CN104819183B - 一种变转速液压动力源流量控制系统及方法 - Google Patents

一种变转速液压动力源流量控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变转速液压动力源流量控制系统及方法，包括控制器、伺服驱动器、永磁电机、齿轮泵、油箱、马达及用于检测齿轮泵出油口流量信息的流量传感器；所述伺服驱动器的输出端与永磁电机的控制端相连接，永磁电机的输出轴与齿轮泵的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵的入油口相连通，齿轮泵的出油口与马达的入油口相连通，马达的出油口与油箱的入油口相连通，流量传感器的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与伺服驱动器的输入端相连接。本发明可以高精度、实时、快速的对变转速液压动力源流量进行控制。

Description

一种变转速液压动力源流量控制系统及方法
技术领域
本发明属于液压动力系统控制技术领域，涉及一种流量控制系统及方法，具体涉及一种变转速液压动力源流量控制系统及方法。
背景技术
液压传动与控制技术是集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算机控制及现代控制理论等众多学科于一体的高交叉性、高综合性的技术学科，具有显著的机电液一体化特征。液压设备中大部分要对执行机构的速度进行控制，也就是说调速控制是液压设备的核心，一般分为节流调速和容积调速两种阀控形式。随着交流电机变频调速技术的不断普及，液压设备变频容积调速(变转速控制)方法被提出，它的原理是将定量油泵和电机交流调速技术有机结合，通过油泵转速的变化实现流量的动态调节，与变量泵系统相比较省去了复杂的变排量控制机构。与传统阀控调速系统相比变转速流体调速控制简化了液压回路，抗污染能力强，减少或完全消除了液压阀的能量损耗，提高了系统效率和可靠性，效率可达80％以上，并且结构简单、动态性能好，因此液压设备变转速控制成为国内外学者研究开发热点。
变转速液压动力系统具有高度非线性、强耦合性、时变性的特点。动力源一般采用永磁伺服电机，它具有非线性特性，表现为电机输出的转矩和转速与电机的输入电流电压具有高度非线性，进而泵输出的流量和压力与电机的输入电压电流表现出非线性；强耦合性体现在液压系统负载波动时引起系统流量和压力的变化以及电机电流电压的变化；时变性主要表现为液压油粘度系数随温度的不同而变化及体积弹性模量随油压变化而变化。
变转速液压调速系统的速度刚度较低，动力源输出的流量容易受载荷干扰，例如：系统加载时压力上升使得液压系统油液泄漏量增加，从而引起系统流量减小；系统减载时压力下降液压油泄露量减少，使系统流量增加。对执行机构速度控制的本质是对液压动力源输出流量的控制。目前大多数液压调速系统仍采用负载速度大闭环控制，存在系统环节多、时滞严重、不易调节等问题，控制算法也局限于常规简单PID控制方法，系统响应速度与超调量之间的矛盾不能得到解决。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种变转速液压动力源流量控制系统及方法，该系统及方法可以高精度、实时、快速的对变转速液压动力源流量进行控制。
为达到上述目的，本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统包括控制器、伺服驱动器、永磁电机、齿轮泵、油箱、马达及用于检测齿轮泵出油口流量信息的流量传感器；
所述伺服驱动器的输出端与永磁电机的控制端相连接，永磁电机的输出轴与齿轮泵的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵的入油口相连通，齿轮泵的出油口与马达的入油口相连通，马达的出油口与油箱的入油口相连通，流量传感器的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与伺服驱动器的输入端相连接。
所述控制器包括减法器、微分运算器、PID补偿控制器、比较器、限幅模糊控制器及加法器；
所述减法器的输入端与流量传感器的输出端相连接，微分运算器的输入端与减法器的输出端相连接，比较器的输入端与减法器的输出端相连接，比较器的输出端与PID补偿控制器的输入端相连接，限幅模糊控制器的输入端与微分运算器的输出端及减法器的输出端相连接，加法器的输入端与PID补偿控制器的输出端及限幅模糊控制器的输出端相连接，加法器的输出端与伺服驱动器的输入端相连接。
本发明所述的变转速液压动力源流量控制方法包括以下步骤：
1)流量传感器实时采集齿轮泵出油口处的流量信息，并将齿轮泵出油口处的流量信息传递至减法器中，减法器通过预设目标流量值减去当前齿轮泵出油口处的流量值，得系统流量偏差，并将所述系统流量偏差传递至PID补偿控制器、微分运算器及限幅模糊控制器中；
2)微分运算器根据所述系统流量偏差得系统流量偏差的变化率，并将所述系统流量偏差的变化率传递至限幅模糊控制器中，限幅模糊控制器根据系统流量偏差的变化率及系统流量偏差进行模糊运算，并将解模糊得到的结果进行幅值调整，并将幅值调整的结果输入加法器中；同时比较器判断当前系统流量偏差是否小于预设偏差阀值，当系统流量偏差大于预设偏差阀值时，则限幅模糊控制器输出控制信号，PID补偿控制器不进行工作，PID补偿控制器的输出为“0”，加法器输出限幅模糊控制器的调整结果；当系统流量偏差小于等于偏差阀值时，PID补偿控制器进行工作，加法器将限幅模糊控制器的幅值调整结果及PID补偿控制器输出的结果进行相加，并将相加得到的结果输出到伺服驱动器中；
3)伺服驱动器根据步骤得到的相加结果控制永磁电机工作，永磁电机的输出轴带动齿轮泵工作，齿轮泵输出液压油驱动马达工作。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统及方法在工作时，通过流量传感器采集齿轮泵出油口处的流量信息，将所述齿轮泵出油口处的流量信息与目标流量进行相减，得系统流量偏差，根据所述系统流量偏差得系统流量偏差的变化率以及判断是否需要启动PID补偿控制器，然后根据系统流量偏差及系统流量偏差的变化率进行模糊运算及限幅，再根据限幅得到结果与PID补偿控制器输出结果的和来控制齿轮泵出油口处的流量，从而实现变转速液压动力源流量的控制。另外，本发明中限幅模糊控制属于闭环控制，克服了所有闭环控制“边调边算”响应速度慢的问题，通过调节参数具有开环控制响应快速的特性，并且控制系统无超调。限幅模糊控制流量阶跃响应速度4.5秒，大幅领先于模糊控制或PID控制的流量阶跃响应速度10秒。同时，通过限幅模糊控制补偿液压系统负载扰动引起的油液泄漏量损失和体积压缩量损失对流量控制的影响。另外，通过比较器与PID补偿控制器相结合消除限幅模糊控制所产生的稳态误差，提高控制精度，同时，解决了单一控制方法响应快速与超调量之间的矛盾，性能明显优于单一控制方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为现有PID控制方法流量阶跃响应图；
图4为现有模糊控制方法流量阶跃响应图；
图5为本发明流量阶跃响应图；
图6为现有模糊控制方法流量斜坡响应图；
图7为本发明的流量斜坡响应图；
图8为本发明加载时(压力为5.8Mpa)的流量斜坡响应图。
其中，1为控制器、2为减法器、3为微分运算器、4为限幅模糊控制器、5为比较器、6为PID补偿控制器、7为加法器、8为流量传感器、9为伺服驱动器、10为永磁电机、11为齿轮泵、12为马达。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统包括控制器1、伺服驱动器9、永磁电机10、齿轮泵11、油箱、马达12及用于检测齿轮泵11出油口流量信息的流量传感器8；所述伺服驱动器9的输出端与永磁电机10的控制端相连接，永磁电机10的输出轴与齿轮泵11的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵11的入油口相连通，齿轮泵11的出油口与马达12的入油口相连通，马达12的出油口与油箱的入油口相连通，流量传感器8的输出端与控制器1的输入端相连接，控制器1的输出端与伺服驱动器9的输入端相连接。
需要说明的是，所述控制器1包括减法器2、微分运算器3、PID补偿控制器6、比较器5、限幅模糊控制器4及加法器7；减法器2的输入端与流量传感器8的输出端相连接，微分运算器3的输入端与减法器2的输出端相连接，比较器5的输入端与减法器2的输出端相连接，比较器5的输出端与PID补偿控制器6的输入端相连接，限幅模糊控制器4的输入端与微分运算器3的输出端及减法器2的输出端相连接，加法器7的输入端与PID补偿控制器6的输出端及限幅模糊控制器4的输出端相连接，加法器7的输出端与伺服驱动器9的输入端相连接。
本发明所述的变转速液压动力源流量控制方法包括以下步骤：
1)流量传感器8实时采集齿轮泵11出油口处的流量信息，并将齿轮泵11出油口处的流量信息传递至减法器2中，减法器2通过预设目标流量值减去当前齿轮泵11出油口处的流量值，得系统流量偏差，并将所述系统流量偏差传递至PID补偿控制器6、微分运算器3及限幅模糊控制器4中；
2)微分运算3器根据所述系统流量偏差得系统流量偏差的变化率，并将所述系统流量偏差的变化率传递至限幅模糊控制器4中，限幅模糊控制器4根据系统流量偏差的变化率及系统流量偏差进行模糊运算，并将解模糊得到的结果进行幅值调整，并将幅值调整的结果输入加法器7中；同时比较器5判断当前系统流量偏差是否小于预设偏差阀值，当系统流量偏差大于预设偏差阀值时，则限幅模糊控制器4输出控制信号，PID补偿控制器6不进行工作，PID补偿控制器6的输出为“0”，加法器7输出限幅模糊控制器4的调整结果；当系统流量偏差小于等于偏差阀值时，PID补偿控制器6进行工作，加法器7将限幅模糊控制器4的幅值调整结果及PID补偿控制器6输出的结果进行相加，并将相加得到的结果输出到伺服驱动器9中；
3)伺服驱动器9根据步骤2)得到的相加结果控制永磁电机10工作，永磁电机10的输出轴带动齿轮泵11工作，齿轮泵11输出液压油驱动马达12工作。
其中，Qr为目标流量；Qp为当前齿轮泵11出油口处的流量信息；系统流量偏差e＝Qr-Qp；为系统流量偏差的变化率；Ke和Kec是限幅模糊控制器4的比例因子；Ku为限幅模糊控制器4的量化因子；限幅模糊控制器4的组成主要包括：①系统流量偏差e及偏差变化率模糊化；②模糊规则库的建立；③模糊推理；④输出解模糊；⑤输出限幅；其中输出限幅是根据不同的目标流量进行自动调整限幅，将目标流量换算成对应的电机转速，进一步换算成对应的电机控制电压，是整个限幅模糊控制器的关键技术部分，决定控制系统的性能。
图3为现有传统PID控制流量阶跃响应试验，从图3中可以看出PID控制的阶跃响应上升时间约为10秒，系统流量无超调，流量稳定后用比例溢流阀加阶跃上升、阶跃下降载荷，系统压力上升为7.4MPa，温度为20℃；系统压力阶跃上升时，由于泵的泄漏量增加，造成流量会减小，但由于系统采用的是流量闭环控制，所以可以通过控制电机转速的增加来补偿泵泄漏的增加，系统流量经过7s调整恢复稳定，达到设定的目标流量。同理，当系统压力阶跃下降时，流量会上升，通过闭环控制调节电机转速，使系统流量达到设定的目标值。
从图4中可以看出模糊控制的阶跃响应上升时间约为11.5秒，对比图3和图4两种控制结果说明在响应的快速性上，传统PID控制和模糊控制几乎是一样的，对相同的控制对象，通过调整控制器1的参数两种控制方法响应速度都可以改变，有一个共同点就是响应速度快，必然会导致系统超调。
从图5中可以看出流量的阶跃响应时间为5秒，相比现有的模糊控制与PID控制响应速度提升了6.5秒。系统先采用限幅模糊控制让系统流量快速接近目标流量，然后再用带阈值设置的PID消除稳态误差，阈值设置为目标流量的5％，系统加载压力上升到6MPa，流量在载荷突变的情况下出现波动，经过调整后仍可恢复稳定，说明本发明的控制方法同样适合于液压系统加载工况的控制，响应快速、无超调、控制精度高，动静态性能良好，控制性能明显优于传统PID和模糊控制。
图6为现有模糊控制空载情况下斜坡跟踪响应，实测流量滞后目标流量5秒。
图7为本发明空载情况下限幅模糊与带阈值设置的PID补偿控制跟踪斜坡信号的试验结果，从图中可以看出，I型系统跟踪斜坡上升和斜坡下降信号都存在稳态误差，实测流量滞后于目标流量2.5秒，相比现有模糊控制缩短滞后时间2.5秒，大幅减小稳态误差，系统无超调量，且控制精度高。
图8为本发明加载情况下系统压力为5.8MPa时限幅模糊与带阈值设置的PID补偿控制方法跟踪斜坡信号的响应结果，与空载情况相比控制效果基本未受影响。
由此，本发明不仅能够补偿液压系统本身所具有的多种非线性因素对控制系统的影响，例如，负载扰动引起的泄漏量、温度变化引起油液粘度及体积压缩量的变化等非线性因素都能给予补偿，而且可以通过调节控制器1参数达到开环控制响应的速度，系统响应快速、无超调、精度高，控制性能明显优于单一传统控制方法，适合变转速容积调速系统在线控制。

Claims (2)

1.一种变转速液压动力源流量控制系统，其特征在于，包括控制器(1)、伺服驱动器(9)、永磁电机(10)、齿轮泵(11)、油箱、马达(12)及用于检测齿轮泵(11)出油口流量信息的流量传感器(8)；
所述伺服驱动器(9)的输出端与永磁电机(10)的控制端相连接，永磁电机(10)的输出轴与齿轮泵(11)的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵(11)的入油口相连通，齿轮泵(11)的出油口与马达(12)的入油口相连通，马达(12)的出油口与油箱的入油口相连通，流量传感器(8)的输出端与控制器(1)的输入端相连接，控制器(1)的输出端与伺服驱动器(9)的输入端相连接；
所述控制器(1)包括减法器(2)、微分运算器(3)、PID补偿控制器(6)、比较器(5)、限幅模糊控制器(4)及加法器(7)；
所述减法器(2)的输入端与流量传感器(8)的输出端相连接，微分运算器(3)的输入端与减法器(2)的输出端相连接，比较器(5)的输入端与减法器(2)的输出端相连接，比较器(5)的输出端与PID补偿控制器(6)的输入端相连接，限幅模糊控制器(4)的输入端与微分运算器(3)的输出端及减法器(2)的输出端相连接，加法器(7)的输入端与PID补偿控制器(6)的输出端及限幅模糊控制器(4)的输出端相连接，加法器(7)的输出端与伺服驱动器(9)的输入端相连接。
2.一种变转速液压动力源流量控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的变转速液压动力源流量控制系统，包括以下步骤：
1)流量传感器(8)实时采集齿轮泵(11)出油口处的流量信息，并将齿轮泵(11)出油口处的流量信息传递至减法器(2)中，减法器(2)通过预设目标流量值减去当前齿轮泵(11)出油口处的流量值，得系统流量偏差，并将所述系统流量偏差传递至PID补偿控制器(6)、微分运算器(3)及限幅模糊控制器(4)中；
2)微分运算器(3)根据所述系统流量偏差得系统流量偏差的变化率，并将所述系统流量偏差的变化率传递至限幅模糊控制器(4)中，限幅模糊控制器(4)根据系统流量偏差的变化率及系统流量偏差进行模糊运算，并将解模糊得到的结果进行幅值调整，并将幅值调整的结果输入加法器(7)中；同时比较器(5)判断当前系统流量偏差是否小于预设偏差阀值，当系统流量偏差大于预设偏差阀值时，则限幅模糊控制器(4)输出控制信号，PID补偿控制器(6)不进行工作，PID补偿控制器(6)的输出为“0”，加法器(7)输出限幅模糊控制器(4)的调整结果；当系统流量偏差小于等于偏差阀值时，PID补偿控制器(6)进行工作，加法器(7)将限幅模糊控制器(4)的幅值调整结果及PID补偿控制器(6)输出的结果进行相加，并将相加得到的结果输出到伺服驱动器(9)中；
3)伺服驱动器(9)根据步骤2)得到的相加结果控制永磁电机(10)工作，永磁电机(10)的输出轴带动齿轮泵(11)工作，齿轮泵(11)输出液压油驱动马达(12)工作。
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