入流式流體脈動主動控制支路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種入流式流體脈動主動控制支路，壓電式節流閥(4)作為流體脈動主動控制的執行部件連接在液壓管路的消振點處，其出口連接主管路，其入口與補油泵(2)的出口相連接；安裝在主泵(1)出口附近的參考壓力傳感器(4)采集壓力信號，通過A/D轉換模塊(7)后輸入控制器(9)；控制器處理后輸出信號通過D/A轉換模塊(8)和放大電路后控制壓電式節流閥(4)的開口；補油泵(2)通過壓電式節流閥(4)向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動波的谷值。本實用新型通過主動調節節流閥開口大小，入流一定的流量來降低系統的壓力脈動，結構簡單且具有良好的效果。
【專利說明】
入流式流體脈動主動控制支路
技術領域
[0001] 本實用新型屬于液壓管路流體脈動主動控制領域，涉及的是入流式流體脈動主動 控制系統。
【背景技術】
[0002] 隨著液壓系統向著高精度、低噪聲的趨勢發展，流體脈動已成為制約液壓系統發 展的一個關鍵因素。液壓管路系統中流體脈動的根源是栗瞬時流量的周期性脈動，并在管 路和負載的阻抗作用下形成壓力脈動。壓力脈動不僅會帶來流體噪聲，而且會引起流體與 液壓管路之間的耦合振動，最終導致機械結構的疲勞破壞。此外，對于高精度系統，流體脈 動會大大降低控制系統的性能。傳統的脈動控制方式是被動式的，即采用結構參數固定的 消振器，不具有自適應能力，消減效果不理想。近年來，國內外學者針對液壓管路系統進行 了主動消振研究，其原理都是采用主動消振器產生與初始壓力脈動等幅值、反相位的次級 壓力脈動，相互疊加以衰減脈動。現有的主動脈動控制方法根據產生次級脈動的原理又可 以分為三大類。
[0003] 第一類是通過安裝在管路中的伺服作動筒往復運動來改變管路容積，產生次級壓 力脈動波，與管路中的原始壓力脈動波相互疊加以抵消脈動。有如下學者對此類流體脈動 控制方式進行了研究：日本的小鳥英一等，利用安裝在管路中的伺服作動器往復運動產生 次級脈動源，與管路中的初始壓力相疊加來衰減脈動，（Eiichi K0JIMA等于1991年在《The Japan Society of Mechanical Engineer》第34卷第4期466-473頁上發表的論文 《Development of an Active Attenuator for Pressure Pulsation in Liquid Piping Systems》）；日本的橫田真一等，提出了一種雙壓電陶瓷驅動活塞的主動液壓蓄能器來進行 液壓流體脈動主動控制，其基本原理還是通過活塞往復運動改變管路容積產生次級壓力脈 動，（Υ0Κ0ΤΑ等于 1996年在《JSME International Journal》第39卷第1 期119-124頁上發表 的文章〈〈Study on an active accumulator-(Active control of high-frequency pulsation of flow rate in hydraulic systems)))) 〇
[0004] 第二類是采用智能材料作動器使液壓油路中某一段特制的管壁變形，使管道內流 體產生次級壓力脈動波，與管道初始壓力脈動疊加抵消脈動。有如下學者對此類流體脈動 控制方式進行了研究:英國的Brennan設計了非接觸磁致伸縮作動器作用于水管管壁，進行 了主動消振（Brennan等于 1996年在《Smart Materials&Structures》第5卷281-296頁上發 表的論文《A non-intrusive fluid-wave actuator and sensor pair for the active control of fluid-borne vibrations in a pipe》）；瑞典的梅拉德等利用圓周對稱分布 的壓電陶瓷主動作動器，從管路外產生軸對稱平面波，來抵消管路中壓力脈動波， (Maillard等于 1999年在《Proceedings Of the 17th International Modal Analysis Conference&Exhibit》第2卷 1806-1812頁上發表的論文《Fluid wave actuator for the active control of hydraulic pulsations in piping systems))〇
[0005] 第三類是采用溢流壓力脈動波峰值的方式來削減壓力脈動，需在旁支路安裝高頻 響的液壓閥，當壓力脈動波峰值來臨時打開液壓閥，通過溢流小部分油液的方式來減小壓 力脈動。有如下學者對此類流體脈動控制方式進行了研究:太原理工大學的周文教授采用 常規伺服閥作為產生次級脈動源的主動消振元件，利用分流原理進行脈動主動控制，（周文 等于2003年在《液壓氣動與密封》第4期24-27頁上發表文章《主動振動控制技術的發展與應 用》）；北航的焦宗夏教授利用新型壓電陶瓷比例節流閥作為主動消振元件，主動控制節流 口大小來削減系統的峰值流量，（焦宗夏等于2002年在《北京航空航天大學學報》第4期465-469頁上發表文章《液壓能源管路系統振動主動控制的理論研究》）；西安交通大學的刑科禮 博士采用兩個伺服閥，一個作為初級脈動源，另一個作為次級脈動源，利用次級脈動源產生 的壓力脈動波來抵消初級脈動源的壓力脈動波，（邢科禮等于2001年在《液壓氣動與密封》 第2期2-4頁上發表文章《基于神經網絡的有源壓力脈動衰減的試驗研究》）。北航博士生歐 陽平超等采用在管路上多個點安裝消振閥的方式進行脈動主動控制，（歐陽平超等于2007 年在《Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics》第9期 1060-1063頁上發表文章 〈〈Study on distributed active control of fluid pulsation in hydraulic piping))) 〇
[0006] 第一類消振策略沒有流量的增減，但結構復雜，體積龐大;第二類消振策略同樣沒 有流量的增減，但不適用于高壓系統;第三類消振策略需要溢流一定的高壓油，帶來一定程 度的能量損失。現有的研究當中未發現有采用往管路中注入小流量油液來消除壓力脈動波 谷值的脈動主動控制方法。 【實用新型內容】：
[0007] 鑒于現有技術的以上不足，本實用新型的目的在于設計了一種新的壓力脈動主動 控制系統，使之克服現有技術的缺點。
[0008] 本實用新型入流式脈動主動控制系統，采用如下的技術方案：
[0009] -種入流式流體脈動主動控制支路，設置在被控基本液壓系統中的管道消振點處 用以提供脈動消除或減小。包括補油栗2、溢流閥3、壓電式節流閥4、參考壓力傳感器5、誤差 壓力傳感器6、A/D轉換模塊7、D/A轉換模塊8、控制器9和相應管路;壓電式節流閥4作為流體 脈動主動控制的執行部件連接在液壓管路的消振點處，其出口連接主管路，其入口與補油 栗2的出口相連接;安裝在基本液壓系統中的主栗1出口附近的參考壓力傳感器5采集壓力 信號，通過A/D轉換模塊7后輸入控制器9;控制器處理后輸出信號通過D/A轉換模塊8和放大 電路后控制壓電式節流閥4的開口；補油栗2通過壓電式節流閥4向主管路中注入小部分油 液，消除壓力脈動波的谷值。
[0010]這樣，安裝在節流閥與主栗出口之間的參考壓力傳感器采集壓力信號，通過A/D轉 換模塊后輸入控制器，控制器處理后輸出信號，通過D/A轉換模塊和放大電路后控制壓電式 節流閥的開口，補油栗向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動波的谷值。安裝在消振點 附近的誤差傳感器檢測主管路中的殘余脈動，該壓力信號通過A/D轉換模塊后輸入控制器， 作為控制器參數調整的參考依據。
[0011]壓電式節流閥4的閥芯采用錐閥結構，驅動裝置是壓電陶瓷執行器，是由環型結構 的壓電陶瓷薄片堆疊而成，閥芯的尾端與壓電陶瓷固結，并在壓電陶瓷的端部用彈簧來施 加一定的預緊力。壓電式節流閥在輸入電壓為0時，壓電陶瓷不產生位移，閥開口為0。壓電 式節流閥的壓電陶瓷伸長量為X時，補油栗經過節流閥注入主管路的油液流量
:d為流量系數;D為節流口直徑，m;X為閥芯位移，即壓電陶瓷的 伸長量，m;a為錐閥半錐角，％以為補油栗的工作壓力，Pa;PL為系統主管路的壓力， Pa;p為油 密度，kg/m3。
[0012] 控制器9為神經網絡控制器，采用BP神經網絡算法，其權值調整依據是誤差傳感器 采集到的殘余脈動值最小。神經網絡的權值調整采用最速下降法。
[0013] 采用本實用新型的結構，利用額外的補油栗通過高頻響的節流閥為系統進行補 油，當壓力脈動波的波谷來臨時，通過主動調節節流閥開口大小，入流一定的流量來降低系 統的壓力脈動。采用主動消振器產生與初始壓力脈動等幅值、反相位的次級壓力脈動，相互 疊加以衰減脈動。本實用新型結構簡單且具有良好的效果。
【附圖說明】：
[0014] 圖1是本實用新型入流式脈動主動控制支路原理圖；
[0015] 圖2是本實用新型壓電式節流閥的結構圖；
[0016]圖3是壓電式節流閥閥芯位移的頻率響應特性曲線；
[0017] 圖4是BP神經網絡控制框圖；
【具體實施方式】：
[0018] 下面結合附圖舉例對本實用新型做更詳細的描述：
[0019] 本實用新型入流式流體脈動主動控制支路，其控制對象是基本的液壓管路系統， 如圖1所示，本實用新型一種入流式流體脈動主動控制支路設置在被控基本液壓系統（圖1 以節流閥10代表負載）中的管道消振點處用以提供脈動消除或減小。壓電式節流閥4作為流 體脈動主動控制的執行部件連接在液壓管路的消振點處，其出口連接主管路，其入口與補 油栗2的出口相連接;安裝在主栗1出口附近的參考壓力傳感器5采集壓力信號，通過A/D轉 換模塊7后輸入控制器9;控制器處理后輸出信號通過D/A轉換模塊8和放大電路后控制壓電 式節流閥4的開口；補油栗2通過壓電式節流閥4向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動 波的谷值。
[0020] 在安裝時，在管道消振點處引出一旁支路，安裝本實用新型支路。
[0021] 工作時，電機帶動柱塞栗(主栗)和補油栗從油箱中吸油，柱塞栗產生較大流量的 高壓油，進入液壓管路中，在液壓管路的末端連接節流閥模擬負載，油液流經負載后回到油 箱。壓電式節流閥的入口連接補油栗;在柱塞栗和補油栗的出口都連接有溢流閥，控制管路 的最高工作壓力，起安全保護作用;在柱塞栗出口附近安裝一個壓力傳感器，作為參考壓力 傳感器，在消振點附近安裝另一個壓力傳感器，作為誤差壓力傳感器。
[0022] 本實用新型入流式流體脈動主動控制支路，消振閥采用壓電陶瓷直接驅動的節流 閥，結構如圖2所示，具有如下特點：（1)壓電式節流閥的閥芯采用錐閥結構，驅動裝置是壓 電陶瓷執行器，是由環型結構的壓電陶瓷PZT薄片堆疊而成，閥芯的尾端與壓電陶瓷固結， 并在壓電陶瓷的端部用彈簧來施加一定的預緊力。（2)壓電式節流閥在輸入電壓為0時，壓 電陶瓷不產生位移，閥開口為0。（3)壓電式節流閥的壓電陶瓷伸長量為X時，補油栗經過節 流閥注入主管路的油液流量 ，Cd為流量系數;D為節流口直徑，m; X為閥芯位移，即壓電陶瓷的伸長量，m;a為錐閥半錐角，％ps為補油栗的工作壓力，Pa;pL為 系統主管路的壓力，Pa;p為油密度，1^/!113。（4)此壓電式節流閥的閥芯位移頻率響應超過 1000Hz，如圖 3。
[0023]本實用新型入流式流體脈動主動控制支路中，控制器采用BP神經網絡算法，來匹 配系統中的非線性，圖4是神經網絡控制框圖，該神經網絡的特點是三層單輸入單輸出的BP 神經網絡，控制器的目標函數應使誤差傳感器處的殘余脈動最小，神經網絡的權值調整采 用最速下降法。
【主權項】
1. 一種入流式流體脈動主動控制支路，設置在被控基本液壓系統中的管道消振點處用 以提供脈動消除或減小，其特征在于，包括補油栗(2)、溢流閥（3)、壓電式節流閥（4)、參考 壓力傳感器(5)、誤差壓力傳感器(6)、A/D轉換模塊(7)、D/A轉換模塊(8)、控制器(9)和相應 管路;壓電式節流閥(4)作為流體脈動主動控制的執行部件連接在液壓管路的消振點處，其 出口連接主管路，其入口與補油栗(2)的出口相連接;安裝在主栗（1)出口附近的參考壓力 傳感器(5)采集壓力信號，通過A/D轉換模塊(7)后輸入控制器(9);控制器處理后輸出信號 通過D/A轉換模塊(8)和放大電路后控制壓電式節流閥(4)的開口；補油栗(2)通過壓電式節 流閥(4)向主管路中注入小部分油液，消除壓力脈動波的谷值。2. 根據權利要求1所述的入流式流體脈動主動控制支路，其特征在于，所述壓電式節流 閥（4)的閥芯采用錐閥結構，其驅動裝置為壓電陶瓷執行器。3. 根據權利要求1所述的入流式流體脈動主動控制支路，其特征在于，所述控制器(9) 為神經網絡控制器。
【文檔編號】F15B21/00GK205478676SQ201620173609
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月7日
【發明人】劉桓龍, 季曉偉, 柯堅
【申請人】西南交通大學