CN218297799U - 一种快速响应的液压闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快速响应的液压闭环控制系统，包括油箱组件、电机泵组、阀控系统和执行机构系统，所述油箱组件包括油箱、液位计、空气滤清器、温度传感器和液位继电器，所述电机泵组包括工作系统泵组、先导油系统和循环系统，所述阀控系统包括液控单项阀、逻辑阀、节流阀和比例溢流阀，所述执行机构系统包括加载缸、位移传感器和力传感器。本实用新型属于液压控制技术领域，具体是指一种通过闭环控制实现力的稳定输出和快速卸载的功能的快速响应的液压闭环控制系统。

Description

一种快速响应的液压闭环控制系统

技术领域

本实用新型属于液压控制技术领域，具体是指一种快速响应的液压闭环控制系统。

背景技术

液压系统可分为两类，液压传动系统和液压控制系统，液压控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要，目前现有的液压控制系统结构复杂，控制精度低，在实际应用中难以操控，加载力输出和卸载不稳定，速度慢，使用不方便。

实用新型内容

为了解决上述难题，本实用新型提供了一种通过闭环控制实现力的稳定输出和快速卸载的功能的快速响应的液压闭环控制系统。

为了实现上述功能，本实用新型采取的技术方案如下：一种快速响应的液压闭环控制系统，包括油箱组件、电机泵组、阀控系统和执行机构系统，所述油箱组件包括油箱、液位计、空气滤清器、温度传感器和液位继电器，油箱是装载液压油的容器，温度传感器实时监测油箱内油液的温度，当到达设置值时，系统发出报警，液位继电器用来检测油箱内油液的液位，当液面下降到液位继电器触发位置时，系统提示报警，并停止工作，防止油泵吸空导致元件损坏；所述电机泵组包括工作系统泵组、先导油系统和循环系统，工作系统泵组主要是为工作系统提供动力源，保证系统的稳定运行；先导油系统是为阀控系统提供先到油液，控制阀控系统内的阀芯动作；循环系统属于辅助系统，不参与主要工作，它的功能是冷却和过滤油液，保证油液的工作温度和清洁度；所述阀控系统包括液控单项阀、逻辑阀、节流阀和比例溢流阀，液控单项阀和逻辑阀控制加载缸的伸出和缩回动作，所述节流阀作为开关阀使用，节流阀在本系统里作为开关阀使用，比例溢流阀控制加载缸输出力的大小；所述执行机构系统包括加载缸、位移传感器和力传感器，加载缸通过力传感器和阀控系统组成的闭环控制，自动调节输出想要的力值，通过位移传感器测算加载缸的运动速度，并与工作电机泵组组成闭环系统，通过电机调节泵输出流量，从而达到控制加载缸的运动速度。

作为优选地，所述阀控系统还包括溢流阀，溢流阀作为比例溢流阀的补充，当比例溢流阀出现故障时，可用溢流阀手动调节加载缸的输出力。

作为优选地，所述加载缸的加载力区间为0.5T—5T。

作为优选地，所述加载力区间精度波动范围为±50kg。

作为优选地，所述加载缸的速度为0～20mm/s。

本实用新型采取上述结构取得有益效果如下：本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统，操作简单，结构紧凑，设计合理，实现液压加载试验台的自动控制，通过液压加载系统为被测对象提供恒定的加载力，来实现验证目的。该系统主要实现参数设置，主动、被动加载力的闭环控制，位移精确测量，系统油温监测及预报警，急停，数据存储等。系统可通过触摸屏实现对液压站的控制，数据显示，预报警提示，数据查询，数据下载等功能。

附图说明

图1为本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统的液压原理图；

图2为本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统的触摸屏控制自动界面图；

图3为本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统的触摸屏控制手动界面图；

图4为本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统的触摸屏控制控制参数界面图；

图5为本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统的电气控制原理图；

图6为本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统的输出特性曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以下结合附图，对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的快速响应的液压闭环控制系统，包括油箱组件、电机泵组、阀控系统和执行机构系统，油箱组件包括油箱、液位计、空气滤清器、温度传感器和液位继电器，油箱是装载液压油的容器，温度传感器实时监测油箱内油液的温度，当到达设置值时，系统发出报警，液位继电器用来检测油箱内油液的液位，当液面下降到液位继电器触发位置时，系统提示报警，并停止工作，防止油泵吸空导致元件损坏；电机泵组包括工作系统泵组、先导油系统和循环系统，工作系统泵组主要是为工作系统提供动力源，保证系统的稳定运行；先导油系统是为阀控系统提供先到油液，控制阀控系统内的阀芯动作；循环系统属于辅助系统，不参与主要工作，它的功能是冷却和过滤油液，保证油液的工作温度和清洁度；阀控系统包括液控单项阀、逻辑阀、节流阀和比例溢流阀，液控单项阀和逻辑阀控制加载缸的伸出和缩回动作，节流阀作为开关阀使用，节流阀在本系统里作为开关阀使用，比例溢流阀控制加载缸输出力的大小；执行机构系统包括加载缸、位移传感器和力传感器，加载缸通过力传感器和阀控系统组成的闭环控制，自动调节输出想要的力值，通过位移传感器测算加载缸的运动速度，并与工作电机泵组组成闭环系统，通过电机调节泵输出流量，从而达到控制加载缸的运动速度。阀控系统还包括溢流阀，溢流阀作为比例溢流阀的补充，当比例溢流阀出现故障时，可用溢流阀手动调节加载缸的输出力。

如图2-4所示，液压站闭环控制系统通过触摸控制屏对下位机PLC发送参数设置和运动指令，PLC根据设置及指令要求对液压站的高低压阀、先导阀、比例溢流阀以及变频电机的控制器进行控制，实现试验要求的主动加载、被动加载以及静载等工况要求。

触摸屏软件设计：

1)参数设置

可通过触摸屏软件实现被测对象编号设置，加载力设置，运动方向设置，油缸速度设置，工作模式设置，油温报警限值设置，以及手动/自动控制的选择。

a.被测对象编号设置：通过手动录入被测对象编号，并与试验数据一起存储在触摸屏中。

b.加载力设置范围：0.5T～5T；

c.运动方向：伸/缩；

d.油缸速度：0～20mm/s可设；

e.工作模式：包含主动推力，主动拉力，被动拉力，被动推力，静载五种工作模式，满足被测对象在外伸和回收状态下分别承受恒定的推力和拉力负载.

其中主动推力状态：被测对象运动方向为回收，液压缸运动方向为外伸，推力由无杆腔提供，力值范围满足0.5T～5T；主动拉力状态：被测对象运动方向为外伸，液压缸运动方向为回收，拉力由有杆腔提供，力值范围满足0.5T～5T；被动拉力：被测对象运动方向为回收，液压缸运动方向为外伸，拉力由有杆腔提供，力值范围满足0.5T～5T；被动推力：被测对象运动方向为外伸，液压缸运动方向为回收，推力由无杆腔提供，力值范围满足0.5T～5T；静载：静载时，被测对象不动，液压缸可提供0.5T～5T的拉力和推力加载，力保持时间不小于15min。

f.油温报警限值设置：系统油温报警限制可通过触摸屏软件进行设置，默认值为设计建议值。

g.手动/自动控制选择：其中手动模式对应手动设置界面，需配合手动阀完成加载试验；自动控制模式：系统通过参数设置成功后，系统内部自动对设置值和实际值进行比对，进行PID调节，且根据工作模式的选择，自动完成各模式下的加载试验。

2)数据显示

触摸屏可对当前的泵转速，油缸运行速度，比例溢流阀开度，左右压力值，当前位移，加载力大小，当前工作模式，油缸方向，油温等进行显示。

3)指令下发

触摸屏与下位机PLC通过总线连接，实现设置指令及运动指令给PLC的下发。

4)数据存储

试验过程中的：时间，被测对象编号，泵转速，油缸运行速度，比例溢流阀开度，左右压力值，位移值，加载力大小，当前工作模式，油缸方向，油温等数据按照EXCEL文档的格式进行存储，方便后期通过文件拷贝的形式下载数据。

5)数据查询

具备数据查询功能，可以对试验数据进行表格回放，对单项数据曲线形式查询分析。

6)校时功能：试验前可与笔记本电脑连接实现时间校准功能。

PLC软件设计要求：

PLC软件根据触摸屏给出的指令，能够对不同工作模式的先导阀开启/关闭，高/低压阀的切换等进行控制，同时可根据设置的加载力、液压缸速度等与对应传感器的实际反馈进行比较，对力值和电机频率进行PID调节，实现力值的稳定可靠保持。

力值调节控制精度：±3％FS；

力加载响应时间≤50ms，力卸载响应时间≤7ms。

具体使用时，如图5所示，力调整过程如下：

1、拉力负载状态(被动)

分析：液压缸被动并处于拉力状态，系统低压，油液进入无杆腔，调整右侧(有杆腔侧)溢流阀，有杆腔稳压。

当被试电缸需要提供拉力时，主泵启动，高低压切换阀组切换到低压状态，无杆腔切换阀打开，主泵油液进入无杆腔，有杆腔切换阀同样打开，比例溢流阀开始调整压力到目标值，然后采集力传感器读数，进行自动校正，然后比例阀输入电流调整，输出值达到稳态，系统保证恒定负载。

拉力试验(被动)：液压缸被动并处于拉力状态，系统低压，油液进入无杆腔并调整本侧溢流阀至最低压；调整右侧(有杆腔侧)溢流阀，确保工作时有杆腔稳压。

拉力值+左压力＝右压力(左压力＝0％＝4mA 右压力＝29.7％＝8.76mA)

2、推力负载状态(被动)

分析：液压缸被动并处于推力状态，系统低压，油液进入有杆腔，调整左侧(无杆腔侧)溢流阀，无杆腔稳压。

当被试电缸需要提供推力时，主泵启动，高低压切换阀组切换到低压状态，有杆腔切换阀打开，主泵油液进入有杆腔，无杆腔切换阀同样打开，比例溢流阀开始调整压力到目标值，然后采集力传感器读数，进行自动校正，然后比例阀输入电流调整，输出值达到稳态，系统保证恒定负载。

推力试验(被动)：液压缸被动并处于推力状态，系统低压，油液进入有杆腔并调整本侧溢流阀至最低压；调整左侧(无杆腔侧)溢流阀，确保工作时无杆腔稳压。

推力值+右压力＝左压力(左压力＝18.2％＝6.92mA 右压力＝0％＝4mA)

3、拉力负载状态(主动)

分析：液压缸主动并处于拉力状态，系统高压，油液进入有杆腔，调整右侧(有杆腔侧)溢流阀，无杆腔此时处于卸荷。

当被试电缸需要提供拉力时，主泵启动，高低压切换阀组切换到高压状态，有杆腔切换阀打开，主泵油液进入有杆腔，比例溢流阀开始调整压力到目标值，然后采集力传感器读数，进行自动校正，然后比例阀输入电流调整，输出值达到稳态，系统保证恒定负载，无杆腔此时处于卸荷状态。

拉力试验(主动)：液压缸主动并处于拉力状态，系统高压，油液进入有杆腔并调整右侧溢流阀达到设定压力；调整左侧(无杆腔)溢流阀，处于低压、卸荷状态。

拉力值＝右压力-左压力(左压力＝0％＝4mA 右压力＝29.7％＝8.76mA)

4、推力负载状态(主动)

分析：液压缸主动并处于推力状态，系统高压，油液进入无杆腔，调整左侧(无杆腔侧)溢流阀，有杆腔此时处于卸荷。

当被试电缸需要提供推力时，主泵启动，高低压切换阀组切换到高压状态，无杆腔切换阀打开，主泵油液进入无杆腔，比例溢流阀开始调整压力到目标值，然后采集力传感器读数，进行自动校正，然后比例阀输入电流调整，输出值达到稳态，系统保证恒定负载，有杆腔此时处于卸荷状态.

推力试验(主动)：液压缸主动并处于推力状态，系统高压，油液进入无杆腔并调整左侧溢流阀达到设定压力；调整右侧(有杆腔)溢流阀，处于低压、卸荷状态。

推力值＝左压力-右压力(左压力＝18.2％＝6.92mA 右压力＝0％＝4mA)

5、保压状态

当系统需要静止保压时，所有切换阀均关闭，保压模块介入工作，当力小于目标值一定范围内时，主泵启动工作，进行超调补压。完成后自动卸荷。

6、系统力值输出特性分析

如图6所示，在系统调试时，根据模拟负载，实际测试比例阀输出与压力关系如下，拟合出输出特性曲线及公式，将特性关系存储于系统内部。在实际测试过程中，系统自动运算给定输出，再实时动态调节，以保证响应时间快、控制精度高，达到系统控制要求。

Mpa	占13.8百分比％	实际图形曲线百分比％
			1	7	20
2	14	30
			3	22	38
4	29	44
			5	36	50
6	43	55
			7	51	60
8	58	68
			9	65	71
10	72	77
			11	80	82
12	87	85
			13	94	92
13.8	100	100

以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种快速响应的液压闭环控制系统，其特征在于：包括油箱组件、电机泵组、阀控系统和执行机构系统，所述油箱组件包括油箱、液位计、空气滤清器、温度传感器和液位继电器，所述电机泵组包括工作系统泵组、先导油系统和循环系统，所述阀控系统包括液控单项阀、逻辑阀、节流阀和比例溢流阀，所述执行机构系统包括加载缸、位移传感器和力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种快速响应的液压闭环控制系统，其特征在于：所述阀控系统还包括溢流阀。

3.根据权利要求2所述的一种快速响应的液压闭环控制系统，其特征在于：所述加载缸的加载力区间为0.5T—5T。

4.根据权利要求3所述的一种快速响应的液压闭环控制系统，其特征在于：所述加载力区间精度波动范围为±50kg。

5.根据权利要求4所述的一种快速响应的液压闭环控制系统，其特征在于：所述加载缸的速度为0～20mm/s。

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