一种基于插装阀的大功率负载模拟系统及使用方法
阅读说明：本技术 一种基于插装阀的大功率负载模拟系统及使用方法 (High-power load simulation system based on cartridge valve and use method ) 是由 汪成文 张俊琪 赵赞魁 杜伟 于 2021-01-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于仿真技术领域,具体为一种基于插装阀的大功率负载模拟系统及使用方法。包括加载作动器、转速计、力矩传感器、加载控制器、比例减压阀Ⅰ、比例减压阀Ⅱ、比例减压阀Ⅲ、比例减压阀Ⅳ、二位二通电磁换向阀Ⅰ、插装阀Ⅰ、插装阀Ⅱ、插装阀Ⅲ、插装阀Ⅳ、二位二通电磁换向阀Ⅱ、单向阀、单向变量液压泵、油箱、力矩反馈信号微分器、加载轴轴向刚度比例单元、角速度指令计算单元、被加载对象角度反馈信号微分器和角速度伺服控制器。本发明的加载装置不仅结构简单,成本较低,而且实现了对加载作动器的流量和压力状态的分腔协调控制,消除了被加载对象主动运动导致的强迫流量,多余力抑制效果好,负载模拟精度高。(The invention belongs to the technical field of simulation, and particularly relates to a high-power load simulation system based on a cartridge valve and a using method. The device comprises a loading actuator, a tachometer, a torque sensor, a loading controller, a proportional pressure reducing valve I, a proportional pressure reducing valve II, a proportional pressure reducing valve III, a proportional pressure reducing valve IV, a two-position two-way electromagnetic directional valve I, a cartridge valve II, a cartridge valve III, a cartridge valve IV, a two-position two-way electromagnetic directional valve II, a one-way valve, a one-way variable hydraulic pump, an oil tank, a torque feedback signal differentiator, a loading shaft axial rigidity proportional unit, an angular speed instruction calculating unit, a loaded object angle feedback signal differentiator and an angular speed servo controller. The loading device disclosed by the invention is simple in structure and low in cost, realizes the cavity-divided coordination control on the flow and pressure states of the loading actuator, eliminates the forced flow caused by the active movement of the loaded object, and is good in redundant force inhibition effect and high in load simulation precision.)
技术领域
本发明属于仿真技术领域，具体为一种基于插装阀的大功率负载模拟系统及使用方法。
背景技术
负载模拟器在航空航天，车辆，船舶等领域有着广泛的应用，主要用于半实物仿真测试中，它可以实时跟踪计算机给定的载荷谱，模拟被加载对象在真实环境下所受的载荷，检测被加载对象系统的技术性能指标。负载模拟器模拟提升机所受的力矩载荷，可以在实验室条件下检测提升机的带载性能、控制精度和提升机的闸控系统的稳定性、可靠性。
在大功率矿井提升机为典型代表的一类对大流量、大力矩有加载技术需求的场合，传统的负载模拟系统受加载阀最大通流量的制约，并不适用于大流量负载模拟工况，传统的负载模拟系统无法满足提升机加载实验的技术需求。同时，传统的负载模拟系统没有节能加载功能，在逆载加载工况时，能源利用率低，能耗大。
在多余力抑制方面，传统的负载模拟系统利用舵机速度信号进行前馈补偿。专利CN104564915A提出了一种基于泵阀复合的双自由度电液负载模拟控制方法，该方法是在原来的阀控系统基础上额外加设了一套泵控系统，通过复合控制达到运动加载的目的，但该方案的问题是结构复杂，增加了系统实现成本。
总体来说，传统负载模拟存在以下几个问题：（1）传统的负载模拟系统只能用于小流量、小力矩工况，而且传统的加载方案中，压力和流量是同时控制，相互耦合，导致控制精度低、载荷谱指令跟踪误差大。（2）在逆载加载工况，传统的负载模拟系统没有实现节能加载功能，能源利用率不高，能耗比较大。（3）在多余力抑制方面，有些负载模拟方案虽然效果好，但负载模拟系统结构复杂，成本较高，不易实现。因此，设计一种适用于大流量、大力矩负载模拟工况，兼顾加载精度和能量利用效率的新型负载模拟系统意义重大。
发明内容
本发明的目的是解决传统负载模拟系统不能用于大流量、大力矩工况、能耗比较大的问题，同时解决有些负载模拟方案结构复杂，不易实现等问题，提供一种基于插装阀的大功率负载模拟系统及使用方法。
本发明采取以下技术方案：一种基于插装阀的大功率负载模拟系统，包括加载作动器、转速计、力矩传感器、加载控制器、比例减压阀Ⅰ、比例减压阀Ⅱ、比例减压阀Ⅲ、比例减压阀Ⅳ、二位二通电磁换向阀Ⅰ、插装阀Ⅰ、插装阀Ⅱ、插装阀Ⅲ、插装阀Ⅳ、二位二通电磁换向阀Ⅱ、单向阀、单向变量液压泵、油箱、力矩反馈信号微分器、加载轴轴向刚度比例单元、角速度指令计算单元、被加载对象角度反馈信号微分器和角速度伺服控制器，加载作动器的轴向杆上安装转速计和力矩传感器，力矩传感器的输出端与加载控制器的反相端相连，加载控制器的同相端通过依次连接的力矩反馈信号微分器、加载轴轴向刚度比例单元与角速度指令计算单元的同相端相连，角速度指令计算单元的同相端与被加载对象角度反馈信号微分器相连，被加载对象角度反馈信号微分器与被加载对象系统连接，角速度指令计算单元的输出端与角速度伺服控制器的同相端相连；加载作动器的A腔分别与插装阀Ⅰ的油口A和插装阀Ⅱ的油口B连接，加载作动器的B腔分别与插装阀Ⅲ的油口B和插装阀Ⅳ的油口A连接；插装阀Ⅱ和插装阀Ⅲ的油口A通过单向阀与单向变量液压泵的压力油输出端相连，单向变量液压泵的进油端与油箱连接，插装阀Ⅰ和插装阀Ⅳ的油口B分别通过二位二通电磁换向阀Ⅰ和二位二通电磁换向阀Ⅱ与油箱相连；插装阀Ⅰ、插装阀Ⅱ、插装阀Ⅲ和插装阀Ⅳ的X口分别与比例减压阀Ⅰ、比例减压阀Ⅱ、比例减压阀Ⅲ和比例减压阀Ⅳ连接。
进一步的，插装阀Ⅱ和插装阀Ⅲ的油口A还通过依次连接的先导式溢流阀和二位二通电磁换向阀Ⅲ与油箱连接。
进一步的，比例减压阀Ⅰ、比例减压阀Ⅱ、比例减压阀Ⅲ以及比例减压阀Ⅳ可以是直动式比例减压阀，也可以是先导式比例减压阀。
一种基于插装阀的大功率负载模拟系统的使用方法，当被加载对象的运动方向和力矩谱指令的方向都为正时，称为工作模式1，加载作动器A腔工作在流量模式，B腔工作在压力模式；当被加载对象运动方向为正时、力矩谱指令的方向为负时，称为工作模式2，加载作动器A腔工作在压力模式，B腔工作在流量模式；当被加载对象运动方向和力矩谱指令的方向都为负时，称为工作模式3，加载作动器A腔工作在压力模式，B腔工作在流量模式；当被加载对象运动方向为负时、力矩谱指令的方向为正时，称为工作模式4，加载作动器A腔工作在流量模式，B腔工作在压力模式。
当加载装置处于工作模式1时，加载作动器A腔处于流量模式，B腔处于压力模式，从单向变量液压泵流出的油液通过插装阀Ⅲ，流入加载作动器B腔，油液从A腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅰ断电，油液经电磁换向阀Ⅰ流回油箱；采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器和角速度指令计算单元生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器利用该信号与加载作动器的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制比例减压阀Ⅲ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅰ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔A的流量，实现对加载作动器输出角速度的控制，利用力矩传感器反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器生成加载控制信号，控制比例减压阀Ⅱ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅲ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔B的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
当加载装置处于工作模式2时，加载作动器A腔处于压力模式，B腔处于流量模式，从单向变量液压泵流出的油液通过插装阀Ⅲ，流入加载作动器B腔，油液从A腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅰ通电，通过插装阀Ⅰ的油液，与单向变量液压泵输出的油液共同流入插装阀Ⅲ，减少单向变量液压泵的输出流量，从而达到节能加载的目的；采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器和角速度指令计算单元生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器利用该信号与加载作动器的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制比例减压阀Ⅱ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅲ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔B的流量，实现对加载作动器输出角速度的控制。利用力矩传感器反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器生成加载控制信号，控制比例减压阀Ⅲ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅰ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔A的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
当加载装置处于工作模式3时，加载作动器A腔处于压力模式，B腔处于流量模式，从单向变量液压泵流出的油液通过插装阀Ⅱ，流入加载作动器A腔，油液从B腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅱ断电，油液通过插装阀Ⅳ、二位二通电磁换向阀回油箱，采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器和角速度指令计算单元生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器利用该信号与加载作动器的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制比例减压阀Ⅳ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅳ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔B的流量，实现对加载作动器输出角速度的控制，利用力矩传感器反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器生成加载控制信号，控制比例减压阀Ⅰ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅱ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔A的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
当加载装置处于工作模式4时，加载作动器A腔处于流量模式，B腔处于压力模式，从单向变量液压泵流出的油液通过插装阀Ⅱ，流入加载作动器A腔，油液从B腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅱ通电，通过插装阀Ⅳ的油液，与单向变量液压泵输出的油液共同流入插装阀Ⅱ，减少单向变量液压泵的输出流量，从而达到节能加载的目的；采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器和角速度指令计算单元生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器利用该信号与加载作动器的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制比例减压阀Ⅰ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅱ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔A的流量，实现对加载作动器输出角速度的控制，利用力矩传感器反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器生成加载控制信号，控制比例减压阀Ⅳ输出的压力，以此来控制插装阀Ⅳ阀芯开度，进而调节加载作动器容腔B的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）本发明解决了传统负载模拟系统不能用于大流量大力矩工况，例如对大功率提升机有加载技术需求的场合。
2）本发明在逆载加载工况时（加载方向与被加载对象运动方向相反），可以通过控制二位二通电磁换向阀实现节能加载，提高了能源利用率，降低了加载系统的功率消耗。
3）本发明的加载装置不仅结构简单，成本较低，而且实现了对加载作动器的流量和压力状态的分腔协调控制，消除了被加载对象主动运动导致的强迫流量，多余力抑制效果好，负载模拟精度高。
附图说明
图1是流量压力分腔协调控制负载模拟系统的工作模式图（规定逆时针为正方向）；
图2是本发明设计的原理图；
图中，1—加载作动器，2—转速计，3—力矩传感器，4—加载控制器，5—比例减压阀Ⅰ，6—比例减压阀Ⅱ，7—比例减压阀Ⅲ，8—比例减压阀Ⅳ，9—二位二通电磁换向阀Ⅰ，10—插装阀Ⅰ，11—插装阀Ⅱ，12—插装阀Ⅲ，13—插装阀Ⅳ，14—二位二通电磁换向阀Ⅱ，15—先导式溢流阀，16—单向阀，17—二位二通电磁换向阀Ⅲ，18—单向变量液压泵，19—油箱，20—力矩反馈信号微分器，21—加载轴轴向刚度比例单元，22—角速度指令计算单元，23—被加载对象角度反馈信号微分器，24—角速度伺服控制器，25—角度传感器，26—被加载对象作动器，27—比例换向阀，28—被加载对象控制器。
具体实施方式
下面结合图1和图2对本发明做进一步的说明。
实施例：
根据被加载对象的运动角度θ以及力矩谱指令T的方向，可将加载装置的工作模式分为四种。规定以被加载对象作动器（图1中为滚筒）作为参考，从右往左看，运动方向θ和加载谱指令T的方向以逆时针方向为正。
如图1所示，当被加载对象的运动方向和力矩谱指令的方向都为正时，称为工作模式1，加载作动器A腔工作在流量模式，B腔工作在压力模式；当被加载对象运动方向为正时、力矩谱指令的方向为负时，称为工作模式2，加载作动器A腔工作在压力模式，B腔工作在流量模式；当被加载对象运动方向和力矩谱指令的方向都为负时，称为工作模式3，加载作动器A腔工作在压力模式，B腔工作在流量模式；当被加载对象运动方向为负时、力矩谱指令的方向为正时，称为工作模式4，加载作动器A腔工作在流量模式，B腔工作在压力模式。以上说明了加载装置在任意工作时刻一定处于上述四种模式之一，也能确定加载作动器两腔的工作模式。
如图2所示，一种基于插装阀的大功率负载模拟系统，包括加载作动器1、转速计2、力矩传感器3、加载控制器4、比例减压阀Ⅰ5、比例减压阀Ⅱ6、比例减压阀Ⅲ7、比例减压阀Ⅳ8、二位二通电磁换向阀Ⅰ9、插装阀Ⅰ10、插装阀Ⅱ11、插装阀Ⅲ12、插装阀Ⅳ13、二位二通电磁换向阀Ⅱ14、单向阀16、单向变量液压泵18、油箱19、力矩反馈信号微分器20、加载轴轴向刚度比例单元21、角速度指令计算单元22、被加载对象角度反馈信号微分器23和角速度伺服控制器24，加载作动器1的轴向杆上安装转速计2和力矩传感器3，力矩传感器3的输出端与加载控制器4的反相端相连，加载控制器4的同相端通过依次连接的力矩反馈信号微分器20、加载轴轴向刚度比例单元21与角速度指令计算单元22的同相端相连，角速度指令计算单元22的同相端与被加载对象角度反馈信号微分器23相连，被加载对象角度反馈信号微分器23与被加载对象系统连接，被加载对象系统通过角度传感器将角度转化为数字信号输入到被加载对象角度反馈信号微分器中，以达到控制加载作动器速度的目的。角速度指令计算单元22的输出端与角速度伺服控制器24的同相端相连；加载作动器1的A腔分别与插装阀Ⅰ10的油口A和插装阀Ⅱ11的油口B连接，加载作动器1的B腔分别与插装阀Ⅲ12的油口B和插装阀Ⅳ13的油口A连接；插装阀Ⅱ11和插装阀Ⅲ12的油口A通过单向阀16与单向变量液压泵18的压力油输出端相连，单向变量液压泵18的进油端与油箱19连接，插装阀Ⅰ10和插装阀Ⅳ13的油口B分别通过二位二通电磁换向阀Ⅰ9和二位二通电磁换向阀Ⅱ14与油箱19相连，插装阀Ⅰ10、插装阀Ⅱ11、插装阀Ⅲ12和插装阀Ⅳ13的X口分别与比例减压阀Ⅰ5、比例减压阀Ⅱ6、比例减压阀Ⅲ7和比例减压阀Ⅳ8连接。为了达到通过控制X口的压力，进而控制插装阀的阀芯开度。
当加载装置处于工作模式1（顺载）时，加载作动器1A腔处于流量模式，B腔处于压力模式，从单向变量液压泵18流出的油液通过插装阀Ⅲ12，流入加载作动器1B腔，油液从A腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅰ9断电，油液经电磁换向阀Ⅰ9流回油箱；采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器20和角速度指令计算单元22生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器24利用该信号与加载作动器1的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制比例减压阀Ⅲ7输出的压力，以此来控制插装阀Ⅰ10阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔A的流量，实现对加载作动器1输出角速度的控制，利用力矩传感器3反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器4生成加载控制信号，控制比例减压阀Ⅱ6输出的压力，以此来控制插装阀Ⅲ12阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔B的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
当加载装置处于工作模式2（逆载）时，加载作动器1A腔处于压力模式，B腔处于流量模式。从单向变量液压泵18流出的油液通过插装阀Ⅲ12，流入加载作动器1B腔，油液从A腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅰ9通电，通过插装阀Ⅰ10的油液，与单向变量液压泵18输出的油液共同流入插装阀Ⅲ12，减少单向变量液压泵18的输出流量，从而达到节能加载的目的。采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器20和角速度指令计算单元22生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器24利用该信号与加载作动器1的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制直动式比例减压阀Ⅱ6输出的压力，以此来控制插装阀Ⅲ12阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔B的流量，实现对加载作动器1输出角速度的控制。利用力矩传感器3反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器4生成加载控制信号，控制直动式比例减压阀Ⅲ7输出的压力，以此来控制插装阀Ⅰ10阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔A的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
当加载装置处于工作模式3（顺载）时，加载作动器1A腔处于压力模式，B腔处于流量模式。从单向变量液压泵18流出的油液通过插装阀Ⅱ11，流入加载作动器1A腔，油液从B腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅱ14断电，油液通过插装阀Ⅳ13、二位二通电磁换向阀14回油箱。采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器20和角速度指令计算单元22生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器24利用该信号与加载作动器1的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制直动式比例减压阀Ⅳ8输出的压力，以此来控制插装阀Ⅳ13阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔B的流量，实现对加载作动器输出角速度的控制。利用力矩传感器3反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器4生成加载控制信号，控制直动式比例减压阀Ⅰ5输出的压力，以此来控制插装阀Ⅱ11阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔A的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
当加载装置处于工作模式4（逆载）时，加载作动器1A腔处于流量模式，B腔处于压力模式，从单向变量液压泵18流出的油液通过插装阀Ⅱ11，流入加载作动器1A腔，油液从B腔流出，此时二位二通电磁换向阀Ⅱ14通电，通过插装阀Ⅳ13的油液，与单向变量液压泵18输出的油液共同流入插装阀Ⅱ11，减少单向变量液压泵18的输出流量，从而达到节能加载的目的；采集力矩谱指令和被加载对象角速度反馈信号，经过力矩反馈信号微分器20和角速度指令计算单元22生成解耦被加载对象运动的指令信号，角速度伺服控制器24利用该信号与加载作动器1的角速度反馈信号基于PID算法生成流量控制信号，控制比例减压阀Ⅰ5输出的压力，以此来控制插装阀Ⅱ11阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔A的流量，实现对加载作动器输出角速度的控制，利用力矩传感器3反馈信号与力矩谱指令，通过加载控制器4生成加载控制信号，控制比例减压阀Ⅳ8输出的压力，以此来控制插装阀Ⅳ13阀芯开度，进而调节加载作动器1容腔B的压力，实现对加载作动器输出力矩的控制。
所述的加载装置的加载作动器1不仅可以是液压马达，而且也可以是非对称单出杆液压缸，对称双出杆液压缸，有限摆角液压摆动缸。
所述的比例减压阀可以是直动式比例减压阀，也可以是先导式比例减压阀。
所述的角速度闭环控制回路，其加载作动器的角速度反馈信号通过角度传感器加微分器和滤波器生成来代替加载作动器转速计产生。
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