CN114087149B - 一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制方法，属于智能液压元件领域。柱塞泵变量控制回路包括变量活塞、回位活塞、回位弹簧、变量控制比例方向阀、回位控制比例方向阀、多模式切换控制器、压力传感器、斜盘摆角传感器等部分，其中变量控制比例方向阀和回位控制比例方向阀分别用来调节变量活塞腔和回位活塞腔的进油量，进而调节柱塞泵斜盘摆角。多模式切换控制器包括流量前馈、压差反馈、功率和压力四种控制模式，且根据不同需求设计了不同控制模式间的双向与单向切换规则。该变量控制回路及多模式控制方法可保证了系统在不同工况需求下的模式切换稳定性与响应快速性，适用于工程机械、农业机械等领域。

Description

一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制 方法
技术领域
发明属于液压动力装置技术领域，具体涉及一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制方法，可广泛应用于对柱塞泵有压力/流量/功率等多种控制需求、且对稳定性和响应性有较高要求的工程机械及相关装备。
背景技术
在工程机械、农业机械等相关领域，针对不同的工作状况下，其液压系统变量泵常常需要切换至不同的工作模式(例如功率限制、负载敏感、压力切断等)，这对于不同模式切换下系统稳定性和快速性提出了很高的要求。目前，传统工程机械液压机液反馈式变量泵通过负载敏感控制阀、恒功率控制阀、压力切断控制阀等来实现相应功能；每增加一项控制功能，就需增加相应的机液控制回路，其回路结构复杂且功能有限，且不能保证系统不同模式切换时的稳定性和快速性。此外，现有产品通过在电液比例控制泵中集成多模式切换算法，仅考虑通过比例泵及其控制方法实现系统流量输出、功率限制等功能，但对不同模式切换规则，则不能保证系统的稳定性以及动态特性。
随着对液压控制回路变量柱塞泵要求的提高，对于采用单个比例方向阀控制柱塞泵的变量活塞腔和回位活塞腔，其系统在不同工况下其流量控制精确性、稳定性以及响应速度低，而且其很难适应复杂工况的控制算法以及完成平滑的多控制模式切换。此外，若液压系统元件多且控制复杂，那么更易导致执行器误动作甚至意外事故。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制方法，旨在解决工程机械柱塞泵在不同模式切换时的稳定性和不同排量工况下的响应性，提高系统动态控制性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制方法，柱塞泵变量控制回路由摆角传感器、多模式切换控制器、压力传感器、控制手柄、变量控制比例方向阀、回位控制比例方向阀、变量活塞、回位活塞、回位弹簧等组成。
进一步，电机与柱塞泵相连，柱塞泵与变量活塞和回位活塞相连，变量活塞与变量控制比例方向阀相连，回位活塞与回位控制比例方向阀相连；柱塞泵还与摆角传感器相连，柱塞泵出口侧与压力传感器相连；控制手柄、泵出口的压力传感器、用于测量最大负载压力的压力传感器以及泵斜盘摆角传感器的输出信号作用于多模式切换控制器，作为多模式切换控制器的信号输入。
进一步，对柱塞泵的变量活塞腔和回位活塞腔进行独立控制：多模式切换控制器的输出信号端与变量控制比例方向阀以及回位控制比例方向阀的信号输入端相连，与回位活塞相连的回位控制比例方向阀采用开环控制，其控制信号根据期望斜盘摆角，按照事先测试的控制曲线查表插值确定，与变量活塞相连的变量控制比例方向阀采用闭环控制，其目标是控制泵斜盘摆角为期望值。当工况变化时，多模式切换控制器的输出信号控制变量控制比例方向阀和回位控制比例方向阀的阀口开度，一个比例方向阀的阀口开度增大，压力上升，另一个比例方向阀的阀口开度减小，压力卸载，进而控制变量活塞和回位活塞的行程，从而控制柱塞泵的斜盘角度，提高柱塞泵的响应速度。
本发明还提供一种面向工程机械作业工况的流量/压力/功率/压差多模式切换控制方法，多模式切换由流量前馈控制、压差反馈控制、功率控制以及压力控制4种控制模式组成。所述流量前馈控制模式是满足液压执行器的流量要求。所述压差反馈控制模式是将压力裕度(泵出口压力与最高负载压力之差)保持为预设值。所述功率控制模式是当系统功率大于某设定值时，对泵排量进行调节使系统功率不超过设定值，以限制系统输出功率，从而一方面充分利用发动机功率，另一方面避免发动机超载引起熄火等问题。所述压力控制模式：第一，当载荷过大时，多模式控制器触发以限制系统压力，防止过高的系统压力对液压泵和控制阀产生不利影响；第二，当系统处于流量前馈或压差反馈模式时，若油缸执行器到达末端位置，系统压力持续上升直至达到系统溢流压力，此时通过压力控制模式调节泵的输出流量可减少系统的流量损失。
进一步，四种控制模式分别设计如下：
1)流量前馈控制模式设计为：
其中，upf为流量前馈控制模式的输出信号，Cd为流量系数，uvi为各执行器流量控制阀的阀口信号，Δpnom为公称压力，ρ为油液密度，np为泵转速，kpp为排量增益。因为从另一种模式切换到流量前馈模式时存在信号差异，因此加入一阶惯性部分以避免信号跳变，表示为
其中，up为泵控制信号，τp为时间常量。
2)压差反馈控制模式设计为：
由增量式比例-积分-微分(PID)控制器来控制压力裕度，可表示为
其中，upl为压差反馈控制模式的输出信号，tq为切换到压差反馈模式的初始时刻，upl(tq)为切换到压差反馈模式时多模式切换控制器的输出信号，klp、kli、kld为PID参数，epr为压力裕度误差，表示为
epr(t)＝pdm-ppm(t)＝pdm-[pp(t)-plm(t)] (4)
其中，pdm为预设压力裕度，ppm为实际压力裕度，pp为系统压力，plm为最高负载压力，表示为
plm(t)＝max[pl1,...,pli,...,pln] (i＝1,…,n) (5)
其中，pli为各负载压力。
3)功率控制模式设计为：
在功率限定值Pn下，导出的泵流量qp可表示为qp＝Pn/pp，将功率控制器设计为
其中，upp为功率控制模式的输出信号，uvlc为基于动态压力反馈以实现主动阻尼控制的补偿器输出信号，Gp为识别的泵模型。uvlc的拉普拉斯形式为
其中，s为拉普拉斯算子，kcp、ωcp分别是补偿器的控制增益和截止频率。泵动力学建模为一阶环节，由下式给出：
其中，τc为时间常数，Vp为泵排量。
4)压力控制模式设计为：
采用增量PID设计，从而避免切换到压力控制模式时出现信号跳变。此外，为了避免在流量前馈模式或压差反馈模式下由压力冲击引起的误激活，增量控制被定义为在供应流量不过多时激活(plm(t)≤pdm)。
其中，upr为压力控制模式的输出信号，krp、kri、krd是PID参数，函数φ(t)定义为
压力误差epc定义为
epc(t)＝pdc-pp(t) (11)
其中，pdc是期望的系统压力。压力控制模式的初始值定义为切换到压力控制模式时多模式切换控制器的输出。由于压力控制模式在实际应用中对动态性要求不高，可以选择较小的控制增益来减少压力超调和振荡。为了避免压力控制模式下功率超过限制值，压力控制模式设置了一个输出上限，表示为upr＝Pp/npkpppdc。
进一步，上述多模式切换方向分为双向和单向。其中，可以实现双向切换的控制方式为：流量前馈与压力控制模式切换，流量前馈与压差反馈控制模式切换，流量前馈与功率控制模式切换；可以实现单向切换的控制方式为：功率控制模式切换至压力控制模式，压差反馈控制模式切换至功率控制模式，压差反馈控制模式切换至压力控制模式。
进一步，上述多模式切换的切换规则设计为：
1)流量前馈与压力控制模式切换：
其中，pdc为切换至压力控制模式的触发压力上限，pdb为从压力控制模式切换到其它控制模式的触发压力下限。
2)流量前馈与压差反馈控制模式切换：
3)流量前馈与功率控制模式切换：
4)功率控制模式切换至压力控制模式：
up(t)＝upr(t),pp(t)≥pdc (15)
5)压差反馈控制模式切换至功率控制模式：
up(t)＝upp(t),pp(t)＜pdc&upl(t)≥upp(t) (16)
6)压差反馈控制模式切换至压力控制模式：
up(t)＝upr(t),pp(t)≥pdc (17)
进一步，所述四种控制模式切换的优先级从高到低分别为：压力控制模式，功率控制模式，压差反馈控制模式，流量前馈模式。压力控制模式具有最高的优先级。无论系统处于何种工况模式，一旦系统压力满足切换条件，系统下一个采样时刻即切换进入压力控制模式，例如由流量前馈、压差反馈或功率控制模式切换至压力控制模式。功率控制模式具有第二高的优先级，当系统压力条件不满足切换至压力控制模式，且压差反馈控制模式或流量前馈控制模式输出大于功率控制模式输出时，系统切换进入功率控制模式，从而将系统功率控制在设定点范围内。当系统不满足压力控制或功率控制模式的切换条件时，若系统处在流量前馈控制模式且压差反馈控制器输出小于流量前馈控制器输出时，则系统切换至压差反馈模式；若系统处于压差反馈模式且压差反馈控制器输出大于流量前馈控制器输出时，则系统切换至流量前馈模式。在功率控制模式运行过程中，如果功率控制器输出大于流量前馈控制器的输出，则系统切换进入流量前馈控制模式。当系统处在压力控制模式运行过程中，若系统压力小于压力控制器的预设下限，则系统切换进入流量前馈控制模式。
进一步，在工况变化情况下，基于双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路的多模式切换控制器的工作状态的具体切换过程如下所述。
当前多模式切换控制器处于流量前馈控制状态下：
1)如果系统压力超过压力控制器切换上限，则系统切换至压力控制模式。
2)如果系统压力不超过压力控制器切换上限但功率控制器的输出小于流量前馈控制器输出，则系统切换至功率控制模式。
3)如果压差反馈控制器输出小于流量前馈控制器输出、系统压力不超过压力控制器切换上限且功率控制器的输出大于流量前馈控制器输出，则系统切换至压差反馈控制模式。
当前多模式切换控制器处于压差反馈控制状态下：
1)如果系统压力超过压力控制器切换上限，则系统切换至压力控制模式。
2)如果系统压力不超过压力控制器切换上限且功率控制器的输出小于压差反馈控制器输出，则系统切换至功率控制模式。
3)如果压差反馈控制器输出大于流量前馈控制器输出、且系统压力不超过压力控制器切换上限且功率控制器的输出小于压差反馈控制器输出，则系统切换至流量前馈控制模式。
当前多模式切换控制器处于功率控制状态下：
1)如果系统压力超过压力控制器切换上限，则系统切换至压力控制模式。
2)如果系统压力不超过压力控制器切换上限但功率控制器的输出大于流量前馈控制器的输出，则系统切换至流量前馈控制模式。
当前多模式切换控制器处于压力控制状态下：
1)系统处在压力控制模式下，因为压力控制模式只能实现单向切换，即从压力控制模式切换至流量前馈控制模式，所以如果此时因负载变化使系统压力低于压力控制模式的切换下限，则系统切换至流量前馈控制模式。
进一步，四种控制模式的输出信号在多模式切换规则控制下，多模式电子负载敏感控制器的输出信号up，即泵的控制信号可以表示为
up＝f(upf,upl,upp,upr) (18)
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路。
图2为本发明一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制方法的实施示意图。
图3为本发明多模式切换规则方向图。
附图标记：图1及图2：1为柱塞泵，2为油箱，3为摆角传感器，4为电机，5为多模式切换控制器，6-1为泵出口的压力传感器，6-2为测量最大负载压力的压力传感器，7为控制手柄，8-1为变量控制比例方向阀，8-2为回位控制比例方向阀，9为变量活塞，10为回位活塞，11为回位弹簧，12-1为液压执行器，12-2为液压执行器，13为梭阀，14-1为流量控制阀，14-2为流量控制阀，15-1为压力补偿阀，15-2为压力补偿阀。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
请参阅图2所示，本实施例涉及的一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路及多模式切换控制方法。一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路包括1为柱塞泵，2为油箱，3为泵斜盘摆角传感器，4为电机，5为多模式切换控制器，6-1为泵出口的压力传感器，6-2为测量最大负载压力的压力传感器，7为控制手柄，8-1为与变量活塞相连的比例方向阀，8-2为与回位活塞相连的比例方向阀，9为变量活塞，10为回位活塞，11为回位弹簧，12-1为液压执行器，12-2为液压执行器，13为梭阀，14-1为流量控制阀，14-2为流量控制阀，15-1为压力补偿阀，15-2为压力补偿阀。
电机4与柱塞泵1相连，柱塞泵1与变量活塞9和回位活塞10相连，变量活塞9与比例方向阀8-1相连，回位活塞10与比例方向阀8-2相连；变量泵1还与泵斜盘摆角传感器3相连，变量泵3出口侧与压力传感器6-1以及压力补偿阀15-1、压力补偿阀15-2的一侧相连；压力补偿阀15-1的另一侧与流量控制阀14-1的一侧相连，流量控制阀14-1的另一侧与梭阀13及液压执行器12-1相连；压力补偿阀15-2的另一侧与流量控制阀14-2的一侧相连，流量控制阀14-2的另一侧与梭阀13及液压执行器12-2相连；梭阀13与压力传感器6-2相连。控制手柄7的输出信号作用于流量控制阀14-1和流量控制阀14-2的信号输入端；泵斜盘摆角传感器3、压力传感器6-1、压力传感器6-2以及控制手柄7的输出信号与多模式切换控制器5相连，作为多模式切换控制器的信号输入；多模式切换控制器的输出信号端与比例方向阀8-1以及比例方向阀8-2的信号输入端相连。
请参阅图2所示，本实施例具体操作过程如下：
在双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路中，电机转动带动柱塞泵工作，柱塞泵向液压回路供油，油液流经压力补偿阀15-1、压力补偿阀15-2(其中，压力补偿阀起到压力补偿作用)，流量控制阀14-1、流量控制阀14-2，最后达到液压执行器12-1、液压执行器12-2，两个液压执行器开始工作。其中，泵斜盘摆角传感器的输出信号输入到多模式切换控制器中；泵出口压力经压力传感器6-1传送到多模式切换控制器；压力传感器6-2从梭阀处采集到两液压执行器的负载压力较大值，并将此信号输入到多模式切换控制器处；控制手柄输出信号一路施加到两个流量控制阀上，一路输入到多模式切换控制器处。因此，多模式切换控制器的输入信号由两个压力传感器、控制手柄和摆角传感器的信号组成，多模式切换控制器的输出控制信号施加到方向比例阀8-1和方向比例阀8-2上。进而，多模式切换控制器的输出信号实现双腔独立控制的柱塞泵变量控制：与回位活塞相连的比例方向阀8-2采用开环控制，其控制信号根据期望斜盘摆角，按照事先测试的控制曲线查表插值确定，与变量活塞相连的比例方向阀8-1采用闭环控制，其目标是控制泵斜盘摆角为期望值，从而控制柱塞泵的流量输出值，最终形成完整的闭环控制。
在控制手柄信号、外界负载变化的变化情况下，多模式切换控制器的输入信号(两个压力传感器、控制手柄和摆角传感器的信号)都会发生变化，多模式切换传感器根据输入信号的变化以及多模式切换规则输出控制信号，控制信号施加到两个比例方向阀上，进而控制变量活塞与回位活塞，从而控制柱塞泵的输出流量变化以保证液压回路工作平稳。
请参阅图3所示，其中双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路的多模式切换控制器的控制模式模式切换的具体过程如下。
1)当前多模式切换控制器处于流量前馈控制状态下：
如果系统压力超过压力控制器切换上限，则系统切换至压力控制模式(规则6)。如果系统压力不超过压力控制器切换上限但功率控制器的输出小于流量前馈控制器输出，则系统切换至功率控制模式(规则3)。如果压差反馈控制器输出小于流量前馈控制器输出、系统压力不超过压力控制器切换上限且功率控制器的输出大于流量前馈控制器输出，则系统切换至压差反馈控制模式(规则1)。
2)当前多模式切换控制器处于压差反馈控制状态下：
如果系统压力超过压力控制器切换上限，则系统切换至压力控制模式(规则8)。如果系统压力不超过压力控制器切换上限且功率控制器的输出小于压差反馈控制器输出，则系统切换至功率控制模式(规则7)。如果压差反馈控制器输出大于流量前馈控制器输出、且系统压力不超过压力控制器切换上限且功率控制器的输出小于压差反馈控制器输出，则系统切换至流量前馈控制模式(规则2)。
3)当前多模式切换控制器处于功率控制状态下：
如果系统压力超过压力控制器切换上限，则系统切换至压力控制模式(规则9)。如果系统压力不超过压力控制器切换上限但功率控制器的输出大于流量前馈控制器的输出，则系统切换至流量前馈控制模式(规则4)。
4)当前多模式切换控制器处于压力控制状态下：
系统处在压力控制模式下，因为压力控制模式只能实现单向切换，即从压力控制模式切换至流量前馈控制模式，所以如果此时因负载变化使系统压力低于压力控制模式的切换下限，则系统切换至流量前馈控制模式(规则5)。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。

Claims (3)

1.一种双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路，其特征在于，分别采用一个二位三通方向阀来控制柱塞泵的变量活塞腔和回位活塞腔，可实现压力、压差、流量、功率的多模式切换控制功能，适用于工程机械、农业机械场合的液压容积节流调速系统；所述双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路由摆角传感器(3)，多模式切换控制器(5)，压力传感器(6-1)、压力传感器(6-2)，控制手柄(7)组成；其中，电机(4)与柱塞泵(1)相连，柱塞泵与油箱(2)、变量活塞(9)和回位活塞(10)相连，回位活塞（10）内包含回位弹簧(11)，变量活塞（9）与变量控制比例方向阀(8-1)相连，回位活塞（10）与回位控制比例方向阀(8-2)相连；柱塞泵还与泵斜盘摆角传感器（3）相连，柱塞泵（1）出口侧与压力传感器(6-1)一侧相连；所述控制手柄（7）、压力传感器(6-1)、压力传感器(6-2)以及泵斜盘摆角传感器（3）的输出信号作用于多模式切换控制器，作为多模式切换控制器的信号输入；所述柱塞泵（1）为基于双腔独立控制的原理调节：多模式切换控制器的输出信号端与变量控制比例方向阀（8-1）以及回位控制比例方向阀（8-2）的信号输入端相连；所述回位控制比例方向阀（8-2）采用开环控制，其控制信号根据期望斜盘摆角，按照事先测试的控制曲线查表插值确定，变量控制比例方向阀（8-1）采用闭环控制，其目标是控制泵斜盘摆角为期望值；当工况变化时，多模式切换控制器的输出信号控制两个比例方向阀的阀口开度，一个比例方向阀的阀口开度增大，压力上升，另一个比例方向阀的阀口开度减小，压力卸载，进而控制变量活塞和回位活塞的行程，从而控制柱塞泵的斜盘角度，提高柱塞泵的响应速度。
2.根据权利要求1所述的双腔独立控制的柱塞泵变量控制回路的多模式切换控制方法，其特征在于，所述多模式由流量前馈控制、压差反馈控制、功率控制以及压力控制4种控制模式组成；所述流量前馈控制模式是满足液压执行器的流量要求；所述压差反馈控制模式是将压力裕度即泵出口压力与最高负载压力之差保持为预设值；所述功率控制模式是当系统功率大于某设定值时，对泵排量进行调节使系统功率不超过设定值，以限制系统输出功率；所述压力控制模式是当系统压力达到最高压力设定值时，将泵的出口压力保持在一定值；所述模式切换方向分为双向和单向，其中，可以实现双向切换的控制方式为：流量前馈与压力控制模式切换，流量前馈与压差反馈控制模式切换，流量前馈与功率控制模式切换；可以实现单向切换的控制方式为：功率控制模式切换至压力控制模式，压差反馈控制模式切换至功率控制模式，压差反馈控制模式切换至压力控制模式；此外，所述四种控制模式切换的优先级从高到低分别为，压力控制模式、功率控制模式、压差反馈控制模式、流量前馈模式。
3.根据权利要求2所述的多模式切换控制方法，其特征在于，所述优先级包括：所述多模式切换控制器若当前处于流量前馈控制模式，在满足切换条件的前提下，优先切换至压力控制模式，其次是功率控制模式，再次是压差反馈控制模式；如果多模式切换控制器当前处于压差反馈控制模式，在满足切换条件的前提下，优先切换至压力控制模式，其次是功率控制模式，再次是流量前馈控制模式；如果多模式切换控制器当前处于功率控制模式，在满足切换条件的前提下，优先切换至压力控制模式，其次是流量前馈控制模式；如果多模式切换控制器当前处于压力控制模式，在满足切换条件的前提下，只能切换至流量前馈控制模式。
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