双闭环冗余控制阀口独立电液阀及其工作方法

技术领域

本发明涉及液压技术领域，特别是涉及一种双闭环冗余控制阀口独立电液阀及其工作方法。

背景技术

传统的电比例换向阀采用比例电磁铁控制单阀芯实现执行机构动作，但是单阀芯控制的进、出油机械固连在一起，造成执行机构的进、回油节流面积无法根据工况进行独立灵活调节，系统能耗大，控制方式不灵活。阀口独立控制电液阀采用两位两通电比例阀结构，每个两位两通电比例阀用于执行机构一侧的进油或回油，多个两位两通电比例阀组合，用于执行机构两侧进油、回油的独立调节，系统控制灵活、高效节能。

目前，两位两通电液阀结构多采用开环控制或位移-力反馈控制结构，其中，开环控制的控制精度低，影响执行机构的精确控制；与开环控制相比，位移-力反馈控制结构控制精度有所提升，但受反馈弹簧刚度衰减等影响，控制精度不高，为保证流量控制精度，一般需配备前置补偿阀，导致系统压力损失大、能耗高。

专利号为201911294396.4的中国发明专利申请中公开了一种换向阀、液压系统及工程机械，其中的两位两通电比例阀采用的是位移-力反馈结构，其中的反馈弹簧是决定主阀芯位移控制的关键元件，但随着反馈弹簧刚度的衰减，主阀芯位移控制精度逐渐降低，从而导致系统流量控制精度降低。该单阀芯组成阀组控制执行元件动作时，无法满足流量精度控制，为了提升流量控制精度，需要在主阀芯前增加前置补偿阀，实现系统压力与负载压力之间压差近似常数，但是该压差的能量将以使油液发热的形式消耗在补偿阀上，造成系统能量损失。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种双闭环冗余控制阀口独立电液阀及其工作方法，提高系统冗余度、控制精度和可靠性，双闭环冗余控制可根据工况灵活选择，适应性更强。

第一方面，本发明提供一种双闭环冗余控制阀口独立电液阀。

双闭环冗余控制阀口独立电液阀，包括机械内闭环和电反馈外闭环，

所述机械内闭环包括用于控制油缸缩回的第一位移-力反馈单元及第三位移-力反馈单元、用于控制油缸伸出的第二位移-力反馈单元及第四位移-力反馈单元、数据采集单元，

所述第一位移-力反馈单元中包括第一主阀及用于控制所述第一主阀开关及开度大小的第一控件，所述第二位移-力反馈单元中包括第二主阀及用于控制所述第二主阀开关及开度大小的第二控件，所述第三位移-力反馈单元中包括第三主阀及用于控制所述第三主阀开关及开度大小的第三控件，所述第四位移-力反馈单元中包括第四主阀及用于控制所述第四主阀开关及开度发小的第四控件，

油缸缩回过程：油液从进油口P经所述第三主阀从工作油口B进入油缸小腔，油缸大腔油液从工作油口A经所述第一主阀回油箱T；

油缸伸出过程：油液从进油口P经所述第二主阀从工作油口A进入油缸大腔，油缸小腔油液从工作油口B经所述第四主阀回油箱T；

所述第一主阀包括第一阀芯，所述第二主阀包括第二阀芯，所述第三主阀包括第三阀芯，所述第四主阀包括第四阀芯，

所述数据采集单元包括位移采集单元和温压采集单元，所述位移采集单元用于采集所述第一阀芯的位移量数据、所述第二阀芯的位移量数据、所述第三阀芯的位移量数据及所述第四阀芯的位移量数据，所述温压采集单元用于采集进油口P的油温和压力、工作油口A的油温和压力及工作油口B的油温和压力，

所述电反馈外闭环根据所述数据采集单元采集到的数据得到用于分别控制所述第一控件、所述第二控件、所述第三控件及所述第四控件的四路控制电流。

可选地，所述第一控件与所述第一阀芯之间设置有第一先导阀芯及第一反馈弹簧，所述第二控件与所述第二阀芯之间设置有第二先导阀芯及第二反馈弹簧，所述第三控件与所述第三阀芯之间设置有第三先导阀芯及第三反馈弹簧，所述第四控件与所述第四阀芯之间设置有第四先导阀芯及第四反馈弹簧，所述第一控件、所述第二控件、所述第三控件及所述第四控件均为电磁铁。

可选地，所述第一控件的控制电流的大小与所述第一阀芯的位移量呈正比例关系，所述第二控件的控制电流的大小与所述第二阀芯的位移量呈正比例关系，所述第三控件的控制电流的大小与所述第三阀芯的位移量呈正比例关系，所述第四控件的控制电流的大小与所述第四阀芯的位移量呈正比例关系。

可选地，所述电反馈外闭环包括流量计算模块、工况要求模块及电反馈控制算法模块，所述工况要求模块输出指令流量和指令压力，所述数据采集单元采集到的数据输入所述流量计算模块后得到反馈流量，从所述数据采集单元采集到的压力数据中选取一者作为反馈压力，反馈流量与指令流量的差值、反馈压力与指令压力的差值均输入至所述电反馈控制算法模块。

可选地，反馈流量与指令流量的差值经第一比例放大器后输入至所述电反馈控制算法模块，反馈压力与指令压力的差值经第二比例放大器后输入至所述电反馈控制算法模块。

可选地，油缸缩回过程中，工作油口A的压力作为反馈压力；油缸伸出过程中，工作油口B的压力作为反馈压力。

可选地，工作油口A与油箱T之间、工作油口B与油箱T之间分别设置有过载补油阀。

第二方面，本发明还提供一种双闭环冗余控制阀口独立电液阀的工作方法。

双闭环冗余控制阀口独立电液阀的工作方法，应用于如权利要求1至7中任一项所述的电液阀，包括如下步骤：

A：采集进油口P、工作油口A、工作油口B 的油温和压力数据，以及第一阀芯、第二阀芯、第三阀芯、第四阀芯的位移量数据；

B：根据工况需求，判断是否启动双闭环冗余控制，若是，则执行步骤C；若否，则执行步骤D；

C：判断电反馈外闭环是否失效，若是，执行步骤D；若否，执行步骤E；

D：开环控制，计算并输出第一控件、第二控件、第三控件及第四控件的控制电流；

E：电反馈外闭环控制，根据步骤A获得的数据，计算并输出第一控件、第二控件、第三控件及第四控件的控制电流；

F：第一阀芯、第二阀芯、第三阀芯、第四阀芯执行所需的位移量。

可选地，步骤E中的控制电流的计算过程包括：

e1：计算出对应主阀的反馈流量，计算出反馈流量与工况需求的指令流量的差值ΔQ，流量控制精度要求为δQ，当|ΔQ|≤δQ时，无需调整对应的控制电流；当ΔQ＞δQ时，调整对应的控制电流减小，直至|ΔQ|≤δQ；当ΔQ＜-δQ时，调整对应的控制电流增大，直至|ΔQ|≤δQ；

e2：选取反馈压力，计算出反馈压力与工况需求的指令压力的差值ΔPb，压力控制精度要求为δPb，当|ΔPb|≤δPb时，无需调整对应的控制电流；当ΔPb＞δPb时，调整对应的控制电流增大，直至|ΔPb|≤δPb；当ΔPb＜-δPb时，调整对应的控制电流减小，直至|ΔPb|≤δPb。

可选地，计算反馈流量的公式为：

其中，Q为阀口流量，Cd为阀口流量系数，x为对应的阀芯的位移量，A(x)为阀口面积，P1为进入对应主阀的压力，P2为从对应主阀流出的压力，ρ为油液密度。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：1.集成位移-力反馈的机械内闭环和电反馈外闭环两种主阀阀芯位移闭环控制方式，提升系统冗余度、控制精度和可靠性；2.通过高精度流量计算模块和电反馈外闭环控制算法模块实现对阀口流量的闭环控制，提升阀口流量控制精度，同时取消现有技术中的前置补偿阀，降低系统压力损失和能耗；3.通过电反馈外闭环控制算法实现执行机构背压闭环控制，提高工作油口压力控制精度；4.位移-力反馈机构内闭环在电反馈闭环失效模式下，仍能保证系统功能在一定精度下正常运行，提高系统冗余度和可靠性；5.机械内闭环平稳切换控制策略保证在电反馈外闭环失效后，双闭环控制向机械内闭环切换过程的平稳性，提升系统稳定性；6.双闭环控制可根据工况需求灵活选择，工况适应性更强。

附图说明

图1为本发明的双闭环冗余控制阀口独立电液阀原理图；

图2为本发明的双闭环冗余控制阀口独立电液阀工作流程图。

附图中：1-第一控件，2-第二控件，3-第三控件，4-第四控件，5-第一先导阀芯，6-第二先导阀芯，7-第三先导阀芯，8-第四先导阀芯，9-第一反馈弹簧，10-第二反馈弹簧，11-第三反馈弹簧，12-第四反馈弹簧，13-第一阀芯，14-第二阀芯，15-第三阀芯，16-第四阀芯，17-第一位移传感器，18-第二位移传感器，19-第三位移传感器，20-第四位移传感器，21-第一温压一体传感器，22-第二温压一体传感器，23-第三温压一体传感器，24-第一过载补油阀，25-第二过载补油阀，26-油缸。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

如附图1所示，一种双闭环冗余控制阀口独立电液阀，包括机械内闭环和电反馈外闭环，其中，机械内闭环包括用于控制油缸26缩回的第一位移-力反馈单元及第三位移-力反馈单元、用于控制油缸26伸出的第二位移-力反馈单元及第四位移-力反馈单元、数据采集单元，

第一位移-力反馈单元中包括第一主阀及用于控制第一主阀开关及开度大小的第一控件1，第二位移-力反馈单元中包括第二主阀及用于控制第二主阀开关及开度大小的第二控件2，第三位移-力反馈单元中包括第三主阀及用于控制第三主阀开关及开度大小的第三控件3，第四位移-力反馈单元中包括第四主阀及用于控制第四主阀开关及开度发小的第四控件4，

油缸26缩回过程：油液从进油口P经第三主阀从工作油口B进入油缸26小腔，油缸26大腔油液从工作油口A经第一主阀回油箱T；

油缸26伸出过程：油液从进油口P经第二主阀从工作油口A进入油缸26大腔，油缸26小腔油液从工作油口B经第四主阀回油箱T；

第一主阀包括第一阀芯13，第二主阀包括第二阀芯14，第三主阀包括第三阀芯15，第四主阀包括第四阀芯16，

数据采集单元包括位移采集单元和温压采集单元，位移采集单元包括用于采集第一阀芯13的位移量数据的第一位移传感器17、用于采集第二阀芯14的位移量数据的第二位移传感器18、用于采集第三阀芯15的位移量数据的第三位移传感器19及用于采集第四阀芯16的位移量数据的第四位移传感器20，温压采集单元包括用于采集进油口P的油温和压力的第一温压一体传感器21、用于采集工作油口A的油温和压力的第二温压一体传感器22及用于采集工作油口B的油温和压力的第三温压一体传感器23，电反馈外闭环根据数据采集单元采集到的数据得到用于分别控制第一控件1、第二控件2、第三控件3及第四控件4的四路控制电流。

其中，第一控件1与第一阀芯13之间设置有第一先导阀芯5及第一反馈弹簧9，第二控件2与第二阀芯14之间设置有第二先导阀芯6及第二反馈弹簧10，第三控件3与第三阀芯15之间设置有第三先导阀芯7及第三反馈弹簧11，第四控件4与第四阀芯16之间设置有第四先导阀芯8及第四反馈弹簧12，第一先导阀芯5轴向移动设置于第一先导阀套内，第二先导阀芯6轴向移动设置于第二先导阀套内，第三先导阀芯7移动设置于第三先导阀套内，第四先导阀芯8轴向移动设置于第四先导阀套内，第一控件1、第二控件2、第三控件3及第四控件4均为电磁铁。

上述第一控件1的控制电流的大小与第一阀芯13的位移量呈正比例关系，第二控件2的控制电流的大小与第二阀芯14的位移量呈正比例关系，第三控件3的控制电流的大小与第三阀芯15的位移量呈正比例关系，第四控件4的控制电流的大小与第四阀芯16的位移量呈正比例关系。

上述实施例中，电反馈外闭环包括流量计算模块、工况要求模块及电反馈控制算法模块，工况要求模块输出指令流量和指令压力，数据采集单元采集到的数据输入流量计算模块后得到反馈流量，从数据采集单元采集到的压力数据中选取一者作为反馈压力，反馈流量与指令流量的差值、反馈压力与指令压力的差值均输入至电反馈控制算法模块；反馈流量与指令流量的差值经第一比例放大器后输入至电反馈控制算法模块，反馈压力与指令压力的差值经第二比例放大器后输入至电反馈控制算法模块，具体地，油缸26缩回过程中，工作油口A的压力作为反馈压力；油缸26伸出过程中，工作油口B的压力作为反馈压力；另外，工作油口A与油箱T之间设置有第一过载补油阀24、工作油口B与油箱T之间设置有第二过载补油阀25，用于防止工作油口A及工作油口B压力超载和油液吸空。

如附图2所示，一种双闭环冗余控制阀口独立电液阀的工作方法，应用于上述实施例所述的电液阀，包括如下步骤：

A：采集进油口P、工作油口A、工作油口B 的油温和压力数据，以及第一阀芯13、第二阀芯14、第三阀芯15、第四阀芯16的位移量数据；

B：根据工况需求，判断是否启动双闭环冗余控制，若是，则执行步骤C，即进入失效切换模式；若否，则执行步骤D；双闭环冗余控制灵活开关，工况适应性强；

C：根据采集到的油液压力、油温及对应阀芯的位移量信号，判断电反馈外闭环是否失效，若是，则通过机械内闭环平稳切换控制策略，及切换至执行步骤D；若否，则执行步骤E；机械内闭环平稳切换控制策略，保证失效切换中系统稳定性；

D：开环控制，无需双闭环冗余控制或电反馈外闭环失效的情况下使用，计算并输出第一控件1、第二控件2、第三控件3及第四控件4的控制电流；

E：电反馈外闭环控制，根据步骤A获得的数据，考虑温度补偿模型，进行阀口反馈流量高精度计算，通过电反馈外闭环控制算法实现阀口流量闭环控制，提升阀口流量控制精度；同时实现油缸26伸出或缩回过程的背压的闭环控制，提高对应工作油口的压力控制精度，计算并输出第一控件1、第二控件2、第三控件3及第四控件4的控制电流；

F：第一阀芯13、第二阀芯14、第三阀芯15、第四阀芯16执行所需的位移量，并且该位移量继续反馈至步骤A的数据采集步骤，形成电反馈外闭环控制。

对应的先导阀芯和主阀阀芯采用位移-力反馈的机械内闭环结构，对应的控件（电磁铁）的控制电流与对应的主阀阀芯的位移量呈正比，形成可靠的机械内闭环。

上述的步骤E中的控制电流的计算过程包括：

e1：计算出对应主阀的反馈流量，计算出反馈流量与工况需求的指令流量的差值ΔQ，流量控制精度要求为δQ，当|ΔQ|≤δQ时，无需调整对应的控制电流；当ΔQ＞δQ时，调整对应的控制电流减小，直至|ΔQ|≤δQ；当ΔQ＜-δQ时，调整对应的控制电流增大，直至|ΔQ|≤δQ；

e2：选取反馈压力，计算出反馈压力与工况需求的指令压力的差值ΔPb，压力控制精度要求为δPb，当|ΔPb|≤δPb时，无需调整对应的控制电流；当ΔPb＞δPb时，调整对应的控制电流增大，直至|ΔPb|≤δPb；当ΔPb＜-δPb时，调整对应的控制电流减小，直至|ΔPb|≤δPb。

具体地，计算反馈流量的公式为：

其中，Q为阀口流量，Cd为阀口流量系数，x为对应的阀芯的位移量，A(x)为阀口面积，P1为进入对应主阀的压力，P2为从对应主阀流出的压力，ρ为油液密度。

以油缸26伸出过程为例进行进一步说明：油缸26伸出时，压力油从进油口P经第二阀芯14流至工作油口A，工作油口A与油缸26大腔联通，推动油缸26伸出，油缸26小腔与工作油口B联通，油液经第四阀芯16流回油箱T，在此过程中，油缸26的速度控制和背压控制是两个最关键的性能要求。

对于油缸26伸出速度的控制，在系统功率限制范围内，油缸26伸出的速度由流经第二主阀的阀口流量决定，因此，实现第二阀芯14的阀口流量高精度控制能够有效的提升油缸26的伸出速度控制精度，通过上述公式计算阀口流量，其中P1为进入第二主阀的压力、P2位流出第二主阀的压力，根据第二阀芯14的实际位移量x可确定阀口面积A(x)，阀口流量系数Cd根据第一温压一体传感器21和第二温压一体传感器22采集的油液温度和信号进行实施补偿，确保阀口流量系数Cd的准确性，根据上述公式，流量计算模块即可实现第二主阀的阀口流量的实时高精度计算，计算结果为反馈流量Qf，该反馈流量Qf与工况需求模块的指令流量Qs的差值ΔQ经第一比例放大器进行信号放大，进入电反馈控制算法模块，比较放大后的ΔQ与流量控制精度要求δQ，当|ΔQ|≤δQ时，无需调整第二阀芯14对应的第二控件2的控制电流；当ΔQ＞δQ时，调整第二阀芯14对应的第二控件2的控制电流减小，直至|ΔQ|≤δQ；当ΔQ＜-δQ时，调整第二阀芯14对应的第二控件2的控制电流增大，直至|ΔQ|≤δQ，保持此时的第二控件2的控制电流不变；实现第二阀芯14的阀口流量闭环控制，保证第二阀芯14的阀口流量的高精度控制，同时取消了现有技术中的前置补偿阀，能够有效降低系统压力损失和能耗。在控制电流的作用下，第二控件2推动第二先导阀芯6动作，第二先导阀芯6和第二阀芯14通过第二反馈弹簧10实现位移-力机械内闭环，第二阀芯14的输出位移与第二控件2的控制电流呈正比，机械内闭环可靠性高，即使电反馈外闭环失效，仍能保持第二阀芯14在一定精度下正常工作。第二阀芯14输出位移通过第二位移传感器18实时反馈至流量计算模块。

对于油缸26伸出背压的控制，油缸26小腔背压即工作油口B的压力，第三温压一体传感器23测量工作油口B的实际压力作为反馈压力Pbf，该反馈压力Pbf与工况需求模块的指令压力Pbs的差值ΔPb经第二比例放大器进行信号放大，进入电反馈控制算法模块，比较放大后的ΔPb与压力控制精度要求δPb，当|ΔPb|≤δPb时，无需调整第四阀芯16对应的第四控件4的控制电流；当ΔPb＞δPb时，调整第四阀芯16对应的第四控件4的控制电流增大，直至|ΔPb|≤δPb；当ΔPb＜-δPb时，调整第四阀芯16对应的第四控件4的控制电流减小，直至|ΔPb|≤δPb，保持此时的第四控件4的控制电流不变；实现油缸26小腔背压的闭环控制，保证工作油口B压力的高精度控制；在控制电流的作用下，第四控件4推动第四先导阀芯8动作，第四先导阀芯8和第四阀芯16通过第四反馈弹簧12实现位移-力反馈机械内闭环，第四阀芯16的输出位移与第四控件4的控制电流呈正比，机械内闭环可靠性高，即使电反馈外闭环失效，仍能保持第四阀芯16在一定精度下正常工作。

同理，油缸26缩回也可实现速度和背压的高精度、高可靠性双闭环冗余控制。

相较于已有技术，本发明的双闭环冗余控制阀口独立电液阀及其工作方法具有如下的有益效果：1.集成位移-力反馈的机械内闭环和电反馈外闭环两种主阀阀芯位移闭环控制方式，提升系统冗余度、控制精度和可靠性；2.通过高精度流量计算模块和电反馈外闭环控制算法模块实现对阀口流量的闭环控制，提升阀口流量控制精度，同时取消现有技术中的前置补偿阀，降低系统压力损失和能耗；3.通过电反馈外闭环控制算法实现执行机构背压闭环控制，提高工作油口压力控制精度；4.位移-力反馈机构内闭环在电反馈闭环失效模式下，仍能保证系统功能在一定精度下正常运行，提高系统冗余度和可靠性；5.机械内闭环平稳切换控制策略保证在电反馈外闭环失效后，双闭环控制向机械内闭环切换过程的平稳性，提升系统稳定性；6.双闭环控制可根据工况需求灵活选择，工况适应性更强。

以上具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。