2.4　比例压力-流量复合阀（P-Q阀）及应用

电液比例压力-流量复合阀（简称P-Q阀）是一种新型的节能型复合阀，它能够对执行元件（液压缸或液压马达）的不同工作状态进行速度和输出力或力矩进行比例控制，既能实现具有确定增益系统的开环控制，又能实现自调整的闭环控制，因此能够满足特殊工艺的应用要求。

2.4.1　P-Q阀的稳态控制特性

P-Q阀是多参数控制阀，由先导式比例溢流阀与比例流量阀组成，用两路电信号分别控制液压系统的压力和流量。由于节流阀流量的比例调节和负载的压力变化，使节流阀出口存在流量的不稳定，工程上复合阀中通常采用具有压力补偿作用的定差溢流阀来保证节流阀进、出阀口保持恒定压力差Δp，其流量方程为：

　　        （2-5）

A（x）=πdx

式中　C_d——流量系数；

A（x）——阀口开口面积；

d——滑阀直径；

ρ——流体密度；

Δp——节流阀压力差。

在阀芯通径一定的情况下，通过的流量取决于开口量x，直接取决于比例电磁铁的推杆位移，故建立如下比例电磁铁数学模型：

　　        （2-6）

式中　u_i，i——线圈电压和电流；

L，K_e——线圈电感和感应反电动势系数；

x——比例电磁铁位移。

令R_c+r_p=K_p，对式（2-6）进行拉普拉斯变换可得：

U_i（s）=LsI（s）+K_pI（s）+K_esX（s）　　        （2-7）

不考虑液压力、干扰力影响，得到位移方程：

　　        （2-8）

式中　M——衔铁组件的质量；

B——阻尼系数；

K_s——衔铁组件的弹簧刚度。

在工作区域中，电磁铁推力的近似线性表达式为：

F_m=K_ii-K_yx　　        （2-9）

式中　K_i——比例电磁铁的电磁力系数；

K_y——位移力系数和调零弹簧刚度之和。

整理方程式（2-8）、式（2-9）可得二阶系统位移与电流的传递函数：

　　        （2-10）

直流比例电磁铁组件无因次阻尼系数为：

衔铁组件弹簧质量系统固有频率为：

对式（2-8）式（2-9）进行拉氏变换，并整理式（2-6）～式（2-9）可得：

　　        （2-11）

式中，K₁=LM；K₂=LB+K_pM；K₃=［L（K_s+K_y）+K_pB+K_iK_e］，K₄=K_p（K_s+K_p）。

P-Q阀的电-机械转换元件将电信号转换成阀芯的运动，通过阀芯的运动去控制流体的压力与流量，完成电-机-液的比例转换。

由于比例电磁铁线圈存在较大的电感，因此需延迟电流上升时间，为了提高其动态性能，可串接电阻或采用较高的启动电压，P-Q阀的稳态控制特性曲线如图2-30和图2-31所示。

由于直流比例电磁铁有明显滞环（由电磁滞迟和摩擦形成），因此应在正常工作的稳态电流的基础上，叠加一定频率和幅值的颤振信号。

2.4.2　P-Q阀构成的液压系统

图2-32双点画线所框部分为P-Q阀原理图，采用的P-Q阀型号为PQ-E06B-100。P-Q阀本身所具有的流量系统的滞环小于或等于5%，压力系统的滞环小于或等于3%。实际系统有一定的非线性误差，且存在较大的滞环和死区，而微机则可以利用丰富的软件功能来实现滞环和死区的补偿。动态控制时既可采用闭环控制，也可采用开环控制。闭环控制时，可对电液比例阀的压力或流量进行控制，根据控制量的不同而选用压力或流量传感器作为检测元件，以软件算法实现PID调节器的控制作用。开环控制时，其动态过程无法控制，为保证快速响应且无振荡和冲击，可用软件算法形成多种曲线，使压力或流量按控制要求变化，通过软件进行配置以达到快速和稳定控制的目的。图2-32所示的可控液压单元的设计采用常规的液压系统设计方法，定量泵的型号依据P-Q阀可调的稳定的压力和流量最大值选定，系统中的溢流阀2起到系统安全阀的双重作用。元件3为常通式二位二通电磁换向阀，将液压执行部分、电液换向阀、P-Q阀组成一个单元，在考察P-Q阀的特性时，可在P-Q阀与电液换向阀1之间采用快换接头的形式（在进行P-Q阀的特性参数测试时，回油管可直接连接到油箱）。

2.4.3　P-Q阀的控制

主要的控制方法按照输入控制信号的形式分为：①模拟信号控制式，如可编程控制器（PLC）的广泛应用；②脉冲宽度调制（PWM）信号控制式，如利用单片机为控制部件，采用软件脉冲调宽复合控制流量压力，技术较成熟；③数字信号控制式，利用PC机为硬件组成可控单元，在分析研究系统控制功能后，可采用计算机语言混合编制实验控制程序，主控调度程序提供人机对话界面、全屏幕下拉式菜单及数据查询功能。

某液压系统采用闭环控制系统，原理如图2-33所示，对于位置精度要求相对较高的工作状态可使工作过程的参数（负载、速度等）程序化，并实现闭环系统过程控制，即对主控参量（流量q_v或压力p）的电反馈，通过D/A转换分别控制两路比例阀（压力和流量）。基于P-Q阀的参数自适应模糊增益调整PID控制策略，其结构如图2-34所示。

比例控制器件可采用压力流量位移内反馈和动压反馈机电校正等手段，使电液比例控制阀的稳态精度和动态响应速度均与伺服阀相近。

P-Q阀能够容易实现自动连续控制、远程控制和程序控制，结构简单，使用元件少，简化了系统。