CN104179735A - 液压系统能量匹配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压系统能量匹配控制方法，其特征是根据液压系统的时间与流量关系曲线、时间与压力关系曲线，获取任一时刻的负载率和流量需求；优先从系统数据库中提取与负载率相对应的变频电机的实际最佳频率，以及与流量需求相匹配的比例变量泵实际斜盘倾斜角；若无，则根据变频电机的效率与负载特性曲线，用理论计算方式初始化系统数据库。在设备运行中，系统数据库根据输出反馈信号进行数值修正，使液压系统具有自适应调整功能。本发明实现了液压系统的负载需求与能量输入匹配，而且最大程度保证了电机工作在高效阶段，提高了液压系统的能量利用率。

Description

液压系统能量匹配控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压系统控制方法，特别是涉及一种液压系统能量匹配控制，用于实现了液压系统负载需求与能量输入的匹配。

背景技术

伴随发电设备、大型飞机、船舶、军机、航天和车辆的快速发展，公称压力在800吨至数万吨的液压设备不断出现，总装机功率高达几百千瓦已屡见不鲜。液压系统工作过程具有瞬间高载的特点，工作周期内负载变化差异大，导致液压系统长期工作在低效率阶段，大量能量在溢流或节流中耗散殆尽，能量损失严重。在定量泵的液压系统中，据统计由高压节流造成的能量损失高达36％～68％，如何大幅推进这类产品的低碳化转型成为装备制造企业面临的迫切问题。

为解决液压系统效率低下的问题，目前所采取单一变量泵法一定程度上实现了泵的输出功率和负载需求功率的匹配问题，但是由于电机仍维持定高速运转，匹配可调空间有限，造成系统流量低时，电机损耗无法控制。或是采用单一变频电机驱动定量泵法，避免了“大马拉小车”的现象，但是当电机慢速运转时，难以满足系统控制精度要求；

变频电机驱动比例变量泵法能更好的根据工作载荷的变化或人为的要求改变电机的输出功率，但所涉及的现有技术仍存在系统稳定性问题，而且在能量匹配过程是只以流量实现为目标，而忽略了电机自身效率提高的问题。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种液压系统能量匹配控制方法，可实现液压系统的负载需求与能量输入相匹配，并最大程度保证电机工作在高效阶段，提高了液压系统的能量利用率。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明液压系统能量匹配控制方法，所述液压系统包括变频电机和由所述变频电机驱动的比例变量泵，其特点是所述能量匹配控制方法按如下过程进行：

步骤a、根据液压设备主机工作方式与工件成形工艺特征制定液压系统的时间与流量关系曲线，以及时间与压力关系曲线；对所述变频电机进行效率测试，建立所述变频电机在各级工作频率下的效率与负载特性曲线；

步骤b、根据所述液压系统的时间与流量关系曲线和时间与压力关系曲线，获取t时刻的负载率β_t和流量需求Q_t；查询系统数据库是否存在负载率β_t和流量需求Q_t对应下的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'；

若存在，则将所述系统数据库中的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'分别作为实际最佳频率f_t″和实际斜盘倾斜角γ_t″，即有：f_t″＝f_t'，γ_t″＝γ_t'；

若不存在，则根据所述变频电机的效率与负载特性曲线，以所述变频电机效率最高与流量需求Q_t可实现性为判断准则，计算获取所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的理论最佳频率f_t；根据所述流量需求Q_t和所述理论最佳频率f_t，计算获取所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的所述比例变量泵的理论斜盘倾斜角γ_t；将所述理论最佳频率f_t同时作为原始最佳频率f_t'和实际最佳频率f_t″，将所述理论斜盘倾斜角γ_t同时作为原始斜盘倾斜角γ_t'和实际斜盘倾斜角γ_t″，并存入系统数据库中，即有f_t″＝f_t'＝f_t，γ_t″＝γ_t'＝γ_t；

步骤c、通过变频器的控制使所述变频电机在t时刻的工作频率为实际最佳频率f_t″，通过变量机构控制使所述比例变量泵在t时刻的斜盘倾斜角为所述实际斜盘倾斜角γ_t″；检测获得所述比例变量泵在t时刻的流量输出的测量值Q_测，根据系统设定的精度给定容差度ε₁，判断式(1)是否成立

|Q_t-Q_测|≤ε₁     (1)

若式(1)成立，则维持所述负载率β_t和流量需求Q_t对应下的实际最佳频率f_t″和实际最佳斜盘倾斜角γ_t″不变；若式(1)不成立，则判断式(2)是否成立，

Q_min(f_t″)≤2Q_t-Q_测≤Q_max(f_t″)   (2)

其中Q_min(f_t″)和Q_max(f_t″)分别为所述实际最佳频率f_t″对应下的所述比例变量泵的最小流量和最大流量；

若式(2)成立，则根据所述流量差Q_t-Q_测、所述实际最佳频率f_t″和所述实际最佳斜盘倾斜角γ_t″，计算获取变角修正信号Δγ₁，并将系统数据库中与所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的原始斜盘倾斜角γ_t'修改为：γ_t'＝γ_t″+Δγ₁；

若式(2)不成立，则判断式(3)是否成立：

f_t″＝f_max且γ_t″＝γ_max      (3)

式(3)中，f_max为所述变频电机的最大工作频率，γ_max为所述比例变量泵的最大斜盘倾斜角；

若式(3)不成立，则根据所述流量差Q_t-Q_测以及实际最佳频率f_t″计算获得变频信号修正值Δf和变角信号修正值Δγ₂，并将系统数据库中与所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'修改为：f_t'＝f_t″+Δf，γ_t'＝γ_t″+Δγ₂；

若(3)式成立，则判断当前系统存在故障，已超出所述变频电机与所述比例变量泵的可调范围。

电机是系统的能量源头，对于某一特定工况，在电机输出功率与负载需求功率之间匹配的同时，若能使电机自身处于该工况最佳效率点运行，可以进一步提高整机能量效率，与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过利用时间与成形速度关系曲线、时间与负载关系曲线、电机在各级工作频率下的效率与负载特性曲线，解决了由于变频电机与比例变量泵组合所形成的双变量机构耦合控制问题，实现了液压机系统的负载需求与能量输入匹配，并最大程度保证电机工作在高效阶段；

2、本发明通过采用理论计算初始化历史数据，并利用反馈信号修正历史数据库，从历史数据中提取实际最佳输出值，使液压系统能根据系统本身特性进行实时动态调整，提高了系统的容差率和稳定性。

附图说明

图1为本发明液压系统能量匹配控制流程图。

图中标号：1油箱、2变频电机、3比例变量泵、4液压管路、5控制阀组、6执行机构具体实施方式

参见图1，本实施例中液压系统包括变频电机2和由变频电机2驱动的比例变量泵3。变频器与变频电机的电输入端相连，用于改变输入变频电机2的电流频率。变量机构与比例变量泵3的斜盘相连，用于改变比例变量泵3的斜盘倾斜角。比例变量泵3从油箱1中吸取液压油，液压油通过液压管路4和控制阀组5，驱动执行机构6的运动。设置在比例变量泵3出口处的流量传感器可用于半闭环控制，设置在执行机构6处的位移传感器可用于实现全闭环控制。

本实施例中对于液压系统的能量匹配控制方法是按如下步骤进行：

步骤a、根据液压设备主机工作方式与工件成形工艺特征，如液压机床加工齿轮，液压机冲压车门等，制定液压系统的时间与流量关系曲线Q＝y₁(t)，以及时间与压力关系曲线p＝y₂(t)；对变频电机2进行效率测试，建立所述变频电机2在n级工作频率下的效率与负载特性曲线η＝y₃(β,f)。变频电机2效率测试可由电机厂家完成或由用户自身在现有电机试验台上完成。

步骤b、根据液压系统的时间与流量关系曲线Q＝y₁(t)和时间与压力关系曲线p＝y₂(t)，获取t时刻的负载率β_t和流量需求Q_t；查询系统数据库中是否存在负载率β_t和流量需求Q_t对应下的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'。系统数据库是用于存储负载率β_t和流量需求Q_t对应下的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'。在设备初试时，需要对系统数据库进行赋空处理。

若系统数据库中存在，则将系统数据库中的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'分别作为实际最佳频率f_t″和实际斜盘倾斜角γ_t″，即有：f_t″＝f_t'，γ_t″＝γ_t'。

若系统数据库中不存在，则根据变频电机2的效率与负载特性曲线η＝y₃(β,f)，以变频电机2效率最高与流量需求Q_t可实现性为判断准则，计算获取负载率β_t和流量需求Q_t对应的理论最佳频率f_t；根据流量需求Q_t和理论最佳频率f_t，计算获取负载率β_t和流量需求Q_t对应比例变量泵3的理论斜盘倾斜角γ_t；将理论最佳频率f_t同时作为原始最佳频率f_t'和实际最佳频率f_t″，将理论斜盘倾斜角γ_t同时作为原始斜盘倾斜角γ_t'和实际斜盘倾斜角γ_t″，并存入系统数据库中，即有f_t″＝f_t'＝f_t，γ_t″＝γ_t'＝γ_t。

其中理论最佳频率f_t的计算是采用常规的遍历法和数值比较法，算式如下

通过查询电机与泵的参数手册，获取电机极数m，泵的容积效率η_v，柱塞直径d，柱塞数Z，柱塞中心分布圆直径D，比例变量泵的最小斜盘倾斜角γ_min和最大斜盘倾斜角γ_max。

理论斜盘倾斜角γ_t的计算是采用常规的几何结构分析法，计算式如下：

${\mathrm{\γ}}_t=\arctan \frac{m{Q}_t}{15{f_t}^{\′\′}{\mathrm{\η}}_v\mathrm{\π}{d}^2\mathrm{ZD}}$

步骤c、通过变频器的控制使所述变频电机在t时刻的工作频率为实际最佳频率f_i″，通过变量机构控制使所述比例变量泵在t时刻的斜盘倾斜角为所述实际斜盘倾斜角γ_i″；利用比例变量泵3出口处设置的流量传感器或执行机构处设置的位移传感器，检测获得比例变量泵3在t时刻的流量输出的测量值Q_测，根据系统设定的精度给定容差度ε₁，判断式(1)是否成立。

|Q_t-Q_测|≤ε₁     (1)

若式(1)成立，则维持负载率β_t和流量需求Q_t对应下的实际最佳频率f_t″和实际最佳斜盘倾斜角γ_t″不变；若式(1)不成立，则判断式(2)是否成立，

Q_min(f_t″)≤2Q_t-Q_测≤Q_max(f_t″)     (2)

其中Q_min(f_t″)和Q_max(f_t″)分别为实际最佳频率f_t″对应下的比例变量泵3的最小流量和最大流量，计算过程采用常规的几何结构分析法，算式如下：

Q_min(f_t″)＝15f_t″η_vπd²ZDtanγ_min/m，Q_max(f_t″)＝15f_t″η_vπd²ZDtanγ_max/m

若式(2)成立，则根据流量差Q_t-Q_测、实际最佳频率f_t″和实际最佳斜盘倾斜角γ_i″，计算获取变角修正信号Δγ₁，并将系统数据库中与负载率β_t和流量需求Q_t对应的原始斜盘倾斜角γ_t'修改为：γ_t'＝γ_t″+Δγ₁；

其中Δγ₁的计算为常规的作差法，算式如下：

若式(2)不成立，则判断式(3)是否成立：

f_t″＝f_max且γ_t″＝γ_max    (3)

式(3)中，f_max为变频电机2的最大工作频率，γ_max为比例变量泵3的最大斜盘倾斜角。

若式(3)不成立，则根据所述流量差Q_t-Q_测以及实际最佳频率f_t″计算获得变频信号修正值Δf和变角信号修正值Δγ₂，并将系统数据库中与所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'修改为：f_t'＝f_t″+Δf，γ_t'＝γ_t″+Δγ。

其中变频信号修正值Δf的计算式为常规的递进取值法，算式如下：

其中变角信号修正值Δγ₂的计算为常规的作差法，算式如下：

若(3)式成立，则判断当前系统存在故障，已超出所述变频电机2与所述比例变量泵3的可调范围。

Claims (1)

1.一种液压系统能量匹配控制方法，所述液压系统包括变频电机和由所述变频电机驱动的比例变量泵，其特征是所述能量匹配控制方法按如下过程进行：

步骤a、根据液压设备主机工作方式与工件成形工艺特征制定液压系统的时间与流量关系曲线，以及时间与压力关系曲线；对所述变频电机进行效率测试，建立所述变频电机在各级工作频率下的效率与负载特性曲线；

步骤b、根据所述液压系统的时间与流量关系曲线和时间与压力关系曲线，获取t时刻的负载率β_t和流量需求Q_t；查询系统数据库是否存在负载率β_t和流量需求Q_t对应下的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'；

若存在，则将所述系统数据库中的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'分别作为实际最佳频率f_t″和实际斜盘倾斜角γ_t″，即有：f_t″＝f_t'，γ_t″＝γ_t'；

若不存在，则根据所述变频电机的效率与负载特性曲线，以所述变频电机效率最高与流量需求Q_t可实现性为判断准则，计算获取所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的理论最佳频率f_t；根据所述流量需求Q_t和所述理论最佳频率f_t，计算获取所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的所述比例变量泵的理论斜盘倾斜角γ_t；将所述理论最佳频率f_t同时作为原始最佳频率f_t'和实际最佳频率f_t″，将所述理论斜盘倾斜角γ_t同时作为原始斜盘倾斜角γ_t'和实际斜盘倾斜角γ_t″，并存入系统数据库中，即有f_t″＝f_t'＝f_t，γ_t″＝γ_t'＝γ_t；

步骤c、通过变频器的控制使所述变频电机在t时刻的工作频率为实际最佳频率f_t″，通过变量机构控制使所述比例变量泵在t时刻的斜盘倾斜角为所述实际斜盘倾斜角γ_t″；检测获得所述比例变量泵在t时刻的流量输出的测量值Q_测，根据系统设定的精度给定容差度ε₁，判断式(1)是否成立

|Q_t-Q_测|≤ε₁       (1)

若式(1)成立，则维持所述负载率β_t和流量需求Q_t对应下的实际最佳频率f_t″和实际最佳斜盘倾斜角γ_t″不变；若式(1)不成立，则判断式(2)是否成立，

Q_min(f_t″)≤2Q_t-Q_测≤Q_max(f_t″)     (2)

其中Q_min(f_t″)和Q_max(f_t″)分别为所述实际最佳频率f_t″对应下的所述比例变量泵的最小流量和最大流量；

若式(2)成立，则根据所述流量差Q_t-Q_测、所述实际最佳频率f_t″和所述实际最佳斜盘倾斜角γ_t″，计算获取变角修正信号Δγ₁，并将系统数据库中与所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的原始斜盘倾斜角γ_t'修改为：γ_t'＝γ_t″+Δγ₁；

若式(2)不成立，则判断式(3)是否成立：

f_t″＝f_max且γ_t″＝γ_max    (3)

式(3)中，f_max为所述变频电机的最大工作频率，γ_max为所述比例变量泵的最大斜盘倾斜角；

若式(3)不成立，则根据所述流量差Q_t-Q_测以及实际最佳频率f_t″计算获得变频信号修正值Δf和变角信号修正值Δγ₂，并将系统数据库中与所述负载率β_t和流量需求Q_t对应的原始最佳频率f_t'和原始斜盘倾斜角γ_t'修改为：f_t'＝f_t″+Δf，γ_t'＝γ_t″+Δγ₂；

若(3)式成立，则判断当前系统存在故障，已超出所述变频电机与所述比例变量泵的可调范围。