基于泵阀联合控制的负载口独立系统试验研究

为了解决工程机械液压系统能耗高、效率低的问题,提出负载口独立节能系统的泵阀联合控制策略.系统每个执行器由2个比例方向阀分别控制进出口,多个执行器共用一个电比例变量泵.同时考虑变量泵与比例方向阀,设计2层结构的控制器实现该系统的运动控制及节能控制.上层控制器通过负载与指令速度选择合适的工作模式;下层控制器根据选择的工作模式,采用计算流量反馈的速度控制和压力反馈的背腔压力控制调节进出口比例阀阀口开度,利用变压力裕度的电液负载敏感方法控制变量泵的排量.为了验证提出的控制器的有效性,在2t小型挖掘机上,针对挖掘机动臂和斗杆的运动进行试验.试验结果表明,根据不同的工况,动臂和斗杆执行器可以选用相应的工作模式,在满足控制要求的情况下尽可能降低系统能耗;变压力裕度的排量控制器可以根据指令速度改变系统压力裕度,降低传统负载敏感系统压力裕度过大导致的能耗.

负载口独立控制系统压力速度复合控制的耦合特性

以2个比例方向阀组成的负载口独立控制系统为研究对象,分析其压力与速度复合控制中的耦合特性.基于相对增益矩阵,推导反应其相互干扰程度强弱的耦合因子;理论分析其耦合程度与系统不同工作参数之间的关系,总结降低耦合程度的负载口独立系统设计及控制准则.通过仿真模型以及2t小挖系统试验测试,分析该系统的速度及压力特性,验证理论分析的正确性.针对耦合特性的准确分析可为改善负载口独立系统多变量控制性能提供了理论参考.

负载口独立控制系统的节能边界

为了找寻负载口独立控制系统的极限节能边界,并明晰其节能机理,建立传统阀控系统和负载口独立控制系统的静态效率与静态能耗模型,利用归一化处理使模型转化为无量纲形式。选取与传统阀控系统可比拟的2种工况,即同泵源压力和同阀口开度,在负载口独立控制系统处于节能极限时(出油阀口全开)进行对比。仿真分析不同工况下2种系统的静态效率与能耗对比情况,并绘制效率分布谱获取全工况下效率分布对比情况。结果表明:同泵源压力下,负载口独立控制系统最多能提升阀控液压系统效率约5.7%,降低能耗约22.7%;同阀口开度下,负载口独立控制系统最多能提升阀控液压系统效率约19.4%,降低能耗约53%。负载口独立控制系统能够降低阀口节流损耗,进而降低阀控液压系统能耗。

基于容腔压力规划的非模式切换负载口独立电液系统运动控制

负载口独立系统是近年来电液系统的研究热点,但该系统在控制设计上呈现“双输入单输出”特性,控制设计的灵活性是其中关键问题;现有研究主要采用模式切换方法,但不同模式下执行器同一容腔的控制目标频繁切换,易造成压力波动。为此,提出基于容腔压力规划和压力跟踪控制的负载口独立系统控制方法,首先基于液压缸理想驱动力,为有杆腔规划出连续可导的压力参考轨迹,进而为两腔单独设计压力跟踪和运动跟踪控制器,从根本上避免模式切换造成的控制目标不连续。最后,针对动态的正、负负载工况,与主流模式切换方法开展对比试验,证实模式切换导致压力波动的现象,验证此方法可以有效降低容腔压力波动幅度,使负载口独立控制系统的动态过程更为平稳。

负载口独立方向控制系统阀控策略

为获取良好的执行器速度稳定性,介绍了负载口独立方向控制系统的结构和工作原理、各控制器的功能及控制器之间的信号传递关系;采用速度闭环控制方法,以比例电磁换向阀液导值K_a、K_b为控制参数控制比例电磁换向阀的阀芯位移,达到控制执行器速度的目的.提出了系统等效驱动压力P_(eq)、系统等效液导K_(eq)的概念及两者之间应满足的关系,并推导出P_(eq)、K_(eq)的计算方法;分析了系统等效液导K_(eq)与执行机构进、出油口处比例电磁换向阀液导值K_a和K_b相关的敏感性,得出了系统速度敏感性最低时K_a和K_b最佳配比关系,并针对执行元件不同工况建立了具有较好速度稳定性的阀控策略.