想的补偿效果。在受扰情况下主动补偿系统调用智能控制算法自动收放缆绳，以此精确控制水下耙头的深度和位置。

2 主动补偿液压及控制试验系统的工况要求及基本参数2.1 比例控制 系统按系统控制回路组成，电液比例控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统主要由电控制器、电液比例阀(电-机械转换装置、液压阀)、液压缸或液压马达组成，如图1所示。系统的控制量为输入电信号(电压或者电流)，经过电控制器的转换，控制电-机械转换装置按与输入电信号连续成比例动作，使电液比例阀的阀芯移动，从而使电液比例阀输出-定的压力、流量，并最终驱动液压缸或液压马达运动，由于电液比例阀输 出的压力、流量是根据输入的电信号比例可调的，因此执行原件也将按相同的比例运动。

I械转换 ，--1闷f装置 f图 1 开环控制系统收稿 日期 ：2012-10.19作者简介：李浩(1963-)，男，湖北钟祥人，高级工程师 ，工学学士，主要从事工程船舶的开发、应用与管理工作。

2013年第4期 液压与气动 67闭环控制系统相对于开环控制系统，多出了-个反镭路，因此构成上也较开环控制系统多了检测元件。此种回路控制精度高，有自动纠正偏差的能力，构成如图2所示。

- 检测元件图 2 闭环控制 系统2.2 主要参数设计选取本船为 自航耙吸挖泥船，耙头绞车主动补偿系统参数为：拉力为570 kN，绳速为 10 m/min，最大压力为25 MPa。

1)马达排量的选取由于此系统马达采用定排量马达，作为耙头绞车的驱动机构，因此需计算出马达需要的排量。

驱动对象为耙头绞车：已知钢缆收放速度范围为10 m/rain左右，耙头绞车卷筒半径为 1.35 In，作用在卷筒上的力 F为 570 kN，在-定的传动比下，按耙头绞车的最大收放速度，选取马达排量为3140 cm /rev。

2)泵排量和电机功率的选取根据耙头绞车系统流量 ，计算出系统的最大功率为 160 kW，选取泵的流量为360 L/min。

2.3 液压 系统组成液压系统由油箱总成、主油泵机组、泵站控制阀组、驱动控制阀组、绞车安全平衡及补油阀组、滤器、板式冷却器、电动球阀、流量传感器以及相应的管理附件组成。

2.4 系统中应用的比例元件的参数、功能(1)轴向柱塞泵 采用国外某公司 PV系列，型号为 PV270R9K1T1NYCC，最大排量为 270 cm /rev，工作时限定排量为 245 em /rev。泵体可复合负载敏感调节器、标准压力调节器、恒功率调节器等，实现负载敏感、恒压、恒功率等功能。

(2)比例 方 向流量 阀 采 用 国外某公 司 的D81FH系列先导式比例方向阀。耙头绞车比例阀选用的型号为 D81FHE02H2NB08，采用 Y型中位机能，其控制的马达出口需有平衡阀保证中位时马达能够准确锁住，额定流量为400 lMmin，带阀芯位置反馈功能，可构成闭环控制。以上两种型号比例阀其出口流量与阀芯开度成线性比例，可以采用电控或手控的方式来控制阀芯开度，使得马达的转速成线性变化。

(3)二通压力补偿器 采用国外某公司的插装阀，型号为 LPJC-XGN，是二通减压阀，选用流量为480L/rain，采用外部导压，进行压力补偿，这样可以使马达不受到负载的影响，将 A或 B口压力反镭来，以此调整通过本身的流量，维持马达流量的稳定。

(4)逻辑梭阀 采用国外某公司的插装阀，其型号为 CSAB.XXN，为单珠梭阀，流量为 10 IMmin，将 A或 B口压力信号反馈给二通压力补偿器。

(5)马达安全阀 马达安全阀为先导式溢流阀，压力设定为25 MPa，其先导口接电磁球阀，电磁球阀后接比例溢流阀，当电磁球阀断开时，此先导式溢流阀作为马达的安全阀，当电磁球阀接通后，比例溢流阀PMVP可实现对马达压力的比例调节。其中比例溢流阀的具体型号为PMVP4-42/24，最大流量为 16 IJmin，比例可调压力范围为5～290 bar。

2.5 耙头绞车主动补偿原理1)耙头绞车主动补偿耙头绞车工作原理如图3所示。耙头绞车进行主动补偿时，阀S06通电将刹车打开，阀 S07通电马达处于小排量状态，S05得电，使泵组处于恒压变量状态。

主动补偿过程中收时 BS02得电；放时 BS01、S09同时得电(为了安全及补偿迅速，阀 S09只有在放补偿时与 BS01同时开启)。

通过计算机系统将压力传感器采集的马达平衡阀- 侧的压力值赋予 BS06，使阀 BS06处于设定压力状态，然后使 S10得电，开启比例压力调节功能，同时开启比例方向阀，使其处在收揽状态，并保持最大开度(BS02通 1O V电压)。当传感器采集的压力值达到BS06设定值以后，S09得电，旁通平衡阀，马达提升腔压力为设定值。通过电气系统钢丝绳张力的反馈，马达旋转编码器反馈信号综合处理，调节溢流阀比例电磁铁 BS06电流大小 ，驱动比例换向阀收放。通过钢丝绳张力反馈 ，马达旋转编码器反励行开度大小(BS01或 BS02电压大小)调节，从而进行主动补偿。

2.6 波浪补偿器油缸主动补偿工作原理波浪补偿器油缸在被动补偿时是靠该系统向油缸补偿系统中的蓄能器充人-定压力空气或氮气，通过蓄能器的气液弹簧”效益，自动进行补偿。

主动补偿时，通过油缸的负载油腔和非负载油腔，将刹车油接至油缸主动补偿系统的补油口。通过传感器主动采集平台的主动运动，驱动比例换 向阀收放，使油缸按给定运动上下直线运动。通过钢丝绳张力反68 液压与气动 2013年第4期6. 厂 1- l J42 I43 I坪 ： U l !： 令 - T，.z r3 1 61，-62 1IBSO1 L T- ：： i i 1' -]- llL 幸 向J.---- - --L中· 目I >- --～l 了 l BsUf圆 lJ图3 耙头绞车工作原理图馈，马达旋转编码器反励行开度大小调节，从而进行主动补偿。同时，开启压力比例调节功能，并采集张力信号进行比对，实现对钢丝绳张力的精确控制。主动式补偿相比该补偿更稳定、精度更高、响应更快。

3 结论本液压及控制系统在试验过程中，采用压力可调的恒功率负载敏感泵、带阀芯位置反馈的电液比例换向阀及比例溢流阀并辅以PID反镭制器的控制而实现相关装置的主动补偿∩与原系统共同实现主动补偿、被动补偿及半主动补偿试验。通过电气控制系统给定的钢丝绳张力反馈信号所产生的 PID控制信号，实现吊放系统、双作用油缸钢丝绳的恒张力控制。通过电气控制系统给定的运动参数、钢丝绳张力反馈性信号、马达旋转编码器反馈信号(油缸位移传感器反馈信号)所产生的 PID控制信号，实现耙头绞车、波浪补偿油缸主动式主动补偿功能。

比例溢流阀采用双级三通减压阀作为先导控制的结构，可实现回路压力的精细控制，在控制信号-定的情况下回路压力并不随溢流量的增大而略微增大，而是保持恒定值不变，从而能够精确反镭路压力，以实现在被动补偿中缆绳张力的精确控制。

电液比例方向流量阀采用二通进口压力补偿的方法确保阀口前后压差不变，从而实现阀口开度与控制流量成比例，另外此系统中采用的电液比例方向流量阀具有阀芯位置反馈功能，可容易实现闭环控制，从而保证对通过阀流量的准确控制，最终使得执行机构马达转速精确、可控可调。

在轴向柱塞泵上叠加各种调节器(其中调节器的组成部分包含比例减压阀、比例溢流阀等，这也是比例减压阀、比例溢流阀的应用范围之-)，实现恒压、恒流、恒功率及各种复合控制功能。采用这些调节器实现各种控制功能最主要的就是改善系统的性能，减少功率损失。

多组合液压及控制试验系统采用 PID校正控制，其中比例环节用于减少偏差，微分环节用于改善系统的阻尼而积分环节用于消除系统的稳态误差。在试验中选认适的参数，可获得较好的控制效果，也为今后主动补偿系统中相关控制部分的实施及应用提供理论依据。

由于液压技术的种种优点及液压技术的不断发展，电液比例控制技术将会得到越来越广泛的应用，这是必然趋势。系统大量采用了电液比例控制元件，使系统可与微电子技术进行连接并进行相关的控制试验及采用 PID校正控制技术对系统的控制性能加以改善，为日后主动补偿的建造及研究提供试验平台。同时由于工程实际对液压系统的要求越来越高，也促进了相关液压技术的发展，因此对电液比例控制技术进行深入的研究具有重要的工程实际意义。