煤矿综采装备的无人化是煤炭技术革命的发展方向,液压支架的智能化是综采工作面实现无人化的重要保障。然而作为支架关键控制元件的电液换向阀由于不能精准控制阀口流量,使得支架姿态调整不准确,难以满足液压支架智能化的发展。将现有的开关型电液换向阀升级为具有自感知、自适应、可编程控制的电液比例方向阀不仅是实现液压支架智能化的关键也是综采工作面实现无人化的基础。煤矿液压支架采用乳化液作为传动介质且工作压力高、流量大、粉尘污染严重,同时支架控制阀在功能上需要满足两位三通结构并兼顾手动和电液控制功能,现有的水基比例阀在结构或者功能上不能满足煤矿液压支架的使用要求。本研究在传统位移—流量级间反馈原理的基础上进行了理论拓展,提出了新型位移—流量反馈原理。新型位移—流量反馈原理继承了传统位移—流量反馈原理结构紧凑、性能可靠等优点,通过增设控制容腔、先导阀以及改变阀芯结构的方式,提高了阀的控制区间,使其具有了手动开关和电液比例双控制功能。在此基础上,构想出适用于煤矿液压支架系统的高水基比例方向阀新方案,该阀采用两个先导阀协同配合控制两个主阀芯动作,实现了比例阀两位三通换向功能。先导级由集成有手动控制功能的两位三通开关阀和脉宽调制（PWM）控制的高速开关阀组成,主级为由进/回液阀芯、阀座、阀套等组成的插装式结构,高速开关阀和布置在进液阀芯末端的位移反馈槽共同构成液压控制桥路,通过改变PWM信号占空比可以调控先导桥路流量和进液阀芯位移,从而达到比例控制的目的。综合运用CFD仿真与流场试验方法,对比例阀阀腔流场和阀口流量特性进行了研究。对两种不同锥滑阀结构方案进行了可视化对比分析,先密封后节流结构锥滑阀在流场分布、轴向液动力等方面明显优于先节流后密封结构,通过试验间接验证了流场仿真分析的正确性;流场研究同时获得了全工况下比例阀稳态液动力和阀口流量特性,为仿真模型的搭建提供数据参考。研究了比例方向阀主阀位移控制特性,探明了阀芯位移比例控制规律。建立了比例方向阀的比例控制数学模型,进液阀芯的稳态位移近似与高速开关阀输入占空比成线性反比关系,同时获得了阀芯控制稳定性判据和频响的理论依据。搭建了比例阀的动静态仿真模型,验证了比例阀手动和比例控制功能;分析了位移反馈槽宽度、阀芯面积比、供液压力、阀口压差对主阀控制特性的影响规律。对比例方向阀复杂的先导液阻网络特性进行了研究。通过对低粘度介质下先导液阻网络阻尼特性的分析,确定了位移反馈槽、反馈槽处环形泄漏间隙、回液液阻等关键尺寸参数及相互匹配规律;运用流场仿真手段得到了位移反馈槽处的流量—压力特性,验证了在合理先导液阻参数下,反馈槽对先导液流的主要调控作用;得到了理论平衡压力下先导流量需求,为高速开关阀的选型与设计提供依据。对先导液阻网络级间非线性耦合特性进行分析,获得了非连续先导流量控制下主阀控制容腔和阀芯位移的耦合脉动规律,通过增大PWM载波频率可以减小控制容腔压力脉动及阀芯振荡幅值。为了弥补比例阀存在的阀芯位移控制线性度差、滞环大、负载刚度小等不足,提出了面向模型不确定性的比例阀阀芯位移自适应鲁棒控制策略。建立了比例阀自适应鲁棒控制策略的数学模型,根据控制算法搭建了相应的仿真模型。自适应鲁棒控制策略可以有效改善阀芯位移控制特性,阀芯响应速度得到有效提高,同时消除了不同输入信号下阀芯响应速度的差异;阀芯线性度和滞环特性得到显著改善;阀芯位移控制有较好的抗负载变化能力。基于比例阀阀口流量特性,通过阀口流量非线性补偿控制策略,提出了阀口流量可编程比例阀控制方法。阀口流量与输入信号跟随性良好,当负载压力发生变化时,进液阀芯能够自适应调整阀口开度,从而减小阀口流量波动。在此基础上构建了液压支架比例阀控缸系统,通过控制阀口流量的方式达到了控制液压缸行程和速度的目的。完成了比例方向阀样机和控制器的设计与加工,搭建了比例阀测试系统。对比例方向阀进行了验证试验,在阀口密封试验中,进/回液阀芯与阀座之间的密封可靠、无泄漏;手动操作下,比例阀换向控制顺畅、无蹩卡;电液比例控制下,主阀响应速度、稳态位移变化规律与理论和仿真研究一致。试验同时表明,阀芯在启动瞬间存在滞后现象,占空比越大滞后时间越长。通过增加比例阀阀芯位移自适应鲁棒控制策略,消除了阀芯阶跃响应启动滞后现象,提高了主阀响应速度和负载刚度,同时大幅改善了阀芯位移线性度和滞环特性。本课题的研究成果和研究方法可为液压支架比例方向阀的设计与完善提供技术参考,为液压支架智能化技术的发展奠定基础。