基于能量调节的电液变转速液压缸位置控制系统.pdf

第 4 4卷第 1 期 2 0 0 8 年1月 机械工程学报 V o 1 ． 4 4 N o ． 1 CHI NESE J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG J a n ． 2 0 0 8 基于能量调节的电液变转速液压缸位置控制系统木 金 波 沈海阔 俞亚新 2 陈 鹰 1 ．浙江大学流体传动及控制 国家重点实验室杭州3 1 0 0 2 7 ； 2 ．浙江理工大学机械与 自动控制学院杭州3 1 0 0 1 8 摘要电液变转速控制系统因其 良好的功率匹配特性和节能特性，得到广泛的应用，但是其响应速度慢的缺点限制了它的应 用。为了提高电液变转速系统的响应速度，采用在传统电液变转速控制系统中加入能量调节装置的方法，构成一种新型的液 压控制系统，能量调节装置由蓄能器和比例节流阀组成，能够在系统减速时吸收多余的能量，而在系统加速时释放储存的能 量 ，从而加快 系统 的响应速度 。以液压缸位置控制系统为对象 ，介 绍能量 调节器和 系统 的组 成，建立 能量调节器和整个系统 的非线性数学模型，并在该模型的基础上进行系统响应速度和能耗特性的数值仿真分析。仿真结果表明，基于能量调节的电 液变转速控制系统具有很好的频率特性，接近节流调速系统，并且能够保持电液变转速系统的良好节能特点。 关键词能量调节电液变转速系统 中图分类号 T H1 3 7 En e r g y r e g u l a t i o n Ba s e d Va r i a b l e S pe e d Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Po s i t i o n Co nt r o l S y s t e m J IN Bo S HEN Ha i k u o YU Ya x i n CHE N Yi n g 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y , Hang z h o u 3 1 0 0 2 7 ； 2 ． Co l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n ， Z h e j i a n g S c i T e c h Un i v e r s i ty , H ang z h o u 3 1 0 0 1 8 Ab s t r a c t Va r i a b l e s p e e d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e ms we r e wi d e l y u s e d b e c a u s e o f t h e g o o d c h a r a c t e r i s t i c o f p o we r a d a p t i v e a n d e n e r g y s a v i n g ． B u t t h e d y n a mi c c h ara c t e r i s t i c o f v a ri a b l e s p e e d h y dr a u l i c c o n t r o l s y s t e m s i s s l o w， s u c h s y s t e ms are o n l y s u i t a b l e f o r t h e a p p l i c a t i o n s wh i c h d o n ’ t r e q u i r e f a s t d y n a mi c r e s p o n s e ． T o i mp r o v e t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f the v ari a b l e s pe e d h y dra u l i c c o n tr o l s y s t e ms ， a n e n e r g y r e g u l a t i o n d e v i c e wa s s c h e me d o u t t o b e a d d e d o n the s y s t e ms ，t h i s wi l l for m a n e w t y p e o f h y d r a u l i c c o n tr o l s y s t e m e n e r g y r e g u l a t i o n v ari a b l e s p e e d h y dra u l i c c o n t r o l s y s t e m ． T h e e n e r g y r e gul a t i o n d e v i c e c a n a b s o r b r e d u n d a n t o i l fl u i d d u r i n g s y s t e m d e c e l e r a t i o n p e rio d ， a s we l l a s r e l e a s e o i l fl o w d u r i n g s y s t e m a c c e l e r a t i o n p e r i o d ．T h e c o mp o s i t i o n o f th e e n e r g y r e gu l a t i o n d e v i c e a n d t h e e n e r g y r e gu l a t i o n v ari a b l e s p e e d h y dra u l i c c o n tr o l wa s i n tro d u c e d ，a n d t h e n o n l i n e a r ma t h mo d e l o f the wh o l e s y s t e m wa s d e r i v e d ． Di g i t a l s i mu l a t i o n o f t h e s y s t e m wa s c a r r i e d o u t a n d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o ws t h a t t h i s t y p e o f s y s t e m c a n i mp r o v e t h e d y n a mi c g r e a t l y wh i l e t h e e n e r g y c o s t i s v e r y l i t t l e ． Ke y wo r d s En e r g y r e gu l a t i o n Vari a b l e s pe e d h y d r a u l i c s y s t e m 符 号 P 。 能量调节器 内部压力 蓄能器气囊体积 能量调节器初始充油体积 g 蓄能器输出流量 比例节流阀阀心位移 比例节流阀控制电流 国家自然科学基金资助项 5 0 5 0 5 0 4 2 。 2 0 0 7 0 1 2 5 收到初稿， 2 0 0 7 0 7 2 8 收到修改稿 P 。 泵 的输 出压力 q 一一能量调节器输出流量 K 一一比例节流阀流量增益 Ki 比例节流 阀阀心动态增 益系数 C O 一一 比例节流阀阀心白振频率 比例节流 阀总增益 能量调节器总油液体积 油液弹性模量 n 一一异步电动机转速 变频器输入频率 尸一一异步电动机极对数 e 一一异步 电动机 的角加速度 q 泵 的输 出流量 吼泵 的有效排量 ， 7 泵 的容积效率 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 机械工程学报 第 4 4卷第 1 期 溢流 阀开启压力 g 溢流 阀流量 通过比例方向阀的流量 系统管路容积 d 比例方 向阀阀心位移 ， d 比例方向阀控制电流 液压缸左腔压力 P 液压缸右腔压力 0 前言 q 液压缸左腔流量 q v 2 液压 缸右腔流量 比例方向阀总增益 ∞ d 比侈 0 方 向阀阀心 自振 频率 ／ c i 液压缸内泄漏系数 k液压缸外泄漏系数 液压缸左腔初始容积 近年来，随着人们对节能的重视及 电力电子技 术的发展，电液变转速控制技术在液压领域的应用 日益广泛。电液变转速控制技术是通过改变电动机 的转速而使定量泵的输出流量发生变化，从而控制执 行机构的输出I l 】 ，和节流调速系统相比，它 的节流 和溢流损 失都很小， 可 以达到容积式控制的效果I 2 】 。 由于电力电子器件能力所限，变频器驱动 的异 步 电动机 的加速和减速较慢 ，从零速度到满转速要 零点几秒到数秒，虽然采用交流伺服 电动机可 以略 快一些 ，但这 尚不足 以满足需要高响应速度 的场 合【 3 】 。 有研究者提出在系统主回路加装 比例节流 阀， 减速时采用节流控制，来加快减速时的响应速度 ， 但这样又会造成减速 时的节流和溢流能量损失，并 且系统加速时的响应速度仍然无法解决I4 】 。所以到 目前为止，电液变转速技术只应用于液压电梯、液 压升降机等对响应速度要求不高的场合 ，难 以广泛 应用于工业现场 J 。 本文在传统 电液变转速控制系统 中加入 了能 量调节器，构成 了基于能量调节的电液变转速控制 系统，能量调节器能够在适当的时机吸收和释放油 液，使电液系统的加速和减速的快速性都得到了提 高，并且能够进～步节能。 1 能量调节器的对象模型 能量 调节器是基于能量调节 的电液变 转速 液 压缸控制系统中最重要 的环节 。它的主要作用是在 系统减速 的时候 吸收多余的流量 ，减小系统溢流并 加快系统减速过程 ；在系统加速时释放存储在其中 的油液，来加快系统加速过程。 1 ． 1 能量调节器原理结构 能量调节器的结构如图 1 所示， 它 由蓄能器 2 、 溢流阀 1 和比例节流阀 3组成 。蓄能器是能量调节 器的主要元件，它可 以根据系统的需要来吸收和释 液压缸右腔初始容积 液压缸左腔有效面积 。 2 液压缸右腔有效面积 m 一一 活塞杆及 负载 总质量 液压缸阻尼系数 活塞杆位移 系统 误差 】 ， 系统控制器 I [ 的输出 放油液 比例节流阀用来控制能量调节器输出油液 流量的大小；溢流阀在这里做为安全阀使用，正常 情况下不开启。 母 1 ． 2 能量调节器数学模型 假定蓄能器工作在绝热状态，根据气体的热力 学方程[6 】 ，可以得到 p e r ． 常数 1 将式 1 对时间 t 进行微分并整理可得 一 pe O ． 7 V a d Pe 比例节流阀对输入 电流的流量方程 为 s g n p 。 ～P o 3 式中K Ki Ki C d √ 2 ／ 。 能量调节器的流量连续性方程为 。 g 。一g 。 。 ； 。 ■ 【 4 式 2 ～ 4 即为能量调节器的数学模型 。 2 液压缸控制系统的结构模型 2 ． 1 系统的结构组成 本系统为液压缸位置控制系统 ，其原理结构如 图 2所示。系统 中，由普通的异步 电动机驱动定量 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8 年 1月 金波等基于能量调节的电液变转速液压缸位置控制系统 2 7 泵，通过改变变频器的输 出频率可 以改变电动机的 转速，以此来控制泵的输 出流量。比例方 向阀用来 控制油液的流量和液压缸活塞杆的运动方向。液压 缸活塞杆的运动速度 由泵和比例换 向阀共同控制。 能量调节器安装在比例换 向阀的入 口处，可 以在适 当的时候吸收或放出油液 ，用来储存能量和加快系 统的响应速度，油路共分为 ， 和 三个容腔。 图 2 液压缸控制系统结构原理图 2 ． 2 系统 的数学模型 2 ． 2 ． 1 电动机一泵模型 变频器 一电动机系统 的模 型要 由一个 比例环 节和限速环节共同来描述[7 】 ’如图3 所示。 f ． 6 0 f in _ _D U J in 。 5 式中 为变频器能够驱动 电动机 的最大加速度。 定量泵的输出流量 为 p n p q p 叩 6 2 ． 2 ． 2 腔方程 假设溢流阀的动态特性很快 ，以其静态特性来 描述[ 9 - 1 0 】 f q 0 1 q y q p 【 0 ．0 5 p P。≤0． 9 5 p p 。 0 ． 9 5 p 7 腔的管路流量连续性方程为 8 2 ． 2 _ 3 比例方 向阀的数学模型 比例方 向阀的数学模型为 I I _vd√ lp 。 一 p 2l sg n p o P 2 _vd 1 0 1 侗 g n 9 1 l I √ l l sg n p zX vd 1 0 1 g n P o --P 3 0 式中 厶 泵的输 出流量可表示为 qv 1 q v z v d v 1 1 ， ， n 【u J 【 一 Po av e 0 1 8 0 其他 控制器模块图如图 5所示。图 5中，T阀为能 量调节器 中的比例节流 阀，D 阀为系统主回路 的比 例方向阀。 图5 控制器模块图 4 系统数值仿真分析 工程上常见 的液压缸位 置控制系统是进 给 一 停止 一后退方式，相 当于输入方波信号 ，在这里也 用方波信号作为输入 ，活塞杆的位移作为输出。 为了检验本控制系统的性能，另外做了 3组对 比性的仿真试验，分别为节流调速系统、普通的电 液变转速控制系统和节流及 电液变转速复合控制系 统 。这三种液压控制系统的总体结构也都基于图 2 所示的系统，每个系统稍有修改 。 1 节流调速系统 。在此系统试验中，将变频 器的输出频率固定为 5 0 H z ，能量调节器关闭，系 统流量只受 比例方向阀的控制，多余流量从溢流阀 流走 ，这样就构成了节流调速系统 。 2 普通 电液变转速控制系统 。在此系统试验 中，将能量调节器关闭，比例 阀始终开到最大，仅 用于控制液压缸的方向， 系统流量只受变频器控制。 3 节流及 电液变转速复合控制系统 。在此系 统试验 中，能量调节器关闭，系统加速时比例阀开 到最大，流量只受变频器控制 ，减速时由比例阀和 变频器共同控制 ，以加快减速时的响应速度。 将 上述三个 电液系统及本文所述 系统 的所有 液压参数都取相同数值 ，具体参数见表 1 。 系统的输入信号周期为 6 S 、占空比为 5 0 ％的 方波，另三种系统采用 P I D控制，反复调节 P I D参 数，使系统 的性能达到最优 。系统响应、溢流及功 率曲线如图 6 ～8所示 ，三幅曲线图中，曲线 1 ～4 分别表示节流调速 、普通变转速控制 、节流及变转 速符合控制 、基于能量调节 的电液变转速控制系统 的相应输 出，图 6中曲线 5为输入信号。 从 系统 响应 曲线可 以看 出，节流调速系统最 快，它的加速和减速过程都很快，因而曲线 的斜率 变化很大 ；普通 电液变转速系统加速和减速 曲线都 很缓慢；而节流及变转速复合控制系统的加速过程 和普通 电液变转速系统基本一致，但是它的减速过 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8 年 1 月 金波等基于能量调节的电液变转速液压缸位置控制系统 2 9 表 1 电液系统液压参数表 数值 比例节流阀总增益 Kv ／ m 。 A k g “ 比例节流阀阀心 自振频率 ∞ ／ m d S 能量调节器总体积 ／ m 电动机极对数 P 电动机最大角加速度 岛 ／ r S 泵的有效排量 g m r I 泵的容积效率， 7 ／ ％ 溢流阀开启压力p ／ MP a 系统管路容积 m 比例方向阀总增益 K g m 。 A k g i ／2 比例方向阀阀心 自振频率 0 d ／ r a d S 1 液压缸 内泄漏系数 k i ／ Ⅱ 1 4 k g S 液压缸外泄漏系数 。 ／ r I 1 4 k g S 液压缸左腔初始容积 2 ／ m3 液压缸右腔初始容积 ／ m 液压缸左腔有效面积 。 J ／ 液压缸右腔有效面积 A p 2 ／ m2 活塞杆及负载总质量 m g 液压缸阻尼系数 N m S 油液弹性模量 E h ／ MP a 蓦 螺 I} {s 墨 凄 螺 I ll ； 喜 槲 蒸 仿真时间 ∥ s 图 6 系统响应对 比图 ＼＼ 【 卜 ‘ I＼I 仿真时间 ∥ s 图 7 系统溢流对 比图 I ＼ i ＼ ＼ l ＼ I ＼＼ ＼、 ， 仿真时间 f ／ s 图 8 系统功率对 比图 程很快 ，而且从 图 6可看 出它的转速不能降到 0 ， 这就表示它将始终有溢流损失，尽管低速时溢流损 失很小；而基于能量调节型的电液变转速控制系统 的加减速过程几乎与节流调速相同，稍慢一点。 从图 7可 以看出，节流调速的溢流最大，当液 压缸不动时所有 的油液都通过溢流阀溢流 ，造成大 量 的能量损失；而普通电液变转速系统的溢流量几 乎为 0 ，在图中无法显示；节流及变转速复合控制 系统在减速 时出现了明显的溢流 ，由于液压缸的不 对称性 ，在 向左和向右减速时出现 了大小不同的溢 流尖峰；基于能量调节型的电液变转速控制系统也 有溢流现象 ，但是相比节流及变转速复合控制系统 很小，曲线的高度和宽度都不到 l ／ 3 。 如 图 8所示 ，四种系统的功率曲线变化规律和 溢流 曲线很相似 ，节流调速的功耗最大，只有在方 向阀开启时由于系统压力下降， 才使功耗稍有降低， 其他时刻均满功率溢流；普通 电液变转速系统的功 耗最小 ，泵 的输 出基本全部用来供给液压缸做功， 只是在液压缸加减速时 由于方向阀会出现频繁的左 右切换，引起节流损失，在功率曲线上会出现一段 短暂的振荡尖峰 ，用双向液压泵可消除这一现象 。 从功率 曲线可以看 出，基于能量调节型 的电液变转 速控制系统的功耗很小，只比普通 电液变转速系统 稍大，而远远小于节流调速系统和节流及变转速复 合控制系统。 用系统输 出与输入 曲线 的方均根差来表 征系 统的误差和响应速度，并且求出系统的平均功率， 这样更直观些 ，如表 2所示 。 表 2 系统的平均 误差 及功 率对 比 表 2中 5 结论 一 f T 3 f o Pd f 1 9 2 O 1 所研究系统能够大大提高传统 电液变转速 系统的响应速度，具有接近于普通节流调速系统的 响应速度 。 ～ 如 一 一 如 一 ～ 加 一 ～ ～ ～ ～ 如 ～ 瑚 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 机械工程学报 第 4 4卷第 1 期 2 在维持快速响应 的同时，所研究系统 的能 耗很低，与传统的电液变转速系统能耗相差不 多， 大大低于节流及变转速复合控制系统 。 3 所研究系统实现方便，可以通过在原有的 液压系统中加装能量调节器来完成改造，具有很好 的应用价值 。 4 通过仿真分析 ，对所研究系统的控制特性 有了深刻的理解，为建立试验台进行进一步的实际 试验奠定了基础。 参考文献 [ 1 】Y A N G H u a y o n g ， Y A NG J i a n ， X U B i n g ， C o m p u t a t i o n a l s i mu l a t i o n a n d e x p e rime n t a l r e s e a r c h o n s p e e d c o n t r o l o f V V VF h y d r a u l i c e l e v a t o r [ J ] ． C o n tr o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ，2 00 4，1 2 5 63 - 56 8． [ 2 】 L I U G P ，DE L A Y S ．O p t i ma l t u n i n g n o n l i n e ar P I D c o n tr o l o f h y d r a u l i c s y s t e ms [ J ] ．C o n tr o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 0 0 ， 8 1 0 4 5 1 0 5 3 ， [ 3 】彭天好， 徐兵，杨华勇．变频液压技术的发展及研究综 述[ J 】 ．浙江大学学报，2 0 0 4 ，3 8 2 2 1 5 2 2 1 ． P E NG Ti a n h a o ， XU Bi n g ， YANG Hu a y o n g ， De v e l o p me n t and r e s e arc h o v e r v i e w o n v ari a b l e fre q u e n c y h y dra u l i c t e c h n o l o g y [ J ] ． J o u r n a l o f Z h e j i ang U n i v e r s i t y , 2 0 0 4 ， 3 8 2 21 5 ． 2 21 ． [ 4 】KI M C S ， L E E C O． S p e e d c o n tr o l o f a n o v e r c e n t e r e d v ari a b l e d i s p l a c e me n t h y dr a u l i c mo t o r wi t h a l o a d t o r q u e o b s e rve r [ J ] ．C o n tr o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ，1 9 9 6 ，1 1 l 5 63 ． 1 57 0 ． [ 5 】HA K AN A k y i l d i z ． E x p eri me n t a l i n v e s t i g a t i o n o f p r e s s u r e d i s m b u t i o n o n a c y l i n d e r d u e t o也e wa v e d i f f r a c t i o n i n a fi n i t e wa t e r d e p t h [ J ] ，Oc e an E n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ，2 9 1 l1 9． 1 1 3 2． [ 6 】S OU Z A O H， B A R B I E R I J r ， S A NT OS N， e t a 1 ． S tud y o f h y d r a u l i c tra n s i e n t s i n h y dr o p o we r p l a n t s t h r o u g h s i mu l a t i o n o f n o n l i n e ar mo d e l o f p e n s t o c k and h y dra u l i c tu r b i n e mo d e l [ J ] ， I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o we r S y s t e ms 1 9 9 9 ， 1 4 4 1 2 6 9 1 2 7 2 ． [ 7 】R ADE K Ma n a s e k ．S i mu l a t i o n o f a n e l e c tr o - h y dra u l i c l o a d - s e n s i n g s y s t e m wi t h AC mo t o r a n d f r e q u e n c y c h a n g e r [ C ] ／ ／ P r o c ，o f l s t F P N I - P h D S y m p ． ，Ha mb urg ， 2 0 00 3l 1 - 3 2 4． [ 8 】H E R KO MME RR ． Wa y s t o w ard s e n e r g y s a v i n ginh y d r a u l i c s t e e r i n g s y s t e ms [ C ] ／ ／ 3 r d I n t e r n a t i o n a l F l u i d P o w e r Con f e r e n c e ，Aa c he n Sh a ke r Ve r l a g，2 00 246 5 4 7 4． [ 9 】MOT A ME D F a r z i n ， Us e o f a v ari a b l e f r e q u e n c y mo t o r c o n tro l l e r t o dri v e AC mo t o r p u mp s o n a i r c r a f t h y dra u l i c s y s t e ms [ C ] ／ ／ Ae r o s p a c e P o w e r P r o c e e d i n g s o f the I n t e r s o c i e ty En e r g y Co n v e r s i o n En g i n e e r i n g Co n f e r e n c e ．V1 l 9 9 5 ，I E E E，P i s c a t a wa y ，NJ ， US A, 9 5 C H3 5 8 2 9 ，1 9 9 5 1 9 2 4． [ 1 0 】L U Yo n g x i a n g ． H i s t o ri c a l p r o g r e s s a n d p r o s p e c t s o f fl u i d p o w e r tr ans mi s s i o n and c o n tr o l [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g o f the 5 th I n t e rn a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Fl u i d P o we r Tr a n s mi s s i o n a n d C o n tr o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i ty， C h i n a ， 2 0 0 l l l J ． 作者简介金波，男，1 9 7 1 年出生，副教授。主要研究方向为电液控制 系统。 E ma i l b j i n z j u ．e d u ． c n 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m