CN113847297A - 一种电负载敏感系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电负载敏感系统及其控制方法，主臂变幅比例阀Y2是三位七通比例阀，中位是“Y”型机能，主臂变幅比例阀Y2的3油口、6油口和7油口中位时相连通，主臂变幅比例阀Y2的1油口连通主阀P口，主臂变幅比例阀Y2的3油口连通泄油T口，主臂变幅比例阀Y2的6油口通过主阀A1油口连通平衡阀V1油口，7油口通过主阀B1油口连通平衡阀V2油口；泄油T口连通油箱，压力传感器YP1的压力敏感元件安装在主阀P口上，压力传感器YP2的压力敏感元件安装在负载LS口。本发明利用PID控制算法，调节电控泵比例阀的输出电流值，使主阀P口与负载压力口之间的压差可控。

Description

一种电负载敏感系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电负载敏感系统及其控制方法，属于高空作业平台控制技术领域。
背景技术
高空作业平台是一种将工作人员和施工器材运载到控制制定指定位置，从事检修、安装等工作的特种设备。随着我国造船、消防、港口建设、石油化工、市政建设等行业的迅速发展，对高空作业平台的需求越来越多。
负载敏感系统是一种可以感知负载大小的液压系统。液负载敏感系统是针对感知到的负载的大小，通过液控的方式实现对负载的控制。电负载敏感系统是针对感知到的负载的大小，通过电控的方式实现对负载的控制。
目前由于控制简单，高空作业平台厂家用的比较多的是液控负载敏感系统或者普通液压系统。现有高空作业平台用的比较多的是液控负载敏感系统，是通过较长管路将负载压力反馈至变量泵，且转台动作控制阀及平台动作控制阀等阀组需要同时向变量泵反馈负载压力信号。对应动作的比例阀开口打开后，变量泵根据压力反馈信号调节自身的斜盘倾角，控制所需的流量输出，相应动作执行。
液控负载敏感系统缺陷如下：(1)可调范围窄、微动性能差：现有高空作业平台用的是液控负载敏感系统，由于压差固定，仅能通过调节比例阀的开口进行调速，可调范围窄；将比例阀的开口调节至最小可实现动作的最小速度，相对电控负载敏感系统微动性差。(2)泵出口压差与负载压差固定：现有高空作业平台采用液控负载敏感系统，泵出口与负载之间的压差由液控泵内部的负载反馈弹簧决定的，选定后，系统压差不能随意调节。(3)动作速度受温度影响大：现有高空作业平台用的是液控负载敏感系统，系统压差主要由泵出口到主阀P口之间管路压差以及主阀P口到负载之间的主阀前后压差组成，温度降低，液压油粘度增加，管路压差增加，主阀前后压差变小，影响动作速度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电负载敏感系统及其控制方法，。
为达到上述目的，本发明提供一种电负载敏感系统，包括压力传感器YP1、压力传感器YP2、控制器和主臂变幅比例阀Y2，主臂变幅比例阀Y2包括控制主臂下变幅线圈Y2a及控制主臂上变幅线圈Y2b，
主臂变幅比例阀Y2是三位七通比例阀，中位是“Y”型机能，主臂变幅比例阀Y2的3油口、6油口和7油口中位时相连通，主臂变幅比例阀Y2的1油口连通主阀P口，主臂变幅比例阀Y2的3油口连通泄油T口，主臂变幅比例阀Y2的6油口连通主阀A1油口，7油口连通主阀B1油口，主阀A1油口连通平衡阀V1油口，主阀B1油口连通平衡阀V2油口；
泄油T口连通油箱，压力传感器YP1的压力敏感元件安装在主阀P口上，压力传感器YP2的压力敏感元件安装在负载LS口；压力传感器YP1、压力传感器YP2、控制主臂下变幅线圈Y2a及控制主臂上变幅线圈Y2b均电连接控制器。
优先地，包括电控泵、若干个阻尼孔、单活塞杆缸、二位三通阀和电控泵比例阀Y1，电控泵吸油口连通油箱，电控泵出油口连通主阀P口，单活塞杆缸的活塞杆固定或转动连接电控泵的斜盘；
电控泵比例阀Y1的1油口通过阻尼孔连通二位三通阀的1油口，二位三通阀的1油口连通电控泵出油口；电控泵比例阀Y1的1油口与二位三通阀的2油口连通卸油口；二位三通阀的3油口通过阻尼孔连通单活塞杆缸的无杆腔，同时通过阻尼孔连通卸油口。
优先地，包括三位三通阀和单向阀，三位三通阀的1油口连通负载LS口，三位三通阀的2油口通过单向阀连通主臂变幅比例阀Y2的2油口，三位三通阀的3油口连通主臂变幅比例阀Y2的4油口和主臂变幅比例阀Y2的5油口。
优先地，包括溢流阀，主阀P口通过溢流阀连通泄油T口。
一种电负载敏感系统控制方法，采用上述所述的电负载敏感系统，执行方法：
主阀的流量压力特性为：
Figure BDA0003309496780000021
ΔP＝PP-PL (2)，
其中，Q是通过主臂变幅比例阀Y2的流量，Cd是流量系数，A是主臂变幅比例阀Y2的通流面积，ΔP是主阀P口压力与负载反馈压力之差，ρ是液体密度，PP是主阀P口压力值，PL是负载LS口反馈压力值；
流量系数Cd和液体密度ρ为固定值，设定ΔP，流量随主臂变幅比例阀Y2的通流面积A按照比例增加或减少；
偏差e(t)为：e(t)＝(PP(t)-PL(t))-ΔPs，
其中，主阀P口压力PP(t)与负载反馈LS口压力PL(t)，ΔPs为设定的系统压差；
当电控泵比例阀Y1电流增加时，主阀P口压力PP(t)升高；当电控泵比例阀Y1电流值减小时，主阀P口压力PP(t)降低；
电负载敏感系统PID控制的基础函数为：
Figure BDA0003309496780000031
其中，比例系数Kp、积分系数KI和微分系数KD为设定的值，控制器根据PID算法周期性采集PP(t)和PL(t)，周期性计算偏差e(t)；
设定ΔP，周期性调整电控泵比例阀Y1的电流值，进而调整主阀P口压力PP(t)，使e(t)＝0。优先地，电控泵比例阀Y1为电比例压力控制阀。
本发明所达到的有益效果：
本发明的目的是提出一种可以应用于高空作业平台的电负载敏感控制方法，并详细阐述了电负载敏感技术的基本原理及实现方法。通过控制器采集主阀P口及负载压力口的压力传感器信号，利用PID控制算法，通过调节电控泵比例阀的输出电流值，使主阀P口与负载压力口之间的压差可控。本发明实现了电负载敏感技术在高空作业平台的应用，增加了主动作的调速范围，提升了操作微动性，且动作速度受环境温度影响小。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的液压原理图；
图3是本发明电负载敏感控制方法的原理图；
图4是本发明电负载敏感控制方法的流程图；
图5是高空作业平台的示意图。
附图中，1.转台；2.平台；3主臂。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明，若本发明实施例中有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)，则其仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述，则其仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明电控系统硬件的组成，包括压力传感器YP1、压力传感器YP2、控制器、电控泵比例阀Y1和主臂变幅比例阀Y2，主臂变幅比例阀Y2为三位七通比例电磁阀，主臂变幅比例阀Y2包括主臂下变幅线圈Y2a以及主臂上变幅线圈Y2b。
如图2所示，电控泵比例阀Y1用于控制电控泵的斜盘倾角，压力传感器YP1与压力传感器YP2分别用于采集主阀P口与负载LS口的压力信号，三位七通比例电磁阀的主臂下变幅线圈Y2a以及主臂上变幅线圈Y2b分别用于控制变幅油缸的缩回与伸出，即主臂下变幅及上变幅。
如图2所示，本发明中的简化后的主阀主要由首联、工作联和尾联三部分组成，实际车辆使用中，工作联的数量是可以根据功能的需要增加的，如增加主臂伸缩功能联和转台回转功能联等。
实际车辆控制中，高空作业平台需要电控泵供油的主动作包括：主臂变幅、主臂伸缩、转台回转、平台调平、平台回转和曲臂变幅，本发明仅为说明电负载敏感系统的控制原理及其实现方法，液压原理简化后的主阀仅保留了主臂变幅联及主臂变幅动作执行油缸。
电控泵的入口连接油箱，出口连接主阀的P口；主阀的卸油T口接油箱，LS口及P口分别接两压力传感器，A1和B1口分别接变幅油缸上平衡阀的两个入口。本发明中，电控泵比例阀Y1电流增加，电控泵出口的压力逐渐增大，经过一段长管路压力损失后，P口的压力升高，此时三位七通比例电磁阀的主臂下变幅线圈Y2a或主臂上变幅线圈Y2b开启后，变幅油缸缩回或伸出，整车表现为主臂下变幅或上变幅。
为实现通过主臂变幅比例阀的流量不受负载变化影响，且随中主臂变幅比例阀线圈电流增大而近似比例增加，采用压差固定的比例型流量控制阀。主阀设计成薄刃型液阻，其流量压力特性满足如下公式：
Figure BDA0003309496780000041
ΔP＝PP-PL (2)
其中，Q-通过主臂变幅比例阀的流量，m3/s；
Cd-流量系数；
A-主臂变幅比例阀的通流面积，m2；
ΔP-液体流经主臂变幅比例阀产生的压差，Bar；
ρ-液体密度，kg/m3；
PP-主阀P口压力值，Bar；
PL-负载LS口反馈压力值，Bar；
公式(2)所示ΔP为主阀P口压力PP与负载反馈压力PL之差，公式(1)所示流量系数Cd、液体密度ρ为固定值，如果ΔP固定，为实现通过主臂变幅比例阀的流量不受负载变化影响，则主臂变幅比例阀的流量随主臂变幅比例阀通流面积A的近似比例增加。
如图3所示是电负载敏感控制示意图，主阀P口压力PP(t)与负载反馈压力PL(t)通过控制器实时进行信号采集工作，ΔPs为可设定的系统压差。e(t)＝(PP(t)-PL(t))-ΔPs，ΔPs为定值，负载反馈压力PL(t)随负载动态变化，控制目标是使偏差e(t)在每一程序周期都趋于0，此时需要实时调整主阀P口压力PP(t)。本发明的控制对象为电控泵比例阀Y1，当Y1电流值增加时，主阀P口压力PP(t)升高，当Y1电流值减小时，主阀P口压力PP(t)降低，在每个程序周期，为Y1提供多大的电流值最优，本发明引入了PID算法。
PID算法主要由比例环节、积分环节及微分环节组成，PID控制经典理论公式为：
Figure BDA0003309496780000051
若进行程序编程需变更为离散PID公式：
Δu(n)＝Kpe(n)+KI[e(n)+e(n-1)+...+e(0)]+KD[e(n)-e(n-1)](4)
PID算法中的比例系数Kp、积分系数KI及微分系数KD现场调试过程中获得。控制器根据PID算法周期性的采集PP(t)、PL(t)的大小，周期性的计算偏差e(t)，为使e(t)＝0，周期性的调整电控泵比例阀Y1的输出电流值，进而调整主阀P口压力PP(t)的变化。以达到主阀P口压力PP(t)跟随性好、系统压差ΔP精度高的理想效果。
如图4为电负载敏感控制方法流程图，系统压力设定值ΔPs、比例系数Kp、积分系数KI及微分系数KD为已知量，控制器采集主阀P口压力PP(t)与负载反馈压力PL(t)，计算偏差值e(t)＝(PP(t)-PL(t))-ΔPs，计算比例误差值ΔuP＝KPe(t)，计算积分误差值ΔuI＝KI[e(t)+e(t-1)+...+e(0)]，计算微分误差值ΔuD＝KD[e(t)-e(t-1)]，计算控制量Δu＝ΔuP+ΔuI+ΔuD，将Δu大小的误差电流值通过控制器的输出端口赋予被控对象电控泵比例阀Y1，使主阀P口压力进行周期变化，同时控制器准备进入下一周期的PID控制准备，将e(t-1)赋予e(t-2)，将e(t)赋予e(t-1)。
从公式(1)可知，本发明电控负载敏感系统可以同时调节比例阀开口以及调节压差两种方式实现调速，提高了主动作的速度调节范围。
本发明电控负载敏感系统在调节比例阀开口至最小值后，可进一步调节主阀P口与负载之间的压差，提升了主动作的微动性。
1)本发明提出的一种电负载敏感控制技术，采用两路压力传感器，一路接在负载反馈油路上，一路接在主阀的P口上。
2)本发明提出了一种电负载敏感控制技术，采用经典PID控制技术实现了主阀P口与负载之间压差的稳定。
3)本发明中，主阀P口与负载之间的压差可以通过程序设定，可实现系统中主阀P口与负载之间的动态压差控制，提高了主动作的速度调节范围，提升了主动作的微动性。
4)本发明的两路压力传感器分别接在主阀的P口及负载反馈油路上，阐述了主动作速度不受温度影响或影响很小的理论依据。
5)本发明中的电负载敏感控制方法不仅可以实现系统压差ΔP达到某一设定值的静态控制，而且可以实现系统压差ΔP随设定压差变化的动态控制，实际操作中，程序中仅需将本发明中的设定压差值修改为不同的有效值即可。
从公式(1)可知，动作速度主要由比例阀开口面积及比例阀前后压差ΔP决定的，比例阀开口面积可通过调节比例阀的电流值实现。通过本发明的PID控制算法可实现比例阀前后压差ΔP的稳定，温度对动作速度的影响理论上不存在或影响很小。
压力传感器YP1、压力传感器YP2、控制器、电控泵比例阀Y1、三位七通比例电磁阀、单向阀、溢流阀、电控泵、节流阀、单活塞杆缸和二位三通阀，在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电负载敏感系统，其特征在于，包括压力传感器YP1、压力传感器YP2、控制器和主臂变幅比例阀Y2，主臂变幅比例阀Y2包括控制主臂下变幅线圈Y2a及控制主臂上变幅线圈Y2b，
主臂变幅比例阀Y2是三位七通比例阀，中位是“Y”型机能，主臂变幅比例阀Y2的3油口、6油口和7油口中位时相连通，主臂变幅比例阀Y2的1油口连通主阀P口，主臂变幅比例阀Y2的3油口连通泄油T口，主臂变幅比例阀Y2的6油口连通主阀A1油口，7油口连通主阀B1油口，主阀A1油口连通平衡阀V1油口，主阀B1油口连通平衡阀V2油口；
泄油T口连通油箱，压力传感器YP1的压力敏感元件安装在主阀P口上，压力传感器YP2的压力敏感元件安装在负载LS口；压力传感器YP1、压力传感器YP2、控制主臂下变幅线圈Y2a及控制主臂上变幅线圈Y2b均电连接控制器。
2.根据权利要求1所述的一种电负载敏感系统，其特征在于，包括电控泵、若干个阻尼孔、单活塞杆缸、二位三通阀和电控泵比例阀Y1，电控泵吸油口连通油箱，电控泵出油口连通主阀P口，单活塞杆缸的活塞杆固定或转动连接电控泵的斜盘；
电控泵比例阀Y1的1油口通过阻尼孔连通二位三通阀的1油口，二位三通阀的1油口连通电控泵出油口；电控泵比例阀Y1的1油口与二位三通阀的2油口连通卸油口；二位三通阀的3油口通过阻尼孔连通单活塞杆缸的无杆腔，同时通过阻尼孔连通卸油口。
3.根据权利要求1所述的一种电负载敏感系统，其特征在于，包括三位三通阀和单向阀，三位三通阀的1油口连通负载LS口，三位三通阀的2油口通过单向阀连通主臂变幅比例阀Y2的2油口，三位三通阀的3油口连通主臂变幅比例阀Y2的4油口和主臂变幅比例阀Y2的5油口。
4.根据权利要求1所述的一种电负载敏感系统，其特征在于，包括溢流阀，主阀P口通过溢流阀连通泄油T口。
5.一种电负载敏感系统控制方法，其特征在于，
采用权利要求1-4所述的电负载敏感系统，执行方法：
主阀的流量压力特性为：
Figure FDA0003309496770000011
ΔP＝PP-PL(2)，
其中，Q是通过主臂变幅比例阀Y2的流量，Cd是流量系数，A是主臂变幅比例阀Y2的通流面积，ΔP是主阀P口压力与负载反馈压力之差，ρ是液体密度，PP是主阀P口压力值，PL是负载LS口反馈压力值；
流量系数Cd和液体密度ρ为固定值，设定ΔP，流量随主臂变幅比例阀Y2的通流面积A按照比例增加或减少；
偏差e(t)为：e(t)＝(PP(t)-PL(t))-ΔPs，
其中，主阀P口压力PP(t)与负载反馈LS口压力PL(t)，ΔPs为设定的系统压差；
当电控泵比例阀Y1电流增加时，主阀P口压力PP(t)升高；当电控泵比例阀Y1电流值减小时，主阀P口压力PP(t)降低；
电负载敏感系统PID控制的基础函数为：
Figure FDA0003309496770000021
其中，比例系数Kp、积分系数KI和微分系数KD为设定的值，控制器根据PID算法周期性采集PP(t)和PL(t)，周期性计算偏差e(t)；
设定ΔP，周期性调整电控泵比例阀Y1的电流值，进而调整主阀P口压力PP(t)，使e(t)＝0。
6.根据权利要求5所述的一种电负载敏感系统控制方法，其特征在于，电控泵比例阀Y1为电比例压力控制阀。
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