基于响应面法的低功耗数字阀动态响应特性研究

doi:10.3901/JME.2025.12.344

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (12): 344-355.doi: 10.3901/JME.2025.12.344

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基于响应面法的低功耗数字阀动态响应特性研究

杨帅¹, 姚静^1,2, 位腾飞¹, 张鹏远¹, 王运昌¹, 殷航¹, 丘铭军³

1. 燕山大学机械工程学院秦皇岛 066004;
2. 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室秦皇岛 066004;
3. 中国重型机械研究院股份公司金属成形技术与重型装备全国重点实验室西安 710032

收稿日期:2024-08-11 修回日期:2024-12-22 发布日期:2025-08-07
作者简介:杨帅，男，1995年出生，博士研究生。主要研究方向为流体传动与控制。E-mail：cooly13@stumail.ysu.edu.cn;姚静(通信作者)，女，1978年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为重型装备大功率液压伺服系统基础理论和关键技术、智能机电液高精度控制算法、数字液压技术和液压元件轻量化设计等。E-mail：jyao@ysu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFC2805703)、国家自然科学基金(51975507)和河北省自然科学基金联合基金(E2021203250)资助项目。

Research on Dynamic Response Characteristics of Low Power Digital Valve Based on Response Surface Method

YANG Shuai¹, YAO Jing^1,2, WEI Tengfei¹, ZHANG Pengyuan¹, WANG Yunchang¹, YIN Hang¹, QIU Mingjun³

1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
3. National Key Laboratory of Metal Forming Technology and Heavy Equipment, China Heavy Machinery Research Institute Corporation, Xi'an 710032

Received:2024-08-11 Revised:2024-12-22 Published:2025-08-07

摘要/Abstract

摘要： 针对传统数字阀在当前驱动方法控制下存在动态响应慢，启闭响应时间受工作压力影响大，驱动控制方法复杂以及能耗高等问题，在设计的一种新型低功耗数字阀基础上，提出一种基于响应面法的低功耗数字阀驱动参数匹配方法，在保证低功耗的同时改善其动态响应特性。通过建立低功耗数字阀的动态响应模型，分析工作压力和驱动参数对启闭响应时间的影响；基于响应面法构建启闭响应时间预测模型，以响应时间1 ms为目标，得到启闭过程中驱动参数与工作压力之间的匹配关系；搭建低功耗数字阀试验平台，验证动态模型的准确性和驱动参数匹配方法的有效性。测试结果表明，在3～19 MPa工作压力范围内，开启和关闭响应时间最长分别为1.08 ms和1.09 ms，最短分别为1.06 ms和1.07 ms，变化率均小于2%，匹配后的驱动参数有效改善了阀的动态特性及其变压力工况下的稳定性，并且长时间工作后阀温度维持在80℃左右，低功耗效果明显。

关键词: 低功耗, 数字阀, 响应时间, 动态特性, 响应面法

Abstract: Aiming at the problems of highly pressure-affected opening and closing time, complex driving method, high energy consumption, and slow response of traditional digital valves under the current driving method. Based on the design of a new low-power digital valve, a low-power digital valve driving parameter matching method considered the response surface method is proposed, which improves dynamic characteristics while ensuring low power consumption. By establishing the dynamic model of the low-power digital valve, the influence of working pressure and driving parameters on the response time is analyzed. Using the response surface method, the prediction model of opening and closing response time is constructed, and the matching relationship between driving parameters and working pressure is obtained with the response time of 1 ms as the target. Finally, a low-power digital valve test platform is built to verify the accuracy of the dynamic model and the effectiveness of the driving parameter matching method. The test results show that the maximum response time of opening and closing is 1.08 ms and 1.09 ms, and the shortest response time is 1.06 ms and 1.07 ms, the rate of change is all less than 2%, within the range of 3-19 MPa working pressure. The matching drive parameters effectively improve the dynamic characteristics of the valve and its stability under variable pressure conditions, and the valve temperature is maintained at about 80 ℃ after a long time. The low power consumption effect is obvious.

Key words: low power consumption, digital valve, response time, dynamic characteristics, response surface method

中图分类号:

TH137

杨帅, 姚静, 位腾飞, 张鹏远, 王运昌, 殷航, 丘铭军. 基于响应面法的低功耗数字阀动态响应特性研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(12): 344-355.

YANG Shuai, YAO Jing, WEI Tengfei, ZHANG Pengyuan, WANG Yunchang, YIN Hang, QIU Mingjun. Research on Dynamic Response Characteristics of Low Power Digital Valve Based on Response Surface Method[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(12): 344-355.

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Research on Dynamic Response Characteristics of Low Power Digital Valve Based on Response Surface Method

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