CN1170068C - 工程机械中多执行器运动的电液数字分流控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械中多执行器运动的电液数字分流控制系统。液压泵的供油通过油路分别与数个驱动执行器的电液控制单元和溢流阀连接，各电液控制单元的负载压力以电信号与负载敏感控制器的A/D口连接，修正前后的操作指令也以电信号分别与负载敏感控制器的A/D、D/A口连接，负载敏感控制器另有一路D/A口输出负载敏感修正值以电信号与液压泵的变量机构或溢流阀的控制端连接。给各电液控制单元的操作指令是通过电液数字分流控制方法修正后得出的。负载敏感修正值则根据各电液控制单元的负载压力以及分流控制指令、程序预设的各联的优先级、泵的最大输出流量通过负载敏感控制方法修正后得出。它将一个复杂的分流控制变成了一个简单的数字控制方法。

Description

工程机械中多执行器运动的电液数字分流控制系统

                          技术领域

本发明涉及所产生的运动直接与容积式泵的输出有关的系统。

                          背景技术

传统工程机械所采用的各种多执行器负载敏感系统(无论是机液负载敏感系统还是电液负载敏感系统)，如图1所示，液压泵向各电液控制单元供油；各电液控制单元将负载压力引到高压选择阀，高压选择阀选出其中最高压力输出到负载敏感油路；负载敏感油路的压力用于液压泵变量机构或溢流阀的控制；操作指令直接用电路连到各电液控制单元进行控制。采用分流比控制的方法可以在泵的输出流量不足时实现流量的合理分配。但当各执行器所驱动的惯性负载大小相差较大时，惯性较小的一联得不到所需的全部流量而运动速度缓慢；而惯性较大的一联由于速度不可能迅速达到其给定值，因而其分流流量只能从安全阀上旁路值，从而造成了这部分流量的浪费，降低了泵输出流量的利用率。在大、小惯性负载复合控制中普遍存在因泵的输出流量不足导致分流比控制失效、泵输出流量的利用率不高等问题。

                          发明内容

本发明提供采用以压差的进、出口独立调节单元作为各执行器的控制单元、并采用电控方式对泵的排量进行调节的工程机械中多执行器运动的电液数字流控制系统。

本发明采用的技术方案如下：

液压泵的供油通过液压油路分别与数个装有执行器的电液控制单元连接和溢流阀连接(如果选用定量泵，溢流阀用来控制供油压力，如果选用变量泵，溢流阀当安全阀用，平时不通油)，数个电液控制单元的负载压力以电信号与负载敏感控制器的A/D模拟量输入端连接，数个电液控制单元的相应个数的操作指令和修正后的操作指令也以电信号分别与负载敏感控制器的A/D模拟量输入端、D/A模块量输出端连接，负载敏感控制器另有一路D/A模拟量输出端的负载敏感修正信号以电信号与液压泵的变量机构或溢流阀的控制端连接；其特征在于：

1)给每个电液控制单元的流量是根据输入的操作指令，通过电液数字分流控制修正方法修正后得出，其电液数字分流控制修正方法如下：

$Q_{0A}=Q_{0\mathrm{Aset}}(Q_{s\max }>\underset{S_x\≥S_A}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{1x})$

$Q_{0A}=\frac{Q_{s\max }-\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{1x}}{\underset{S_x=S_A}{\mathrm{\Σ}}\frac{Q_{1x}}{Q_{0x}}{Q}_{0\mathrm{xset}}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}(\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{1x}\≤Q_{s\max }\≤\underset{S_x\≥S_A}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{1x})$

$Q_{0A}=0(Q_{s\max }<\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x})$

式中，Q_smax为泵的最大输出流量；Q_0Aset与Q_0xset分别表示对该联以及系统第x联执行器的操作指令，Q_0A与Q_0x分别表示负载敏感控制器输出给该联以及系统第x联执行器控制单元的流量指令，Q_1A与Q_1x分别表示该联以及系统第x联的实际流量，S_A与S_x分别表示该联以及系统第x联的优先级；

2)给液压泵的变量机构或溢流阀的负载敏感信号是根据输入的各电液控制单元负载压力以及输出的分流控制指令、程序预设的各执行器的优先级、泵的最大输出流量通过负载敏感修正方法修正后得出的，电液负载敏感修正方法如下：

u＝g[p_LSset-min(Δp_1A’，Δp_1B’，Δp_1C’......Δp_1n’)]

式中，p_LSset为油源压力与最高负载压力差值的设定值，g(Δp_LS)是一个常规的闭环控制算法，如PID控制等；Δp_1A’，Δp_1B’，Δp_1C’，......Δp_1n’为电液控制单元的进口节流阀阀口压差修正值，修正方法如下：

式中，Q_0A，Q_0B，Q_0C，......Q_0n为负载敏感控制器给各电液控制单元的流量指令，Δp_1A，Δp_1B，Δp_1C，......Δp_1n为各电液控制单元的进口节流阀实际阀口压差，当某一联执行器的操作指令Q₀为零时，该联就不参与最小阀口压降的比较。

本发明与现有技术相比，具有的有益的效果是：

1)取消传统多执行器负载敏感系统中的高压选择阀以及相应的负载敏感油路以及各电液控制单元返回负载压力的油路，取而代之的是一套负载敏感控制器；

2)取消传统多执行器负载敏感系统中各电液控制单元与其操作指令之间的电路连线，将各操作指令接到负载敏感控制器的模拟量输入端，将各电液控制单元的指令输入端接到负载敏感控制器的模拟量输出端；

3)负载敏感控制器另有一路模拟量输出端接到液压泵的变量机构或溢流阀的控制端；

4)给各电液控制单元的流量指令是根据输入的操作指令，通过电液数字分流控制修正方法修正后得出的；

5)给液压泵的变量机构和溢流阀的负载敏感信号是根据输入的各电液控制单元负载压力以及输出的分流控制指令、程序预设的各执行器的优先级、泵的最大输出流量通过负载敏感修正方法修正后得出的。

本发明将一个复杂的分流控制变成了一个简单的数字控制方法。

                          附图说明

图1是工程机械中大多数采用的多执行器负载敏感系统结构框图；

图2是本发明的结构框图。

                        具体实施方式

如图2所示，液压泵的供油通过液压油路分别与数个驱动执行器的电液控制单元连接和溢流阀连接，数个电液控制单元的负载压力以电信号与负载敏感控制器的A/D模拟量输入端连接，数个电液控制单元的相应个数的操作指令和修正后的操作指令也以电信号分别与负载敏感控制器的A/D模拟量输入端、D/A模块量输出端连接，负载敏感控制器另有一路D/A模拟量输出端的负载敏感修正信号以电信号与液压泵的变量机构或溢流阀的控制端连接。

给每个电液控制单元的流量是根据输入的操作指令，通过电液数字分流控制算法修正后得出，其电液数字分流控制算法如下：

$Q_{0A}=Q_{0\mathrm{Aset}}(Q_{s\max }>\underset{S_x\&GreaterEqual;S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x})$

$Q_{0A}=\frac{Q_{s\max }-\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x}}{\underset{S_x=S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{Q_{1x}}{Q_{0x}}{Q}_{0\mathrm{xset}}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}(\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x}\&le;Q_{s\max }\&le;\underset{S_x\&GreaterEqual;S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x})$

$Q_{0A}=0(Q_{s\max }<\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x})$

其他各联类同。式中，Q_smax为泵的最大输出流量；Q_0Aset与Q_0xset分别表示对该联以及系统第x联执行器的操作指令，Q_0A与Q_0x分别表示负载敏感控制器输出给该联以及系统第x联执行器控制单元的流量指令，Q_1A与Q_1x分别表示该联以及系统第x联的实际流量，S_A与S_x分别表示该联以及系统第x联的优先级。

(1)首先根据不同的优先级将各执行器联进行分档，并求出每一级别下各执行器控制单元进口节流阀阀口流量的和

(2)根据优先级的高低逐级判断泵的最大输出流量是否足以提供该优先级下所有执行器的实际消耗流量：如果足够，则将该优先级下所有执行器控制单元的流量指令Q_0x设为其操作指令Q_0xset，并转到低一级的优先级继续判断；如果不足，则根据各执行器实际消耗流量的比值确定其分流比 并将该分流比与剩余的泵输出流量相乘，作为该执行器控制单元的流量指令，同时把优先级更低联的流量指令设为零即可。

假设系统各联具有相同的优先级，大惯性负载联的操作指令、流量指令以及进口节流阀的阀口流量分别为Q_0Aset、Q_0A和Q_1A，其余各联的惯性负载均较小，其操作指令、流量指令以及进口节流阀的阀口流量之和分别为Q_0Bset、Q_0B和Q_1B，并假定Q_0Bset＜Q_smax＜Q_0Aset+Q_0Bset。

在大惯性负载加速过程的起始阶段，各执行器实际消耗流量之和小于泵的最大输出流量，因此 $Q_{s\max }\&GreaterEqual;\frac{Q_{1A}}{Q_{0A}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}+\frac{Q_{1B}}{Q_{0B}}{Q}_{0\mathrm{Bset}},$ 对各联执行器控制单元的流量指令仍等于其操作指令，即Q_0A＝Q_0Aset、Q_0B＝Q_0Bset。

当大惯性负载的运动速度逐渐提高使泵的输出流量不足时，由于小惯性负载联的实际消耗流量与其流量指令相当，因此可以认为Q_0B＝Q_1B。由此可得：

$Q_{0A}=\frac{Q_{s\max }}{\frac{Q_{1A}}{Q_{0A}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}+\frac{Q_{1B}}{Q_{0B}}{Q}_{0\mathrm{Bset}}}\&CenterDot;Q_{0\mathrm{Aset}}=\frac{Q_{s\max }}{\frac{Q_{1A}}{Q_{0A}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}+Q_{0\mathrm{Bset}}}\&CenterDot;Q_{0\mathrm{Aset}}$

即： $\frac{Q_{0\mathrm{Aset}}}{Q_{0A}}=\frac{Q_{0\mathrm{Bset}}}{Q_{s\max }-Q_{1A}}$

由此可得对各联执行器控制单元的流量指令分别为：

$Q_{0A}=\frac{Q_{s\max }}{\frac{Q_{1A}}{Q_{0A}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}+Q_{0\mathrm{Bset}}}\&CenterDot;Q_{0\mathrm{Aset}}=\frac{Q_{s\max }}{Q_{1A}\&CenterDot;\frac{Q_{0\mathrm{Bset}}}{{Q_{s\max }-Q}_{1A}}{+Q}_{0\mathrm{Bset}}}\&CenterDot;Q_{0\mathrm{Aset}}$

$=\frac{Q_{s\max }-Q_{1A}}{Q_{0\mathrm{Bset}}}\&CenterDot;Q_{0\mathrm{Aset}}$

$Q_{0B}=\frac{Q_{s\max }}{\frac{Q_{1A}}{Q_{0A}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}+Q_{0\mathrm{Bset}}}\&CenterDot;Q_{0\mathrm{Bset}}=Q_{s\max }-Q_{1A}$

各执行器实际消耗流量之和为：

Q_1A+Q_1B＝Q_1A+Q_0B＝Q_1A+Q_smax-Q_1A＝Q_smax

也就是说，即使在大惯性负载的起动阶段，也可以最大限度地利用泵的输出流量。

另外，由于在大惯性负载的加速过程中，其流量指令是从其操作指令逐渐降低到其稳定值，而不是简单地与其实际消耗流量相适应，因此该流量指令的变化不会对大惯性负载的加速过程造成较大影响。

给液压泵的变量机构和溢流阀的负载敏感信号是根据输入的各电液控制单元负载压力以及输出的分流控制指令、程序预设的各执行器的优先级、泵的最大输出流量通过负载敏感算法修正后得出的，电液负载敏感算法如下：

u＝g[p_LSset-min(Δp_1A’，Δp_1B’，Δp_1C’......Δp_1n’)]

式中，P_LSset为油源压力与最高负载压力差值的设定值，g(Δp_LS)是一个常规的闭环控制算法，如PID控制等；Δp_1A’，Δp_1B’，Δp_1C’，......Δp_1n’为电液控制单元的进口节流阀阀口压差修正值，修正算法如下：

式中，Q_0A，Q_0B，Q_0C，......Q_0n为负载敏感控制器给各电液控制单元的流量指令，Δp_1A，Δp_1B，Δp_1C，......Δp_1n为各电液控制单元的进口节流阀实际阀口压差。也就是说，当某一联执行器的操作指令Q₀为零时，该联就不参与最小阀口压降的比较。

所说的负载敏感控制器是有A/D模拟量输入和D/A模拟量输出接口的单片机或可编程逻辑控制器PLC或微机。

Claims (1)

1.工程机械中多执行器运动的电液数字分流控制系统，系统中的液压泵的供油通过液压油路分别与数个驱动执行器的电液控制单元连接和溢流阀连接，数个电液控制单元的负载压力以电信号与负载敏感控制器的A/D模拟量输入端连接，数个电液控制单元的相应个数的操作指令和修正后的操作指令也以电信号分别与负载敏感控制器的A/D模拟量输入端、D/A模块量输出端连接，负载敏感控制器另有一路D/A模拟量输出端的负载敏感修正信号以电信号与液压泵的变量机构或溢流阀的控制端连接；其特征在于：

1)给每个电液控制单元的流量是根据输入的操作指令，通过电液数字分流控制修正方法修正后得出，其电液数字分流控制修正方法如下：

$Q_{0A}=Q_{0\mathrm{Aset}}(Q_{s\max }>\underset{S_x\&GreaterEqual;S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x})$

$Q_{0A}=\frac{Q_{s\max }-\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x}}{\underset{S_x=S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{Q_{1x}}{Q_{0X}}{Q}_{0\mathrm{xsel}}}{Q}_{0\mathrm{Aset}}(\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x}\&le;Q_{s\max }\&le;\underset{S_x\&GreaterEqual;S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x})$

$Q_{0A}=0(Q_{s\max }<\underset{S_x>S_A}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{1x})$

式中，Q_smax为泵的最大输出流量；Q_0Aset与Q_0xset分别表示对该联以及系统第x联执行器的操作指令，Q_0A与Q_0x分别表示负载敏感控制器输出给该联以及系统第x联执行器控制单元的流量指令，Q_1A与Q_1x分别表示该联以及系统第x联的实际流量，S_A与S_x分别表示该联以及系统第x联的优先级；

2)给液压泵的变量机构或溢流阀的负载敏感信号是根据输入的各电液控制单元负载压力以及输出的分流控制指令、程序预设的各执行器的优先级、泵的最大输出流量通过负载敏感修正方法修正后得出的，电液负载敏感修正方法如下：

u＝g[p_LSset-min(Δp_1A’，Δp_1B’，Δp_1C’……Δp_1n’)]

式中，p_LSset为油源压力与最高负载压力差值的设定值，g(Δp_LS)是一个常规的闭环控制算法，如PID控制等；Δp_1A’，Δp_1B’，Δp_1C’，......Δp_1n’为电液控制单元的进口节流阀阀口压差修正值，修正方法如下：

...........

式中，Q_0A，Q_0B，Q_0C，......Q_0n为负载敏感控制器给各电液控制单元的流量指令，Δp_1A，Δp_1B，Δp_1C，......Δp_1n为各电液控制单元的进口节流阀实际阀口压差，当某一联执行器的操作指令Q₀为零时，该联就不参与最小阀口压降的比较。

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