CN105422550A - 一种变转速液压动力源的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的复合补偿控制系统及方法，包括预设流量输入端、减法器、PID控制器、加法器、伺服驱动器、电机、齿轮泵、马达、以及用于检测齿轮泵出油口流量信息的流量传感器。本发明能够有效解决控制过程中出现的滞后、不及时及响应速度较慢问题。

Description

一种变转速液压动力源的复合补偿控制系统及方法
技术领域
本发明属于液压动力系统控制技术领域，涉及一种变转速液压动力源的复合补偿控制系统及方法。
背景技术
液压传动与控制的核心问题是对执行机构速度的控制，执行机构速度控制的本质则是对动力源流量的控制。将永磁同步电动机节能、调速性能好与齿轮油泵不能调速但可靠性好的技术特点相结合，提出了一种节能型变转速液压动力源，也就是通过永磁同步电机变频调速驱动齿轮泵，达到调节泵的输出流量。这种形式具有结构简单、可靠性高、调速范围宽、节能低噪、容易实现闭环控制等优点，因此在液压电梯、注塑机、盾构系统及大功率、大惯性工况下呈现广阔的应用前景。
目前大部分变转速液压动力系统均采用基于速度大闭环的反馈补偿控制，但由于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控制最大的问题是控制时出现滞后、不及时及响应速度较慢的问题，但现有技术不能很好的解决上述问题。
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的复合补偿控制系统及方法，该系统及方法能够有效解决控制过程中出现的滞后、不及时及响应速度较慢问题。
为达到上述目的，本发明所述的变转速液压动力源的复合补偿控制系统包括预设流量输入端、减法器、PID控制器、加法器、伺服驱动器、电机、齿轮泵、马达、输入前馈控制器、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电机的控制端相连接，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，预设流量输入端及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，输入前馈控制器的输入端与预设流量输入端相连接，输入前馈控制器的输出端及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。
所述电机为永磁电机。
本发明所述的变转速液压动力源的复合补偿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，减法器通过预设流量输入端输出的预设目标流量值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进行PID运算并产生PID控制量，并将所述的PID控制量转发至加法器中，输入前馈控制器根据所述预设目标流量值Qr生成控制量，并将所述控制量输入至加法器中，加法器将控制量与所述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电机工作，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，通过流量传感器检测齿轮泵出油口处的流量信息，所述流量信息与预设目标流量值相减后再进行PID控制得到PID控制量，预设目标流量值经输入前馈控制器生成控制量，PID控制量再与控制量进行相加，伺服驱动器根据相加的结果控制电机，电机再通过齿轮泵控制马达，从而实现对转速液压动力源的控制，结构简单，操作方便，便于实施。本发明提出流量输入前馈及反馈相结合，形成流量输入前馈-反馈的复合补偿主动控制策略，从而解决控制过程中出现的滞后、不及时及响应速度较慢问题，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为反馈控制流量阶跃响应的示意图；
图3为本发明中输入前馈-反馈复合控制流量阶跃响应的示意图；
图4为反馈控制流量的斜坡响应的示意图；
图5为本发明中输入前馈-反馈复合控制流量斜坡响应的示意图；
图6为反馈控制流量的正弦响应的示意图；
图7为本发明中输入前馈-反馈复合控制流量正弦响应的示意图。
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为电机、6为齿轮泵、7为马达、8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，变转速液压动力源的复合补偿控制系统包括预设流量输入端、减法器1、PID控制器2、加法器3、伺服驱动器4、电机5、齿轮泵6、马达7、输入前馈控制器9以及用于检测齿轮泵6出油口流量信息的流量传感器8；伺服驱动器4的输出端与电机5的控制端相连接，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，预设流量输入端及流量传感器8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，输入前馈控制器9的输入端与预设流量输入端相连接，输入前馈控制器9的输出端及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的复合补偿控制方法包括以下步骤：
1)流量传感器8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通过预设流量输入端输出的预设目标流量值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进行PID运算并产生PID控制量，并将所述的PID控制量转发至加法器3中，输入前馈控制器9根据所述预设目标流量值Qr生成控制量，并将所述控制量输入至加法器3中，加法器3将控制量与所述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，其中，输入前馈控制器9对所述预设目标流量值Qr进行比例放缩得控制量；
2)伺服驱动器4根据步骤1)得到的相加运算的结果控制电机5工作，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。
由图2可知，单纯的反馈控制流量的阶跃响应时间为10s，由于流量传感器8及液压系统本身造成的信号滞后时间为2s，所以跟踪目标阶跃流量信号总的时间滞后为12s；由图3知，本发明的跟踪目标阶跃流量信号总的时间滞后为7.5s，相比反馈控制滞后时间12s缩短了4.5s。由图4可知实际流量的响应要比目标流量滞后4s；由图5可知，本发明实际流量的响应比目标流量滞后2.5s，相比反馈控制流量响应的滞后时间可缩短1.5s；由图6可知，单纯的反馈控制实际流量信号响应不仅时间上滞后目标流量4.5s，而且流量信号幅值的动态偏差可达70％，控制效果不理想。由图7可知，本发明的实际流量信号响应时间滞后目标流量2.5s，比反馈控制滞后时间要缩短2s；流量信号幅值的动态偏差为25％，相比反馈控制动态偏差降低了45％，控制效果得到了大幅提升。

Claims (3)

1.一种变转速液压动力源的复合补偿控制系统，其特征在于，包括预设流量输入端、减法器(1)、PID控制器(2)、加法器(3)、伺服驱动器(4)、电机(5)、齿轮泵(6)、马达(7)、输入前馈控制器(9)、以及用于检测齿轮泵(6)出油口流量信息的流量传感器(8)；
所述伺服驱动器(4)的输出端与电机(5)的控制端相连接，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，预设流量输入端及流量传感器(8)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，预设流量输入端与输入前馈控制器(9)的输入端相连接，输入前馈控制器(9)的输出端及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.根据权利要求1所述的变转速液压动力源的复合补偿控制系统，其特征在于，所述电机(5)为永磁电机。
3.一种变转速液压动力源的复合补偿控制方法，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(8)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)通过预设流量输入端输出的预设目标流量值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进行PID运算并产生PID控制量，并将所述的PID控制量转发至加法器(3)中，输入前馈控制器(9)根据所述预设目标流量值Qr生成控制量，并将所述控制量输入至加法器(3)中，加法器(3)将控制量与所述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电机(5)工作，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。
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