CN110725817B - 一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法 - Google Patents

一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法，整体控制策略由四部分子控制器构成：位置控制器、背压控制器、溢流压力调节控制器及泵流量控制器。位置控制器基于给定位置指令和液压作动器的实际位置反馈，通过对伺服阀Ⅰ阀芯位置的调节控制液压作动器进油腔的流量；背压控制器基于参考背压值和液压作动器实际背压腔压力，通过对伺服阀Ⅱ阀芯位置的调节控制液压作动器出油腔压力；溢流压力调节控制器基于进油腔压力和阀1上的压降，对比例溢流阀在线调节，实时设定液压系统的油源压力以减少阀口的压力损失；流量控制器通过对电机转速的调节，实时调节泵输出的流量和系统所需流量相匹配以减少溢流流量损失。

Description

一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高 能效控制方法
技术领域
本发明属于液压伺服控制技术领域，具体为一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法。
背景技术
电液阀控伺服系统具有功率密度比大、输出力大、响应速度快等优点，可以胜任大惯量和高精度伺服的场合。其应用已遍及工业与经济的各个领域，如导弹舵机的控制、火炮的控制、板带轧机的厚度控制等。传统电液阀控伺服系统采用单伺服阀来控制液压作动器2的俩腔，通过调节阀芯位移来控制液压作动器的位移、速度、输出力等。虽然传统阀控电液伺服系统具有易于操作、结构简单等优点。但是液压作动器进出阀口的节流面积通过一根阀芯的位移来耦合调节，在满足运动控制性能的同时，在出油口存在重复的压力损失，所以传统阀控液压系统的能效很低。为了解决传统阀控液压系统能效低的问题，出现了进出口独立调节技术。进出口独立调节技术使用独立的控制阀分别对液压作动器的进油腔的流量和背压腔的压力进行控制，在完成进油口节流调速的同时，可以兼顾出背压腔压力的控制，从而避免了了传统阀控电液伺服系统中重复的压力损失。
在工程机械中，进出口独立控制系统常常和负载敏感技术一起使用。其中，负载敏感技术一般通过调节泵的转速或排量原理维持伺服阀俩侧压差在恒定值。但是，在实际中输入指令速度较大时，伺服阀俩侧需要较大的压差来增大通过伺服阀的流量；输入指令速度较小时，俩侧压差应保持在较低值，以减少阀口的压力损失。
发明内容
本发明针对电液阀控伺服系统能量效率低的问题，在保证电液位置伺服动态性能的基础上，提供一种压力损失低、系统发热低、高能效的进出口独立调节电液位置伺服系统的控制方法。
本发明采用的技术方案是：一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法，其所述的进出口独立调节电液位置伺服系统包括定量泵、伺服电机、比例溢流阀、第Ⅰ伺服阀、第Ⅱ伺服阀和液压作动器；伺服电机通过联轴器与定量泵联接，定量泵与伺服电机连接的轴上还设置有角速度传感器，定量泵通过管路与比例溢流阀相连，比例溢流阀通过管路与油箱相连，定量泵通过管路与第Ⅰ伺服阀的P口相连，第Ⅰ伺服阀的A口通过管路与液压作动器的A腔相连，B口通过管路与液压作动器的B腔相连，液压作动器的A腔通过管路与第Ⅱ伺服阀的B口相连, 液压作动器的B腔通过管路与第Ⅱ伺服阀的A口相连，第Ⅱ伺服阀8的T口与油箱相连；液压作动器活塞杆上连接负载，位移传感器安装在负载上，连接液压作动器A腔的管路上设置有第Ⅰ压力传感器，连接液压作动器B腔的管路上设置有第Ⅱ压力传感器，第Ⅰ伺服阀的P口上设置有油源压力传感器。
在进出口独立调节系统中，第Ⅰ伺服阀始终工作在位置伺服模式，控制液压作动器进油腔的流量和液压作动器运动方向，第Ⅱ伺服阀始终工作在压力伺服模式，控制液压作动器背压腔的压力，所述高能效控制方法由流量控制策略、背压控制策略、溢流压力调节控制策略及泵流量控制策略组成。
位置控制器、第Ⅰ伺服阀及位移传感器构成位置闭环伺服子系统，对液压作动器位置进行控制；背压控制器、前馈补偿器、第Ⅱ伺服阀及第Ⅱ压力传感器构成背压腔压力伺服子系统，对作动器背压腔压力进行控制；溢流压力调节控制器、溢流压力指令规划器、比例溢流阀、油源压力传感器及第Ⅰ压力传感器构成油源压力伺服子系统，对泵出口压力在线调节，使得定量泵输出的压力和进油腔所需的压力相匹配；伺服电机、泵流量控制器、转速指令规划器、角速度传感器组成流量伺服子系统，对泵输出的流量在线调节，使得泵输出的流量和系统所需流量相匹配。
溢流压力调节控制策略由油源压力伺服子系统实现，其中溢流压力指令规划器首先根据小孔节流的非线性压力流量方程，利用液压作动器的速度信号和位置控制器输出信号实时计算第Ⅰ伺服阀上的压降，然后利用液压作动器A腔压力和第Ⅰ伺服阀的计算压降生成油源压力指令信号；溢流压力调节控制器根据油源压力指令信号和实际油源压力，实现压力闭环伺服控制，通过对比例溢流阀在线调节，实时设定液压系统的油源（溢流）压力；上述的速度信号由位移传感器的输出信号经过求导得到，液压作动器A腔压力由第Ⅰ压力传感器测得，实际油源压力由油源压力传感器测得；
背压控制策略由背压腔压力伺服子系统实现，背压控制器根据背压腔压力指令信号和第Ⅱ压力传感器测到出油腔B的压力信号产生背压信号，前馈补偿器据小孔节流的非线性压力流量方程，利用液压作动器的速度信号和背压腔压力指令信号生成前馈补偿信号，来抑制进油腔A流量变化对出油腔B压力控制的影响，背压信号和前馈补偿信号共同调节第Ⅱ伺服阀的阀芯位移实现压力闭环伺服控制。
泵流量控制策略由流量伺服子系统实现，转速指令规划器利用液压作动器的速度信号根据液压作动器的面积Ap和定量泵排量Dp计算生成电机的转速指令信号；泵流量控制器根据转速指令信号和角速度传感器测得的实际转速信号实现伺服电机转速闭环伺服控制，实时调节伺服电机转速，使得定量泵输出的流量和系统所需流量相匹配。
流量控制策略由位置闭环伺服子系统实现，位置控制器利用位移传感器测到的实际位置信号和给定位置指令信号调节第Ⅰ伺服阀的阀芯位移实现位置闭环伺服控制。
进一步的，液压作动器是非对称缸，还可以采用对称液压缸或液压马达。
进一步的，第Ⅰ伺服阀和第Ⅱ伺服阀是比例流量阀或伺服流量阀。
进一步的，液压作动器的速度信号由位移传感器加微分器和滤波器生成，还可以通过安装速度传感器获得。
本发明具有以下优点：
（1）本发明所提的背压控制策略，可有效抑制进油腔流量变化对背压腔压力控制的影响，提高了背压腔压力控制的精度。
（2）本发明所提的溢流压力调节控制策略，使得定量泵输出的压力和执行器进油腔所需压力相匹配，显著降低了进油口的压力损失。
（3）本发明所提的泵流量控制策略，使得定量泵输出的流量和执行器所需压力相匹配，显著降低了溢流损失。
（4）本发明在保证了电液位置伺服动态性能的基础上，显著降低了阀控系统的压力损失，改善了由阀口节流损耗引起发热问题，提升了阀控电液伺服系统的能量利用效率。
附图说明
图1是基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法的原理图。
图中：1-位移传感器，2-液压作动器，3-负载，4-第Ⅰ压力传感器，5-第Ⅱ压力传感器，6-位置控制器，7- 第Ⅰ伺服阀，8-第Ⅱ伺服阀，9-油源压力传感器，10-定量泵，11-伺服电机，12- 比例溢流阀，13-油箱，14-溢流压力调节控制器，15-前馈补偿器，16-背压控制器，17-溢流压力指令规划器，18-泵流量控制器，19-角速度传感器，20-转速指令规划器。
具体实施方式
下面结合附图以执行器阻抗伸出工况为例对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图所示，本发明实施例中的基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统包括位移传感器1，液压作动器2，负载3，第Ⅰ压力传感器4，第Ⅱ压力传感器5，位置控制器6，第Ⅰ伺服阀7，第Ⅱ伺服阀8，油源压力传感器9，定量泵10，伺服电机11，比例溢流阀12，油箱13，溢流压力调节控制器14，前馈补偿器15，背压控制器16，溢流压力指令规划器17，泵流量控制器18，角速度传感器19，转速指令规划器20。其中伺服电机11通过联轴器与定量泵10联接。定量泵10通过管路与比例溢流阀12相连。比例溢流阀12通过管路与油箱13相连。定量泵10通过管路与第Ⅰ伺服阀7的P口相连。第Ⅰ伺服阀7的A口通过管路与液压作动器2的A腔相连，B口通过管路与液压作动器2的B腔相连。液压作动器2的A腔通过管路与第Ⅱ伺服阀8的B口相连, 液压作动器2的B腔通过管路与第Ⅱ比例伺服阀8的A口相连。第Ⅱ伺服阀8的T口与油箱13相连。系统的各个传感器分别与控制系统中对应的各个传感器信号处理装置连接，控制系统中的各个控制器将生成的控制指令分别作用到对应子系统的被控元件上。
参照附图，详述本实施例的工作原理如下：
1.当液压作动器2处于阻抗伸出工况时，第Ⅰ伺服阀7控制进油腔A腔流量，第Ⅱ伺服阀8控制出油腔B腔的压力。系统油路如下：第Ⅰ伺服阀7工作在左位，第Ⅱ伺服阀8工作在左位。液压油从第Ⅰ伺服阀7的P口流入，A口流出，流入液压作动器2的A腔。另一边，液压油从液压作动器2 的B腔的流出，从第Ⅱ伺服阀8的A口流入，T口流出，最后流入油箱13。
2．溢流压力调节控制器14、比例溢流阀12及第Ⅰ压力传感器4构成油源压力伺服子系统，在油源压力伺服子系统中，油源压力指令规划器17首先根据小孔节流的非线性压力流量方程，利用液压作动器2的速度信号和位置控制器6的输出信号实时计算第Ⅰ伺服阀7上的压降,然后根据第Ⅰ压力传感器4测得的A腔压力和第Ⅰ伺服阀7的计算压降生成油源压力指令信号。溢流压力调节控制器14利用油源压力传感器9测到的实际油源压力信号和油源指令信号实现压力闭环伺服控制，实时设定比例溢流阀12的溢流压力，使得定量泵10输出的压力和液压作动器进油腔A所需的压力相匹配。
3. 位置控制器6、第Ⅰ伺服阀7及位移传感器1构成位置闭环伺服子系统，在位置闭环伺服子系统中，位置控制器6利用位移传感器1测到的实际位置信号和给定位置指令信号调节第Ⅰ伺服阀7的阀芯位移实现位置闭环伺服控制。
4．背压控制器16、第Ⅱ伺服阀8及第Ⅱ压力传感器5构成背压腔压力伺服子系统，在背压腔压力伺服子系统中，背压控制器16根据背压腔压力指令信号和第Ⅱ压力传感器5测到出油腔B的压力信号产生背压信号，前馈补偿器15据小孔节流的非线性压力流量方程，利用液压作动器2的速度信号和背压腔压力指令信号生成前馈补偿信号，来抑制进油腔A流量变化对出油腔B压力控制的影响，背压信号和前馈补偿信号共同调节第Ⅱ伺服阀8的阀芯位移实现压力闭环伺服控制。
5. 伺服电机11、泵流量控制器18、角速度速度传感器组成流量伺服子系统，在流量伺服子系统中，转速指令规划器20利用液压作动器2的速度信号根据液压作动器2的面积Ap和定量泵10排量Dp计算生成电机的转速指令信号；泵流量控制器18根据转速指令信号和角速度传感器19测得的实际转速信号实现伺服电机11转速闭环伺服控制，实时调节伺服电机11转速，使得定量泵10输出的流量和系统所需流量相匹配。
上述实施例中的液压作动器2是非对称缸，还可以采用对称液压缸或液压马达。
上述实施例中液压作动器2的速度信号由位置传感器加微分器和滤波器生成，还可以通过安装速度传感器获得。
上述实施例中的第Ⅰ伺服阀7和第Ⅱ伺服阀8是伺服流量阀，还可以采用比例流量阀。

Claims (4)

1.一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法，其所述的进出口独立调节电液位置伺服系统包括定量泵（10）、伺服电机（11）、比例溢流阀（12）、第Ⅰ伺服阀（7）、第Ⅱ伺服阀（8）和液压作动器（2）；其特征在于伺服电机（11）通过联轴器与定量泵（10）联接，定量泵（10）与伺服电机（11）连接的轴上还设置有角速度传感器（19），定量泵（10）通过管路与比例溢流阀（12）相连，比例溢流阀（12）通过管路与油箱（13）相连，定量泵（10）通过管路与第Ⅰ伺服阀（7）的P口相连，第Ⅰ伺服阀（7）的A口通过管路与液压作动器（2）的A腔相连，B口通过管路与液压作动器（2）的B腔相连，液压作动器（2）的A腔通过管路与第Ⅱ伺服阀（8）的B口相连, 液压作动器（2）的B腔通过管路与第Ⅱ伺服阀（8）的A口相连，第Ⅱ伺服阀（8）的T口与油箱（13）相连；液压作动器（2）活塞杆上连接负载（3），位移传感器（1）安装在负载（3）上，连接液压作动器（2）A腔的管路上设置有第Ⅰ压力传感器（4），连接液压作动器（2）B腔的管路上设置有第Ⅱ压力传感器（5），第Ⅰ伺服阀（7）的P口上设置有油源压力传感器（9）；
所述高能效控制方法由流量控制策略、背压控制策略、溢流压力调节控制策略及泵流量控制策略组成，位置控制器（6）、第Ⅰ伺服阀（7）及位移传感器（1）构成位置闭环伺服子系统，对液压作动器位置进行控制；背压控制器（16）、前馈补偿器（15）、第Ⅱ伺服阀（8）及第Ⅱ压力传感器（5）构成背压腔压力伺服子系统，对作动器背压腔压力进行控制；溢流压力调节控制器（14）、溢流压力指令规划器（17）、比例溢流阀（12）、油源压力传感器（9）及第Ⅰ压力传感器（4）构成油源压力伺服子系统，对泵出口压力在线调节，使得定量泵输出的压力和进油腔所需的压力相匹配；伺服电机（11）、泵流量控制器（18）、转速指令规划器（20）、角速度传感器（19）组成流量伺服子系统，对泵输出的流量在线调节，使得泵输出的流量和系统所需流量相匹配；
溢流压力调节控制策略由油源压力伺服子系统实现，其中溢流压力指令规划器（17）首先根据小孔节流的非线性压力流量方程，利用液压作动器的速度信号和位置控制器（6）输出信号实时计算第Ⅰ伺服阀（7）上的压降，然后利用液压作动器（2）A腔压力和第Ⅰ伺服阀（7）的计算压降生成油源压力指令信号；溢流压力调节控制器（14）根据油源压力指令信号和实际油源压力，实现压力闭环伺服控制，通过对比例溢流阀（12）在线调节，实时设定液压系统的油源压力；上述的速度信号由位移传感器（1）的输出信号经过求导得到，液压作动器（2）A腔压力由第Ⅰ压力传感器（4）测得，实际油源压力由油源压力传感器（9）测得；
背压控制策略由背压腔压力伺服子系统实现，背压控制器（16）根据背压腔压力指令信号和第Ⅱ压力传感器（5）测到出油腔B的压力信号产生背压信号，前馈补偿器（15）据小孔节流的非线性压力流量方程，利用液压作动器（2）的速度信号和背压腔压力指令信号生成前馈补偿信号，来抑制进油腔A流量变化对出油腔B压力控制的影响，背压信号和前馈补偿信号共同调节第Ⅱ伺服阀（8）的阀芯位移实现压力闭环伺服控制；
泵流量控制策略由流量伺服子系统实现，转速指令规划器（20）利用液压作动器的速度信号根据液压作动器的面积Ap和定量泵（10）排量Dp计算生成电机的转速指令信号；泵流量控制器（18）根据转速指令信号和角速度传感器（19）测得的实际转速信号实现伺服电机（11）转速闭环伺服控制，实时调节伺服电机（11）转速，使得定量泵（10）输出的流量和系统所需流量相匹配；
流量控制策略由位置闭环伺服子系统实现，位置控制器（6）利用位移传感器（1）测到的实际位置信号和给定位置指令信号调节第Ⅰ伺服阀（7）的阀芯位移实现位置闭环伺服控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法，其特征在于液压作动器（2）是非对称缸，还可以采用对称液压缸或液压马达。
3.根据权利要求1或2所述的基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法，其特征在于：第Ⅰ伺服阀（7）和第Ⅱ伺服阀（8）是比例流量阀或伺服流量阀。
4.根据权利要求1或2所述的基于比例溢流阀的进出口独立调节电液位置伺服系统高能效控制方法，其特征在于：液压作动器（2）的速度信号由位移传感器（1）加微分器和滤波器生成，还可以通过安装速度传感器获得。
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