CN104895775B - 用于轴向活塞开路泵的可变负载检测弹簧设置 - Google Patents

Abstract

一种用于具有三个子系统的轴向活塞开路的可变负载检测弹簧设置。将反推控制应用于第一和第二子系统以确定操作者控制输入和稳定第一和第二子系统的负载检测轴有效开口面积的控制输入。通过第三子系统和控制输入计算可行的负载检测面积。

Description

用于轴向活塞开路泵的可变负载检测弹簧设置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年3月3日递交的美国临时申请第61/947,038号的权益。

技术领域

本发明涉及液压负载检测系统，并且更具体地，涉及用于非线性应用的液压负载检测系统。

背景技术

负载检测系统广泛地用于整个动力液压工业。这种系统的流行的主要原因之一是控制的简单性。通过正确地使用负载检测和压力控制，负载检测系统本质上典型地是被动式的，其看起来容易解析。在解析得出的方案和实际应用之间的差异在于选择合理的参数，例如间隙、阀轴面积轮廓等。这些参数中的一些规定泵的整体稳定性，并且在大多数情况下它们通过几种反复试验法计算出。

例如在挖掘机中看到的完全的液压负载检测系统本质上是复杂的模型。诸如引擎、液压泵、阀的部件、非特定负载动力学以及非特定操作者行为可以在复杂的负载检测系统中以多种方式造成不稳定。许多人已经以不同的方式面对这种情形。大多数人忽视了一些实际因素，例如负载检测控制轴面积的作用等。对于通常的负载检测系统，如果引擎速度被设定为恒定，输入至阀的操作者输入仅是输入至系统的外部输入或作用，其驱使整个系统的稳定性。负载的变化可以看作外部扰动。即使可以用公式表示对于整个系统一个输入的控制算法，但是将非常难以获得解析方案，因为所涉及的非线性动力学是复杂的。线性化的模型对于预测负载情形是足够好的，但是基于线性化的模型得出的控制作为在非特定负载条件下的非线性控制不是有效的。因此，本领域中需要一种解决这些缺陷的方式。

因此，本发明的目的在于证明基于非线性化模型的液压负载检测控制。

本发明的另一目的在于提供一种通过操作者命令和负载检测阀轴有效开口面积激励的液压负载控制。

这些或其他目的基于下面的说明书、附图以及权利要求对于本领域的普通技术人员将是清楚的。

发明内容

用于非线性应用的液压负载检测系统具有与操作者命令相关的第一子系统、与负载检测轴有效开口面积相关的第二负载系统以及与负载检测轴位移相关的第三子系统。用以稳定第一子系统的第一控制输入和用以稳定第二子系统的第二控制输入通过将反推控制应用于第一和第二子系统通过计算机来确定。

使用第一和第二控制以及第三子系统，通过计算机计算可行的负载检测面积。随后，计算机使用可行的负载检测面积以控制液压泵。

附图说明

图1是负载检测泵的侧面剖视图；

图2是负载检测系统的示意图；

图3是示出负载检测阀轴可变面积槽的图；

图4是对比泵源和负载压力的曲线；

图5是泵保护的相位图的曲线图；

图6是负载振荡条件下系统压力的曲线图；

图7是示出计算的负载检测阀轴面积的曲线图；

图8是示出操作者命令/阀的节流孔面积的曲线图；

图9是示出来自源的负载流的曲线图；

图10是示出可变极限压力的曲线图；和

图11是示出气缸位置的曲线图。

具体实施方式

参考图1，图中示出的是负载检测泵10的剖视图。泵10内包含伺服活塞12，该伺服活塞12可滑动地容纳在伺服活塞导向器14内。导向器14接合操作地连接至转子轴18的旋转斜盘16。与伺服活塞12相对并且另外与旋转斜盘16接合的是具有偏压弹簧22的偏压活塞20。

图2示出液压负载检测系统的示意图。电动机24连接至泵10。泵10传送至控制阀28并将来自罐26的流体加压至系统压力。作为示例，阀28是通过操作者输入控制的可变面积节流孔。设置补偿回路30，其包括压力限制补偿阀32和负载检测补偿阀34。系统还包括扭矩控制阀36，例如伺服活塞，其调节旋转斜盘16的位移。个人计算机38连接至所述系统。替换地，可以使用负载检测控制。

通过下来的微分方程描述液压系统的非线性模型。通过下式给出负载检测阀轴动力学：

其中，等于每单位面积的负载检测弹簧力，也被称为极限(margin)压力。压力控制阀轴动力学通过下式给出：

其中是设定为单位面积的力的压力控制弹簧设定，在本文后面将对它进行设计。旋转斜盘kit动力学由方程(3)给出。

T_mswash是泵活塞移动产生的旋转斜盘或摇晃力矩。我们使用制成表格的测试数据将该动力学解释成模拟结果。伺服进入和出去的伺服流量被限定为方程(8)：

图3示出可变面积槽的曲线。对于正的x_ls，伺服流量被限定为从源至伺服的流量。另一方面，对于负的x_ls，该流量被限定为至罐的伺服。

矩形面积的总的水平长度限定为L_lsA，垂直长度限定为h。最大开口面积为并且对于给定的负载检测阀轴位移，对于从源至伺服的流量来说该面积限定为x_lsh，对于从伺服至罐的流量来说是这允许能够通过李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性分析计算可行的负载检测阀轴面积，使得将有助于根据需要计算阻流且增益节流孔的尺寸。这是使用负载检测阀轴面积作为外部输入的动机。现在通过下面微分方程将伺服压力限定为：

或

要注意的是，对于非零的旋转斜盘角a，伺服和偏压活塞滑动跨过旋转斜盘，以及因此从旋转斜盘组件中心至伺服和偏压活塞接触点的有效长度被描述为：

x_sv＝-l_sv tan a (7)

x_bs＝l_bs tan a

源流量Q_s、从源至负载的流量Q_stld以及从致动器至罐的流量Q_ldtt分别限定为：

之后，负载压力被限定为：

液压致动器负载动力学被限定为

因为气缸比例为7:10并且致动器的杆端部直接连接至罐，其保持罐压力P_t。

现在，将这些状态限定为：

将方程(1)至(11)重新整理并说明所述状态变量，可以改写为下面的方程：

此外，将虚拟的状态变量看作δ₃₉＝x₃-x₉，因此

并且，假定V_ps≈V_ld

这是基于没有任何一般意义上的损失的情况下体积V_ps，V_ld是相等的设定。

通过这些方程限定子系统。作为示例，第一子系统包括方程(21)、(22)以及(23)，第二子系统包括方程(15)、(16)以及(17)，第三子系统包括方程(13)、(14)、(19)以及(20)。第一和第二系统由操作者命令和负载检测阀轴有效地开口来激励或致动。第三子系统包括压力控制和负载检测阀轴并且是被动式的系统。

为了确定将使第一子系统稳定的操作者输入，应用反推控制。

在控制理论中，反推被用于设计非线性系统的特殊的回归类的稳定化控制。从方程(22)开始，可以计算出合适的x₁₁，使得方程(22)将被稳定化。现在，方程(22)可以改写为

θ₁₁(t)已知为想要的用于子系统(13)的控制法则，变量的改变为Z₁₁＝x₁₁-θ₁₁(t)。随后，考虑李雅普诺夫函数备选项V₁为

对方程(27)进行微分并且当δ₃₉＝(x₃-x₉)，可以得到

将想要的控制法则选择为

如果则

要说明的是，z₁₁是在想要的气缸速度情况下的气缸速度x₁₁的误差变量；因此，方程(30)的负定性将保证所述追踪。此外要说明的是，这个过程展开了关于气缸速度的追踪问题，使得对于任何操作者命令，可以基于导向器的轨道或轨线确定负载速度。这种行为也将解决失控的负载的气穴问题。

然而，此时不能确保因此，另一误差变量可以看作为并且在方程(28)中替换得到

现在，对误差变量z₃₉进行微分，可以使得

在此阶段，第二李雅普诺夫函数看作成V₂

对方程(33)进行微分，可以得到

要注意的是，作为操作者命令的被输入至阀的已提出的输入出现在方程(34)中。为了简化，将简单的可变面积节流孔看做为该阀。因此，操作者命令设定为与节流孔A_stld的可变面积成正比。因为在方程(34)中出现A_stld项，合适的输入为A_stld，使得A_stld的可能的选择之一可以是

使得

如果方程(35)是可行的并且可实现的，则方程(36)确保的负的半定性。要说明的是，方程(35)中A_stld是想要的气缸加速度的函数。此外，在第一子系统中，涉及系统压力、伺服压力以及负载动力学，并且在方程(35)中得出想要的阀面积以稳定第一子系统。

因为已经设计此时可以用替换因此，系统将具有可变负载检测或极限压力设置，其可以通过使用负载检测轴弹簧设置的电子控制实现。可变极限还帮助减小跨过阀的损失。

为了将第二输入控制确定为有效负载检测轴面积，将反推技术应用于第二子系统。第二子系统涉及旋转斜盘16和伺服36动力学。

虽然对于设计控制单独地处理这些子系统，这些子系统单独地相互连接并且通过多种状态耦合。对于第二子系统，使用反推控制方法找出合适的高度h(x_ls)。从方程(16)开始

其中，θ₅是第二子系统(16)的新的虚拟控制法则。因此，误差变量被限定为z₅＝x₅-θ₅(t)，类似地李雅普诺夫函数备选项被限定为

对方程(38)进行微分，可以得出

即使旋转斜盘力矩本质上是非线性的，所用的此示例为了精确是测试分支(branch)数据。类似地，泵泄漏流量Q_leak也被计算为表格数据(tubular data)。在方程(37)和(39)中，θ₅和被分别限定为旋转斜盘的想要的角速度和加速度。因此，可以选择方程(51)中得出的控制法则的任何期望的且被导向的斜盘轨迹。

如果将θ₆限定为

并且，如果x₆＝θ₆，则可以容易得出

此时，这不保证x₆＝θ₆，因此使用另一误差变量z₆＝x₆-θ₆(t)，替换方程(39)中的x₆＝z₆+θ₆可以得到

方程(43)不是负的半定性，因为Z₅Z₆项的符号是未知的。随后进行反推的下一步骤，直到提出的输入变量在李雅普诺夫校验(proof)中出现。为了继续微分变量Z₆：

改写方程(45)，可以得到

要注意的是，负载检测轴位移x_ls或x₇是方程(46)中的主要因子之一。

但是总是选择成将伺服流量基于x₇区分为：

将另一李雅普诺夫函数看做为

将方程(48)对时间微分，可以得到

或

第二个被提出的输入h在方程(50)中出现。因此可以尝试限定h，使得并且实现此的一种方法如下：

此外在方程(50)中使用方程(51)，可以得出

因此如果方程(51)中限定的h可以在实际中实现，则当旋转斜盘角速度和加速度被导向时，第二子系统也是稳定的。

第三子系统包括压力控制和轴动力学。虽然是被动式的，负载检测轴位移确定控制泵的旋转斜盘子系统的伺服流量。

以考虑来自方程(19)-(20)的负载检测轴动力学开始，可以将其改写为

其中通过方程[13]，下面的定律可应用于被动式的系统。

定律1：两个被动式系统的反馈连接是被动的。

定律2：考虑两个动力系统的反馈连接。当输入等于零时，如果每个反馈分量是严格被动的或输出是严格被动的并且可以观察零状态，则闭合回路系统的原点是渐近地稳定的。而且，如果每个分量的存储函数在径向上是无界的，则原点是球形渐近地稳定的。

定律3：用被动无记忆函数考虑严格被动的动力系统的反馈连接。当输入等于0时，闭合回路系统的原点是均匀地渐近地稳定的。如果动力系统的存储函数在径向上是无界的，则原点将是总体上均匀渐近地稳定的。

根据定律1-3，将李雅普诺夫函数看做为

由此可以容易地证明当V_x是在径向上无界的，则如果u₁＝0，则原点是总体上渐近地稳定的。

接下来考虑也非常类似于负载检测轴动力学的压力控制轴动力学。改写方程(2)，可以得出

其中将类似的李雅普诺夫函数限定为

可以检验第三子系统整体是被动式的。对于有界的u₁和u₂，还可以容易地显示x₁，x₂，x₇和x₈全部是有界的。为了检验u₁和u₂以及整个系统的界限，我们将李雅普诺夫函数V₅看作为：

V₅＝V₄+V₂ (57)

此时如果方程(36)和(51)成立，则由方程(57)对V₅进行微分，得到

因此整个负载检测系统是有界的并且李雅普诺夫函数是稳定的。

实施模拟以验证所提出的结果。该模拟被写成Matlab脚本文件(script file)以求解由方程(1)至(25)给出的严格(stiff)的微分方程。因此在没有任何一般意义上的损失的情况下，考虑简单的示例，这更容易且更简单实施脚本文件。

在模拟示例中，在高频负载振荡条件下泵压力的稳定性和其他必要的泵参数被示出，并且设定负载正从气缸的底部移除，设定为x_ld＝0。

图4和图5分别示出泵和负载压力特性以及源压力的相位平面图。由相位平面图可以看到，在图6给出的振荡负载条件下系统压力是李雅普诺夫稳定的。

图7和图8分别示出计算的负载检测轴面积和操作者命令作为阀节流孔面积。可以说明的是，为了保持获得的结果的实用性，对输入应用饱和度，因此可以观察到在给定的限制条件下是否可以实现李雅普诺夫稳定性。图9和图10证明了系统的流量和可变极限压力。

图11描述在振荡负载条件下的气缸位置。

相应地，考虑负载检测泵的稳定性分析。反推方法已经应用在非线性泵模型上，以观察在振荡负载条件下泵的稳定性，同时将阀节流孔面积和负载检测轴面积计算为外部输入。虽然前者是一个真实的外部输入，后者不是一个真实的输入。期望的是找到轴面积轮廓，以在振荡负载情况下调节增益和阻流节流孔的尺寸。

Claims (8)

1.一种稳定液压负载检测系统的方法，包括下列步骤：

定义与操作者命令相关的第一子系统，与负载检测轴有效开口面积相关的第二子系统以及与负载检测轴位移相关的第三子系统；

通过用计算机应用第一反推控制以确定第一控制输入以使第一子系统稳定；

通过用计算机应用第二反推控制以确定第二控制输入以使第二子系统稳定；

基于第一控制输入和第二控制输入以及第三子系统计算可行的负载检测面积；以及

基于所述可行的负载检测面积控制液压泵。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一反推控制包括使用第一误差变量和第二误差变量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中第一子系统包括气缸加速度、系统压力、伺服压力以及负载动力学。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：确定极限压力设置。

5.根据权利要求1所述的方法，其中第一子系统包括状态和 是系统压力，是负载压力，是负载检测轴位移，是负载检测轴位移随时间的变化，是流体体积模量，是在负载下气缸的圈闭容积，是排放系数，是在被激活时阀口面积，是从源至负载的流量，是液压流体密度，是负载气缸活塞的横截面面积，是具有负载的负载气缸的阻尼系数，是具有负载的负载气缸的弹簧系数，是罐压力，是重力加速度，是具有负载的负载气缸的质量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中第二子系统包括状态和， 是系统压力，是斜盘角，是斜盘角随时间的变化，是在伺服活塞处的压力，是负载压力，是流体体积模量，是系统压力下的流体体积，是排放系数，是在被激活时阀口面积，是从源至负载的流量，是液压流体密度，是泵泄漏流量，是泵中的活塞的数量，是泵活塞的横截面面积，是斜盘的力矩臂，是斜盘和轴承组件的转动惯量，是斜盘和轴承组件的阻尼系数，是用于斜盘和轴承组件的弹簧常数，是由活塞产生的平均斜盘力矩，是从斜盘的中心至偏置活塞的距离，是偏置活塞的面积，是偏置弹簧常数，是从斜盘的中心至伺服活塞的距离，是伺服活塞面积，是泵轴上的旋转速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中第三子系统包括状态和 是斜盘角，是压力控制阀轴位移，是压力控制阀轴位移随时间的变化，是系统压力，是负载压力，是压力控制阀轴质量，是压力控制阀轴阻尼系数，是压力控制预设弹簧系数，是压力控制阀轴横截面面积，是压力控制弹力，是流体体积模量，是系统压力下的流体体积，是排放系数，是在被激活时阀口面积，是从源至负载的流量，是液压流体密度，是泵泄漏流量，是泵中的活塞的数量，是泵活塞的横截面面积，是斜盘的力矩臂，是泵轴上的旋转速度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中第三子系统是被动式的。