CN116006530A - 单泵伺服液压运动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液压机电系统，包括：液压伺服泵组、单向阀、第一至三换向阀、液压致动器和蓄能器。第一换向阀的进油口连接至液压伺服泵组，回油口连接至油箱；单向阀的输入口连接至第一换向阀的第二主油口；第二换向阀的进油口连接至单向阀的输出口，回油口连接至油箱；液压致动器一油口连接至第一换向阀的第一主油口，另一油口连接至第二换向阀的第二主油口；其中，蓄能器通过第二和三换向阀连接至液压致动器。所述系统的控制方法包括：使目标给定位置量减去位置反馈量后，再依次经过伺服泵控制模块和液压致动控制模块后则输出位置控制结果，其中位置反馈来自液压致动控制模块的输出。本发明能实现精密位置随动控制，且成本低、节能、耐用可靠。

Description

单泵伺服液压运动系统及其控制方法

技术领域

本发明属于工业电气自动化领域，提供了液压传动技术中的精密位置控制技术的实现方案，尤其涉及单泵伺服液压运动系统及其控制方法。

背景技术

液压传动是工业中应用广泛的技术，力量大、可靠性好、动作平顺，尤其适合直线运动设备和重型设备，如压力机、锻打机、挤出机、开合模具装置等等。

很多直线运动的设备不但需要力量和速度调整，对位置的精度也有工艺要求。在液压传动系统中，一般的位置控制是通过流量阀或直接泵控来实现，其在接近目标位置时降低速度，到达目标位置后切断液压回路实现比较精确的位置控制。但这种方法只适合已确定目标位置的单方向的定点控制，而对于目标位置动态改变且正反方向任意改变的位置随动控制却不适合。

传统的阀控技术也能实现对液压缸的位置随动控制，但要采用伺服流量阀，同时动态调整液压缸活塞两边的压力，使活塞两侧的压力差作用在活塞和连杆上，改变和调整其运动方向及加速度，从而实现活塞杆的位置控制。但这种控制本质上是由液压缸两侧的压力溢流阀来实施，其能量损耗非常大，而且伺服流量阀非常昂贵，容易磨损，对液压油品质温度都有要求，而且该技术基本只适合等截面积油缸。

发明内容

本发明在先进的伺服泵控技术的基础上，提供机电液混合系统及其控制方案，同样可以实现精密的位置随动控制，且拥有成本低、节约能源、耐用可靠等优点，且至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案涉及一种液压机电系统，包括：液压伺服泵组，所述液压伺服泵组具有伺服电机以驱动油泵从油箱输送油液；第一换向阀，所述第一换向阀具有第一主油口、第二主油口、进油口和回油口，所述第一换向阀的进油口连接至所述液压伺服泵组，所述第一换向阀的回油口连接至油箱；单向阀，所述单向阀具有输入口和输出口，在单向阀内限制油液从输入口向输出口传递，所述单向阀的输入口连接至所述第一换向阀的第二主油口；第二换向阀，所述第二换向阀具有第一主油口、第二主油口、进油口和回油口，所述第二换向阀的进油口连接至所述单向阀的输出口，所述第二换向阀的回油口连接至油箱；液压致动器，所述液压致动器具有缸体、第一油口、第二油口和设置在第一油口与第二油口之间的位于缸体内的活塞，其中，所述液压致动器的第一油口连接至所述第一换向阀的第一主油口，所述液压致动器的第二油口连接至所述第二换向阀的第二主油口；第三换向阀，所述第三换向阀具有第一端口和第二端口，在第三换向阀关闭时第一端口和第二端口之间截止，在第三换向阀打开时第一端口和第二端口之间保持连通，其中，所述第三换向阀的第一端口连接至所述单向阀的输出口；蓄能器，所述蓄能器连接至所述第三换向阀的第二端口。

进一步，所述第一换向阀包括第一一通位、第一截止位和第一二通位，在第一换向阀中，在第一一通位时第一主油口与进油口连通并且第二主油口与回油口连通，在第一截止位时第一主油口与进油口截止并且第一主油口和第二主油口都与回油口连通，在第一二通位时第一主油口与回油口连通并且第二主油口与进油口连通；所述第二换向阀包括第二一通位、第二截止位和第二二通位，在第二换向阀中，在第二一通位时第一主油口与进油口连通并且第二主油口与回油口连通，在第二截止位时第一主油口与进油口截止并且第二主油口与回油口截止，在第二二通位时第一主油口与回油口连通并且第二主油口与进油口连通。

进一步，所述的液压机电系统包括：压力溢流阀，所述压力溢流阀的输入端与所述蓄能器连接，所述压力溢流阀的输出端连接至油箱。

进一步，所述液压致动器包括：与活塞连接的活塞杆；以及连接至所述活塞杆的位移传感器，用于采集所述活塞杆的位置信息。

进一步，所述液压伺服泵组的电机以单方向转动工作的方式驱动单个油泵工作。

本发明的技术方案还涉及一种液压伺服控制方法，用于控制上述的液压机电系统，所述方法包括以下步骤：

S10、切换第一换向阀以使液压致动器的第一油口连通至液压伺服泵组，切换第二换向阀且打开第三换向阀以使液压致动器的第二油口连通至蓄能器，并且通过位移传感器实时采集所述液压致动器的运动位置反馈量；

S20、将液压机电系统的液压致动器的给定位置输入量减去液压致动器的运动位置反馈量以作为输入误差量，使该输入误差量传递至液压伺服泵组的PID伺服控制环节后，再经过第一比例环节系数(K1)相乘以计算得到液压伺服泵组的输出流量作为液压致动器的第一油口流量；

S30、将计算的液压致动器的第一油口流量与压致动器的第二油口流量的差值传递至液压致动控制模块，经过积分环节得到流体体积后与弹性系数(K2)相乘以计算液压力，再将该液压力至少减去蓄能器引起的活塞压力，或进一步减去液压致动器内部的阻力，以获得压力差；

S40、将压力差乘以第二比例环节系数(K3)后经过积分环节以计算得到液压致动器的运动速度；

S50、将计算的液压致动器的运动速度经过积分环节以计算液压致动器的运动位置输出量。

进一步，在所述的方法中：通过液压致动器的运动速度和液压致动器的缸体的截面积系数(K5)相乘以计算得到液压致动器的第二油口流量；液压致动器内部的阻力包括缸体和活塞产生的粘滞力，该粘滞力是通过液压致动器的运动速度和缸体的粘滞系数(K4)相乘以计算得到；蓄能器引起的活塞压力是通过储能器的油液压强乘以缸体内的活塞截面积以计算得到。

本发明的技术方案还涉及另一种液压伺服控制方法，用于控制上述的液压机电系统，所述方法包括以下步骤：

S1、切换第一换向阀以使液压致动器的第一油口连通至液压伺服泵组，切换第二换向阀且打开第三换向阀以使液压致动器的第二油口连通至蓄能器，并且通过位移传感器实时采集所述液压致动器的运动位置反馈量；

S2、将液压机电系统的液压致动器的给定位置输入量减去液压致动器的运动位置反馈量以作为输入误差量，使该输入误差量传递至液压伺服泵组的PID伺服控制环节以计算得到伺服电机的转速；

S3、将伺服电机的转速经过液压致动控制模块以计算得到液压致动器的运动速度，所述液压致动控制模块的传递函数G(s)＝(K1/K5)/(1+T₂·s(1+T₁·s))，其中，T₁＝1/(K3·K4)，T₂＝K4/(K2·K5)，K1是第一比例环节系数，K2是液压致动器缸体的弹性系数，K3第二比例环节系数，K4是液压致动器缸体的粘滞系数，K5是液压致动器缸体的截面积系数；

S4、将计算的液压致动器的运动速度经过积分环节以计算液压致动器的运动位置输出量。

进一步，上述的任意方法，可以包括以下步骤：关闭第三换向阀，切换第一换向阀以位于第一一通位以使液压致动器的第一油口连通至液压伺服泵组，切换第二换向阀以位于第二二通位以使液压致动器的第二油口连通至油箱，触发液压伺服泵组的伺服电机转动以输出流量，从而使液压致动器输出从第一油口至第二油口方向的运动；或者关闭第三换向阀，切换第一换向阀以位于第一二通位以使液压致动器的第一油口连通油箱，切换第二换向阀以位于第二一通位以使液压致动器的第二油口连通至液压伺服泵组，触发液压伺服泵组的伺服电机转动以输出流量，从而使液压致动器输出从第二油口至第一油口方向的运动；或者打开第三换向阀，切换第一换向阀以位于第一二通位以使液压伺服泵组的输出口通过单向阀连接至蓄能器，并且切换第二换向阀以位于第二截止位，再触发液压伺服泵组的伺服电机转动以输出流量，从而使蓄能器蓄能。

本发明的技术方案还涉及一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述处理器执行储存在所述存储器中的计算机程序时实施上述的方法。

本发明的技术方案还可以涉及一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实施上述的方法。

相对于现有技术，尤其与传统的伺服阀相比，本发明的技术优势如下：

1.用伺服液压泵组加上蓄能器和额外的一两个方向阀，替代了普通电机泵组加昂贵的伺服阀能实现的功能，总体成本大幅降低；

2.本发明技术方案中的伺服液压运动系统本身是数控设备，无需另外增加运动控制装置，进一步降低了成本，而且更容易实现设备的全数字化；

3.伺服液压泵组和溢流控制的伺服阀相比，没有了溢流损耗，大幅度节约了能源，降低了油温，提高了设备的可靠性和寿命。

附图说明

图1是根据本发明的伺服液压运动系统的原理图。

图2是根据本发明的伺服液压运动系统工作状态图，其实现单向右移运动。

图3是根据本发明的伺服液压运动系统工作状态图，其实现单向左移运动。

图4是根据本发明的伺服液压运动系统工作状态图，其实现液压储能。

图5是根据本发明的伺服液压运动系统工作状态图，其实现闭环伺服控制下的双向运动。

图6是根据本发明的伺服液压运动控制方法的总体的控制框图。

图7是根据本发明的伺服液压运动控制方法中的液压致动模块的控制框图。

图8是根据本发明的方法实施例中的液压缸内压力计算示意图。

图9是根据本发明的伺服液压运动控制方法的简化的控制框图。

图10是根据本发明的方法实施例中的包含传递函数解释的简化控制框图。

具体实施方式

液压传动是以电动机拖动油泵21，将电能转化为机械能，通过管路推动液压缸，从而为机械装置提供动力。由于液压传动只能提供推力，不能提供拉力，因此液压回路中有多条管路，通过换向阀进行切换，由此改变液压缸的运动方向；同时管路中的压力阀与流量阀也能通过改变油泵21供给液压缸的实际流量，达到控制液压缸的推力和线速度，以致目标位置的目的。

在位置随动控制的要求下，不但要求机械的最终停止位置与指令位置一致，还需要每个运动过程的瞬时实际位置和目标位置一致(容许的误差范围内)，也就是实际位置动态跟随目标位置。这种控制要求不但对液压缸速度控制的响应性有较高要求，而且要求液压缸随时可进行精确平顺的双向运动。

前面讲过液压传动只能提供推力，无法提供拉力，传统上液压缸的双向是用方向阀切换管路实现。但方向阀切换时间长，且切换的过程有动力的突变，是无法进行精确的位置闭环控制。而目前的液压缸位置随动是用伺服阀控制，基本原理是对液压缸活塞两边同时供油，根据控制信号动态调整两边的流量比例，改变活塞两侧的压力，活塞两侧的压力差就是液压缸的实际推力，这个力可以双向且线性控制，因此提供了位置随动控制的基础。此外，由于伺服阀非常昂贵且能耗大，本发明采用另外的技术方案，以定量泵伺服控制为基础，提供一套装置或系统实现液压缸的双向动态运动控制。

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

现在参照图1至图5，在一些实施例中，根据本发明的伺服液压机电系统至少包括：液压伺服泵组20、第一换向阀30、单向阀40、第二换向阀50、液压致动器60、第三换向阀90和蓄能器70。

液压伺服泵组20作为系统的动力源，其具有伺服电机、油泵21及其附件，其中伺服电机在伺服驱动器驱动下带动油泵21从油箱10输送油液，从而具备高性能的流量控制响应和油压闭环控制功能。优选地，液压伺服泵组20只需采用单个电机，以单方向转动工作的方式驱动单个油泵21工作。

第一换向阀30和第二换向阀50均可以是三位四通电液换向阀，且分别具有第一主油口A、第二主油口B、进油口P和回油口T。具体参照图1，第一换向阀30包括第一左通位31(对应上文的第一一通位)、第一截止位32和第一右通位33(对应上文的第一二通位)；在第一换向阀30中，在第一左通位31时第一主油口A与进油口P连通并且第二主油口B与回油口T连通(如图2)，在第一截止位32时第一主油口A与进油口P截止并且第一主油口A和第二主油口B都与回油口T连通(如图1)，在第一右通位33时第一主油口A与回油口T连通并且第二主油口B与进油口P连通(如图3)。再具体参照图1，第二换向阀50包括第二左通位51(对应上文的第二一通位)、第二截止位52和第二右通位53(对应上文的第二二通位)；在第二换向阀50中，在第二左通位51时第一主油口A与进油口P连通并且第二主油口B与回油口T连通(如图3)，在第二截止位52时第一主油口A与进油口P截止并且第二主油口B与回油口T截止(如图4)，在第二右通位53时第一主油口A与回油口T连通并且第二主油口B与进油口P连通(如图2)。

第三换向阀90可以是二位二通电液换向阀，且具有第一端口和第二端口。具体参照图1，在第三换向阀90关闭时(或第三换向阀90切换至图1所示的左位)，第一端口和第二端口之间截止；在第三换向阀90打开时(或第三换向阀90切换至图示4所示的右位)，第一端口和第二端口之间保持连通。

单向阀40具有输入口和输出口，在单向阀40内限制油液从输入口向输出口传递。

液压致动器60具有缸体、第一油口(比如是左油口61)、第二油口(比如是右油口62)和设置在第一油口与第二油口之间的位于缸体内的活塞。具体地，液压致动器60的执行机构可以是液压缸或液压马达，一个是提供直线运动，另一个是提供旋转运动。下文和附图以液压缸为对象描述液压致动器60的结构、连接方式和控制方法，液压马达除了直线运动和旋转运动的差别外，其他都原理相似，二者都有进出油液的第一油口和第二油口，以及由油液推动的活塞来工作。优选地，液压致动器60包括与活塞连接的活塞杆63(或滑杆)以及连接至所述活塞杆63的用于采集所述活塞杆63的位置信息的位移传感器64。

蓄能器70用于在适当的时机将液压回路中的能量转变为压缩能或势能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，其是本发明方案的核心部件之一，为液压致动器60的位置闭环控制时提供阻力。

继续参照图1至图5，在根据本发明的实施例中，伺服液压运动系统中各装置的连接关系如下。第一换向阀30的进油口P连接至所述液压伺服泵组20，第一换向阀30的回油口T连接至油箱10；单向阀40的输入口连接至所述第一换向阀30的第二主油口B；第二换向阀50的进油口P连接至所述单向阀40的输出口，所述第二换向阀50的回油口T连接至油箱10；所述液压致动器60的左油口61连接至所述第一换向阀30的第一主油口A，所述液压致动器60的右油口62连接至所述第二换向阀50的第二主油口B；其中，所述第三换向阀90的第一端口连接至所述单向阀40的输出口；蓄能器70连接至所述第三换向阀90的第二端口。优选地，还设有压力溢流阀80，所述压力溢流阀80的输入端与所述蓄能器70连接，所述压力溢流阀80的输出端连接至油箱10。

此外，根据本发明的伺服液压运动系统包括伺服驱动器和运动控制器，运动控制器通过伺服驱动器可以用于对液压伺服泵组20的电机进行伺服控制，还可以用于以电信号分别控制3个换向阀(电液换向阀)及单向阀40以切换阀位。该运动控制器例如可以实施为PLC、PAC、FCS、DSC、CNC数控系统、或其他的基于单片机/DSP的工业控制器等。因此，可以通过控制器使阀位切换，以实现液压致动器60的液压缸输出单向或者双向控制的左右运动，还实现储能器的储能。换句话说所述控制器可以实施根据本发明的伺服液压运动控制方法。下面详细描述这几种动作方式时的液压运动系统的控制方法流程。

1.用于单向控制的液压缸右移

参照图2，关闭第三换向阀90，切换第一换向阀30以位于第一左通位31以使液压致动器60的左油口61连通至液压伺服泵组20，切换第二换向阀50以位于第二右通位53以使液压致动器60的右油口62连通至油箱10，再触发液压伺服泵组20的伺服电机转动以输出流量。这时，液压伺服泵组20的出油通过第一换向阀30再通到液压致动器60液压缸的左油口61，而液压缸右油口62通过第二换向阀50再通至油箱10，因此液压油由左侧进缸，推动液压缸的活塞和活塞杆63右移，右油口62排油回油箱10。

2.用于单向控制的液压缸左移

参照图3，关闭第三换向阀90，切换第一换向阀30以位于第一右通位33以使液压致动器60的左油口61连通油箱10，切换第二换向阀50以位于第二左通位51以使液压致动器60的右油口62连通至液压伺服泵组20，再触发液压伺服泵组20的伺服电机转动以输出流量。这时液压伺服泵组20的出油经过单向阀40和第二换向阀50再通到液压致动器60液压缸的右油口62，而液压缸左油口61通过第一换向阀30通到油箱10，因此液压由右侧进缸，推动液压缸活塞和活塞杆63左移，左油口61排油回油箱10。

3.用于单向控制的蓄能器储能和泄能

参照图4，打开第三换向阀90，切换第一换向阀30以位于第一右通位33以使液压伺服泵组20的输出口通过单向阀40连接至蓄能器70，并且切换第二换向阀50以位于第二截止位52，再触发液压伺服泵组20的伺服电机转动以输出流量。这时液压伺服泵组20的出油经过第一换向阀30再通过单向阀40，并且第二换向阀50使油路关闭，而第三换向阀90接通，因此泵组可以给蓄能器70储能。

如果要对蓄能器70泄能，可以在储能配置下，使第二换向阀50的第二主油口B连通至油箱10，这时可以切换第二换向阀50以位于第二右通位53，因此液压油可以从蓄能器70泄流回到油箱10。此外，压力溢流阀80也可以起到调节储能器压力的作用。

4.用于双向的位置闭环控制的液压缸左右移

参照图5，切换第一换向阀30以使液压致动器60的左油口61连通至液压伺服泵组20，切换第二换向阀50且打开第三换向阀90以使液压致动器60的右油口62连通至蓄能器70。这时液压伺服泵组20的出油通过第一换向阀30通到液压致动器60的液压缸左油口61，第二换向阀50接通液压缸右油口62及单向阀40，同时第三换向阀90使蓄能器70导通至液压缸右油口62，液压缸活塞左侧承受液压伺服泵组20输出压力，右侧承受蓄能器70的输出压力，两者的压力差决定活塞左翼还是右移。具体地，当需要进行液压缸闭环位置控制时，液压回路处于上述的位置闭环控制模式中，液压缸活塞同时受左侧液压伺服泵组20出力和右侧蓄能器70出力的合力作用，当左侧推力大于右侧推力时，液压缸右移；反之，液压缸左移。由于如果蓄能器70有足够的容量，在一定的范围内可认为蓄能器70的输出压力基本恒定，因此，通过调整液压伺服泵组20的出力，就可以控制液压缸左移或者右移。

以下结合附图6至10，通过多个实施例详细介绍液压伺服控制流程，以结合解释本发明的控制系统构成以及双向的位置闭环控制方式。在这些实施例中，被控对象是液压致动器60，其中，液压缸活塞杆63安装有线性位移传感器64，对液压缸的当前位置和位移进行检测，并输出位置反馈信号。而在位置闭环控制中输入目标位置或位移后，在达到较高的液压缸速度控制的响应性，实现活塞杆63运动过程的瞬时实际位置和目标位置一致，即达到随动控制。

参照图6，根据本发明的液压伺服控制方法的控制原理框图中，可以分为伺服泵控制模块、液压致动控制模块和位置反馈模块。

伺服泵控制模块，或称伺服泵控制环节，是由伺服驱动器、伺服电机和油泵21的控制模型组成。伺服驱动器应用矢量控制原理对伺服电机进行驱动，具备高响应性和高线性度的特点，内置位置控制环节、速度控制环节、矢量控制环节、PWM输出部件，实现了位置控制必要的运算，并通过伺服电机的输出力矩，调节油泵21输出的液压力。

液压致动控制模块是执行环节，其是由缸体、活塞、液压流体和储能器之间的物理模型提供，其中涉及油液流量、压力或粘滞力引起活塞杆63的速度和位置变化。

位置反馈模块是由线性位移传感器64的采样信号转换后作为位置闭环控制的反馈环节。

目标给定位置量减去位置反馈模块的反馈量后，再依次经过伺服泵控制模块和液压致动控制模块后则输出位置控制结果，其中位置反馈模块的输入来自液压致动控制模块的输出。

现在参照图6和图7，在一些实施例中，根据本发明的液压伺服控制方法可以具体包括以下步骤：

S10、通过位移传感器64实时采集所述液压致动器60的运动位置反馈量；

S20、将液压机电系统的液压致动器60的给定位置输入量减去液压致动器60的运动位置反馈量以作为输入误差量，使该输入误差量传递至液压伺服泵组20的PID伺服控制环节后，再经过第一比例环节系数K1相乘以计算得到液压伺服泵组20的输出流量作为液压致动器60的第一油口(左油口61)流量；

S30、将计算的液压致动器60的第一油口(左油口61)流量与压致动器的第二油口(右油口62)流量的差值传递至液压致动控制模块，经过积分环节得到流体体积后与弹性系数K2相乘以计算液压力，再将该液压力至少减去蓄能器70引起的活塞压力，或进一步减去液压致动器60内部的阻力，以获得压力差；

S40、将压力差乘以第二比例环节系数K3后经过积分环节以计算得到液压致动器60的活塞杆63的运动速度；

S50、将计算的液压致动器60的运动速度经过积分环节以计算液压致动器60的运动位置输出量。

步骤S20主要是伺服泵控制模块的控制流程。在液压伺服泵组20的PID伺服控制环节中，运动位置反馈量乘以外环增益系数得到给定电机速度，再经过速度环控制环节以计算得到电机转速。由于液压泵可以等效于线性的转速输入和流量输出模型，因此，所计算的电机转速经过液压泵模型的第一比例环节系数K1相乘以计算得到液压伺服泵组20的输出流量。

步骤S30和S40是液压致动控制模块的控制流程。如图5所示，活塞将缸体分为第一油口侧(左侧)部分和第二油口侧(右侧)部分，液压伺服泵组20的输出流量作用于左侧部分，而蓄能器70的储能流量作用于右侧部分。所以，通过液压致动器60的运动速度和液压致动器60的(基本右侧的)缸体的截面积系数K5相乘以计算得到液压致动器60的右油口62流量，用以计算流量差。

此外，液压致动器60内部的阻力包括缸体和活塞产生的粘滞力，该粘滞力是通过液压致动器60的运动速度和缸体的粘滞系数K4相乘以计算得到。蓄能器70引起的活塞压力是通过储能器的油液压强(简称油压)乘以缸体内的活塞截面积以计算得到。

由于油泵21一般不能反转工作，即使能反转在零速区附近呈现非线性特性，因此，如果油泵21是双向工作，则不能与伺服电机一样视为系统中的线性环节，从而破坏系统的控制特性。因此，根据本发明方法中的控制和执行环节增加了蓄能器70提供阻力的辅助环节。

在优选的实施例中，还可以通过调节液压伺服泵组20和储能器的油压，使得液压致动器60基本工作在线性区。

参照图8，设置物理量如下：系统最大工作油压Pmax、液压伺服泵组20输出油压Po、蓄能器70工作油压Pe、液压缸活塞左侧有效面积Sl、右侧有效面积Sr、作用在面积为Sl的活塞左侧的力为F1、作用在面积为Sr的活塞右侧的力为F2。则作用在活塞杆63上的合力为F＝F1-F2＝Po*Sl–Pe*Sr。因此，F可为正也可为负，通过调整Po可以改变F的数值和方向。

当Po＝Pmax时，F为正的最大值Pmax*Sl―Pe*Sr；当Po＝0时，F为最大负值―Pe*Sr。由于Pmax、Sl、Sr均为常数，因此通过选择合适的Pe，则F的正负最大值相等，液压缸有最大的双向作用力调节范围。在蓄能器70输出压强Pe基本恒定为50％的Pmax时，油泵21只需要正转调整出力Po就可以调整F的大小和方向。油泵21不需要反转，则基本工作在线性区，在控制过程中可以视为线性元件。

当Po在0和Pmax之间改变，则F在负最大值和正最大值之间线性变化。在F＝0时，根据Po＝(Sr/Sl)*Pe，如果Sr和Sl基本接近，Po则基本为50％的Pmax。因此，当Po在0和Pmax之间的这个压力范围，油泵21的特性是线性的和灵敏的，是较好的执行元件，整个控制闭环呈现良好的控制特性，可实现高精度的位置控制。

结合上述的油压优化调节，在优选的实施例中，根据本发明的控制方法可以整理成图9的控制框图。相应地，根据本发明的控制方法包括以下步骤：

S1、切换第一换向阀30以使液压致动器60的左油口61连通至液压伺服泵组20，切换第二换向阀50且打开第三换向阀90以使液压致动器60的右油口62连通至蓄能器70，并且通过位移传感器64实时采集所述液压致动器60的运动位置反馈量；

S2、将液压机电系统的液压致动器60的给定位置输入量减去液压致动器60的运动位置反馈量以作为输入误差量，使该输入误差量传递至液压伺服泵组20的PID伺服控制环节以计算得到伺服电机的转速；

S3.1、将伺服电机的转速经过第一比例环节系数K1相乘以计算得到液压伺服泵组20的输出流量作为液压致动器60的左油口61流量；

S3.2、将计算的液压致动器60的左油口61流量与压致动器的右油口62流量的差值传递至液压致动控制模块，经过积分环节得到流体体积后与弹性系数K2相乘以计算液压力，再将该液压力与比例系数1/K4相乘以计算活塞的加速度；

S3.3、将活塞的加速度经过一阶惯性环节以计算得到液压致动器60的活塞杆63的运动速度，所述一阶惯性环节的传递函数G₀(s)＝(1/(1+T₁·s))，其中T₁＝1/(K3·K4)；

S4、将计算的液压致动器60的运动速度经过积分环节以计算液压致动器60的运动位置输出量。

在优选的实施例中，根据本发明的控制方法还可以进一步简化成图10的控制框图。相应地，根据本发明的控制方法包括以下步骤：

S1、切换第一换向阀30以使液压致动器60的左油口61连通至液压伺服泵组20，切换第二换向阀50且打开第三换向阀90以使液压致动器60的右油口62连通至蓄能器70，并且通过位移传感器64实时采集所述液压致动器60的运动位置反馈量；

S2、将液压机电系统的液压致动器60的给定位置输入量减去液压致动器60的运动位置反馈量以作为输入误差量，使该输入误差量传递至液压伺服泵组20的PID伺服控制环节以计算得到伺服电机的转速；

S3、将伺服电机的转速经过液压致动控制模块以计算得到液压致动器60的活塞杆63的运动速度，

所述液压致动控制模块的传递函数

G(s)＝(K1/K5)/(1+T₂·s(1+T₁·s))，

其中，T₁＝1/(K3·K4)，T₂＝K4/(K2·K5)，K1是第一比例环节系数，K2是液压致动器60缸体的弹性系数，K3第二比例环节系数，K4是液压致动器60缸体的粘滞系数，K5是液压致动器60缸体的截面积系数，s是作为拉普拉斯算子的变量。

S4、将计算的液压致动器60的运动速度经过积分环节以计算液压致动器60的运动位置输出量。

应当认识到，上述实施例中的方法步骤可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还可以包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种液压机电系统，其特征在于，包括：

液压伺服泵组(20)，所述液压伺服泵组(20)具有伺服电机以驱动油泵(21)从油箱(10)输送油液；

第一换向阀(30)，所述第一换向阀(30)具有第一主油口、第二主油口、进油口和回油口，所述第一换向阀(30)的进油口连接至所述液压伺服泵组(20)，所述第一换向阀(30)的回油口连接至油箱(10)；

单向阀(40)，所述单向阀(40)具有输入口和输出口，在单向阀(40)内限制油液从输入口向输出口传递，所述单向阀(40)的输入口连接至所述第一换向阀(30)的第二主油口；

第二换向阀(50)，所述第二换向阀(50)具有第一主油口、第二主油口、进油口和回油口，所述第二换向阀(50)的进油口连接至所述单向阀(40)的输出口，所述第二换向阀(50)的回油口连接至油箱(10)；

液压致动器(60)，所述液压致动器(60)具有缸体、第一油口、第二油口和设置在第一油口与第二油口之间的位于缸体内的活塞，其中，所述液压致动器(60)的第一油口连接至所述第一换向阀(30)的第一主油口，所述液压致动器(60)的第二油口连接至所述第二换向阀(50)的第二主油口；

第三换向阀(90)，所述第三换向阀(90)具有第一端口和第二端口，在第三换向阀(90)关闭时第一端口和第二端口之间截止，在第三换向阀(90)打开时第一端口和第二端口之间保持连通，其中，所述第三换向阀(90)的第一端口连接至所述单向阀(40)的输出口；

蓄能器(70)，所述蓄能器(70)连接至所述第三换向阀(90)的第二端口。

2.根据权利要求1所述的液压机电系统，其特征在于：

所述第一换向阀(30)包括第一一通位、第一截止位(32)和第一二通位，在第一换向阀(30)中，在第一一通位时第一主油口与进油口连通并且第二主油口与回油口连通，在第一截止位(32)时第一主油口与进油口截止并且第一主油口和第二主油口都与回油口连通，在第一二通位时第一主油口与回油口连通并且第二主油口与进油口连通；

所述第二换向阀(50)包括第二一通位、第二截止位(52)和第二二通位，在第二换向阀(50)中，在第二一通位时第一主油口与进油口连通并且第二主油口与回油口连通，在第二截止位(52)时第一主油口与进油口截止并且第二主油口与回油口截止，在第二二通位时第一主油口与回油口连通并且第二主油口与进油口连通。

3.根据权利要求1所述的液压机电系统，其特征在于，包括：

压力溢流阀(80)，所述压力溢流阀(80)的输入端与所述蓄能器(70)连接，所述压力溢流阀(80)的输出端连接至油箱(10)。

4.根据权利要求1所述的液压机电系统，其特征在于，所述液压致动器(60)包括：

与活塞连接的活塞杆(63)；以及

连接至所述活塞杆(63)的位移传感器(64)，用于采集所述活塞杆(63)的位置信息。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的液压机电系统，其特征在于，所述液压伺服泵组(20)的电机以单方向转动工作的方式驱动单个油泵(21)工作。

6.一种液压伺服控制方法，用于权利要求1至5中任一权利要求所述的液压机电系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S10、切换第一换向阀(30)以使液压致动器(60)的第一油口连通至液压伺服泵组(20)，切换第二换向阀(50)且打开第三换向阀(90)以使液压致动器(60)的第二油口连通至蓄能器(70)，并且通过位移传感器(64)实时采集所述液压致动器(60)的运动位置反馈量；

S20、将液压机电系统的液压致动器(60)的给定位置输入量减去液压致动器(60)的运动位置反馈量以作为输入误差量，使该输入误差量传递至液压伺服泵组(20)的PID伺服控制环节后，再经过第一比例环节系数(K1)相乘以计算得到液压伺服泵组(20)的输出流量作为液压致动器(60)的第一油口流量；

S30、将计算的液压致动器(60)的第一油口流量与压致动器的第二油口流量的差值传递至液压致动控制模块，经过积分环节得到流体体积后与弹性系数(K2)相乘以计算液压力，再将该液压力至少减去蓄能器(70)引起的活塞压力，或进一步减去液压致动器(60)内部的阻力，以获得压力差；

S40、将压力差乘以第二比例环节系数(K3)后经过积分环节以计算得到液压致动器(60)的运动速度；

S50、将计算的液压致动器(60)的运动速度经过积分环节以计算液压致动器(60)的运动位置输出量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

通过液压致动器(60)的运动速度和液压致动器(60)的缸体的截面积系数(K5)相乘以计算得到液压致动器(60)的第二油口流量；

液压致动器(60)内部的阻力包括缸体和活塞产生的粘滞力，该粘滞力是通过液压致动器(60)的运动速度和缸体的粘滞系数(K4)相乘以计算得到；

蓄能器(70)引起的活塞压力是通过储能器的油液压强乘以缸体内的活塞截面积以计算得到。

8.一种液压伺服控制方法，用于权利要求1至5中任一权利要求所述的液压机电系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、切换第一换向阀(30)以使液压致动器(60)的第一油口连通至液压伺服泵组(20)，切换第二换向阀(50)且打开第三换向阀(90)以使液压致动器(60)的第二油口连通至蓄能器(70)，并且通过位移传感器(64)实时采集所述液压致动器(60)的运动位置反馈量；

S2、将液压机电系统的液压致动器(60)的给定位置输入量减去液压致动器(60)的运动位置反馈量以作为输入误差量，使该输入误差量传递至液压伺服泵组(20)的PID伺服控制环节以计算得到伺服电机的转速；

S3、将伺服电机的转速经过液压致动控制模块以计算得到液压致动器(60)的运动速度，

所述液压致动控制模块的传递函数

G(s)＝(K1/K5)/(1+T₂·s(1+T₁·s))，

其中，T₁＝1/(K3·K4)，T₂＝K4/(K2·K5)，K1是第一比例环节系数，K2是液压致动器(60)缸体的弹性系数，K3第二比例环节系数，K4是液压致动器(60)缸体的粘滞系数，K5是液压致动器(60)缸体的截面积系数，s是变量；

S4、将计算的液压致动器(60)的运动速度经过积分环节以计算液压致动器(60)的运动位置输出量。

9.根据权利要求6至8中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

关闭第三换向阀(90)，切换第一换向阀(30)以位于第一一通位以使液压致动器(60)的第一油口连通至液压伺服泵组(20)，切换第二换向阀(50)以位于第二二通位以使液压致动器(60)的第二油口连通至油箱(10)，再触发液压伺服泵组(20)的伺服电机转动以输出流量，从而使液压致动器(60)输出从第一油口至第二油口方向的运动；或者

关闭第三换向阀(90)，切换第一换向阀(30)以位于第一二通位以使液压致动器(60)的第一油口连通油箱(10)，切换第二换向阀(50)以位于第二一通位以使液压致动器(60)的第二油口连通至液压伺服泵组(20)，再触发液压伺服泵组(20)的伺服电机转动以输出流量，从而使液压致动器(60)输出从第二油口至第一油口方向的运动；或者

打开第三换向阀(90)，切换第一换向阀(30)以位于第一二通位以使液压伺服泵组(20)的输出口通过单向阀(40)连接至蓄能器(70)，并且切换第二换向阀(50)以位于第二截止位(52)，再触发液压伺服泵组(20)的伺服电机转动以输出流量，从而使蓄能器(70)蓄能。

10.一种计算机装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述处理器执行储存在所述存储器中的计算机程序时实施如权利要求1至9中任一项所述的方法。

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