CN111255771B - 一种四象限工况下的变转速双泵控缸闭式系统的液压缸速度和位移软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四象限工况下的变转速双泵控缸闭式系统的液压缸速度和位移软测量方法。本发明通过伺服电动机/马达转速、液压系统油液温度、蓄能器进出口压力、液压缸两端进出口压力；估算出双泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的泵/马达流量、液压缸速度、液压缸位移软测量模型，最终获得液压缸的速度、位移。

Description

一种四象限工况下的变转速双泵控缸闭式系统的液压缸速度 和位移软测量方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是四象限工况下的双泵控缸闭式系统的液压缸速度和位移软测量方法。

背景技术

通常在用于液压系统的位移传感器分为外部与内部两种，尽管这两种传感器拥有高精度、响应速度快的优点，但是它们也都有着各自的缺点。外部传感器在在恶劣的作业环境中比较脆弱，需要适当的保护，增加了维护的难度与成本。内部传感器对液压缸的制造精度要求极高，导致其价格昂贵，还存在着检测维修困难的缺点；同时，在单泵闭式系统中，液压缸伸出或缩回会因负载方向改变引起的速度大幅度波动而影响系统平稳性和响应性，因此本发明提出一种双泵控闭式系统速度和位移软测量方法，能够解决上述传统单泵变转速系统中存在的诸多不足，也能满足挖掘机、推土机、装载机等对位移测量精度要求不高的工程机械中液压缸位移软测量，促进工程机械的自动化作业。

本发明通过伺服电动机/马达转速、液压系统油液温度、蓄能器进出口压力、液压缸两端进出口压力；估算出双泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的泵/马达流量、液压缸速度、液压缸位移软测量模型，最终获得液压缸的速度、位移。

发明内容

本发明通过伺服电动机/马达转速、液压系统油液温度、蓄能器进出口压力、液压缸两端进出口压力；估算出双泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的泵/马达流量、液压缸速度、液压缸位移软测量模型，最终获得液压缸速度、位移。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种四象限工况下的双泵控缸闭式系统的液压缸速度软测量方法，包括如下步：

步骤一)根据两个泵/马达的电机的运行状态，分别确定两个泵/马达的运行工况；

为了区别两泵的流量，设与液压缸无杆腔相连的泵为泵1，与液压缸有杆腔相连的泵为泵2；以

分别表示与液压缸无杆腔相连的泵工况、马达工况的流量，以

分别表示与液压缸有杆腔相连的泵工况、马达工况的流量；系统中，压差Δp由压力传感器测得的压力求差得到，设蓄能器进出口压力传感器测得的压力为p₁，液压缸无杆腔进出口压力传感器测得压力为p₂，液压缸有杆腔进出口压力传感器测得压力为p₃，则有：

泵1即大排量泵的压差为：

Δp₁＝p₂-p₁

泵2即小排量泵的压差为：

Δp₂＝p₃-p₁

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为压力传感器分别测得的两泵与液压缸两侧的压力值p₂、p₃，这里取p＝max(p₂，p₃)；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；(注：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)。

为了使弹性模量更为准确，设定一个最小值Bmin：

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)计算泵/马达的实际输出流量或输入流量；将不同工况下泵1和泵2的压差代入下式中：

泵工况为：

马达工况为：

式中：x—泵的排量系数，范围为0-1；q_P—泵的输出流量；q_M—马达的输入流量；ω—泵角速度；D—泵排量；C_s层流系数，C_st—紊流系数；Δp—压差；S，σ—无纲量数；B_f—油液有效体积弹性模量；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为泵角速度；

油液粘度与油液温度有关，采用如下方式计算：

式中：T为油液温度；p₀—为系统的初始压力，即大气压；p—所在液压元件的压力，液压元件中的压力p值是由该液压元件容腔的压力来决定的，由传感器测量得到(p为压力传感器分别测得的两泵与液压缸两侧的压力p₂、p₃，这里取p＝max(p₂，p₃))；C₁、C₂、C₃—均为系数，通过实验数据拟合得到。

步骤四)计算有效输入或输出流量：

在Ⅱ象限、Ⅳ象限中的泵工况下：

q_C＝q_P-K_L|p₂-p₃|

在Ⅰ象限、Ⅲ象限中的马达工况下：

q_C＝q_M+K_L|p₂-p₃|

其中；q_C为液压缸有效输入流量；K_L—液压缸泄漏系数；|p₂-p₃|为液压缸两侧的压差；

步骤五)有效输入或输出流量除以有效面积A即得到液压缸速度：

v＝q_C/A

一种四象限工况下的双泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，包括如下步骤：

对于四象限工况的液压缸的速度进行积分，即可得到四象限工况的位移量：

a)Ⅰ象限中，定量泵/马达2工作处于马达工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；与控制腔相连的为泵/马达2，获得液压缸有杆腔输出流量q_{C_M2}，则液压缸的速度为v_I，位移为x_I；

式中：A_B为有杆腔有效面积；

b)Ⅱ象限中，定量泵/马达1工作处于泵工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；与控制腔相连的为泵/马达1；获得液压缸无杆腔输入流量q_{C_P1}，则液压缸的速度为v_II，位移为x_II；

式中：A_A为无杆腔有效面积；

c)Ⅲ象限中，定量泵/马达1工作处于马达工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；与控制腔相连的为泵/马达1，获得液压缸无杆腔输出流量q_{C_M1}，则液压缸的速度为v_III，位移为x_III；

d)Ⅳ象限中，定量泵/马达2工作处于泵工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；与控制腔相连的为泵/马达2，获得液压缸有杆腔输入流量q_{C_P2}；则液压缸的速度为v_IV，位移为x_IV；

注：此处A_A、A_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的作面积；p_A、p_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的压力，且p_A、p_B都是通过压力传感器测量得到的液压缸两端压力值，即p_A＝p₂，p_B＝p₃。

进一步的，在液压缸的行程上设置接近开关作为参考点，当液压缸运动经过参考点时，根据参考点位置校准位移量。

进一步的，所述参考点有三个，分别位于液压缸完全缩回、位移为液压缸总行程1/2、位移为行程终点位置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)实现无位移传感器的位置较精确估计，提高系统的鲁棒性

2)多液压缸系统的位置控制，不需要位移传感器，降低系统成本。

3)设置多个参考点的方式来消除位移累积误差。

4)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。

5)采用压力传感器测得的泵出口压力结合多个位置参考点实现系统是否存在溢流的判断。

6)分别自动识别四象限工况下左右两泵的运行工况，实现四象限工况下双泵控缸系统的位移软测量和能量回收。

附图说明：

图1速度、位移软测量的流程图

图2双泵闭式液压系统回路

图3四工况示意图

图4双泵闭式系统四象限工况

具体实施方案方式

本发明专利一种双泵闭式系统位移软测量方法，实现该方法的流程如图1所示。控制器通过接收来自软测量得到的液压缸速度和期望位移与液压缸位移的偏差e_i，实时监控液压缸的位移与速度，发出转速控制信号，控制伺服电动机/发电机的转速，伺服电动机/发电机通过联轴器驱动定量泵/马达工作，定量泵/马达产生的流量提供给液压缸以推动活塞杆动作。当位移偏差e_i≤e₀时(e₀为偏差设定值)，控制器调整转速控制信号减小，当位移偏差e_i＝0时，液压缸的速度也为0，从而达到控制效果。

本发明专利一种双泵闭式系统位移软测量方法所使用的双泵闭式液压回路如图2所示，双泵闭式液压回路由1充气式蓄能器、2,3定量泵/马达、4伺服电动机/发电机、5液压缸、6负载、7,8,9压力传感器、10,11单向阀组成。运用充气式蓄能器代替低压油箱；双单向阀组合给回路低压侧补油，防止气蚀，溢流阀起保护作用(未画出)；一对双向定量泵/马达的排量比与液压缸两腔的面积比基本一致，在伺服电机的带动下给液压缸提供油液；7压力传感器测蓄能器油压；8压力传感器测液压缸无杆腔油压；9压力传感器测液压缸有杆腔油压。

由于液压缸位移软测量方法测量得到的位移与液压缸实际位移存在一定的偏差，因此，系统中必然存在累积误差。本发明专利采用在液压缸上设置多个参考点(如安装多个接近开关)的方式来消除累积误差。如分别在液压缸完全缩回、位移为液压缸总行程1/2，位移为行程终点位置设置三个参考点，当液压缸运动到这三个位置时，无论通过软测量得到的位移为多少，都可以通过个这三个接近开关参考点将反馈回去的位移信号设置为这三个接近开关参考点所对应位置的位移值，以此来消除该位移软测量方法测量所得位移的累积误差。

通过液压缸两侧压力传感器测得的压力值与溢流阀设定压力相比较，如果液压缸某侧压力压力高于溢流阀设定压力，且到达下一参考点时，估算位移与参考点位置相差较大(如10％以上)，可判断其为溢流。

本发明专利一种双泵闭式系统位移软测量方法的软测量步骤为：

(1)通过电机驱动器、温度传感器、各压力传感器获得电机转速、液压回路压力、蓄能器进出口压力及液压缸两侧压力，同时自动识别双泵系统的运行工况。首先通过液压缸两端的压力传感器确定高压腔，即比较p₂和p₃的大小，若p₃>p₂，则高压腔为液压缸有杆腔，根据泵/马达2的旋转方向来断定液压缸所处的工况，泵/马达2正转，泵/马达2处于泵工况，液压缸阻力缩回，如图4的Ⅳ象限所示；反之，泵/马达2反转，泵/马达2处于马达工况，液压缸超越伸出，如图4的Ⅰ象限所示。若p₂>p₃，则高压腔为液压缸无杆腔，根据泵/马达1的旋转方向来断定液压缸所处的工况，泵/马达1正转，泵/马达1处于泵工况，液压缸阻力伸出，如图4的Ⅱ象限所示；反之，泵/马达1反转，泵/马达1处于马达工况，液压缸超越缩回，如图4的Ⅲ象限所示。

(2)估算出双泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的位移软测量模型。

(3)分析闭式双泵系统四象限工况下液压缸进出口流量的特征，关联位移软测量模型，获得液压缸控制腔实际流量，以实际流量除以液压缸控制器有效面积就能得到液压缸的软测量速度，对速度进行积分就能得到液压缸位移(或者对流量进行积分，得到流入或排出液压缸的油液容积，以油液容积除以液压缸控制器有效面积，也能获得液压缸软测量位移)。

一种双泵闭式系统位移软测量方法的关键就是建立双泵闭式系统的位移软测量模型，能够建立准确软测量模型，是保证软测量精度的关键组成部分。本发明专利通过对实验数据与仿真获得单泵闭式液压系统伺服电机的转速，液压回路油液温度、粘度和所需压力，液压缸进出口流量、位移数据，再进行模型辨识，得到位移软测量模型。

建立泵/马达流量软测量模型

双泵闭式液压回路如图2所示。通过电机驱动器获得伺服电动机/发电机的转速，伺服电动机/发电机通过传动轴驱动定量泵/马达，定量泵/马达的转速等于伺服电动机/发电机的转速ω，定量泵/马达的输出/输入流量主要取决于泵/马达的转速和泵/马达的压差Δp，以及液体的体积弹性模量。通过对实验数据进行拟合，可以得到影响泵输出流量的层流、紊流系数，最终可以得到泵/马达的输出/输入流量方程：

式中：q_P—泵的输出流量；q_M—马达的输入流量；ω—泵角速度；D—泵排量；C_s层流系数，C_st—紊流系数；Δp—压差；S，σ—无纲量数；Bf—油液有效体积弹性模量，ε—误差补偿；ρ—油液密度；ν—油液粘度。

其中:

由于本发明专利的测量系统为双泵/马达系统，分别与液压缸无杆腔、有杆腔相连的两泵/马达排量比与液压缸两腔有效工作面积之比相等，因此两泵/马达的流量模型基本一致，只是排量D不一样而已。为了区别两泵/马达的流量，与液压缸无杆腔相连的泵/马达为泵/马达1，与液压缸有杆腔相连的泵/马达为泵/马达2。以

表示与液压缸无杆腔相连的泵/马达的流量，以

表示与液压缸有杆腔相连的泵/马达的流量。

双泵闭式系统中，泵/马达的压差Δp由压力传感器测量得到，将蓄能器进出口压力传感器测得的压力定义为p₁，液压缸无杆腔进出口压力传感器测得压力定义为p₂，液压缸有杆腔进出口压力传感器测得压力定义为p₃。因此，泵/马达1即大排量泵/马达的压差为

Δp₁＝p₂-p₁ (4-5)

泵/马达2即小排量泵/马达的压差为

Δp₂＝p₃-p₁ (4-6)

想要得到定量泵/马达的输出/输入流量，定量泵/马达中油液的体积弹性模量也至关重要。体积弹性模量是描述可压缩性的参数，是影响压力变化率的重要参数，系统的总压缩系数被称为有效体积弹性模量，考虑到液体、气体、容积对压缩系数的影响，弹性模量主要受到压力、温度及含气量三方面的影响。通过对实验结果进行拟合，最终的到体积模量为：

式中：p₀—为系统的初始压力，即大气压；p—所在液压元件的压力，在定量泵/马达中，用定量泵/马达高压腔的压力p₁用于计算，即在定量泵/马达中p＝p₁，而在其他液压元件中的压力p值是由该液压元件容腔的压力来决定的，因此每个液压元件的弹性模量都是不一样的；N—气体多变指数；X₀—大气压下空气相对含量；B_liq—在特定条件下的液体弹性模量。

同时，为了使弹性模量更为准确，需设定一个最小值：

B_f＝max(B_eff，B_min) (4-8)

最后对定量泵/马达的输出/输入流量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ρ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—为系统的初始压力，即大气压；p—所在液压元件的压力，在定量泵/马达中，用定量泵/马达高压腔的压力p₁用于计算，即在定量泵中p＝p₁，而在其他液压元件中的压力p值是由该液压元件容腔的压力来决定的，由传感器测量得到；C1、C2、C3—均为系数，通过实验数据拟合得到。

通过对双泵闭式系统四象限工况的特征进行分析，联立相关的方程，可以获得定量泵/马达的实际流量。

液压缸输入或输出流量模型

液压缸内活塞密封并不能达到无泄漏状态，因此液压缸内还存在一定的泄漏流量泄漏，在泵工况下液压缸的实际输入流量为：

q_{C_P}＝q_C-K_L(max(p_A，p_B)-min(p_A，p_B)) (4-13)

在马达工况下液压缸的实际输出流量为：

q_{C_M}＝q_C+K_L(max(p_A，p_B)-min(p_A，p_B)) (4-14)

式中：K_L—液压缸泄漏系数；max(p_A，p_B)-min(p_A，p_B)—在泵工况下，进油腔总是为高压腔，在马达工况下，出油腔总是为高压腔，无论在哪种工况下，高压腔为控制腔，因此有该式；q_C—液压缸高压腔通过进出口流入的流量。

注：此处A_A、A_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的作面积；p_A、p_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的压力，且p_A、p_B都是通过压力传感器测量得到的液压缸两端压力值，即p_A＝p₂，p_B＝p₃

双泵闭式系统四象限位移软测量模型

据双泵闭式液压系统对外做功或者进行能量回收可将该系统的4种工况分为以下两类：对外做功—外力F方向与活塞杆速度v的方向相反，见图4中的Ⅱ和Ⅳ象限。此时，进油腔为高压腔，泵/马达工作在泵工况，电动机/发电机则为电动机工况。能量回收—外力F与活塞杆速度v的方向相同，见图4中的Ⅰ和Ⅲ象限。此时，回油腔为高压腔，泵/马达工作在马达工况，电动机/发电机则为发电机工况。

根据所建立的泵/马达流量软测量模型、管路软测量模型、液压缸软测量模型，对单泵闭式系统位移软测量原理进行分析。

a)Ⅰ象限中，定量泵/马达2工作处于马达工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；与控制腔相连的为泵/马达2，因此使用泵/马达2，马达工况下的软测量模型，联立式(4-2,3,4,6,7,8,9,11,12,14)，获得液压缸有杆腔输出流量q_{C_M2}，则液压缸的速度为v_I，位移为x_I。

式中：A_B为有杆腔有效面积。

b)Ⅱ象限中，定量泵/马达1工作处于泵工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；与控制腔相连的为泵/马达1，因此使用泵/马达1，泵工况下的软测量模型，联立式(4-1,3,4,5,7,8,9,10,12,13)，获得液压缸无杆腔输入流量q_{C_P1}，则液压缸的速度为v_II，位移为x_II。

式中：A_A为无杆腔有效面积。

c)Ⅲ象限中，定量泵/马达1工作处于马达工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；与控制腔相连的为泵/马达1，因此使用泵/马达1，马达工况下的软测量模型，联立式(4-2,3,4,5,7,8,9,10,12,14)，获得液压缸无杆腔输出流量q_{C_M1}，则液压缸的速度为v_III，位移为x_III。

d)Ⅳ象限中，定量泵/马达2工作处于泵工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；与控制腔相连的为泵/马达2，因此使用泵/马达2，泵工况下的软测量模型，联立式(4-1,3,4,6,7,8,9,11,12,14)，获得液压缸有杆腔输入流量q_{C_P2}；则液压缸的速度为v_IV，位移为x_IV。

Claims (4)

1.一种四象限工况下的双泵控缸闭式系统的液压缸速度软测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)根据两个泵/马达和电机的运行状态，分别确定两个泵/马达的运行工况；

为了区别两泵的流量，设与液压缸无杆腔相连的泵为泵1，与液压缸有杆腔相连的泵为泵2；以

分别表示与液压缸无杆腔相连的泵工况、马达工况的流量，以

分别表示与液压缸有杆腔相连的泵工况、马达工况的流量；系统中，压差Δp由压力传感器测得的压力求差得到，设蓄能器进出口压力传感器测得的压力为p₁，液压缸无杆腔进出口压力传感器测得压力为p₂，液压缸有杆腔进出口压力传感器测得压力为p₃，则有：

泵1即大排量泵的压差为：

Δp₁＝p₂-p₁

泵2即小排量泵的压差为：

Δp₂＝p₃-p₁

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为压力传感器分别测得的两泵与液压缸两侧的压力值p₂、p₃，这里取p＝max(p₂，p₃)；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)计算泵/马达的实际输出流量或输入流量；将不同工况下泵1和泵2的压差代入下式中：

泵工况为：

马达工况为：

式中：x—泵的排量系数，范围为0-1；q_P—泵的输出流量；q_M—马达的输入流量；ω—泵角速度；D—泵排量；C_s层流系数，C_st—紊流系数；Δp—压差；S，σ—无纲量数；Bf—油液有效体积弹性模量；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为泵角速度；

油液粘度与油液温度有关，采用如下方式计算：

式中：T为油液温度；p₀-为系统的初始压力，即大气压；p-所在液压元件的压力，液压元件中的压力p值是由该液压元件容腔的压力来决定的，由传感器测量得到(p为压力传感器分别测得的两泵与液压缸两侧的压力p₂、p₃，这里取p＝max(p₂，p₃))；C₁、C₂、C₃-均为系数，通过实验数据拟合得到；

步骤四)计算有效输入或输出流量：

在II象限、IV象限中的泵工况下：

q_C＝q_P-K_L|p₂-p₃|

在I象限、IⅡ象限中的马达工况下：

q_C＝q_M+K_L|p₂-p₃|

其中；q_C为液压缸有效输入流量；K_L-液压缸泄漏系数；|p₂-p₃|为液压缸两侧的压差；

步骤五)有效输入或输出流量除以有效面积A即得到液压缸速度：

v＝q_C/A。

2.一种四象限工况下的双泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

对于四象限工况的液压缸的速度进行积分，即可得到四象限工况的位移量：

a)I象限中，定量泵/马达2工作处于马达工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；与控制腔相连的为泵/马达2，获得液压缸有杆腔输出流量q_{C_M2}，则液压缸的速度为v_I，位移为x_I；

式中：A_B为有杆腔有效面积；

b)II象限中，定量泵/马达1工作处于泵工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；与控制腔相连的为泵/马达1；获得液压缸无杆腔输入流量q_{C_P1}，则液压缸的速度为v_II，位移为x_II；

式中：A_A为无杆腔有效面积；

c)IⅡ象限中，定量泵/马达1工作处于马达工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；与控制腔相连的为泵/马达1，获得液压缸无杆腔输出流量q_{C_M1}，则液压缸的速度为v_III，位移为x_III；

d)IV象限中，定量泵/马达2工作处于泵工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；与控制腔相连的为泵/马达2，获得液压缸有杆腔输入流量q_{C_P2}；则液压缸的速度为v_IV，位移为x_IV；

其中A_A、A_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的作面积；p_A、p_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的压力，且p_A、p_B都是通过压力传感器测量得到的液压缸两端压力值，即p_A＝p₂，p_B＝p₃。

3.如权利要求2所述的一种四象限工况下的双泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，其特征在于，在液压缸的行程上设置接近开关作为参考点，当液压缸运动经过参考点时，根据参考点位置校准位移量。

4.如权利要求3所述的一种四象限工况下的双泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，其特征在于，所述参考点有三个，分别位于液压缸完全缩回、位移为液压缸总行程1/2、位移为行程终点位置。

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