CN116877509A - 一种混凝土泵车臂架电静液执行器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种混凝土泵车臂架电静液执行器系统及控制方法，该系统包括：伺服电机与液压泵组，所述伺服电机与液压泵连接；液压阀组，其连接液压泵；压力油箱，其连接液压阀组与液压泵；电气控制模块，所述电气控制模块包括驱动器和控制器，控制器将S曲线加减速控制作为系统的前馈补偿环节与模糊PID控制相结合，根据控制指令和反馈信息控制伺服电机、液压阀组的动作从而形成对混凝土泵车臂架液压缸位移与速度的闭环控制。该系统控制自由度更大、控制精度更高、节能、动作可靠，主要用于控制和驱动混凝土泵车臂架的运动，通过臂架油缸伸缩的速度和位置控制，实现臂架的角度和位置的精确控制。

Description

一种混凝土泵车臂架电静液执行器及控制方法

技术领域

本发明属于智能液压控制领域，涉及一种混凝土泵车臂架电静液执行器及控制方法。

背景技术

随着工程建设项目逐渐增多，施工范围和规模逐渐扩大，混凝土泵车作为一种将混凝土输送到施工现场的关键设备，其应用越来越广泛，在缩短施工周期，提高工程质量和节省成本等方面有着不可替代的优势。

传统泵车臂架液压系统通常采用液压执行器来实现伸缩和调整位置的功能，但传统液压执行器存在一些局限性，如液压系统管路复杂、能耗高、响应速度慢等。而电静液执行器技术将电动执行器与静液压系统相结合，展现了良好的运动控制性能和节能潜力，以及其紧凑的结构和较轻的重量能有效满足臂架的力学强度要求。为此臂架电静液执行器的应用，进一步提升了臂架的运动性能，具有一定的工程价值。

发明内容

为了克服传统混凝土泵车臂架液压系统存在的臂架油缸液压系统管路复杂、能耗高、响应速度慢等问题。本发明基于智能电液控制开发了一种混凝土泵车臂架电静液执行器及控制方法，采用模糊自适应PID前馈补偿控制方法，实现臂架油缸的高精度运动控制。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提供了一种混凝土泵车臂架电静液执行器系统，包括：

伺服电机液压泵组，包括伺服电机与定量液压泵，所述伺服电机与定量液压泵连接；

液压阀组，其连接定量液压泵，其输出油口连接外部的混凝土泵车臂架液压缸；

压力油箱，与液压阀组的溢流回油管路以及定量液压泵的吸油管路连接；

电气控制模块，包括驱动器、控制器以及位移传感器；所述位移传感器设置在混凝土泵车臂架液压缸上，控制器用于接受控制指令或位移传感器反馈的位移信号并发出相应控制信号，驱动器将控制器发出的信号转化为电信号，控制伺服电机液压泵组、液压阀组的动作从而形成对混凝土泵车臂架液压缸位移与速度的闭环控制。

作为本发明的优选方案，所述液压阀组包括阀块、电磁开关阀、电磁换向阀、压力调节阀及压力传感器；所述液压阀组的输出油口A和输出油口B分别连接混凝土泵车臂架液压缸的有杆腔和无杆腔；所述电磁开关阀用于控制混凝土泵车臂架液压缸动作与停止保压；所述电磁换向阀与液压阀组的输出油口A和输出油口B联通，用于控制混凝土泵车臂架液压缸的活塞杆伸出与缩回的切换；所述压力调节阀用于调节所述混凝土泵车臂架电静液执行器系统压力；所述压力传感器实时检测液压阀组的输出油口A和输出油口B的压力，从而反馈臂架液压缸有杆腔和无杆腔的压力。

作为本发明的优选方案，所述伺服电机接收驱动器发出的电信号，控制定量液压泵转速，驱动泵车臂架液压缸运动，为整个液压系统提供动力源。

作为本发明的优选方案，所述压力油箱通过三通连接定量液压泵吸油管路和阀组溢流回油管路；压力油箱采用低压充气，为系统管路补充油液的同时保证定量液压泵的壳体压力稳定从而保护定量液压泵。

本发明还提供一种基于上述电静液执行器系统的控制方法，具体包括以下步骤：

1)电气控制模块的控制器接收外部发出的控制指令，并根据接收的控制指令发出相应控制信号；驱动器将控制器发出的信号转化为电信号，驱动器通过电信号对伺服电机进行驱动；

2)伺服电机开始进行运转，从而驱动定量液压泵进行吸油和排油；

3)定量液压泵将油液送入混凝土泵车臂架液压缸中，使混凝土泵车臂架液压缸的活塞杆发生位移；

4)通过位移传感器监测臂架液压缸活塞杆的位移，并将位移信号反馈给电气控制模块的控制器；

5)控制器通过比较反馈信号与期望位移值的差异，计算出控制误差；

6)根据控制误差，控制器发出相应的控制信号，驱动器将控制器发出的信号转化为电信号从而对伺服电机的驱动状态进行调整，使伺服电机输出相应的转矩，进一步调整臂架液压缸的位移；同时，控制器还计算出臂架液压缸的运动速度，并通过调整控制信号以控制液压泵的工作速度；实现对臂架液压缸位移与速度的闭环控制，确保执行器系统按照控制指令准确、稳定地进行运动。

作为本发明的优选方案，所述步骤6)具体如下：

控制器实时对臂架状态进行监测，控制器与液压阀组的压力传感器相连，通过压力传感器实时采集混凝土泵车臂架液压缸的有杆腔压力和无杆腔压力；混凝土泵车臂架液压缸上安装有位移传感器，位移传感器与控制器相连，用于实时采集臂架油缸活塞杆位置，经控制器实时计算出混凝土泵车臂架油缸的运动速度；

控制器还与外部的泵车控制器通信连接，实现泵车控制器与控制器间的控制指令传输；当泵车遥控器发送混凝土泵车臂架油缸的运动控制指令时，控制器将接收到的运动控制指令并转换为相应的控制信号；

控制器设定收到的控制指令与混凝土泵车臂架油缸速度成线性比例关系，控制器根据控制指令换算出混凝土泵车臂架油缸运动速度，并与实时采集的混凝土泵车臂架油缸运动速度进行比较，将S曲线加减速控制作为前馈补偿环节，使系统加速与减速时实现平滑过渡，将S曲线前馈补偿与模糊PID控制相结合，通过驱动器控制伺服电机转速，调节混凝土泵车臂架油缸运动速度，减少冲击，提升系统的响应时间，实现对混凝土泵车臂架油缸位移与速度的闭环控制。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：

1)本发明采用电静液执行器能够有效减少系统管路，降低系统的整体质量，实现系统的轻量化设计。

2)本发明提出的混凝土泵车臂架电静液执行器采用基于S曲线前馈补偿的模糊PID控制算法，能够有效提高臂架控制系统响应速度，降低臂架速度和位置控制超调量，减少臂架振动。

3)本发明采用分布式的臂架系统，提高了能源利用率，降低了损耗，使系统更加的节能。

4)本发明采用电静液执行器实现了混凝土泵车臂架控制系统的数字化，能够对臂架状态实时监控，及早发现潜在故障并进行诊断，根据监测与记录的数据对臂架寿命进行预测。

附图说明

图1为电静液执行器结构示意图；

图2为电静液执行器伺服电机与液压泵组结构示意图

图3为电静液执行器液压阀组结构示意图；

图4为电静液执行器压力油箱结构示意图；

图5为电静液执行器电气控制模块示意图；

图6为电静液执行器液压原理图；

图7为模糊自适应PID前馈补偿控制器结构图；

图8为S曲线加减速关系图。

其中，101-伺服电机液压泵组，102-液压阀组，103-压力油箱，104-电气控制模块，201-伺服电机，202-定量液压泵，203-泵架，204-联轴器，301-阀块，302-电磁换向阀，303-电磁开关阀，304-压力传感器，305-压力调节阀，306-吸油压力传感器，501-控制器，502-伺服电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步描述本发明。

如图1所示，本实施例的混凝土泵车臂架电静液执行器包括：伺服电机液压泵组101、液压阀组102、压力油箱103、电气控制模块104；伺服电机液压泵组101包括伺服电机201与定量液压泵202，伺服电机与液压泵连接；液压阀组102，其连接定量液压泵；压力油箱103，其连接液压阀组与液压泵；电气控制模块104，所述电气控制模块包括伺服电机驱动器502和控制器501，其接收压力、位移信号与参数，根据控制指令和反馈信息控制伺服电机201、液压阀组的动作从而形成对混凝土泵车臂架液压缸的闭环控制。该系统控制自由度更大、控制精度更高、节能、动作可靠。

如图2所示，本实施例的混凝土泵车臂架电静液执行器的伺服电机液压泵组主要由伺服电机201、定量液压泵202及泵架203组成，伺服电机接收指令信号，控制齿轮泵转速，为整个液压系统提供动力源。

如图3所示，本实施例的混凝土泵车臂架电静液执行器的液压阀组主要由阀块301、电磁开关阀303、电磁换向阀302、压力调节阀305及压力传感器304组成。所述液压阀组输出油口A\B连接泵车臂架液压缸；电磁开关阀用于控制臂架液压缸动作与停止保压；电磁换向阀与阀组输出油口A\B连通，用于控制臂架液压缸伸出与缩回的切换；压力调节阀305用于调节系统压力；所述压力传感器实时反馈输出油口A\B的压力，用于反馈臂架液压缸有杆腔和无杆腔的压力。

如图4所示，本实施例的混凝土泵车臂架电静液执行器的压力油箱，其通过三通连接定量液压泵吸油管路和阀组溢流回油管路；采用低压充气为系统管路补充油液的同时能保证定量油液泵的壳体压力稳定从而保护液压泵，降低液压泵的损坏。在阀组溢流回油管路上设置有用于检测吸油压力的吸油压力传感器306。

如图5所示，本实施例的混凝土泵车臂架电静液执行器的电气控制模块包括驱动器和控制器，其接收压力、位移信号，根据控制指令和反馈信息控制伺服电机、液压阀组的动作从而形成对混凝土泵车臂架液压缸的闭环控制。

如图6所示，为本实施例的混凝土泵车臂架电静液执行器的液压原理图。电静液执行器通过定量液压泵直接驱动泵车臂架液压缸运动，通过位移传感器反馈和伺服电机转速控制，实现泵车臂架液压缸速度位置闭环控制；电磁换向阀控制油缸运动方向；电磁开关阀确保油缸在无动作时位置锁定；平衡阀为油缸运动提供背压，保证油缸运动平稳；两个安全阀保护整个液压系统；补油装置用于系统补油和吸收系统多余油液；压力传感器用于检测油缸两腔压力和补油装置压力；温度传感器用于检测油液温度。

如图7所示，所述控制器采取模糊自适应PID前馈补偿的控制方法，首先将输入的信号模糊化，根据模糊化的输入信号与模糊规则进行模糊推理，以确定输出的控制动作，根据模糊推理的结果，将模糊输出转化为实际的控制量。前馈补偿负责提前校正控制器的输出以抵消扰动或误差。PID控制器的输出作为控制量送入执行机构，对系统进行调节。控制器实时对臂架状态进行监测，控制器通过防水插头与液压阀组的压力传感器相连，通过信号采集模块实时采集臂架油缸有杆腔压力和无杆腔压力；臂架油缸上安装有拉线位移传感器，拉线位移传感器与控制器的CAN通讯模块相连，可实时采集臂架油缸活塞杆位置，经ARM芯片运算，可实时计算出臂架油缸的运动速度。

控制器通过CAN通讯模块与泵车控制器相连，实现泵车控制器与控制器间的控制指令传输，当泵车遥控器发送臂架油缸的运动控制指令时，控制器将接收到的运动控制指令传输至ARM芯片。

控制器设定收到的控制指令与臂架油缸速度成线性比例关系，控制器根据控制指令换算出臂架油缸运动速度，并与实时采集的臂架油缸运动速度进行比较，通过图8所示的S曲线加减速控制作为前馈补偿环节，提前预测系统输入与输出的关系，使系统加速与减速时实现平滑过渡，避免突变和冲击，帮助系统更快地相应变化。将其与模糊PID控制相结合控制电机转速，从而调节臂架油液缸运动速度，减少冲击，提升系统的响应时间，实现对臂架液压缸的速度闭环控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种混凝土泵车臂架电静液执行器系统，其特征在于，包括：

伺服电机液压泵组(101)，包括伺服电机与定量液压泵，所述伺服电机与定量液压泵连接；

液压阀组(102)，其连接定量液压泵，其输出油口连接外部的混凝土泵车臂架液压缸；

压力油箱(103)，与液压阀组的溢流回油管路以及定量液压泵的吸油管路连接；

电气控制模块(104)，包括驱动器、控制器以及位移传感器；所述位移传感器设置在混凝土泵车臂架液压缸上，控制器用于接受控制指令和位移传感器反馈的位移信号并发出相应控制信号，驱动器将控制器发出的信号转化为电信号，控制伺服电机液压泵组(101)、液压阀组(102)的动作从而形成对混凝土泵车臂架液压缸位移与速度的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架电静液执行器系统，其特征在于，所述液压阀组包括阀块(301)、电磁开关阀(303)、电磁换向阀(302)、压力调节阀(305)及压力传感器(304)；所示液压阀组包括输出油口A和输出油口B，液压阀组的输出油口A和输出油口B分别连接混凝土泵车臂架液压缸的有杆腔和无杆腔；所述电磁开关阀用于控制混凝土泵车臂架液压缸动作与停止保压；所述电磁换向阀与液压阀组的输出油口A和输出油口B联通，用于控制混凝土泵车臂架液压缸的活塞杆伸出与缩回的切换；所述压力调节阀用于调节所述混凝土泵车臂架电静液执行器系统压力；所述压力传感器实时检测液压阀组的输出油口A和输出油口B的压力，从而反馈臂架液压缸有杆腔和无杆腔的压力。

3.根据权利要求1所述混凝土泵车臂架电静液执行器系统，其特征在于，所述伺服电机接收驱动器发出的电信号，控制定量液压泵转速，驱动泵车臂架液压缸运动，为整个液压系统提供动力源。

4.根据权利要求1所述的混凝土泵车臂架电静液执行器系统，其特征在于，所述压力油箱通过三通连接定量液压泵吸油管路和阀组溢流回油管路；压力油箱采用低压充气，为系统管路补充油液的同时保证定量液压泵的壳体压力稳定从而保护定量液压泵。

5.一种基于权利要求2所述电静液执行器系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)电气控制模块的控制器接收外部发出的控制指令，并根据接收的控制指令发出相应控制信号；驱动器将控制器发出的信号转化为电信号，驱动器通过电信号对伺服电机进行驱动；

2)伺服电机开始进行运转，从而驱动定量液压泵进行吸油和排油；

3)定量液压泵将油液送入混凝土泵车臂架液压缸中，使混凝土泵车臂架液压缸的活塞杆发生位移；

4)通过位移传感器监测臂架液压缸活塞杆的位移，并将位移信号反馈给电气控制模块的控制器；

5)控制器通过比较反馈信号与期望位移值的差异，计算出控制误差；

6)根据控制误差，控制器发出相应的控制信号，驱动器将控制器发出的信号转化为电信号从而对伺服电机的驱动状态进行调整，使伺服电机输出相应的转矩，进一步调整臂架液压缸的位移；同时，控制器还计算出臂架液压缸的运动速度，并通过调整控制信号以控制液压泵的工作速度；实现对臂架液压缸位移与速度的闭环控制，确保执行器系统按照控制指令准确、稳定地进行运动。

6.根据权利要求5所述电静液执行器系统的控制方法，其特征在于，所述步骤6)具体如下：

控制器实时对臂架状态进行监测，控制器与液压阀组的压力传感器相连，通过压力传感器实时采集混凝土泵车臂架液压缸的有杆腔压力和无杆腔压力；混凝土泵车臂架液压缸上安装有位移传感器，位移传感器与控制器相连，用于实时采集臂架油缸活塞杆位置，经控制器实时计算出混凝土泵车臂架油缸的运动速度；

控制器还与外部的泵车控制器通信连接，实现泵车控制器与控制器间的控制指令传输；当泵车遥控器发送混凝土泵车臂架油缸的运动控制指令时，控制器将接收到的运动控制指令并转换为相应的控制信号；

控制器设定收到的控制指令与混凝土泵车臂架油缸速度成线性比例关系，控制器根据控制指令换算出混凝土泵车臂架油缸运动速度，并与实时采集的混凝土泵车臂架油缸运动速度进行比较，将S曲线加减速控制作为前馈补偿环节，使系统加速与减速时实现平滑过渡，；将S曲线前馈补偿与模糊PID控制相结合，通过驱动器控制伺服电机转速，调节混凝土泵车臂架油缸运动速度，减少冲击，提升系统的响应时间，实现对混凝土泵车臂架油缸位移与速度的闭环控制。