CN115077632A - 一种提高涡轮流量计响应速度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高涡轮流量计动态响应的方法及装置，通过动态补偿算法提升涡轮流量计动态响应，提升涡轮流量计的流量测量性能。方法包括以下步骤：获取涡轮流量计出口、进口的压力信号、涡轮流量计的温度信号以及流量计信号；根据涡轮流量计出口的压力信号和涡轮流量计进口的压力信号，计算压差信号；将当前时刻的压差信号和当前时刻的温度信号输入流量函数模型，得到当前时刻的输出流量；将前一时刻的压差信号和前一时刻的温度信号输入流量函数模型，得到前一时刻的输出流量；获取前一时刻补偿后的最终流量；根据前一时刻补偿后的最终流量、当前时刻的流量计信号、当前时刻的输出流量和前一时刻的输出流量，计算当前时刻补偿后的输出流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高涡轮流量计响应速度的方法及装置，属于液压系统技术领域。
背景技术
由于液压挖掘机液压系统工作条件非常恶劣，液压流量的测量主要采用涡轮流量计，但涡轮流量计也存在压损大、动态响应慢等固有问题。
目前涡轮流量计广泛应用于液体流量的测量领域，涡轮流量计依靠内部涡轮的转速来表征流量的大小，由于涡轮的惯性和摩擦力影响导致涡轮流量计的动态响应较慢，无法应用于流量快速变化的场景，制约了涡轮流量计的应用范围。
液压油路瞬态流量的准确测量对液压系统的设计至关重要，现有涡轮流量计存在响应速度慢的问题，通常响应频率不高于15Hz，难以满足破碎、剥离作业时对瞬态流量测量的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种提高涡轮流量计动态响应的方法及装置，通过动态补偿算法提升涡轮流量计动态响应的方法，主要用于提升涡轮流量计的流量测量性能。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种提高涡轮流量计动态响应的方法，包括以下步骤：
获取涡轮流量计出口的压力信号、涡轮流量计进口的压力信号、涡轮流量计的温度信号以及涡轮流量计的流量计信号；
根据涡轮流量计出口的压力信号和涡轮流量计进口的压力信号，计算压差信号；其中，压差信号为涡轮流量计进口的压力信号和涡轮流量计出口的压力信号的差；
将当前时刻的压差信号和当前时刻的温度信号输入流量函数模型，得到当前时刻的输出流量；
将前一时刻的压差信号和前一时刻的温度信号输入流量函数模型，得到前一时刻的输出流量；
获取前一时刻补偿后的最终流量；
根据前一时刻补偿后的最终流量、当前时刻的流量计信号、当前时刻的输出流量和前一时刻的输出流量，计算当前时刻补偿后的输出流量。
进一步的，根据流量计信号Qti、当前时刻流量函数模型输出流量Qsi和前一时刻流量函数模型输出流量Qsi-1计算最终补偿后的流量的方法包括：
根据下式计算流量函数模型得到的流量变化量：
dQi＝Qsi-Qsi-1 (1)
根据下式计算最终补偿后的流量：
Qi＝k*Qti+(1-k)*(Qi-1+dQi) (2)
式中：
Qti——当前时刻的涡轮流量计流量(L/min)
Qsi——当前时刻的输出流量(L/min)
Qsi-1——前一时刻的输出流量(L/min)
dQi——当前时刻的补偿流量(L/min)
Qi——当前时刻补偿后的最终流量(L/min)
Qi-1——前一时刻补偿后的最终流量(L/min)
k——补偿系数(0≤k≤1)。
进一步的，所述方法还包括：通过调节补偿系数，从而调节补偿量，进而调节系统响应频率。
进一步的，所述流量函数模型的输入为压差信号和温度信号，输出为流量函数模型输出流量；
所述流量函数模型的获取方法包括：
获取温度、压差和流量数据集；所述温度、压差和流量数据集包括各温度、压差下的流量数据；
利用所述温度、压差和流量数据集，通过数据拟合或者回归算法得到流量函数模型，该流量函数模型用来计算在某个温度及压差下对应的理论流量。
进一步的，通过数据拟合或者回归算法得到流量函数模型的方法包括：
通过数据软件进行数据拟合或者回归运算，生成流量函数模型。所述数学软件包括MATLAB。
进一步的，获取温度、压差和流量数据集的方法包括：
步骤A：利用液压试验台，将流量从小调整到大通过流量计，采用20级的阶梯型流量加载，将流量从最低量程加载到最高量程；
步骤B：同步采集压力、温度、流量4路信号，并计算涡轮流量计进出口的压差信号；
步骤C：调整液体温度，重复步骤A和B，得到各温度、压差下的流量数据，整理得到温度、压差和流量数据集。
第二方面，本发明提供了一种提高涡轮流量计动态响应的装置，包括：
分别安装在涡轮流量计进出口的压力传感器；
在涡轮流量计的进口、出口或者流量计上安装的温度传感器；
数据采集模块，用于同步采集2路压力信号、1路温度信号、1路流量计信号，通过USB总线与上位机进行数据传输；
上位机，用于执行如第一方面所述的方法，根据采集的数据实时计算获得补偿后的最终流量。
进一步的，所述上位机通过调节补偿系数，从而调节补偿量，进而调节系统响应频率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、涡轮流量计的进出口压差与流量成正比关系，并且压差响应速度要远远高于涡轮流量计的响应速度，因此核心是利用压差参数对涡轮流量进行补偿。动态补偿方法利用压差的变化量作为补偿量，流量变化越大补偿作用越强。流量处于稳定时流量计的进出口压差变化等于0，因此对涡轮流量计无补偿作用，因此保证了低动态流量下的准确性；
2、本发明可以提高涡轮流量计的响应速度，整套装置的安装操作简单易行，同时补偿算法简洁有效，补偿量调节过程简单。
附图说明
图1是涡轮流量计典型压差-流量曲线。
图2是装置的数据传递流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。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。
实施例一：
本实施例提供了一种提高涡轮流量计动态响应的方法，以挖掘机主泵动态流量测试说明本发明的技术方案具体如下：
1.安装测试装置，主要包括：
①在涡轮流量计进出口上安装法兰块，通过法兰块串联到主泵油路上，主泵作为被测目标同时也作为标定测试的液压源。
②在进出口法兰上各安装1只测压接头，并在进口法兰上安装温度传感器。
③数据采集模块，典型的如DEWE43，同步采集2路压力信号、1路温度信号以及1路流量计信号，上位机通过USB总线与数据采集模块进行数据传输。
2.流量函数模型的标定方法
①将电控液压加载阀串联到流量计之后，通过控制液压加载阀将流量从最低调整到最高量程，典型的采用20级的阶梯型流量加载方式。
②同步采集整个加载过程中的压力、温度、流量4路信号，并计算不同温度流量下的压差信号。
③调整液体温度，重复步骤①和②，得到各温度、压差下的流量数据，整理得到温度、压差和流量数据集。
④通过相关算法例如数据拟合、回归、神经网络等算法，建立不同温度、压差输入参数下的流量函数模型。
3.动态补偿算法
①以等间隔同步采集压力、温度、流量4路信号，典型的压差-流量曲线如图1所示。
②当前时刻由流量函数模型得到的流量变化量：
dQi＝Qsi-Qsi-1 (1)
④流量补偿可选用不同的算法，如卡尔曼滤波算法、互补滤波算法等，但目的均为调节瞬时状态下涡轮输出和流量函数模型输出的权重，典型的一阶互补流量补偿算法如下：
根据下式计算最终补偿后的流量：
Qi＝k*Qti+(1-k)*(Qi-1+dQi) (2)
式中：
Qti——当前时刻的涡轮流量计流量(L/min)
Qsi——当前时刻的输出流量(L/min)
Qsi-1——前一时刻的输出流量(L/min)
dQi——当前时刻的补偿流量(L/min)
Qi——当前时刻补偿后的最终流量(L/min)
Qi-1——前一时刻补偿后的最终流量(L/min)
k——补偿系数(0≤k≤1)。
公式2中通过调整补偿系数，可调整系统的动态响应频率。
具体的，所述流量函数模型的输入为压差信号和温度信号，输出为流量函数模型输出流量；
所述流量函数模型的获取方法包括：
获取温度、压差和流量数据集；所述温度、压差和流量数据集包括各温度、压差下的流量数据；
利用所述温度、压差和流量数据集，通过数据拟合或者回归算法得到流量函数模型，该流量函数模型用来计算在某个温度及压差下对应的理论流量。
优选的，通过数据拟合或者回归算法得到流量函数模型的方法包括：
通过数据软件进行数据拟合或者回归运算，生成流量函数模型。所述数学软件包括MATLAB。
另外，也可通过温度、压差和流量数据集训练LSTM神经网络，构建流量函数模型，进行模型流量理论输出。
涡轮流量计的进出口压差与流量成正比关系，并且压差响应速度要远远高于涡轮流量计的响应速度，因此核心是利用压差参数对涡轮流量进行补偿。动态补偿方法利用压差的变化量作为补偿量，流量变化越大补偿作用越强。
本发明可以提高涡轮流量计的响应速度，整套装置的安装操作简单易行，同时补偿算法简洁有效，补偿量调节过程简单。
本发明通过涡轮进出口压差参数作为补偿参数，不需要额外增加压差发生结构，降低了油路压力损失，安装过程简单，测量效率高。
本发明利用流量函数模型输出流量的变化率作为补偿量，补偿作用只在流量处于动态的变化过程中，稳态下无流量补偿作用，因此能够保证稳态及低频下精度。
本发明还通过补偿系数调节补偿量起到调节系统响应频率的效果，简单方便。
实施例二：
本实施例提供了一种提高涡轮流量计动态响应的装置，包括：
分别安装在涡轮流量计进出口的压力传感器；
在涡轮流量计的进口、出口或者流量计上安装的温度传感器；
数据采集模块，用于同步采集2路压力信号、1路温度信号、1路流量计信号，通过USB总线与上位机进行数据传输；
上位机，用于根据采集的数据实时计算获得补偿后的最终流量。
所述上位机根据采集的数据实时计算获得补偿后的最终流量，包括以下步骤：
实时获取涡轮流量计进出口的压力信号、涡轮流量计的温度信号以及涡轮流量计的流量计信号Qti；
计算涡轮流量计进出口的压差信号；
将当前时刻的压差信号和温度信号输入流量函数模型，得到当前时刻流量函数模型输出流量Qsi；
将前一时刻的压差信号和温度信号输入流量函数模型，得到前一时刻流量函数模型输出流量Qsi-1；
根据下式计算流量函数模型得到的流量变化量：
dQi＝Qsi-Qsi-1 (1)
根据下式计算最终补偿后的流量：
Qi＝k*Qti+(1-k)*(Qi-1+dQi) (2)
式中：
Qti——当前时刻的涡轮流量计流量(L/min)
Qsi——当前时刻的输出流量(L/min)
Qsi-1——前一时刻的输出流量(L/min)
dQi——当前时刻的补偿流量(L/min)
Qi——当前时刻补偿后的最终流量(L/min)
Qi-1——前一时刻补偿后的最终流量(L/min)
k——补偿系数(0≤k≤1)。
所述上位机通过调节补偿系数，从而调节补偿量，进而调节系统响应频率。
具体的，流量函数模型的标定方法为：
①将电控液压加载阀串联到流量计之后，通过控制液压加载阀将流量从最低调整到最高量程，典型的采用20级的阶梯型流量加载方式。
②同步采集整个加载过程中的压力、温度、流量4路信号，并计算不同温度流量下的压差信号。
③调整液体温度，重复步骤①和②，得到各温度、压差下的流量数据，整理得到温度、压差和流量数据集。
④通过相关算法例如数据拟合、回归、神经网络等算法，建立不同温度、压差输入参数下的流量函数模型。
本实施例的上位机可执行实施例一所述的方法。
本实施例的装置可以提高涡轮流量计的响应速度，整套装置的安装操作简单易行，同时补偿算法简洁有效，补偿量调节过程简单。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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)
1.一种提高涡轮流量计动态响应的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取涡轮流量计出口的压力信号、涡轮流量计进口的压力信号、涡轮流量计的温度信号以及涡轮流量计的流量计信号；
根据涡轮流量计出口的压力信号和涡轮流量计进口的压力信号，计算压差信号；其中，压差信号为涡轮流量计进口的压力信号和涡轮流量计出口的压力信号的差；
将当前时刻的压差信号和当前时刻的温度信号输入流量函数模型，得到当前时刻的输出流量；
将前一时刻的压差信号和前一时刻的温度信号输入流量函数模型，得到前一时刻的输出流量；
获取前一时刻补偿后的最终流量；
根据前一时刻补偿后的最终流量、当前时刻的流量计信号、当前时刻的输出流量和前一时刻的输出流量，计算当前时刻补偿后的输出流量。
2.根据权利要求1所述的提高涡轮流量计动态响应的方法，其特征在于，根据当前时刻的流量计信号、当前时刻的输出流量和前一时刻的输出流量，计算补偿后的输出流量，包括：
根据下式计算流量函数模型得到的流量变化量：
dQi＝Qsi-Qsi-1 (1)
根据下式计算最终补偿后的流量：
Qi＝k*Qti+(1-k)*(Qi-1+dQi) (2)
式中：
Qti——当前时刻的涡轮流量计流量(L/min)
Qsi——当前时刻的输出流量(L/min)
Qsi-1——前一时刻的输出流量(L/min)
dQi——当前时刻的补偿流量(L/min)
Qi——当前时刻补偿后的最终流量(L/min)
Qi-1——前一时刻补偿后的最终流量(L/min)
k——补偿系数(0≤k≤1)。
3.根据权利要求2所述的提高涡轮流量计动态响应的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过调节补偿系数，从而调节补偿量，进而调节系统响应频率。
4.根据权利要求1所述的提高涡轮流量计动态响应的方法，其特征在于，所述流量函数模型的获取方法包括：
获取温度、压差和流量数据集；所述温度、压差和流量数据集包括各温度、压差下的流量数据；
利用所述温度、压差和流量数据集，通过数据拟合或者回归算法得到流量函数模型，该流量函数模型用来计算在某个温度及压差下对应的理论流量。
5.一种提高涡轮流量计动态响应的装置，其特征在于，包括：
两个压力传感器，分别安装在涡轮流量计进出口；
温度传感器，安装在涡轮流量计的进口、出口或者流量计上；
数据采集模块，用于同步采集2路压力信号、1路温度信号、1路流量计信号，通过USB总线与上位机进行数据传输；
上位机，用于采用权利要求1～6任意一项的方法计算补偿后的最终流量。
6.根据权利要求5所述的提高涡轮流量计动态响应的装置，其特征在于，所述上位机通过调节补偿系数，从而调节补偿量，进而调节系统响应频率。
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