CN111237292B - 四象限工况下变转速单泵控缸闭式系统速度闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明根据目标速度，利用伺服电机转速和转矩、温度传感器所测得的油液温度，计算变转速单泵控差动缸闭式系统液压缸所需流量、泵出口压力、油液弹性模量、粘度，进而计算出该时刻所需要的伺服电机的转速；并将该基于模型的速度前馈与速度负反馈自适应控制相结合。

Description

四象限工况下变转速单泵控缸闭式系统速度闭环控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是一种四象限工况下变转速泵控缸闭式系统速度闭环控制方法。

背景技术

在我国经济快速发展以及能源紧缺、环境污染、人力成本上升等问题日益严重的状况下，结合快速发展的交流伺服电动机控制技术，研发一种可实现低能耗、高效可靠运行的新型液压节能控制技术，促进机械装备的混合动力化、电动化以及自动化，是国内机械装备制造企业适应社会发展所亟需解决的问题之一，也是全世界科研机构及机械装备制造企业的研究热点之一。

发明内容

本发明根据目标速度，利用伺服电机转速和转矩、温度传感器所测得的油液温度，计算液压缸所需流量、泵出口压力、油液弹性模量、粘度，进而计算出该时刻所需要的伺服电机的转速；并将该基于模型的速度前馈与速度负反馈自适应控制相结合。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种四象限工况下变转速单泵控缸闭式系统速度闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)根据伺服电机的运动状态确定系统的工况，所述的通过伺服电机的输出转矩和转速确定泵/马达进出口压差，系统压力则该压差加上油箱压力，泵的进出口压差主要是通过下述公式计算出压力：

T_{a_P}＝ΔpD+C_vSΔpD+C_fΔpD+C_hσ²ΔpD

马达工况下则为：

T_{a_M}＝ΔpD-C_vSΔpD-C_fΔpD-C_hσ²ΔpD

其中T_{a_P}为泵工况下伺服电机实际输出扭矩，T_{a_M}为马达工况下伺服电机实际输出扭矩；Δp为泵进出口压差；D为泵的排量；C_v，C_f，C_h依次为油液的粘性、摩擦、液体动态损失系数；S，σ为无纲量数：

其中v为油液粘度，ρ为油液密度，ω为电机角速度；

油液粘度随温度变化，油液温度由温度传感器测出；油液粘度的计算方法为：

式中：T为油液温度，ρ为油液密度，p₀为大气压；p为所在液压元件的压力(注此处压力p由蓄能器与泵/马达之间的压力传感器测量得到)；C₁、C₂、C₃为系数，通过实验拟合得到；

步骤二)计算有效体积弹性模量B_f，计算方法如下：

式中p₀为系统的初始压力；p为压力计算模块所计算出的泵/马达输出/输入压力；N为气体多变指数(气体在压缩过程中遵循一定的规律，气体多变指数即描述这一变化过程的常数)(1≦N≦1.4)，X₀为自由空气的相对含量，B为油液的额定弹性模量；

为了使弹性模量更为准确，设定一个最小值B_min：

B_f＝max(B_eff,B_min

液压油的体积弹性模量和温度、压力以及油液中的空气有关，纯油液中B_f＝(1.2～2)×10³MPa，实际(油混气)工程中取(0.7～1.4)×10³MPa

步骤三)流量计算：

泵工况下，液压缸控制腔输入流量

q_P＝vA+K_LΔp

马达工况下，液压缸控制腔输出流量

q_M＝vA-K_LΔp

其中q_P，q_M分别为液压缸在泵/马达工况下控制腔(即高压腔)实际输入/输出流量；v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积A，为液压缸有效工作面积,在泵工况下为无杆腔有效面积，在马达工况下为有杆腔有效面积,△p为液压缸两侧压差，即为泵/马达所计算出的压差，KL为液压缸的泄漏系数。

步骤四)计算伺服电机转速，计算方法如下：

其中n为电机转速；ω为伺服电机的角速度，泵工况下为：

其中q_a泵工况下泵/马达实际输出流量，即q_a＝q_P；x泵排量百分比；D泵排量；Δp泵进出口压差；S，σ无纲量数(同上述2)；C_s，C_st层流，紊流泄漏系数；B_f油液有效弹性模量。

马达工况下为

其中q_a马达工况下泵/马达实际输入流量，即q_a＝q_M

步骤五)所述的伺服电机转速计算模块计算出电机转速并转化为电机转速信号之后，和速度负反馈自适应控制得到的输出进行求和。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、将模型控制与自适应控制相结合，通过基于模型的前馈控制使液压缸速度接近目标速度，通过自适应控制进一步消除稳态误差，提高液压缸速度控制精度和系统的鲁棒性，降低了对系统对不可测、不易测参数的变化的敏感性，如通过自适应控制补偿泵磨损或油液黏度变小后的内泄增加。

2、考虑温度、油液压缩性、不同转速不同压差的泵/马达模型、液压缸泄漏来计算液压缸位移，提高系统的鲁棒性。

3、识别四象限工况，并实现四象限工况下的高性能速度闭环控制和能量回收。

附图说明：

图1闭环控制的流程图。

图2单泵闭式液压系统回路。

图3四工况示意图。

具体实施方案方式

本发明的技术方案为：根据目标速度，利用伺服电机转速和转矩、温度传感器所测得的油液温度，计算液压缸所需流量、泵出口压力、油液弹性模量、粘度，进而计算出该时刻所需要的伺服电机的转速；并将该基于模型的速度前馈与速度负反馈自适应控制相结合。

如图1和图2所示：该系统主要由伺服电机、定量泵、液压缸、工作装置、温度传感器、位移或速度传感器、压力传感器等组成。其连接方式为：伺服电机驱动泵，控制液压泵驱动管路中的液压油，实现液压缸的位移控制。通过温度传感器获得油液温度，及压力传感器获得对的蓄能器出口压力，将所测得油液温度及蓄能器出口压力输入到粘度计算模块获得实时粘度；利用伺服电机的转矩、转速内反馈信号和蓄能器出口压力及计算出的粘度输入压力计算模型计算出泵的进出口压差和泵的实时出口压力；通过泵的出口压力结合弹性模量计算模块获得实时弹性模量；结合目标转速和系统压力实时计算出液压缸所需输入流量，并将该流量、弹性模量、粘度以及压力输入到转速计算模块，获得所需要的电机转速控制信号用于前馈控制。速度负反馈，液压缸的速度则通过液压缸的位移传感器的微分或速度传感器获得，通过自适应控制，如模糊PID、神经网络PID等控制方法进行闭环控制，实现高性能的变转速泵控缸系统的速度控制。

自动识别泵/马达的运行工况，并自动切换算法。通过电机驱动器、温度传感器、压力传感器获得电机转速、扭矩、液压回路压力、蓄能器进出口压力，并电机旋转方向和转矩方向或泵的进出口压差和转矩方向来判断系统处于泵还是马达工况，根据下图进行自动识别。(如果电机旋转方向与转矩方向相同则为泵工况，反之则为马达工况。液压缸伸出时，当电机正转，如果泵/马达的进出口压差为正，则为(I象限)泵工况，反之则为(Ⅳ象限)马达工况；液压缸缩回时，电机反转，泵/马达的进出口压差为正，则为(Ⅱ象限)马达工况，反之则为(Ⅲ象限)泵工况。)

所述的通过伺服电机的输出转矩和转速确定泵/马达进出口压差，系统压力则该压差加上油箱(蓄能器)压力，泵的进出口压差主要是通过下述公式计算出压力：

T_{a_P}＝ΔpD+C_vSΔpD+C_fΔpD+C_hσ²ΔpD

马达工况下则为：

T_{a_M}＝ΔpD-C_vSΔpD-C_fΔpD-C_hσ²ΔpD

其中T_{a_P}为泵工况下伺服电机实际输出扭矩，T_{a_M}为马达工况下伺服电机实际输出扭矩；Δp为泵进出口压差；D为泵的排量；C_v，C_f，C_h为油液的粘性、摩擦、液体动态损失系数；S，σ为无纲量数。该式中的两个无纲量数为：

其中v为油液粘度，ρ为油液密度，ω为电机角速度。

所述的弹性模量为有效体积弹性模量(B_eff)，考虑到液体、气体和容器的压缩系数的影响。体积模量的值主要受三个因素的影响：压力、温度和油中的空气含量。空气以各种形式存在：自由空气显示为气穴，夹带的空气(包括与油混合的气泡)和完全溶解的空气。

主要是根据(2)所述的公式结合弹性模量计算公式，计算出系统的弹性模量，具体公式如下

式中p₀为系统的初始压力；p为压力计算模块所计算出的泵/马达输出/输入压力；N为气体多变指数，(气体在压缩过程中遵循一定的规律，气体多变指数即描述这一变化过程的常数)X0为自由空气的相对量，B为油液的额定情况弹性模量。所述的流量计算模块，主要是通过液压缸的目标速度和进口侧压力获取液压缸流量的大小，计算公式如下：

泵工况下，液压缸控制腔输入流量

q_P＝vA+K_LΔp

马达工况下，液压缸控制腔输出流量

q_M＝vA-K_LΔp

其中q_P，q_M分别为液压缸在泵/马达工况下控制腔(即高压腔)实际输入/输出流量；v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积，Δp为液压缸两侧压差，即为泵/马达所计算出的压差，K_L为液压缸的泄漏系数。

所述的液压系统的粘度计算模块，对定量泵的输出流量和压力计算影响的参数分别是油液的密度ρ和油液的粘度ν，油液的密度可以直接通过实验测量得到，油液的粘度随着油液的温度变化而变化，因此需要在液压管路中添加温度传感器，实时监测液压回路中的油液温度T。通过对实验数据进行多项式拟合，可以得到油液粘度与温度关系的表达式：

式中：p₀—大气压；p—所在液压元件的压力，使用压力传感器进行测量，C₁、C₂、C₃—均为系数，通过实验数据拟合得到。

所述的伺服电机转速计算模块，结合液压缸的流量计算模块的流量值，压力计算模块的压力值，弹性模块计算的弹性模量值，以及粘度计算模块的液压油粘度，和流量计算模块计算出的泵/马达工况下液压缸控制腔所需输入/输出流量，计算出伺服电机的转速值，并转换为转速信号。具体的转速计算公式如下：

其中n为电机转速；ω为伺服电机的角速度，泵工况下为：

其中qa泵工况下泵/马达实际输出流量，亦为液压缸在泵工况下控制腔实际输入流量，即q_a＝q_P；x泵排量百分比；D泵排量；Δp泵进出口压差；S,σ无纲量数(同上述2)；C_s，C_st层流，紊流泄漏系数；B_f油液有效弹性模量。

马达工况下则为

其中q_a马达工况下泵/马达实际输入流量，亦为液压缸在马达工况下控制腔实际输出流量，即q_a＝q_M

所述的伺服电机转速计算模块计算出电机转速并转化为电机转速信号之后，和速度负反馈自适应控制得到的输出进行求和，并将求和结果送给伺服电机的控制器，从而控制伺服电机的输出转速，提高系统的快速性和鲁棒性等。

Claims (1)

1.一种四象限工况下变转速单泵控缸闭式系统速度闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)根据伺服电机的运动状态确定系统的工况；通过伺服电机的输出转矩和转速确定泵/马达进出口压差，

泵工况的进出口压差主要是通过下述公式计算出压力：

T_{a_P}＝ΔpD+C_vSΔpD+C_fΔpD+C_hσ²ΔpD

马达工况下则为：

T_{a_M}＝ΔpD-C_vSΔpD-C_fΔpD-C_hσ²ΔpD

其中T_{a_P}为泵工况下伺服电机实际输出扭矩，T_{a_M}为马达工况下伺服电机实际输入扭矩；Δp为泵进出口压差；D为泵的排量；C_v，C_f，C_h依次为油液的粘性、摩擦、液体动态损失系数；S，σ为无纲量数：

其中v为油液粘度，ρ为油液密度，ω为伺服电机的角速度；

油液粘度随温度变化，油液温度由温度传感器测出；油液粘度的计算方法为：

式中：T为油液温度，ρ为油液密度，p₀为所在液压元件的压力，即大气压；p为所在液压元件的压力，此处压力p由蓄能器与泵/马达之间的压力传感器测量得到；C₁、C₂、C₃为系数，通过实验拟合得到；

步骤二)计算有效体积弹性模量B_f，计算方法如下：

式中p₀为系统的初始压力，即大气压；p为所在液压元件的压力，通过压力计算模块所计算出的泵/马达输出/输入压力；N为气体多变指数，1≤N≤1.4；X₀为自由空气的相对含量，B为油液的额定情况弹性模量；

为了使弹性模量更为准确，设定一个最小值B_min：

B_f＝max(B_eff，B_min)

步骤三)流量计算：

泵工况下，液压缸控制腔输入流量

q_P＝vA+K_LΔp

马达工况下，液压缸控制腔输出流量

q_M＝vA-K_LΔp

其中q_P，q_M分别为液压缸在泵/马达工况下控制腔实际输入/输出流量；v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积，在泵工况下为无杆腔有效面积，在马达工况下为有杆腔有效面积，Δp为液压缸两侧压差，即为泵/马达所计算出的压差，K_L为液压缸的泄漏系数；

步骤四)计算伺服电机转速，计算方法如下：

其中n为电机转速；ω为伺服电机的角速度，泵工况下为：

其中q_a泵工况下泵/马达实际输出流量，即q_a＝q_P；x泵排量百分比；D泵排量；Δp泵进出口压差；S，σ无纲量数；C_s，C_st层流，紊流泄漏系数；B_f油液有效弹性模量；

马达工况下为

其中q_a马达工况下泵/马达实际输入流量，即q_a＝q_M

步骤五)伺服电机转速计算模块计算出电机转速并转化为电机转速信号之后，和速度负反馈自适应控制得到的输出进行求和，并将求和结果送给伺服电机的控制器，从而控制伺服电机的输出转速。

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