CN114909346A - 基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液压设备技术领域，公开了一种基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组及其控制方法，控制阀组包括液压系统和电控系统，液压系统包括每一个液压缸对应的四个流量控制阀以及相应辅助的压力补偿器，单向阀，安全阀，液压锁等，电控系统包括核心控制器，倾角传感器，磁致伸缩位移传感器，压力传感器，比例阀线圈放大器，泵车遥控器手柄以及泵车控制器，其中核心控制器的速度及压力闭环控制采用线性自抗扰控制(LADRC)算法。

Description

基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组及其 控制方法
技术领域
本发明涉及液压设备技术领域，尤其是涉及一种基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组及其控制方法。
背景技术
作为土木建筑工程主要施工作业设备的混凝土泵车，其臂架的运动控制目前基本都采用液压传动及控制技术。液压传动及控制技术成为促进混凝土泵车舒适、可靠、节能和智能化等主流方向不断发展的基础条件。根据不同的工作原理和控制方式可将液压系统分为阀控系统和泵控系统。阀控系统具有控制精度高和响应速度快等优点，但是能量损失大，以及系统容易发热，是其最大的缺点。
在泵车臂架液压系统中起到核心控制作用的是多路换向阀以及平衡阀，这套液压系统方案技术已经成熟，结构简单，价格也相对低廉，但存在一些问题。第一，由于多路方向阀距离油缸较远，臂架油缸响应滞后，操作反馈感较差，油缸动作落后于控制手柄信号0.5-1秒；第二，每个缸采用两个平衡阀导致管路的数量过多，增加了沿程压力损失以及系统复杂度，展开和回收能耗高发热量大；第三，在控制臂架移动过程中臂架油缸负载变化复杂，难以做到精确控制；第四，控制阀组结构较为复杂，故障率较高且维修难度大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于设计一套基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组及其控制方法，通过新颖的液压和电控系统，实现对泵车臂架高效平稳的控制，降低作业过程中的能源损耗，改善泵车臂架的操纵感，进而从多方面降低泵车的作业成本，解决背景技术中提到的问题。
本发明提供如下的技术方案：
基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组包括液压系统和电控系统；
液压系统包括安装在每一个臂架之间的液压缸附近的一对无杆腔控制阀组以及有杆腔控制阀组，其中，无杆腔控制阀组连接液压缸无杆腔，有杆腔控制阀组连接液压缸有杆腔；每个阀组中包含两个插装式比例流量阀，分别为控制进油的进油比例流量阀和控制回油的回油比例流量阀；每个阀组中包含一个安全阀，用以实现油缸的超压保护；每个阀组的两个比例流量阀的无输入中位机能为单向导通，进油比例流量阀的导通方向为从工作口到高压油管路，回油比例流量阀的导通方向为从回油管路到工作口，在回油比例流量阀流向回油管路处以及进油比例流量阀流向液压缸工作腔处分别安装一个单向阀，用以实现油缸在指定位置的锁止；在进油比例流量阀的前端安装流量补偿器，用以提高在高压差下流量控制的线性度水平；
电控系统包括核心控制器、双输出通道的比例阀线圈放大器、发出速度控制指令的控制器手柄、接受速度指令在CAN总线发布的泵车控制器、倾角传感器、磁致伸缩位移传感器以及压力传感器，核心控制器安装在每一个液压缸附近，核心控制器负责电信号的采集、液压缸速度闭环以及液压缸油腔压力闭环算法解算、以及CAN总线信号的收发；每个阀组中安装一个对应插装阀品牌的双输出通道的比例阀线圈放大器，接收由核心控制器发送的CAN总线指令，产生用以控制阀块中进油比例流量阀以及回油比例流量阀的阀芯行程的激励电流；速度控制指令由泵车遥控器手柄发出，遥控器手柄通过WiFi与泵车控制器通讯，泵车控制器通过CAN总线发布臂架运动速度指令；
每一个液压缸对应的两臂架末端安装一对倾角传感器，每对倾角传感器发送的电压信号由核心控制器解算后通过三角函数关系换算即可得到液压缸的位移；每一个液压缸上安装一套磁致伸缩位移传感器用于采集液压缸的位移信息，每个阀组中与液压缸连接的工作油口处设有压力传感器，压力传感器发送的电压信号由核心控制器接收。
优选的，在每一对阀组的工作口安装一对互锁的液控单向阀液压锁，用以实现油缸在指定位置的锁止功能的安全冗余。
本发明还提供了一种所述基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组的控制方法：
操作人员通过推动操纵杆由泵车遥控器手柄发出速度控制指令，遥控器手柄通过WiFi与泵车控制器通讯，泵车控制器通过CAN总线发布臂架运动速度指令至负载口独立阀组核心控制器，核心控制器基于收到的速度指令，结合经由倾角传感器和磁致伸缩位移传感器信号可以计算得到的液压缸实际速度信息做液压缸速度闭环控制，计算得到进油比例流量阀的控制输入量，同时基于内置的压力指令，结合压力传感器信号做液压缸油腔压力闭环控制，计算得到出油比例流量阀的控制输入量，将对应比例流量阀的控制输入量通过CAN总线发送给电圈放大器，由电圈放大器输出控制对应比例流量阀电磁铁的激励电流；
其中，液压缸速度闭环控制以及液压缸油腔压力闭环控制采用线性自抗扰控制(LADRC)算法，建立负载口独立阀控液压缸系统模型如下所示，
Figure BDA0003562627140000031
Figure BDA0003562627140000032
Figure BDA0003562627140000033
其中F为阀控缸驱动力，P1、P2为阀控缸无杆腔、有杆腔的压力，A1、A2为阀控缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积，y为液压缸活塞杆位移，m为液压缸活塞杆及其负载的等效质量，cp为液压缸活塞杆及其负载的等效质量阻尼系数, FL为阀控缸活塞杆外负载、未建模的摩擦阻力以及其他不确定的外部干扰力的总和，Cd为节流口流量系数，W1为进油节流口的面积梯度，W2为阀芯回油节流口的面积梯度；x1为第一个主阀芯位移，x2为第二个主阀芯位移；Ps为系统供油压力，Pr为系统回油压力，ρ为液压油密度，Cip为内泄露系数，V1和V2分别为液压缸进油腔和出油腔的容腔体积，βe为油液体积弹性模量。
优选的，速度闭环控制采用二阶LADRC算法，压力闭环控制采用一阶 LADRC算法。
优选的，二阶LADRC速度闭环控制算法公式如下所示，
ev＝rv-z1
Figure BDA0003562627140000041
uv0＝kpev-kdz2
Figure BDA0003562627140000042
其中ev为速度跟踪偏差，rv为液压缸目标速度值，z1为液压缸速度的观测值， z2为液压缸加速度的观测值，z3为扩张状态量观测值，b0为系统控制增益，β1、β2、β3为观测器参数，uv0为线性控制器输出值，uv为控制算法最终输出值。
优选的，一阶LADRC压力闭环控制算法公式如下所示，
ep＝rp-z1
Figure BDA0003562627140000043
up0＝kpep
Figure BDA0003562627140000044
其中rp为给定压力目标值，ep为压力跟踪偏差z1为液压缸容腔压力的观测值， z2为扩张状态量观测值，b0为系统控制增益，β1、β2为观测器参数，up0为线性控制器输出值，up为控制算法最终输出值。
由上述方案可知，本发明的有益效果如下：
第一，因为本发明采用了基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制液压系统，控制阀组紧邻液压油缸，克服了现有技术中由于多路方向阀距离油缸较远，臂架油缸响应滞后，操作反馈感较差，油缸动作落后于控制手柄信号的问题，提高了油缸的指令跟随速度；
第二，本发明明显减少了液压管路数量，克服了现有技术中每个缸采用两个平衡阀导致管路的数量过多，增加了沿程压力损失以及系统复杂度，展开和回收能耗高发热量大的问题，降低了沿程压力损失以及系统复杂度，减少了系统热损耗；
第三，本发明增强了闭环算法对外界干扰的鲁棒性，克服了现有技术中在控制臂架移动过程中由于臂架油缸负载变化复杂，难以做到精确控制的问题，提升了控制的精确度；
第四，本发明精简了臂架液压控制系统的结构克服了现有技术中控制阀组结构较为复杂，故障率较高且维修难度大的问题，提升了系统的可靠性。
附图说明
图1是负载口独立控制阀组的液压原理图，1为液压缸，2-1,2-2为压力传感器，3-1,3-2为安全阀,4-1,4-2为液压锁，5-1,5-2,5-3,5-4为单向阀， 6-1,6-2,6-3,6-4为比例流量控制阀，7-1,7-2为压力补偿器；
图2是负载口独立控制阀组的电控系统示意图；
图3是分布式泵车臂架液压系统结构示意图；
图4是基于二阶LADRC的速度闭环控制算法示意图；
图5是基于一阶LADRC的压力闭环控制算法示意图；
图6是负载口独立控制阀组及其控制方法控制算法仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明，本实施例不应看作是对本发明的限定。
如图1所示，负载口独立控制阀组中包含控制进油的进油比例流量阀和控制回油的回油比例流量阀以及其他功能性辅助阀，在液压缸伸出时，连接液压泵的高压油管中的液压油经过压力补偿器7-1进入比例流量阀6-2，两者共同作用调节通过的液压油流量，进而控制液压缸的速度，最终使液压油按照一定的流量流入液压缸1的无杆腔，此时进油油路的压力作用于液控单向阀4-2使其打开，因此有杆腔中的油液受到挤压流出，经过比例流量阀6-4以及单向阀5-4流向回油管路；在液压缸缩回时，连接液压泵的高压油管中的液压油经过压力补偿器7-2 进入比例流量阀6-3，两者共同作用调节通过的液压油流量，进而控制液压缸的速度，最终使液压油按照一定的流量流入液压缸1的有杆腔，此时进油油路的压力作用于液控单向阀4-1使其打开，因此有杆腔中的油液受到挤压流出，经过比例流量阀6-1以及单向阀5-3流向回油管路；在液压缸固定时，液控单向阀4-1 和4-2形成液压锁，防止液压缸内的液压油向外泄露，单向阀5-3和5-4防止回油管路的液压油进入阀组，静止机能为单向导通的比例流量阀6-2和6-3防止高压油管的液压油进入阀组。
如图2所示，操作人员通过推动操纵杆由泵车遥控器手柄发出速度控制指令，遥控器手柄通过WiFi与泵车控制器通讯，泵车控制器通过CAN总线发布臂架运动速度指令至负载口独立阀组核心控制器，核心控制器基于收到的速度指令，结合经由倾角传感器和磁致伸缩位移传感器信号可以计算得到的液压缸实际速度信息，计算得到进油比例流量阀的控制输入量，同时基于内置的压力指令，结合压力传感器信号，计算得到出油比例流量阀的控制输入量，将对应比例流量阀的控制输入量通过CAN总线发送给电圈放大器，由电圈放大器输出控制对应比例流量阀电磁铁的激励电流。
如图3所示，如果将本发明中设计的基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组应用于三臂混凝土泵车，则在每一个臂架油缸处安装一对无杆腔控制阀组以及有杆腔控制阀组，当臂架数量增加时同理以此类推。
如图4所示，液压缸速度闭环控制采用二阶LADRC算法，算法分为三部分，其中PD控制组合公式如下所示，基于给定的速度目标值rv以及观测器输出值z1、 z2，计算出速度差值ev控制中间值uv0；
ev＝rv-z1
uv0＝kpev-kdz2
其中状态扩张观测器公式如下所示，基于控制器输出值uv和系统速度差值e 计算出速度观测值z1，加速度观测值z2以及扩张状态观测量z3；
Figure BDA0003562627140000061
其中控制量整合部分公式如下所示，基于控制中间值uv0和扩张状态观测量 z3计算出最终控制输出值uv；
Figure BDA0003562627140000062
其b0、kp、kd、β1、β2、β3为控制器参数；
如图5所示，液压缸压力闭环控制采用一阶LADRC算法，算法分为三部分，其中PD控制组合公式如下所示，基于给定的压力目标值rp以及观测器输出值z1，计算出压力差值ep和控制中间值up0；
ep＝rp-z1
up0＝kpep
其中状态扩张观测器公式如下所示，基于控制器输出值up和系统速度差值 ep计算出压力观测值z1，以及扩张状态观测量z2；
Figure BDA0003562627140000071
其中控制量整合部分公式如下所示，基于控制中间值up0和扩张状态观测量 z2计算出最终控制输出值up；
Figure BDA0003562627140000072
其b0、kp、β1、β2为控制器参数。
基于AMESim与Simulink联合仿真的结果显示，本发明所述的负载口独立控制阀组及其控制方法可以同时实现液压缸速度和背压的同时稳定控制，控制效果如图6所示。其中左图为同时进行固定出口压力控制和进口流量阶跃控制，右图为同时进行固定进口流量控制和出口压力阶跃控制。

Claims (6)

1.一种基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组，其特征在于，包括液压系统和电控系统；
液压系统包括安装在每一个臂架之间的液压缸附近的一对无杆腔控制阀组以及有杆腔控制阀组，其中，无杆腔控制阀组连接液压缸无杆腔，有杆腔控制阀组连接液压缸有杆腔；每个阀组中包含两个插装式比例流量阀，分别为控制进油的进油比例流量阀和控制回油的回油比例流量阀；每个阀组中包含一个安全阀，用以实现油缸的超压保护；每个阀组的两个比例流量阀的无输入中位机能为单向导通，进油比例流量阀的导通方向为从工作口到高压油管路，回油比例流量阀的导通方向为从回油管路到工作口，在回油比例流量阀流向回油管路处以及进油比例流量阀流向液压缸工作腔处分别安装一个单向阀，用以实现油缸在指定位置的锁止；在进油比例流量阀的前端安装流量补偿器，用以提高在高压差下流量控制的线性度水平；
电控系统包括核心控制器、双输出通道的比例阀线圈放大器、发出速度控制指令的控制器手柄、接受速度指令在CAN总线发布的泵车控制器、倾角传感器、磁致伸缩位移传感器以及压力传感器，核心控制器安装在每一个液压缸附近，核心控制器负责电信号的采集、液压缸速度闭环以及液压缸油腔压力闭环算法解算、以及CAN总线信号的收发；每个阀组中安装一个对应插装阀品牌的双输出通道的比例阀线圈放大器，接收由核心控制器发送的CAN总线指令，产生用以控制阀块中进油比例流量阀以及回油比例流量阀的阀芯行程的激励电流；速度控制指令由泵车遥控器手柄发出，遥控器手柄通过WiFi与泵车控制器通讯，泵车控制器通过CAN总线发布臂架运动速度指令；
每一个液压缸对应的两臂架末端安装一对倾角传感器，每对倾角传感器发送的电压信号由核心控制器解算后通过三角函数关系换算即可得到液压缸的位移；每一个液压缸上安装一套磁致伸缩位移传感器用于采集液压缸的位移信息，每个阀组中与液压缸连接的工作油口处设有压力传感器，压力传感器发送的电压信号由核心控制器接收。
2.根据权利要求1所述的基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组，其特征在于，在每一对阀组的工作口安装一对互锁的液控单向阀液压锁，用以实现油缸在指定位置的锁止功能的安全冗余。
3.一种权利要求1所述基于分布式结构的混凝土泵车臂架负载口独立控制阀组的控制方法，其特征在于：
操作人员通过推动操纵杆由泵车遥控器手柄发出速度控制指令，遥控器手柄通过WiFi与泵车控制器通讯，泵车控制器通过CAN总线发布臂架运动速度指令至负载口独立阀组核心控制器，核心控制器基于收到的速度指令，结合经由倾角传感器和磁致伸缩位移传感器信号可以计算得到的液压缸实际速度信息做液压缸速度闭环控制，计算得到进油比例流量阀的控制输入量，同时基于内置的压力指令，结合压力传感器信号做液压缸油腔压力闭环控制，计算得到出油比例流量阀的控制输入量，将对应比例流量阀的控制输入量通过CAN总线发送给电圈放大器，由电圈放大器输出控制对应比例流量阀电磁铁的激励电流；
其中，液压缸速度闭环控制以及液压缸油腔压力闭环控制采用线性自抗扰控制(LADRC)算法，建立负载口独立阀控液压缸系统模型如下所示，
Figure RE-FDA0003721636850000021
Figure RE-FDA0003721636850000022
Figure RE-FDA0003721636850000023
其中F为阀控缸驱动力，P1、P2为阀控缸无杆腔、有杆腔的压力，A1、A2为阀控缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积，y为液压缸活塞杆位移，m为液压缸活塞杆及其负载的等效质量，cp为液压缸活塞杆及其负载的等效质量阻尼系数,FL为阀控缸活塞杆外负载、未建模的摩擦阻力以及其他不确定的外部干扰力的总和，Cd为节流口流量系数，W1为进油节流口的面积梯度，W2为阀芯回油节流口的面积梯度；x1为第一个主阀芯位移，x2为第二个主阀芯位移；Ps为系统供油压力，Pr为系统回油压力，ρ为液压油密度，Cip为内泄露系数，V1和V2分别为液压缸进油腔和出油腔的容腔体积，βe为油液体积弹性模量。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，速度闭环控制采用二阶LADRC算法，压力闭环控制采用一阶LADRC算法。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，二阶LADRC速度闭环控制算法公式如下所示，
ev＝rv-z1
Figure RE-FDA0003721636850000031
uv0＝kpev-kdz2
Figure RE-FDA0003721636850000032
其中ev为速度跟踪偏差，rv为液压缸目标速度值，z1为液压缸速度的观测值，z2为液压缸加速度的观测值，z3为扩张状态量观测值，b0为系统控制增益，β1、β2、β3为观测器参数，uv0为线性控制器输出值，uv为控制算法最终输出值。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，一阶LADRC压力闭环控制算法公式如下所示，
ep＝rp-z1
Figure RE-FDA0003721636850000033
up0＝kpep
Figure RE-FDA0003721636850000034
其中rp为给定压力目标值，ep为压力跟踪偏差z1为液压缸容腔压力的观测值，z2为扩张状态量观测值，b0为系统控制增益，β1、β2为观测器参数，up0为线性控制器输出值，up为控制算法最终输出值。
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