CN105138714A - 一种数字和模拟组合控制液压系统多泵源的构型设计方法 - Google Patents

Abstract

一种数字和模拟组合控制液压系统多泵源的构型设计方法，它主要包括如下步骤：1、根据液压设备的动作要求，求出液压系统所需的流量需求Q(t)、最大流量值Q_max以及最大流量变化率的绝对值h；2、根据本发明提供的理论公式，确定定量泵组的最佳组合系数λ和定量泵组中最小泵的排量D₁；3、根据本发明提供的理论公式，确定定量泵的台数m及泵的最大排量D_k；4、确定变量泵的台数n及满排量γ_j。本发明实现了负载的流量匹配，具有响应快、无溢流损失、传动效率高、输出流量连续可调的优点，既具有传统的阀控系统和泵控系统的优势，又避免了泵控系统投资大、维护成本高的缺点。

Description

一种数字和模拟组合控制液压系统多泵源的构型设计方法

技术领域

本发明属于液压技术领域，特别涉及一种节能型多泵源液压系统的构型设计方法。

背景技术

锻造液压机是机械行业中的重要的一种机械设备，其所消耗的巨大能量一直都是各界人士纷纷重点关注的焦点，因此节能是锻压工业发展过程所必须解决的问题。

目前，锻造液压机按功率调节的方式，可分为节流控制系统和容积控制系统。前者采用以插装式大通径电液比例节流阀为控制核心的阀控系统，后者是采用以高响应径向柱塞变量泵为驱动和控制的泵控系统。节流控制的优点是频带宽，响应速度快，增益较高，动态特性好，但存在溢流损失和节流损失。容积控制方式由于其回路中没有溢流和节流损失，效率较高，功率损失小，相对于阀控系统在节能上有巨大优势，其传动效率可达40％-60％，但是该类系统投资和维护成本较高。

国内外有关锻造液压机阀控系统的研究主要集中在提高动态品质和精度的控制策略、平稳卸压卸荷技术、故障诊断等，但对其液压控制系统节能方面的研究工作尚处于起步阶段。因此，对于锻造液压机阀控系统而言，急需寻求一种有效的液压系统设计方法，解决多泵源系统输出的定流量与负载需求不匹配的问题，进而构建一种低成本、高效率的液压传动系统。

另外，DFP(DigitalFluidPower)近几年已成为流体传动技术的一个新的分支。DFP就是液压或气动系统依靠一定数量离散的元件灵活地控制系统的输出。DFP主要分为两大类，一类是通过PCM(PulseCodeModulation)控制多个并行排布元件的组合状态实现不同需求的输出，另一类是通过调节PWM(PulsewidthModulation)频率或者占空比控制单个元件实现不同的输出特性。数字液压系统在节能、无泄漏、高控制自由度、抗污染性、多功能性等方面有着模拟控制系统无可比拟的优势，是未来液压传动理论与技术的重要发展方向之一。目前，国内学者主要对PWM控制的数字变量泵进行了研究。国外学者对PCM数字泵控系统的构型及控制进行了研究，但研究对象都是针对小流量液压系统，并且没有涉及到液压系统的构型设计方法。

然而，锻造行业中液压机液压系统通常都具有高压、大流量的特征，其采用数字化控制时不易进行高频切换，流量输出明显呈阶梯形，对连续量的模拟精度低，不易满足工程需求。另外大流量切换时所产生的冲击会严重影响泵源输出特性，使系统的控制特性恶化，故如何实现大流量液压系统连续无冲击的输出特性将是数字液压发展中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种响应快、无溢流损失、传动效率高、输出流量连续可调的数字和模拟组合控制液压系统多泵源的构型设计方法。本发明主要利用区域分割的方法，提出数字+模拟组合泵源的非标准二进制组合规则及构型方法，其中的数字信号是指定量泵组中的电磁卸荷阀的控制信号均为0/1数字信号，模拟信号是指变量泵的控制信号为连续的模拟量；本发明指依据所需流量曲线，通过流量区域划分的方法确定出多泵源系统中定量泵和变量泵的台数及排量，定量泵组可输出“阶梯状”流量，变量泵输出的流量可“填补”定量泵阶梯流量的空白处，使之变成“光滑”的流量曲线。

本发明的技术方案如下：

本发明的液压系统包括第一变量泵A₁、第二变量泵A₂、……、第n变量泵A_n、第一定量泵B₁、第二定量泵B₂、……、第m定量泵B_m、第一电磁卸荷阀C₁、第二电磁卸荷阀C₂、……、第m电磁卸荷阀C_m、第一安全阀E₁、第二安全阀E₂、……、第m安全阀E_m、第一单向阀F₁、第二单向阀F₂、……、第n+m单向阀F_n+m、油箱G；每个定量泵的出口和油箱之间跨接一个电磁卸荷阀和一个安全阀，电磁卸荷阀的作用是控制相应定量泵接入系统的状态，安全阀防止压力过载。m个定量泵和n个变量泵的出口均汇于一点后作为多泵源的压力油输出口。

设定量泵排量为D_i，单位为ml/r，对应的输出流量为Q_Di，单位为L/min，1≤i≤m；变量泵最大排量分别γ_j，单位为ml/r，满排量时输出流量分别为Q_Ajmax，单位为L/min，1≤j≤n；所有泵电机转速均为n_p，单位为r/min；流量曲线上最大斜率的绝对值h，单位为L/s²。

本发明的设计内容主要包括定量泵和变量泵的台数及排量确定，其设计步骤如下：

(1)根据实际工业生产中主机设备的工况要求，求出该设备的液压系统所需的流量需求Q(t)，并求出最大流量值Q_max以及最大流量变化率的绝对值h；

(2)确定定量泵组的最佳组合系数λ和定量泵组中最小泵的排量D₁。综合考虑泵组输出流量与负载流量需求偏差度、泵切换频率、流量冲击程度、泵组成本等因素后，得出最小泵排量D₁理论计算公式如下：

$D_1=\mathrm{\λ}\·\frac{1000\·Q_{\max }}{n_p}=1000\·(\mathrm{\α}\·\mathrm{\ϵ}+\mathrm{\β}\·\mathrm{\ω}+\mathrm{\γ}\·\mathrm{\σ}+\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\δ})\·\frac{Q_{\max }}{n_p}$

其中，λ为定量泵组的最佳组合系数，并且0＜λ≤1；ε、ω、σ、δ分别表示定泵组输出流量与负载流量需求偏差、泵组切换频率、流量切换冲击程度、泵组成本对定量泵台数的最佳影响系数，并且均是介于0到1之间的无量纲数。权重系数α、β、γ、ζ满足关系式α+β+γ+ζ＝1，权重系数的大小根据设计要求确定；

(3)确定定量泵的台数m及泵的最大排量D_k。采用部分二进制排量比的定量泵组，即D₁∶D₂∶D₃…D_k∶D_k+1…D_m＝2⁰∶2¹∶2²…2^k∶2^k…2^k；因此，定量泵台数及最大排量为：

$m\≥{\log }_2(\frac{1}{\mathrm{\λ}}+1)$

$D_k=...D_m=\frac{1000}{n_p}\·\frac{2^{m-1}}{2^{m+1}}\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Di}}$

取m为大于的最小正整数，而D_k取实际排量系列值当中与理论计算值最为接近的数值；

(4)确定变量泵的台数n及满排量γ_j。变量泵组排量一般取相同值，根据所有变量泵满排量输出时的流量曲线斜率值h′大于所需流量曲线上最大斜率的绝对值h要求，得出变量泵组排量与台数的关系式：

${\mathrm{\γ}}_j\≥\frac{1000}{n\·n_p}\·{\left|\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }$

考虑到实际产品系列以及成本因素，根据该公式，台数n从1逐渐增加，分别求出对应的排量值，直至确定成本较为合理的一组解。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、避免了传统阀控系统多泵源定流量输出造成的的溢流损失，实现了液压执行机构所需流量匹配的目的，节能效果明显。

2、响应快、溢流损失少、传动效率高、输出流量连续可调，兼具传统的阀控系统和泵控系统的优势，同时避免了泵控系统投资大、维护成本高的缺点。

附图说明

图1表示本发明采用的流量区域划分原理图；

图2表示本发明的多泵源液压原理构型图；

图3表示本发明的多泵源泵组状态控制流程如图图；

图4表示本发明的多泵源液压系统实现流量连续输出的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

在图1所示的数字和模拟组合控制液压系统多泵源的构型设计方法的流量区域划分原理图中，图(a)表示定量泵组和变量泵组各自的输出流量曲线，图(b)表示定量泵组和变量泵组的输出流量之和。数字量间接控制的定量泵组可输出阶梯状流量，模拟量控制的变量泵可输出连续变化的流量。

通过流量区域划分的方法确定出多泵源系统中定量泵和变量泵的台数及排量。设定量泵台数为m，排量为D_i,对应的输出流量为Q_Di，并且Q_Di≤Q_D(i+1)，1≤i≤m；变量泵台数为n，最大排量分别为γ_j，满排量时输出流量分别为Q_Ajmax，1≤j≤n；采用等间距分割原则进行流量区域划分。每个流量等级间距的跃变值ΔQ＝Q_D1，即定量泵组输出流量分辨率。依据工艺要求求解出执行器所需的流量目标曲线，求出系统最大流量Q_max。要求所有定量泵组同时输出时的流量值满足条件：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Di}}\≥Q_{\max }---\left(1\right)$

即定量泵组最大输出流量可满足系统所需最大流量。为了实现定量泵组利用率的最大化并尽量减少泵的投入台数，设定定量泵的排量比为二进制关系，但随着台数的增加，定量泵排量又不是无限制增大，而是达到某一排量值D_k时不再变化。即：

D₁∶D₂∶D₃…D_k∶D_k+1…D_m＝2⁰∶2¹∶2²…2^k∶2^k…2^k(2)

其中，k为正整数。定量泵组中最小排量的泵输出的流量为Q_D1，设n_p是最小排量泵的转速，因此最小排量为：

$D_1=\frac{1000\·Q_{D1}}{n_p}=\frac{1000\·\mathrm{\ΔQ}}{n_p}---\left(3\right)$

系统定量泵组的流量分辨率ΔQ取为：

ΔQ＝λ·Q_max(4)

其中，λ为定量泵组的最佳组合系数，并且0＜λ≤1；等多目标优化后确定。定义ε、ω、σ、δ分别表示定泵组输出流量与负载流量需求偏差、泵组切换频率、流量切换冲击程度、泵组成本对定量泵台数的最佳影响系数，并且均是介于0到1之间的无量纲数。因此有：

λ＝α·ε+β·ω+γ·σ+ζ·δ(5)

α+β+γ+ζ＝1(6)

根据不同的设计要求给定相应的一组的权重系数α、β、γ、ζ；由此，由式(3)、(4)、(5)、(6)可以确定出定量泵组中最小排量的泵。

定量泵排量上限值D_k取决于最大阶跃流量变化Q_smax和市场上成熟产品的排量参数以及泵组成本因素的限制。而Q_smax取决于各个定量泵依次接入系统中时可允许的最大冲击程度[σ]，[σ]越大，Q_smax值会相应变大。定量泵组流量切换时最大冲击发生在系统输出流量Q_Dk与(Q_Dk-Q_D1)之间的切换瞬间，同时该瞬间也是定量泵组切换次数最多时刻，切换次数为k+1次。考虑到泵组流量冲击程度，可将标准二进制排量比的定量泵组中排量最大的定量泵替换为两台相同排量的定量泵，因此，定量泵组中最大排量的泵输出流量为：

$Q_{\mathrm{Dk}}=\frac{2^{m-1}}{2^{m-1}-1}\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Di}}\≈\frac{1}{4}\·Q_{\max }---\left(7\right)$

上述关系式(7)满足的条件是：

m＝k+3(8)联立式(1)、(7)、(8)，有：

(2⁰+2¹+2²…2^k+2^k+2^k)·Q_D1≥Q_max(9)

联立(3)、(4)(8)、(9)式，求出定量泵的个数m为：

$m\≥{\log }_2(\frac{Q_{\max }}{Q_{D1}}+1)={\log }_2(\frac{1}{\mathrm{\λ}}+1)---\left(10\right)$

对于变量泵组的排量D_i及数量n的选取原则如下：

首先，变量泵组输出的最大流量能够满足所需填补的流量空缺处。满足不等式关系：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Aj}\max }=\frac{1}{1000}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j\·n_p\≥\mathrm{\ΔQ}---\left(11\right)$

当电机转速n_p已知时，可以求出所有变量泵的满排量之和。同时还需满足所有变量泵满排量输出时的流量曲线斜率值h′大于所需流量曲线上最大斜率的绝对值h，即：

$h^{\′}=\frac{n\·{\mathrm{\γ}}_j\·n_p}{1000\×60}\≥h---\left(12\right)$

$h=\frac{1}{60}{\left|\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }---\left(13\right)$

满足式(11)(12)(13)条件的有多组解，可以求解出变量泵的排量与台数关系：

${\mathrm{\γ}}_j\≥\frac{1000}{n\·n_p}\·{\left|\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }---\left(14\right)$

一般情况，考虑到泵组成本因素，台数n从1逐渐增加，分别求出对应的排量值，直至理论排量值接近现有产品排量系列中较为常见的规格为止。

如图2所示，多泵源的构型包括第一变量泵A₁、第二变量泵A₂，以此类推，直到第n变量泵A_n；第一定量泵B₁、第二定量泵B₂，以此类推，直到第m定量泵B_m；相应的定量泵出口和油箱G之间跨接第一电磁卸荷阀C₁、第一安全阀E₁，第二电磁卸荷阀C₂、第二安全阀E₂，以此类推，直到第m电磁卸荷阀C_m和第m安全阀E_m；第一单向阀F₁、第二单向阀F₂，以此类推，直到第n+m单向阀F_n+m；油箱G；定量泵分别为系统输入阶跃变化的流量，变量泵均可以为系统输入连续变化的流量。单向阀的作用是将泵与系统单向隔断，可阻止系统液压冲击损坏液压泵。每个电磁卸荷阀分别控制相应定量泵是否处于卸荷状态。溢流阀作用是防止系统压力过载，起到安全保护作用。

每个泵分别由不同的电动机驱动，由模拟量直接控制的变量泵与数字量间接控制的定量泵均可独立地向系统供油。根据系统执行机构的运动速度要求，求出系统所需流量后，通过控制电磁卸荷阀的开闭选择性地断开与接入系统定量泵的数量，从而实现对系统所需流量的分级输入，并通过模拟量控制变量泵组的输出流量以“填补”定量泵组流量输出的阶跃流量，使系统最终输出流量近似连续变化。因此，通过数字量控制的开关阀和模拟量控制的变量泵，可实现泵组输出流量的连续可调，没有溢流损失，达到节能目的。

如图3所示，任意t时刻系统泵组的状态控制规则如下：

按照执行机构液压运动速度要求v(t)，求出其所需流量Q(t)，计算机将求得的流量Q(t)与第m定量泵B_m的输出流量Q_Dm进行比较，如果第m定量泵B_m提供的流量Q_Dm小于所需流量Q(t)，则数字控制信号DTm＝0，即第m电磁卸荷阀C_m处于关闭状态，第m定量泵B_m向系统供油。反之，数字控制信号DTm＝1，第m定量泵B_m卸荷；如果第m定量泵B_m向系统供油，则将剩余所需流量Q(t)-Q_Dm与第m-1定量泵B_m-1的输出流量Q_D(m-1)进行比较，如果第m定量泵B_m为卸荷状态，则Q_Dm＝0，即仍将Q(t)与第m-1定量泵B_m-1的输出流量Q_D(m-1)进行比较。以此类推，直至将剩余所需流量与第一定量泵B₁的输出流量Q_D1进行比较，得出第一定量泵B₁的流量输出状态，此时定量泵组的状态已确定。因此，变量泵组所需提供的流量为：

$Q_A=Q\left(t\right)-\underset{i=1,\mathrm{DT}=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Di}}---\left(15\right)$

与定量泵组状态的判断条件类似，将变量泵组所需提供的流量Q_A与第n变量泵A_n的输出的最大流量Q_Anmax进行比较，如果Q_A＜Q_Anmax且，则第n变量泵A_n的给定指令信号为0；如果Q_A≥Q_Anmax，则第n变量泵A_n投入使用，相应的流量给定信号为：

U_n(t)＝Q_A×k_n(16)

其中，k_n为第n变量泵A_n所提供流量的比例系数。

如果第n变量泵A_n的给定指令信号为0，则仍将Q_A与第n-1变量泵A_n-1的输出的最大流量Q_A(n-1)max进行比较。如果第n变量泵A_n的流量给定信号为U_n(t)＝Q_A×k_n，则将变量泵组剩余流量Q_A-k_n·Q_Anmax与第n-1变量泵A_n-1的输出的最大流量Q_A(n-1)max进行比较。以此类推，直至变量泵组所需剩余流量与第一变量泵A₁的输出最大流量Q_A1max进行比较，进而得出变量泵组所有变量泵的控制信号U_j；实现多泵源输出流量与系统所需流量的匹配和最大输出范围内任意流量的稳态输出。

如图4所示，给定指令为执行机构运动速度v(t)，通过放大器后计算出系统所需要的流量Q(t)。流量状态控制器的作用是根据输入的流量值进行流量区域判断，并计算任一时刻出数字量和模拟量的控制信号，数字信号通过控制电磁卸荷阀控制定量泵的流量状态，模拟信号直接控制变量泵的输出流量。最终给出任一时刻泵组的状态，最后通过控制元件实现执行机构的速度控制和方向控制。

Claims (1)

1.一种数字和模拟组合控制液压系统多泵源的构型设计方法，它的液压系统包括第一变量泵A₁、第二变量泵A₂、……、第n变量泵A_n、第一定量泵B₁、第二定量泵B₂、……、第m定量泵B_m、第一电磁卸荷阀C₁、第二电磁卸荷阀C₂、……、第m电磁卸荷阀C_m、第一安全阀E₁、第二安全阀E₂、……、第m安全阀E_m、第一单向阀F₁、第二单向阀F₂、……、第n+m单向阀F_n+m、油箱G；每个定量泵的出口和油箱之间跨接一个电磁卸荷阀和一个安全阀，电磁卸荷阀的作用是控制相应定量泵接入系统的状态，安全阀防止压力过载；m个定量泵和n个变量泵的出口均汇于一点后作为多泵源的压力油输出口；设定量泵排量为D_i，单位为ml/r，对应的输出流量为Q_Di，单位为L/min，1≤i≤m；变量泵最大排量分别γ_j，单位为ml/r，满排量时输出流量分别为Q_Ajmax，单位为L/min，1≤j≤n；所有泵电机转速均为n_p，单位为r/min；流量曲线上最大斜率的绝对值h，单位为L/s²，其特征在于：其设计方法的步骤如下：

(1)根据实际工业生产中主机设备的工况要求，求出该设备的液压系统所需的流量需求Q(t)，并求出最大流量值Q_max以及最大流量变化率的绝对值h；

(2)确定定量泵组的最佳组合系数λ和定量泵组中最小泵的排量D₁。综合考虑泵组输出流量与负载流量需求偏差度、泵切换频率、流量冲击程度、泵组成本等因素后，得出最小泵排量D₁理论计算公式如下：

$D_1=\mathrm{\λ}\·\frac{1000\·Q_{\max }}{n_p}=1000\·(\mathrm{\α}\·\mathrm{\ϵ}+\mathrm{\β}\·\mathrm{\ω}+\mathrm{\γ}\·\mathrm{\σ}+\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\δ})\·\frac{Q_{\max }}{n_p}$

其中，λ为定量泵组的最佳组合系数，并且0＜λ≤1；ε、ω、σ、δ分别表示定泵组输出流量与负载流量需求偏差、泵组切换频率、流量切换冲击程度、泵组成本对定量泵台数的最佳影响系数，并且均是介于0到1之间的无量纲数。权重系数α、β、γ、ζ满足关系式α+β+γ+ζ＝1，权重系数的大小根据设计要求确定；

(3)确定定量泵的台数m及泵的最大排量D_k。采用部分二进制排量比的定量泵组，即D₁∶D₂∶D₃…D_k∶D_k+1…D_m＝2⁰∶2¹∶2²…2^k∶2^k…2^k；因此，定量泵台数及最大排量为：

$m\≥{\log }_2(\frac{1}{\mathrm{\λ}}+1)$

$D_k=...D_m=\frac{1000}{n_p}\·\frac{2^{m-1}}{2^{m+1}-1}\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Di}}$

取m为大于的最小正整数，而D_k取实际排量系列值当中与理论计算值最为接近的数值；

(4)确定变量泵的台数n及满排量γ_j。变量泵组排量一般取相同值，根据所有变量泵满排量输出时的流量曲线斜率值h′大于所需流量曲线上最大斜率的绝对值h要求，得出变量泵组排量与台数的关系式：

${\mathrm{\γ}}_j\≥\frac{1000}{n\·n_p}\·{\left|\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }$

考虑到实际产品系列以及成本因素，根据该公式，台数n从1逐渐增加，分别求出对应的排量值，直至确定成本较为合理的一组解。