CN110836202A - 液压源负载自适应系统及其自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压源负载自适应系统及自适应控制方法。该系统包含控制器，两个压力传感器，直流同步电机，单向阀，蓄能器，电液伺服阀，溢流阀,电控换向阀和可调节流阀。压力传感器设于可调节流阀两端；控制器输入端接两个压力传感器，输出端接电液伺服阀和直流同步电机；可调节流阀入口端设于齿轮泵出口和单向阀之间，出口端设于溢流阀高压侧；溢流阀低压侧通过油路接通油箱；蓄能器设于电控换向阀和单向阀之间；电液伺服阀输入端接电控换向阀，输出端接有负载液压缸。本发明通过压差信号反馈实现液压系统输出特性与负载大小相匹配，可有效控制液压源消耗的功率。本发明的液压源负载自适应系统可应用于深海液压源中，实现系统的节能控制。

Description

液压源负载自适应系统及其自适应控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压源系统，具体涉及一种液压源负载自适应系统及其自适应控制方法，属于工程机械液压技术领域。

背景技术

水下潜器的供电方式分为有缆和蓄电池两种，而对于大深度作业的水下潜器多用蓄电池供电。深海液压源系统作为水下潜器的动力源，需要驱动推进系统、作业装置等，因此提高液压系统效率，降低其功率消耗是高效利用所储存电能的重要一环。

传统的负载敏感系统能够根据负载情况控制系统的流量输出，达到高效、自调节的效果。但是，深海作业装置的前端是往往选用控制精度较高的电液伺服阀，其工作条件需要保证输入的压力值稳定。因此，传统负载敏感系统的流量跟随特性不满足其工作需求。

发明内容

本发明提供一种液压源负载自适应系统及其自适应控制方法。该自适应系统通过反馈溢流回路上的可调节流阀两端的压差值，调定系统中电机的转速，从而达到在不同负载情况下，系统输出压力保持稳定的目的。同时，除了根据负载情况进行系统自适应调节，在负载保压或系统待机时，可以适当的降低电机转速，控制系统的功率消耗。

为了实现上述目的，本发明采用的方案是：

一种液压源负载自适应系统，包含控制器，两个压力传感器，直流同步电机，齿轮泵，单向阀，蓄能器，电液伺服阀，溢流阀，电控换向阀和可调节流阀；所述两个压力传感器设置在可调节流阀两端，用于测量其两端的压力；所述控制器输入端与所述的两个压力传感器连接，用于采集反馈压力信号；控制器输出端与所述的电液伺服阀和直流同步电机连接，用于设定负载大小和调节直流电机的转速；所述的直流同步电机的另一端通过内轴式结构与齿轮泵相连接，用于减小结构空间尺寸，且通过调节直流同步电机转速从而调节系统的输出流量；所述可调节流阀入口端设置在齿轮泵出口和单向阀之间，出口端设置在溢流阀的高压侧；所述可调节流阀用于调定液压系统输出最大压强；所述溢流阀低压侧通过油路接通油箱；所述蓄能器设置于电控换向阀和单向阀之间，用于储存能量，并当系统压力下降时转变为液压能供给油路，减缓系统压力的下降；所述电液伺服阀输入端接电控换向阀，输出端接有负载液压缸。

上述技术方案中，进一步地，所述的控制器包含信号采集模块，信号输出模块，电机控制器模块，算法控制模块。

进一步地，所述蓄能器为弹簧式蓄能器，其最大工作压力比溢流阀调定的溢流压力高1MPa左右，采用多个弹簧并联的形式。所述的弹簧式蓄能器经过特殊设计，采用多个弹簧并联的形式，并根据所需的蓄能压力设计蓄能器活塞腔的面积，保证其工作压力可达到系统最大工作压力20MPa以上。

更进一步地，所述的弹簧式蓄能器自上而下依次包括上壳体，浮动体，弹簧和下壳体；

所述的上壳体和下壳体通过连接杆连接；所述的浮动体上设置有直线轴承，所述的连接杆穿过直线轴承，使浮动体沿着连接杆上下移动；

所述的上壳体的正中心设有活塞杆，活塞杆的末端设有组合密封圈槽和一对导向环槽，所述的导向环槽沿组合密封圈槽上下对称分布；所述的组合密封圈槽内安装有组合密封圈，所述的导向环槽内安装有导向环；所述浮动体的正中心还设有圆筒，所述的圆筒上端开口，活塞杆末端通过上端开口进入圆筒内，圆筒下端预留有螺纹接口，该螺纹接口用于接液压油路；所述的圆筒通过和活塞杆配合，共同形成超高压蓄能器的蓄能腔；

所述的弹簧安装于浮动体和下壳体之间，用于提供压缩的弹簧力，与蓄能腔内的高压油液压强相平衡。

进一步地，所述的控制器通过采集到反馈压力信号计算出可调节流阀两端压差值，进而调节直流同步电机的转速；所述的控制器还可通过输出控制信号至电液伺服阀来设定负载大小。

本发明还提供一种基于前述的液压源负载自适应系统的自适应控制方法，包括如下两种情况：

(1)维持系统输出压力恒定

通过采集溢流阀前端节流阀的两端压差值，并作为反馈信号实时控制直流同步电机转速，在实现负载自适应的同时，保持系统输出压力的恒定。

(2)实时的负载自适应调节

液压源负载自适应控制方法具有负载敏感性，即可根据负载情况调节同步电机的转速，进而调节系统的输出功率。并且，在负载保压或系统处于待机状态时，适当降低系统输出流量，以达到在维持压力的稳定的前提下，降低系统功耗。

进一步地，所述的(1)中维持系统输出压力恒定的操作方法具体为：

在控制过程中，首先需要设定一个参考值，将可调节流阀两端的压差值实时与之比较，并通过内部的逻辑算法计算出对应的直流同步电机转速值，并通过电机控制器模块调节电机转速；当可调节流阀两端的压差值接近参考值时，则系统处于负载匹配状态；当可调节流阀两端的压差值超过参考值时，此时负载分配所需的流量后，多余油液通过溢流阀回油箱，造成功率损失，因此需要降低直流同步电机的转速；当可调节流阀两端的压差值小于参考值时，此时系统提供的压力和流量无法满足负载需求，因此需要提升直流同步电机的转速；

进一步地，所述的(2)中实时的负载自适应调节的操作方法具体为：

液压源系统启动后，直流同步电机的转速具有一个初始值，由于负载关闭，油液全部流经溢流阀溢流回油箱，则系统压力稳定于溢流阀的溢流压力，系统进入溢流状态；当负载液压缸运动到最远端或负载保压时，液压源系统将进入溢流状态，此时，可调节流阀两端的压差远大于参考值，但是当系统检测到此类情况时，不开启负载自适应控制；若检测系统确认无工作信号或负载液压缸无运动信号，则通过可调节流阀的压差反馈，降低直流同步电机的转速至最小值，降低负载保压或系统待机时的功率消耗。

本发明有益效果为：

本发明通过在液压系统的溢流回路中添加一个可调节流阀，并检测其两端的压力差信号，通过将检测到的压差信号作为反馈，实时调节系统中同步电机的转速，来使得系统的输出压力保持稳定。一方面，可以使系统末端执行器运动过程中受到的驱动力保持稳定，避免系统压力波动导致执行器的运动或输出力突变。另一方面，根据负载情况进行系统自适应调节，可以实时控制系统的功率消耗，且在负载保压或系统待机时，也可将系统的功率降低至最低。

本发明通过在液压回路中设置一个蓄能器，保证在负载需求发生变化的时候，系统经过压差值反馈并进行电机转速调节的过程中，系统压力不会受电机响应速度的限制而出现压力下跌的情况。本发明采用弹簧蓄能器，但传统弹簧蓄能器的压力无法达到20MPa以上，故无法用于深海中，因此本发明创新性地对弹簧蓄能器的结构进行特殊设计，使其能够用于深海中。

附图说明

图1是本发明的液压系统原理图；

图2是弹簧式蓄能器的结构图；

图3是弹簧式蓄能器的半剖图；

图4是弹簧式蓄能器的半剖图的局部放大图；

图5是弹簧式蓄能器上壳体和浮动体的结构图。

其中，1、油箱；2、直流同步电机；3、齿轮泵；4、单向阀；5、蓄能器；5.1、上壳体，5.1.1、活塞杆，5.1.2、组合密封圈槽，5.1.3和5.1.4、导向环槽，5.2、浮动体，5.2.1、圆筒，5.2.2、螺纹接口，5.3、下壳体，5.4、连接杆，5.5、直线轴承，5.6、弹簧，5.7、组合密封圈，5.8和5.9、导向环；6、电液伺服阀；7、负载液压缸；8、电控换向阀；9和10、压力传感器；11、可调节流阀；12、溢流阀；13、控制器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种液压源负载自适应系统，包含控制器13，两个压力传感器9和10，直流同步电机2，齿轮泵3，单向阀4，蓄能器5，电液伺服阀6，溢流阀12，电控换向阀8和可调节流阀11。

所述两个压力传感器9和10设置在可调节流阀11两端，用于测量其两端的压力；所述控制器13输入端与所述的两个压力传感器9和10连接，用于采集反馈压力信号；控制器13输出端与所述的电液伺服阀6和直流同步电机2连接，用于设定负载大小和调节直流电机的转速；所述可调节流阀11入口端设置在齿轮泵3出口和单向阀4之间，出口端设置在溢流阀12的高压侧；所述可调节流阀11用于调定液压系统输出最大压强；所述溢流阀12高压侧设置在可调节流阀11出口端，低压侧通过油路接通油箱1；所述蓄能器5设置于电控换向阀8和单向阀4之间，用于储存能量，当系统压力下降时转变为液压能供给油路，减缓系统压力的下降；所述电液伺服阀6输入端接电控换向阀8，输出端接有负载液压缸7。

如图2-5所示，本实施例中的蓄能器为弹簧式蓄能器，该弹簧蓄能器的具体结构可采用如下形式：一种弹簧式蓄能器，自上而下依次包括上壳体5.1，浮动体5.2，弹簧5.6和下壳体5.3；所述的上壳体5.1和下壳体5.3通过连接杆5.4连接；所述的浮动体5.2上设置有直线轴承5.5，所述的连接杆5.4穿过直线轴承5.5，使浮动体5.2沿着连接杆5.4上下移动；所述的上壳体5.1的正中心设有活塞杆5.1.1，活塞杆5.1.1的末端设有组合密封圈槽5.1.2和一对导向环槽5.1.3和5.1.4，所述的导向环槽5.1.3和5.1.4沿组合密封圈槽5.1.2上下对称分布；所述的组合密封圈5.1.2槽内安装有组合密封圈5.7，所述的导向环槽5.1.3和5.1.4内安装有导向环5.8和5.9；所述浮动体5.2的正中心还设有圆筒5.2.1，所述的圆筒5.2.1上端开口，活塞杆5.1.1末端通过上端开口进入圆筒5.2.1内，圆筒5.2.1下端预留有螺纹接口5.2.2，该螺纹接口5.2.2用于接液压油路；所述的圆筒5.2.1通过和活塞杆5.1.1配合，共同形成超高压蓄能器的蓄能腔；所述的弹簧5.6安装于浮动体5.2和下壳体5.3之间，用于提供压缩的弹簧力，与蓄能腔内的高压油液压强相平衡。圆筒5.2.1的壁厚为10mm，圆筒5.2.1深度比活塞杆5.1.1高度多2mm，圆筒5.2.1内径与活塞杆5.1.1外径满足f8的公差标准。上述结构中，并未对弹簧的设置进行具体限制，其设置并不是唯一的，只要能够保证它能够在浮动体和下壳体之间来回竖直运动即可。如可以在浮动体和下壳体设置可伸缩杆，并将弹簧套于可伸缩杆外部，从而达到固定弹簧并导向其运动的目的。也可以采用如图5所示的另一种具体形式：在浮动体上设置外导套，并在外导套中心设置导杆，对应地，在下壳体上设有内导套，导杆下端位于内导套内部；弹簧套在内导套外，而弹簧顶部位于外导套内。

所述的控制器13包含信号采集模块，信号输出模块，电机控制器模块，算法控制模块。所述的直流同步电机2通过内轴式结构与齿轮泵3相连接，用于减小结构空间尺寸，且通过调节直流同步电机转速2从而调节系统的输出流量。所述蓄能器5为弹簧式蓄能器，其最大工作压力比溢流阀12调定的溢流压力高1MPa左右，弹簧式蓄能器5经过特殊设计，采用多个弹簧并联的形式，并根据所需的蓄能压力设计蓄能器活塞腔的面积，保证其工作压力可达到系统最大工作压力20MPa以上。所述的控制器13通过采集到反馈压力信号计算出可调节流阀11两端压差值，进而调节直流同步电机2的转速；所述的控制器13还可通过输出控制信号至电液伺服阀6来设定负载大小。

为了保持液压源系统的压力输出稳定，则需要在系统中引入一个反馈信号，实时检测此时的压力水平。对应的，本负载自适应系统在溢流阀12高压侧布置了一个可调节流阀11，并通过压力传感器9和10测量可调节流阀11两端的压力值。通过计算得到的可调节流阀11两端的压差值，最终作为反映溢流回路上流量大小的依据。也就是说，在最理想的情况下，通过自适应控制保持溢流阀12始终存在小流量的溢流油液，此时系统的输出压力值可以稳定在溢流阀12的阀口开启压力值附近。

实际的控制过程中，需要设定一个参考值，并将可调节流阀11两端的压差值实时与之比较。具体的，当可调节流阀11两端的压差值接近参考值时，则系统处于负载匹配状态；当可调节流阀11两端的压差值超过参考值时，此时负载分配所需的流量后，多余油液通过溢流阀12回油箱，造成功率损失，因此需要降低直流同步电机2的转速；当可调节流阀11两端的压差值小于参考值时，此时系统提供的压力和流量无法满足负载需求，因此需要提升直流同步电机2的转速。

具体的，实际系统中设置了多路输出，即将通过多个电液伺服阀6进行对各路负载液压缸8的运动进行控制。当某一路负载处于保压状态时，若突然开启另一路负载，则负载需求的流量会突然增大，此时齿轮泵提供的油液不足，系统压力存在降低的趋势。因此，需要对应的提高直流同步电机2的转速，直至输出流量与负载需求匹配。此时，系统压力可保持稳定，且系统消耗功率与负载匹配。

液压源系统启动后，直流同步电机2的转速具有一个初始值，由于负载关闭，油液全部流经溢流阀12溢流回油箱1，则系统压力稳定于溢流阀12的溢流压力，系统进入溢流状态。类似的，当负载液压缸运动到最远端或负载保压时，液压源系统将进入溢流状态。此时，可调节流阀11两端的压差远大于参考值，但是当系统检测到此类情况时，不开启负载自适应控制。若15秒后，检测系统确认无工作信号或负载液压缸7无运动信号，则通过可调节流阀11的压差反馈，降低直流同步电机2的转速至最小值，降低负载保压或系统待机时的功率消耗。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种液压源负载自适应系统，其特征在于：包含控制器，两个压力传感器，直流同步电机，齿轮泵，单向阀，蓄能器，电液伺服阀，溢流阀，电控换向阀和可调节流阀；

所述两个压力传感器设置在可调节流阀两端，用于测量其两端的压力；

所述控制器输入端与所述的两个压力传感器连接，用于采集反馈压力信号；控制器输出端与所述的电液伺服阀和直流同步电机连接，用于设定负载大小和调节直流电机的转速；所述的直流同步电机的另一端通过内轴式结构与齿轮泵相连接，用于减小结构空间尺寸；

所述可调节流阀入口端设置在齿轮泵出口和单向阀之间，出口端设置在溢流阀的高压侧；所述可调节流阀用于调定液压系统输出最大压强；

所述溢流阀低压侧通过油路接通油箱；

所述蓄能器设置于电控换向阀和单向阀之间，用于储存能量，当系统压力下降时转变为液压能供给油路，减缓系统压力的下降；

所述电液伺服阀输入端接电控换向阀，输出端接有负载液压缸。

2.根据权利要求1所述的一种液压源负载自适应系统，其特征在于：所述的控制器包含信号采集模块，信号输出模块，电机控制器模块，算法控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种液压源负载自适应系统，其特征在于：所述蓄能器为弹簧式蓄能器，其最大工作压力比溢流阀调定的溢流压力高1MPa，所述的弹簧式蓄能器采用多个弹簧并联的形式，保证其工作压力可达到系统最大工作压力20MPa以上。

4.根据权利要求3所述的一种液压源负载自适应系统，其特征在于，所述的弹簧式蓄能器自上而下依次包括上壳体，浮动体，弹簧和下壳体；

所述的上壳体和下壳体通过连接杆连接；所述的浮动体上设置有直线轴承，所述的连接杆穿过直线轴承，使浮动体沿着连接杆上下移动；

所述的上壳体的正中心设有活塞杆，活塞杆的末端设有组合密封圈槽和一对导向环槽，所述的导向环槽沿组合密封圈槽上下对称分布；所述的组合密封圈槽内安装有组合密封圈，所述的导向环槽内安装有导向环；所述浮动体的正中心还设有圆筒，所述的圆筒上端开口，活塞杆末端通过上端开口进入圆筒内，圆筒下端预留有螺纹接口，该螺纹接口用于接液压油路；所述的圆筒通过和活塞杆配合，共同形成超高压蓄能器的蓄能腔；

所述的弹簧安装于浮动体和下壳体之间，用于提供压缩的弹簧力，与蓄能腔内的高压油液压强相平衡。

5.根据权利要求4所述的一种液压源负载自适应系统，其特征在于：所述的控制器通过采集到反馈压力信号计算出可调节流阀两端压差值，进而调节直流同步电机的转速；所述的控制器还可通过输出控制信号至电液伺服阀来设定负载大小。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的液压源负载自适应系统的自适应控制方法，其特征在于，可实现：

(1)维持系统输出压力恒定

通过采集溢流阀前端节流阀的两端压差值，并作为反馈信号实时控制直流同步电机转速，在实现负载自适应的同时，保持系统输出压力的恒定；

(2)实时的负载自适应调节

根据负载情况调节同步电机的转速，进而调节系统的输出功率；并且，在负载保压或系统处于待机状态时，适当降低系统输出流量，以达到在维持压力的稳定的前提下，降低系统功耗。

7.根据权利要求6所述的液压源负载自适应系统的自适应控制方法，其特征在于，所述(1)中维持系统输出压力恒定的操作方法具体为：

在控制过程中，首先需要设定一个参考值，将可调节流阀两端的压差值实时与之比较，并通过内部的逻辑算法计算出对应的直流同步电机转速值，并通过电机控制器模块调节电机转速；当可调节流阀两端的压差值接近参考值时，则系统处于负载匹配状态；当可调节流阀两端的压差值超过参考值时，此时负载分配所需的流量后，多余油液通过溢流阀回油箱，造成功率损失，因此需要降低直流同步电机的转速；当可调节流阀两端的压差值小于参考值时，此时系统提供的压力和流量无法满足负载需求，因此需要提升直流同步电机的转速。

8.根据权利要求6所述的液压源负载自适应系统的自适应控制方法，其特征在于，所述(2)中实时的负载自适应调节的操作方法具体为：

液压源系统启动后，直流同步电机的转速具有一个初始值，由于负载关闭，油液全部流经溢流阀溢流回油箱，则系统压力稳定于溢流阀的溢流压力，系统进入溢流状态；当负载液压缸运动到最远端或负载保压时，液压源系统将进入溢流状态，此时，可调节流阀两端的压差远大于参考值，但是当系统检测到此类情况时，不开启负载自适应控制；若检测系统确认无工作信号或负载液压缸无运动信号，则通过可调节流阀的压差反馈，降低直流同步电机的转速至最小值，降低负载保压或系统待机时的功率消耗。

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