CN105278559A - 变转速液压动力源复合补偿控制系统及方法 - Google Patents
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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,包括减法器、PID控制器、加法器、伺服驱动器、永磁电机、齿轮泵、马达、比例溢流阀、负载前馈控制器、用于检测齿轮泵出油口处油压的压力信息的压力传感器、以及用于检测齿轮泵出油口流量信息的流量传感器。本发明能够实现变转速液压动力源的流量控制,并且响应速度快,精准度较高。
Description
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,依靠改变电机转速实现对执行机构的速度调节,也就是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,具有高效节能、结构简单、动态性能好、噪声低、容易实现计算机控制等优点。
但由于控制对象是电机,而被控量是马达转速,整个控制系统存在较大的非线性,且变转速泵控马达调速系统的速度刚性较低,负载转矩的作用会使得液压泵、液压马达及控制阀产生泄漏,也会改变电机的机械特性,会引起液压油体积发生变化。上述因素均可使马达转速出现降落,且负载转矩越大,马达转速降落越明显。因而变转速液压容积调速系统控制特性差。
现有的变转速容积调速系统控制方法主要有以下四种:
恒压频比(U/f)开环控制、矢量小闭环控制、负载压力补偿控制和速度大闭环反馈补偿控制。恒压频比(U/f)开环控制其优点在于对变频器性能要求低、成本低廉,最容易实现。最大缺点是由于是开环控制,不能补偿由于负载干扰引起的马达转速降落,系统调速精达不到要求;矢量控制方式的特点是电机的控制特性好,对变频器性能要求高,价格较贵。这种控制方式也不能补偿马达转速受负载或油温变化的影响,调速精度较恒压频比(U/f)开环控制要好,但仍不能得到可靠的保证;负载压力补偿控制实质上是在开环控制或矢量控制的基础上加负载前馈补偿控制,对负载扰动、液压油泄漏和电机机械特性变化造成的马达转速降落有较好的补偿效果。相比前两种控制方法要好的多,但容易产生过补偿或欠补偿,调速精度仍不能得到可靠的保证;速度大闭环反馈补偿控制是通过负反馈控制原理对执行器的速度进行闭环控制的,一般可以补偿负载或油温的变化等各种不确定因素对执行器速度的影响。缺点是液压动力系统环节多、具有非线性,各种传感器检测元件都有一定的滞后性,所以速度大闭环反馈补偿控制最大的问题是控制出现滞后,不及时,响应速度较慢。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有控制方法的缺点,提供了一种变转速液压动力源流量控制系统及方法,该系统结合简单PID反馈控制和前馈补偿控制的优点,采用负载前馈-反馈复合控制策略变解决了转速液压动力源在负载扰动变化时,系统流量出现瞬时波动大、响应速度慢、不易调整等问题,实现在典型工况下液压动力源系统恒流量控制。
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减法器、PID控制器、加法器、伺服驱动器、永磁电机、齿轮泵、马达、比例溢流阀、负载前馈控制器、用于检测齿轮泵出油口处油压的压力信息的压力传感器、以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,压力传感器的输出端与负载前馈控制器的输入端相连接,负载前馈控制器的输出端与加法器的输入端连接,流量传感器的输出端与减法器的输入端相连接,减法器的输出端与PID控制器的输入端相连接,PID控制器的输出端与加法器的输入端相连接,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Qp,并将齿轮泵出油口处的流量信息Qp转发至减法器中,减法器通过预设目标流量值Qr减去当前齿轮泵出油口处的流量值Qp得系统流量偏差,并将所述系统流量偏差转发至PID控制器中,PID控制器根据所述系统流量偏差产生PID控制量,并将所述的PID控制量转发至加法器中;压力传感器实时检测齿轮泵出油口处油压的压力信息,并将压力信息转发至负载前馈控制器,负载前馈控制器根据当前系统压力信息产生控制信息,并将上述控制信息转发至加法器中,加法器将所述控制信息与PID控制量进行加法运算,并将加法运算的结果转发至伺服驱动器中;
2)伺服驱动器根据步骤1)得到的相加运算的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。
当负载前馈控制器接收到的齿轮泵出口处压力信息没有变化时,则输出的控制信息为“0”;当负载前馈控制器接收到的齿轮泵出口处压力信息发生变化时,则根据压力信息的变化量产生控制信息。
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,并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,PID控制器根据系统流量的偏差给出PID控制量,并将PID控制量输入到加法器中,负载前馈控制器根据当前齿轮泵出油口处的压力信息判断系统运行情况,然后根据系统运行情况得到控制信息,并将所述控制信息转发至加法器中,伺服驱动器根据加法器加法运算的结果控制永磁电机工作,永磁电机通过齿轮泵带动马达工作,实现对齿轮泵出油口处液压油流量的控制,从而实现对变转速液压动力源流量的控制。本发明提出负载压力前馈、流量反馈相结合,形成负载前馈-反馈的复合补偿主动控制策略,从而通过负载前馈控制解决液压系统由于负载扰动变化时出现系统流量瞬时波动大、响应速度慢、不易调整等问题,同时与PID控制器相结合消除液压动力源流量的稳态误差,提高控制精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为传统的实测PID制方法流量阶跃加载响应图;
图3为本发明的流量阶跃加载响应图;
图4为传统的实测PID控制方法流量斜坡加载响应图;
图5为本发明的流量斜坡加载响应图;
图6为传统的实测PID控制方法在正弦加载工况下的流量斜坡加载响应图;
图7为本发明在正弦加载工况下的流量斜坡加载响应图。
其中,1为减法器、2为PID控制器、3为加法器、4为伺服驱动器、5为永磁电机、6为齿轮泵、7为马达、8为比例溢流阀、9为负载前馈控制器、10为压力传感器、11为流量传感器。
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,本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统包括减法器1、PID控制器2、加法器3、伺服驱动器4、永磁电机5、齿轮泵6、马达7、比例溢流阀8、用于检测齿轮泵6出油口压力信息的压力传感器10、以及用于检测齿轮泵6出油口流量信息的流量传感器11;所述伺服驱动器4的输出端与永磁电机5的控制端相连接,永磁电机5的输出轴与齿轮泵6的驱动轴相连接,油箱的出油口与齿轮泵6的入油口相连通,齿轮泵6的出油口与马达7的入油口相连通,马达7的出油口与油箱的入油口相连通,压力传感器10的输出端与负载前馈控制器9的输入端相连接,负载前馈控制器9的输出端与加法器3的输入端连接,流量传感器11的输出端与减法器1的输入端相连接,减法器1的输出端与PID控制器2的输入端相连接,PID控制器2的输出端与加法器3的输入端相连接,加法器3的输出端与伺服驱动器4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11实时采集齿轮泵6出油口处的流量信息Qp,并将齿轮泵6出油口处的流量信息Qp转发至减法器1中,减法器1通过预设目标流量值Qr减去当前齿轮泵6出油口处的流量值Qp得系统流量偏差,并将所述系统流量偏差转发至PID控制器2中,PID控制器2根据所述系统流量偏差产生PID控制量,并将所述的PID控制量转发至加法器3中;压力传感器10实时检测,并将压力信息转发至负载前馈控制器9,负载前馈控制器9齿轮泵6出油口处的压力信息根据当前所述齿轮泵6出油口处的压力信息产生控制信息,并将所述控制信息转发至加法器3中,加法器3将所述控制信息与PID控制量进行加法运算,并将加法运算的结果转发至伺服驱动器4中;
2)伺服驱动器4根据步骤1)得到的相加运算的结果控制永磁电机5工作,永磁电机5的输出轴带动齿轮泵6工作,齿轮泵6输出液压油驱动马达7工作。
需要说明的是,当负载前馈控制器9接收到齿轮泵6出油口处的压力信息没有变化时,则输出的控制信息为“0”;当负载前馈控制器9接收到的齿轮泵6出油口处的压力信息发生变化时,则根据齿轮泵6出油口处的压力信息的变化量产生控制信息。
负载前馈-反馈复合补偿控制原理如下:反馈控制是通过流量传感器11获取系统流量信号,与目标流量信号进行对比并计算偏差,偏差经过PID控制器2运算,输出电压信号控制永磁电机5的转速,进而控制液压源输出流量。负载前馈-反馈控制策略是在反馈控制的基础上,由压力传感器10获取系统压力值,经过负载前馈控制器9作用,把系统压力扰动变化量转化为系统流量的补偿量q补。但PID控制器2输出为永磁电机5的控制电压信号,所以必须把系统流量补偿量转化为永磁电机5的控制信号补偿量V补。
齿轮泵6的流量q补和转速的关系如下式:
q补=Vp·n补(1)
式中:Vp为齿轮泵6的排量,n补为齿轮泵6的转速补偿量。
永磁电机5控制电压信号与实际转速值的关系如下:
n=K·Vn(2)
其中,n为永磁电机实际转速值,K为永磁电机控制电压与实际转速之间的比例系数;
由式(1)及式(2)可得出永磁电机5的控制电压信号补偿量V补,其中
把永磁电机5的控制电压信号前馈补偿量V补与PID反馈输出电压值Vq之和作为伺服控制器4的输入,实现对永磁电机5转速进行控制,进而调节液压源的输出流量。
PID控制参数为Kp=1.0,Ti=0.01,Td=0;前馈控制器参数Kff=0.0067V/MPa,设定目标流量为0.5m3/h,系统流量稳定后,用电磁比例溢流阀分别模拟加载。
由图2可知,当系统流量稳定后,用比例溢流阀加阶跃上升、阶跃下降载荷,加载电压为3.5V,系统压力由2MPa阶跃至5MPa,温度为23.5℃;系统压力阶跃上升时,由于齿轮泵6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,所以可以通过控制永磁电机5转速的增加来补偿齿轮泵6泄漏的增加,系统流量经过7秒调整恢复稳定,达到设定的目标流量,流量波动为0.02m3/h。同时,当系统压力阶跃下降时,流量会上升,通过闭环控制调节永磁电机5转速,使系统流量达到设定的目标值。
由图3可知,加入负载前馈控制后,载荷变化时,将系统压力的变化量经过负载前馈控制器9输出后与PID控制量相加,此时永磁电机5的模拟输入控制量增大,永磁电机5的转速升高,液压动力源的输出流量增大,目标流量和系统流量偏差很快变小,本发明的调整时间仅为2秒,比传统的PID反馈控制调整时间缩短5秒,流量波动为0.01m3/h。
由图4可知,系统流量稳定后,用比例溢流阀加斜坡上升、斜坡下降载荷,加载电压由0斜坡升到3.5V,系统压力由2MPa斜坡升至5MPa,斜率为1MPa/s,温度为23.9℃,加斜坡载荷时系统压力相比阶跃载荷上升缓慢,流量的调整时间为6秒,流量波动为0.014m3/h。
由图5可知,加入负载馈控制后,斜坡加载时系统流量的调整时间为2秒,比传统的PID反馈控制调整时间缩短4秒,流量波动为0.006m3/h。
由图6、图7可知,在正弦加载工况下,由于液压试验台动力源的频率响应较低、正弦加载频率较高,以及压力传感器的滞后等因素,使复合控制效果并没有明显优于反馈控制。
综上所述,在阶跃加载和斜坡加载工况下,负载前馈-反馈复合补偿控制策略能够有效减小流量波动,缩短调整时间,同时保证了较高的控制精度;
由此,本发明有效解决了变转速液压动力源在负载扰动变化时出现系统瞬时流量波动大、响应速度慢、不易调整等问题,结合前馈控制和反馈控制的优点,实现了基于负载前馈-反馈复合补偿控制的变转速液压动力源主动控制。
Claims (3)
1.一种变转速液压动力源流量控制系统,其特征在于,包括减法器(1)、PID控制器(2)、加法器(3)、伺服驱动器(4)、永磁电机(5)、齿轮泵(6)、马达(7)、比例溢流阀(8)、负载前馈控制器(9)、用于检测齿轮泵(6)出油口处油压的压力信息的压力传感器(10)、以及用于检测齿轮泵(6)出油口流量信息的流量传感器(11);
所述伺服驱动器(4)的输出端与永磁电机(5)的控制端相连接,永磁电机(5)的输出轴与齿轮泵(6)的驱动轴相连接,油箱的出油口与齿轮泵(6)的入油口相连通,齿轮泵(6)的出油口与马达(7)的入油口相连通,马达(7)的出油口与油箱的入油口相连通,压力传感器(10)的输出端与负载前馈控制器(9)的输入端相连接,负载前馈控制器(9)的输出端与加法器(3)的输入端连接,流量传感器(11)的输出端与减法器(1)的输入端相连接,减法器(1)的输出端与PID控制器(2)的输入端相连接,PID控制器(2)的输出端与加法器(3)的输入端相连接,加法器(3)的输出端与伺服驱动器(4)的输入端相连接。
2.一种变转速液压动力源流量控制方法,基于权利要求1所述的变转速液压动力源流量控制系统,其特征在于,包括以下步骤:
1)流量传感器(10)实时采集齿轮泵(6)出油口处的流量信息Qp,并将齿轮泵(6)出油口处的流量信息Qp转发至减法器(1)中,减法器(1)通过预设目标流量值Qr减去当前齿轮泵(6)出油口处的流量值Qp得系统流量偏差,并将所述系统流量偏差转发至PID控制器(2)中,PID控制器(2)根据所述系统流量偏差产生PID控制量,并将所述的PID控制量转发至加法器(3)中;压力传感器(10)实时检测齿轮泵(6)出油口处油压的压力信息,并将压力信息转发至负载前馈控制器(9),负载前馈控制器(9)根据当前齿轮泵(6)出油口的压力信息产生控制信息,并将所述控制信息转发至加法器(3)中,加法器(3)将所述控制信息与PID控制量进行加法运算,并将加法运算的结果转发至伺服驱动器(4)中;
2)伺服驱动器(4)根据步骤1)得到的相加运算的结果控制永磁电机(5)工作,永磁电机(5)的输出轴带动齿轮泵(6)工作,齿轮泵(6)输出液压油驱动马达(7)工作。
3.根据权利要求2所述的变转速液压动力源流量控制方法,其特征在于:
当负载前馈控制器(9)接收到的齿轮泵(6)出油口压力信息没有变化时,则输出的控制信息为“0”;当负载前馈控制器(9)接收到的齿轮泵(6)出油口压力信息发生变化时,则根据齿轮泵(6)出油口压力信息的变化量产生控制信息。
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