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基于流量/压力切换控制的移动机械电液式负载传感系统
程敏，张俊辉，徐冰，丁如期
重庆大学机械传动国家重点实验室，
浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，
杭州华东交通大学交通运输与设备重点实验室。
特色亮点
bull;为移动机械提出了一种新的电液负载传感系统。
bull;提议的系统基于切换流量/压力控制方法。
bull;系统能效高，可控性好。
bull;建议的控制器在带有2吨液压挖掘机的试验台上进行了验证。
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文献信息
文献历史： 2018年5月28日收到 2019年6月8日收到修订版 接受日期：2019年6月18日 在线提供日期：2019年6月21日
关键词： 液压控制 移动机械 负载感应 切换控制 可描述函数 |
摘要
在移动机械中，现有的负载传感系统具有响应慢、振荡大的特点。电液流量匹配（EFM）系统具有响应快、阻尼好的可控性优点，但存在流量失配导致的压力冲击、效率低等问题。为了保持EFM系统的可控性和减少流量失配，我们提出了一种基于流量/压力切换控制的电液式负载传感系统（ELS），其中泵的排量由流量控制器和压力控制器的较小输出来控制。实际流量需求由流量前馈控制器计算，而压力裕度由压力反馈控制器保持为期望值。我们首先建立了系统线性化模型，然后进行了理论分析，研究了系统在流量或压力控制模式下的稳定性。更重要的是，分析了在流量/压力控制之间切换的情况下的稳定性。利用改造后的液压挖掘机，搭建了试验台，验证了切换控制器的有效性。对现有EFM控制器的性能进行了比较研究，结果表明，该控制器避免了流量失配对压力的影响，降低了能耗。同时，速度性能与EFM控制器一致，且不失可控性。 2019 ISA爱思唯尔有限公司出版，版权所有。
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1.介绍 |
液压传动广泛应用于挖掘机、起重机等移动领域。考虑到生产率和可控性，许多液压系统被发明并应用于不同的应用领域，如液压机械负载传感（HMLS）和开中心系统。与开中心系统相比，HMLS系统采用压力反馈使泵压适应负载压力，从而使泵排量自适应满足要求。因此，HMLS系统具有很高的能效，并已广泛应用于商用机械中。然而HMLS系统由于其闭环压力控制，具有响应慢、阻尼低、振荡大的特点。在过去的几十年里，液压系统的一个有前途的概念是引入电子控制。同时，为了达到高效率、快速响应和稳定性的保证，许多新的基于电子控制的负载传感方案被提出了。所提出的控制方法可分为两类：一类是电液负载传感（ELS），另一类是电液流量匹配（EFM）。另一种采用比例溢流阀的节能系统，流量损失少，能效低，在移动机械中应用较少。
在ELS系统中，系统压力和负载压力失速用来调节泵旋转斜盘位置。泵由传感器检测，然后传输到控制器中，调节泵排量。控制目标是保持压力裕度为所需值。所以ELS系统与传统的HMLS系统是相同的原理。Hansen等人在ELS方案中增加了一个前馈信号，以在预设压力裕度的情况下提高系统响应。Hu等人提出了一种超压差控制变压差的ELS系统。Lenzgeiger等人也采用了类似的解决方案。Du等人提出了一种基于负荷估计的可变供给压力阀控方法，但由于实际负荷变化频繁且突变，难以预测。在ELS系统中，由于压力控制回路的存在，振荡趋势很少被消除。EFM方法（有时称为流量控制，按需变流量控制）是消除压力控制回路，并根据要求的负载流量直接调节泵排量。EFM系统具有响应快、效率高、阻尼好等特点。EFM方法的主要问题是泵和阀门之间的流量匹配困难。由于系统的非线性和参数的不确定性，流量匹配问题仍然是一个比较突出的问题，尽管已有许多相关的工作被提出，如增加泄放阀或位置传感器等。流动失配导致效率低、可控性差，阻碍了EFM系统在移动机械中的实际应用。Axin等人提出了一种混合控制方案，通过对ELS控制器和EFM控制器的不同加权因子的输出进行求和，但动态性能和能量效率都有所下降。
总之，ELS系统具有振荡趋势，而EFM系统具有不可避免的流动失配，导致压力冲击和功率损失。因此，它们都存在着无法解决的问题。为实现良好的可控性和高能效，本文的贡献在于提出了一个切实可行的解决方案，以确保EFM系统的速度性能，并解决EFM系统的流量失配问题。我们设计了一种开关式流量/压力控制器，其中电控泵能根据实际工况在流量和压力控制之间切换。在液压挖掘机试验台上，以现有的EFM控制器为对比，验证了控制器的有效性。第2节介绍了系统的总体布局和数学模型。第3节给出了控制设计和稳定性分析。使用带有2吨挖掘机的试验台的试验结果如第4节所示。第5节得出结论。
2.系统建模
所研究的对象是一个典型的多执行器电液系统，被广泛应用于商用液压挖掘机和起重机。与传统的HMLS系统相比，电液系统采用了电控泵和比例控制阀。液压机械调节器由一个电子控制器代替，以调节泵排量。比例阀由一个主压力补偿器和一个方向阀组成。压力补偿器通过保持阀门压降恒定，将负载变化与流量分离。因此，通过控制阀的稳态流量仅取决于定向阀的流量面积。
泵具有排量变化能力，其中比例阀及其电子控制器来调节泵的旋转斜盘位置。泵动力被描述为一个二阶项
图1。研究系统的液压原理图。
涉及机油泄漏的变量泵的供应流量表示为
泵和阀门之间的腔室压力由以下公式给出：
由于控制阀的固有频率远高于液压执行器，因此在模型中忽略了其动态性能，即。在规定的工作点下，通过控制阀的流量线性化形式写为
压力补偿器的作用是保持通过控制阀的压降恒定。因此，如果，则阀门流量压力系数约等于零，其中取决于压力补偿器。如果忽略气缸泄漏，则室中仪表的压力表示为
在不考虑载荷刚度的情况下，气缸的动态特性可以描述为
3.控制器设计
控制的目的是保持EFM系统的可控性优势，同时也可以解决现有的流量过剩问题。因此，在EFM控制器的基础上，引入压力反馈，设计了控制器。然后提出了一种流量/压力切换控制器，其原理图如图2所示。
图2。拟议控制器的示意图。
切换控制器被确定为两个控制器（一个用于流量控制，另一个用于压力控制）的较小输出，如下所示：
具体控制结构如下。
3.1流量控制器
在流量控制下，泵排量根据负载的流量要求进行调节，与EFM系统一样。泵和阀门以并行控制方式工作。所需流量可从压力-流量特性中得出，其表示为：
其中，为确定的阀门横截面积。为满足阀门要求而确定的泵排量表示为
其中为确定的泵流量。然后，泵信号可以生成为。因此，泵控制信号取决于输入命令，但与系统状态无关。
3.2压力控制器
压力控制器的目的是保持所需的压力裕度。因此，压力模式下的系统实际上是一个传统的ELS系统。压力裕度误差定义为
其中写为
]
如果只有一个执行器，则将其简化为。现有文献表明，在传统的HMLS系统中，泵排量取决于集成阀流量。考虑到泵的动态，压力控制器设计为
然后，压力控制器中从压力裕度误差到泵排量的传递函数表示为
因此，泵可以看作是一个纯电感。泵的动态参数，可以通过实验辨识得到，因此唯一的任务就是选择合适的值以保证泵的稳定性。
系统的稳定性不仅要在流量控制或压力控制下得到保证，而且要在两种控制方式切换的时刻得到保证。如文献所述，子系统的稳定性性能不能保证整个系统的稳定性。因此，讨论了在流量/压力控制或两种模式切换情况下的稳定性。由于气缸在较小负载下的流量要求受其控制阀和一次压力补偿器的限制，因此多执行器系统的稳定性性能与单执行器系统的稳定性相似。因此，对只有一个执行器的系统进行了稳定性分析。
4.稳定性分析
4.1流量控制下的稳定性
粘性阻尼有助于改善稳定性和泵的泄漏，因此在稳定性分析中两者都被忽略[20]。流量控制下的缸速可表示为
基于Routh稳定性判据，式中所描述的三阶系统的稳定性条件可以表示为
因此，在不同的运行工况下，保证了系统在流量控制模式下的稳定性。当系统处于控制状态时，去掉压力反馈回路，使开环控制系统容易获得稳定。
4.2压力控制下的稳定性
在压力控制下，存在压力反馈回路以保持压力裕度恒定。在压力模式下，从阀门控制信号到气缸速度的传递函数可以从方程式中得出
结果表明，压力控制系统为四级系统。根据Routh稳定性判据，式中的稳定性条件可以表示为
为了保证系统的稳定性和足够的裕度，控制参数可以选择为
其中和是和在不同工况下的最大值，是一个裕度值。如果选择一个满足上式的合适值，则可以确保系统在压力模式下的稳定性。
4.3控制器切换时的稳定性
对于所提出的控制器，由于控制器可能会从流量模式到压力模式来回波动，从而导致系统不稳定，因此仅子系统是稳定的，无法保证系统的稳定性能。因此，本节将讨论开关稳定性。首先，切换控制器可以重写为
图3。饱和传递函数图。
在输入信号明显稳定的情况下，问题是系统是否在饱和非线性块下稳定。然后利用描述函数工具进行稳定性分析。首先，将具有时域饱和块的系统转换为频域饱和块的系统，如图3所示。
对于饱和块，其关于正弦输入的描述函数由下式给出：
表1
典型奈奎斯特曲线的参数。
|
变量 |
价值 |
单位 |
变量 |
价值观 |
单位 |
|
米1 |
5 times;102个 |
公斤 |
千资格预审1 |
45.6 |
m3/（帕·秒） |
|
五1 |
1.5 times;10-3个 |
立方米 |
千问1 |
1.0 times;10-2个 |
平方米/秒 |
|
虚拟专用接口 |
1.5 times;10-3个 |
立方米 |
一个1 |
3.85 times;10-3个 |
平方米 |
|
beta;e |
7.0 times;108 |
兆帕 |
有限合伙人 |
2.0 times;109 |
千克/（m2·s） |
图4。尼奎斯特曲线的代表。(omega;)
因此，可以得到稳定条件：
发现稳定条件与压力模式下的稳定条件一致，因此选择控制参数为
这样可以保证控制器在流量/压力模式之间切换时的稳定性。
4.4切换控制器的平衡点
还有一个问题是系统在不同运行条件下的平衡点。显然，流量控制器和压力控制器有不同的平衡点。然后讨论了不同情况下的平衡态。只有一个执行机构的系统所需的流量可以写为
实际上，变量有参数不确定性，，和，所以假设,在阀门信号下。所提供的流量由流量控制器按式给出，而所需的流量可由压力反馈控制器精确满足。通常，所提出的控制器有三种平衡情况，如下所示
（1） 例1：流量大于阀门所需流量，即。在这种情况下，泵压力和压力裕度由于过量供应流量而增加。由于集成项的存在，压力控制器不断减小，使其无法保持在流量控制模式。因此，平衡点位于压力模式，以保持压力裕度为所需值。
图5。平衡点示意图。
（2） 情况2：所提供的流量Qi小于阀门所需的流量，这意味着。在这种情况下，平衡点位于流动模式。因此，如果平衡点位于压力模式，则压力控制器保持所需的压力裕度以实现所需的流量。得到了自以来的，这与流量/压力控制器中较小的一个被视为泵信号的控制律相矛盾。同时，与现有的ELS系统相比，这种情况下的能效也得到了提高
（3）
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