電液流量匹配控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)研究

電液流量匹配控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)研究

隨著中國城市建設(shè)和工業(yè)的快速發(fā)展，國際市場的不斷擴(kuò)大，給挖掘機(jī)和其他工程行業(yè)帶來了巨大機(jī)遇。然而，鑒于世界上能源和環(huán)境危機(jī)等重大問題，挖掘機(jī)和其他工程機(jī)械迫切需要節(jié)約能源和環(huán)境，我們正在尋求新的解決方案。另一方面，對(duì)挖掘機(jī)和其他工程機(jī)械產(chǎn)品的控制和智能化控制的要求越來越高。隨著機(jī)槍和其他工程機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展，以及基于電比的多臂閥的電比和開環(huán)泵流量適應(yīng)管理制度（eh-mc），我們必須滿足電比流量適應(yīng)性管理制度的需要。采用泵閥聯(lián)合監(jiān)測方法，提高系統(tǒng)靈活性和靈活性。負(fù)載敏感系統(tǒng)(loadsensing,LS)是目前應(yīng)用最廣泛的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)之一.然而由于負(fù)載敏感系統(tǒng)壓力反饋系長管道傳輸,且具有預(yù)設(shè)泵出口與最高負(fù)載之間壓力裕度進(jìn)行閉環(huán)控制等特點(diǎn),時(shí)而出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩和響應(yīng)滯后等一系列的問題,影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操控性能.而應(yīng)用電比例多路閥和電比例泵的電液流量匹配控制系統(tǒng)采用泵閥同步控制的方式,可以基本消除傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)控制中泵滯后閥的現(xiàn)象,同時(shí)不用預(yù)設(shè)泵出口壓力與最高負(fù)載壓力之間的壓力裕度,不需最高負(fù)載壓力反饋閉環(huán)控制,因此在動(dòng)態(tài)性能和節(jié)能方面具有較大改善的潛能.20世紀(jì)90年代,Harms等在研究負(fù)載敏感等系統(tǒng)中提到流量匹配液壓原理.提出通過檢測手動(dòng)、液控多路閥閥芯位移計(jì)算系統(tǒng)所需流量來控制泵的排量.2004年開始,Helduser等以挖掘機(jī)為對(duì)象,對(duì)通過檢測閥后補(bǔ)償器位移而間接實(shí)現(xiàn)流量閉環(huán)控制的方式進(jìn)行了討論.2005年開始,Harms等以農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)為對(duì)象,對(duì)比分析定壓、定流、負(fù)載敏感系統(tǒng)和電液流量匹配控制系統(tǒng)的節(jié)能、響應(yīng)性等,且針對(duì)流量過多情況下的系統(tǒng)節(jié)能性和響應(yīng)性進(jìn)行了初步的理論探討.系統(tǒng)采用的是閥前補(bǔ)償形式的電比例多路閥.力士樂公司更把流量匹配控制液壓系統(tǒng)譽(yù)為下一代的負(fù)載敏感控制,盡管其2008年已經(jīng)發(fā)布了相關(guān)系統(tǒng)信息,至目前為止還未見報(bào)道其他液壓元件和主機(jī)廠家涉足該類產(chǎn)品的開發(fā),極少數(shù)研究機(jī)構(gòu)在近幾年才有公開研究報(bào)道,國內(nèi)鮮見相關(guān)文獻(xiàn)提到研究者對(duì)該類系統(tǒng)進(jìn)行分析.盡管近5年來國外研究者已初步開始對(duì)電液流量匹配系統(tǒng)的研究,但是系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展,工程應(yīng)用性能還有待提高.尤其針對(duì)工況惡劣、復(fù)合動(dòng)作要求較高的挖掘機(jī)工程機(jī)械的應(yīng)用環(huán)境,國內(nèi)外都還未對(duì)電液流量匹配控制系統(tǒng)在其上的應(yīng)用進(jìn)行研究,可以說挖掘機(jī)電液流量匹配控制系統(tǒng)技術(shù)的研究尚處于起步階段.本研究基于自主研制的電液流量匹配控制系統(tǒng)挖掘機(jī)試驗(yàn)樣機(jī),仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析基于與負(fù)載壓力無關(guān)流量分配(lastdruckunabhue562ngigedurchflussverteilung,LUDV)多路閥的負(fù)載敏感系統(tǒng)與電液流量匹配控制系統(tǒng)的節(jié)能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性.試驗(yàn)研究電液流量匹配控制系統(tǒng)的抗流量飽和流量共享分配特性,并通過典型挖掘工況對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)能耗進(jìn)行評(píng)估.1壓力補(bǔ)償器閥芯壓力傳遞函數(shù)如圖1所示為LUDV負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)最高負(fù)載壓力pLs通過由主閥3、4和閥后補(bǔ)償器5、6組成的LUDV多路閥反饋到負(fù)載敏感泵2的流量控制閥,負(fù)載敏感泵僅提供系統(tǒng)所需求的流量和壓力,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力流量自適應(yīng)控制.如圖2所示為LUDV電液流量匹配控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)簡圖,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)相比,電控變量泵2取代了負(fù)載敏感泵,并采用同樣的多路閥控制元件,減少最高負(fù)載壓力的反饋油路.電液流量匹配控制系統(tǒng)中控制器輸出比例控制信號(hào)U1、U2到多路閥的同時(shí),考慮泵、閥的先導(dǎo)控制流量以及泵轉(zhuǎn)速等參數(shù)的影響,輸出流量控制信號(hào)Up控制電比例泵的斜盤擺角,實(shí)現(xiàn)泵閥之間的流量匹配.電比例泵提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需流量,以滿足系統(tǒng)流量和壓力要求.電液流量匹配控制系統(tǒng)采用泵、閥幾乎同步控制的開環(huán)液壓控制回路,可以基本消除負(fù)載敏感系統(tǒng)控制中泵滯后閥的現(xiàn)象,同時(shí)不用預(yù)設(shè)泵出口壓力與最高負(fù)載壓力之間的壓力裕度,不需壓力反饋閉環(huán)控制,因此在改善系統(tǒng)節(jié)能性、穩(wěn)定性和操控性等方面具有較大的開發(fā)潛能和發(fā)展前景.對(duì)LUDV多路閥電液流量匹配控制系統(tǒng)的流量壓力特性分析如下:主閥閥口壓差:式中:F0為壓力補(bǔ)償器彈簧預(yù)壓力;Ac0為壓力補(bǔ)償器閥芯端面油壓受壓面積;ps為泵出口壓力;p1,p2為執(zhí)行機(jī)構(gòu)1,2對(duì)應(yīng)補(bǔ)償器進(jìn)口壓力.各執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求流量和總流量為式中:Cq為流量系數(shù);ρ為油液密度;qVli為第i個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量;Wi,XVi分別為第i個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)閥的過流面積梯度和開度;qVl1,qVl2,……qVln分別為第1個(gè),第2個(gè)……第n個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量;qVs為執(zhí)行機(jī)構(gòu)總需求流量.由式(2),(3)得各執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求流量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)總需求流量關(guān)系:式中:XV1,XV2,……XVn分別為第1個(gè),第2個(gè)……第n個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)閥的閥口開度.式(4)表明流量匹配系統(tǒng)中某執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載的流量與該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制閥主閥芯過流面積及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥總過流面積有關(guān).當(dāng)電液流量匹配控制系統(tǒng)提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量qVs一定的情況下,系統(tǒng)根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥過流面積與各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥總過流量面積的比例對(duì)系統(tǒng)流量進(jìn)行比例分配.由式(4)得因此,求得泵的出口壓力和系統(tǒng)壓力裕度為流量匹配控制系統(tǒng)中泵的出口壓力是最高負(fù)載壓力和閥芯開度的函數(shù).在負(fù)載和閥口開度一定的情況下,泵出口壓力自適應(yīng)系統(tǒng)的流量變化.給定流量和負(fù)載情況下,增大閥芯開度,可以降低系統(tǒng)泵壓,提高節(jié)能性.從LUDV閥后補(bǔ)償多路閥系統(tǒng)的流量與壓力特性關(guān)系可以看出,由于LUDV閥后補(bǔ)償多路閥具有流量共享分配特性,其組成的電液流量匹配控制系統(tǒng)在流量分配和控制方面具有以下特征.1)LUDV閥后補(bǔ)償多路閥主閥閥口壓差自適應(yīng)系統(tǒng)流量變化,不受補(bǔ)償器彈簧預(yù)壓力大小等的限制,理論情況可在工作壓力范圍內(nèi)任意變化,因此,一定閥控信號(hào)下其通流流量可變范圍非常大,電液流量匹配控制系統(tǒng)不能僅根據(jù)其閥控信號(hào)大小計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需.因此可以通過以下2種方法來進(jìn)行流量匹配控制:第一,給定期望主閥口工作壓差,并根據(jù)操控信號(hào)計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量,進(jìn)而計(jì)算電比例泵控信號(hào),由于每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作流量和系統(tǒng)供給的流量都有一定的限制,控制器需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定以滿足系統(tǒng)操控要求;第二,根據(jù)系統(tǒng)流量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作要求,直接標(biāo)定操控信號(hào)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量大小,控制器控制電比例變量泵提供系統(tǒng)所需.本論文研究采用第一種控制方法,以LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)流量不飽和情況下的主閥口工作壓差作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求流量.2)電液流量匹配控制系統(tǒng)實(shí)際為泵控液壓系統(tǒng),LUDV閥后補(bǔ)償多路閥具有流量共享分配功能,在系統(tǒng)中相當(dāng)于流量分配器,無論在何種工況,系統(tǒng)提供的流量都能根據(jù)操控信號(hào)按比例供給各執(zhí)行機(jī)構(gòu).因此,可以通過控制器使最大流量需求執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)控制閥閥口全開,同時(shí)根據(jù)操控信號(hào)使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的控制閥閥口開度按比例增大,以保證系統(tǒng)的操控性能不變.在系統(tǒng)匹配控制中,通過主閥流量不變的情況下,增大了閥口過流面積,因此可降低主閥口的壓力損失,提高系統(tǒng)的節(jié)能性.以兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)為例,在泵流量充足情況下,對(duì)LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)和電液流量匹配控制系統(tǒng)的流量關(guān)系分析如下.對(duì)LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng),各執(zhí)行器的流量:負(fù)載敏感泵提供執(zhí)行器的流量:式中:ΔpLs為LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)中負(fù)載敏感泵流量閥的預(yù)設(shè)壓力裕度(泵出口與最高負(fù)載之間的壓力差值);U1,U2分別為兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操控信號(hào),閥的實(shí)際控制信號(hào)也為U1,U2;f(U1),f(U2)分別為對(duì)應(yīng)閥的過流面積.對(duì)LUDV多路閥電液流量匹配控制系統(tǒng),同樣的閥操控信號(hào)U1,U2情況下,通過控制器對(duì)閥操控信號(hào)進(jìn)行重新控制與分配.假設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)1為最大需求流量執(zhí)行機(jī)構(gòu),根據(jù)電液流量匹配控制系統(tǒng)的流量與壓力特性分析,使其對(duì)應(yīng)控制閥口最大,同時(shí),其他執(zhí)行器機(jī)構(gòu)根據(jù)操控指令按比例增大閥口控制面積,各執(zhí)行器的流量關(guān)系為式中:UI,UO分別為兩閥的實(shí)際控制信號(hào);fmax(UI)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥的最大過流面積,其對(duì)應(yīng)閥的控制電壓為UI.為保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)操控特性不變,控制時(shí)滿足式(13)關(guān)系:因此,LUDV多路閥電液流量匹配控制系統(tǒng)與LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)的控制閥過流面積和系統(tǒng)壓力裕度滿足式(14)~(16).與LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)相比,電液流量匹配控制系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量大小及相互之間的流量比例關(guān)系都保持不變,增大了主閥口的過流面積,降低了系統(tǒng)的壓力裕度降低.2amesim仿真基于LUDV多路閥的電液流量匹配控制系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖如圖3所示,采用力士樂的SYDFEE電比例控制變量泵和丹佛斯的PVG100電比例控制LUDV多路閥.與之對(duì)比分析的LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)采用機(jī)液負(fù)載敏感泵替換電控變排量泵,多路閥組和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等其他元件都保持不變.如圖4所示為PVG100多路閥工作模塊剖視圖,工作模塊主要由閥體,PVES電驅(qū)動(dòng)模塊,主閥芯,壓力補(bǔ)償器和緩沖閥等組成.通過液壓系統(tǒng)AMEsim模型與多體動(dòng)力學(xué)Adams聯(lián)合建模的方法對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行仿真研究.根據(jù)PVG100多路閥的原理和結(jié)構(gòu)在AMEsim軟件中建立仿真模型,如圖5所示為PVG100的單聯(lián)的AMEsim仿真模型,包括先導(dǎo)控制,主閥芯,壓力補(bǔ)償器和液壓缸等部分.由于主閥芯閥口為非規(guī)則的非全周閥口,在AMEsim選擇異形閥口建模,并在仿真時(shí)調(diào)用過流面積與水利直徑同閥口開度的關(guān)系數(shù)據(jù)文件,通過插值計(jì)算各閥口開度處的過流面積.PVG100多路閥為閥后壓力補(bǔ)償,從補(bǔ)償原理來看,高壓油先節(jié)流再減壓,并隨時(shí)將各聯(lián)中的最高壓力自動(dòng)選擇為負(fù)載敏感壓力,同時(shí)作用在各聯(lián)的補(bǔ)償器端面上.如圖6所示為虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真輸入輸出關(guān)系,在AMEsim中建立的液壓模型通過軟件通訊接口與Adams的挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行力,位移和速度之間的數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真.電液流量匹配控制系統(tǒng)挖掘機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示,采用基于Matlab/xPC實(shí)時(shí)采集主從控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制,執(zhí)行機(jī)構(gòu)為玉柴YC20-8挖掘機(jī)工作機(jī)械臂.試驗(yàn)研究液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1.3在模擬分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中3.1仿真結(jié)果分析如圖8所示為挖掘機(jī)動(dòng)臂和鏟斗復(fù)合動(dòng)作特性仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,其中v表示速度,p表示壓力,t為時(shí)間.從油缸速度,泵出口壓力和系統(tǒng)壓力裕度(泵出口壓力與最高負(fù)載壓力之間的差值)曲線可知,系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,仿真模型基本準(zhǔn)確,可用于系統(tǒng)的進(jìn)一步理論分析.LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)中速度和壓力產(chǎn)生較大幅度的振蕩,穩(wěn)定性能差,壓力裕度維持在1.3MPa左右振蕩.而LUDV多路閥電液流量匹配控制系統(tǒng)在響應(yīng)階段有較小的超調(diào),速度和壓力能較快穩(wěn)定,系統(tǒng)的穩(wěn)定性能好.與LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)相比,電液流量匹配控制系統(tǒng)的壓力裕度降低了0.9~1MPa,節(jié)能性得到較大的提高.3.2基于ludv多路閥的電液流量匹配控制系統(tǒng)在系統(tǒng)中不同在四通閉中心多路閥液壓系統(tǒng)中,當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求流量大于泵所能提供的最大流量時(shí),系統(tǒng)發(fā)生流量飽和.由于工程機(jī)械工況復(fù)雜多變,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象,尤其對(duì)于閥前補(bǔ)償多路閥負(fù)載敏感系統(tǒng),流量飽和將使執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間相互干涉,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的操控性能.LUDV多路閥具有流量共享功能,由前面的流量壓力特性分析可知,其組成的液壓系統(tǒng)飽和工況始終具有比例的流量分配特性.如圖9所示為LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)流量飽和工況、非流量飽和工況及電液流量匹配控制系統(tǒng)飽和工況3種特性對(duì)比.為模擬系統(tǒng)的流量飽和工況,將電機(jī)轉(zhuǎn)速由1500r/min調(diào)至300r/min進(jìn)行試驗(yàn).由試驗(yàn)結(jié)果可知,流量未發(fā)生飽和時(shí),LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)動(dòng)臂和鏟斗的穩(wěn)態(tài)速度分別約為41.5和89mm/s,壓力裕度約為1.3MPa,系統(tǒng)的壓力和速度產(chǎn)生較大的振蕩.發(fā)生流量飽和時(shí),LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)與電液流量匹配控制系統(tǒng)的動(dòng)臂和鏟斗穩(wěn)態(tài)速度都分別降低至24.5和48mm/s.由于發(fā)生流量飽和,通過各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥的流量減小,而LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)各閥控信號(hào)保持不變,因此主閥的閥口壓差減小,系統(tǒng)壓力裕度也隨之降低,約為0.35~0.4MPa.負(fù)載敏感泵工作在最大擺角,流量控制閥失去調(diào)節(jié)作用.因此可知,基于LUDV多路閥的電液流量匹配控制系統(tǒng)具有抗流量飽和作用,即使未采取任何附加措施,當(dāng)發(fā)生流量飽和時(shí)也能實(shí)現(xiàn)按比例降低各執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度的功能,即無論何種工況,LUDV多路閥都能根據(jù)各閥控信號(hào)對(duì)應(yīng)的流量比例關(guān)系完成泵供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)總流量的比例分配.3.3b挖掘姿態(tài)定位為對(duì)挖掘機(jī)的LUDV多路閥電液流量匹配控制系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)能耗評(píng)估,以典型挖掘工況為代表進(jìn)行了整機(jī)復(fù)合挖掘動(dòng)作試驗(yàn),如圖10所示(a)~(f)分別為各階段的試驗(yàn)動(dòng)作圖.其中(a)為初始位置;(a)到(b)完成動(dòng)臂單執(zhí)行機(jī)構(gòu)提升動(dòng)作;(b)到(c)完成斗桿和鏟斗復(fù)合收縮動(dòng)作;(c)到(d)動(dòng)臂下降完成挖掘姿態(tài)定位;(d)到(e)斗桿和鏟斗伸出復(fù)合動(dòng)作完成挖掘動(dòng)作;(e)到(f)動(dòng)臂提升,鏟斗收縮復(fù)合動(dòng)作完成卸土.如圖11所示為典型挖掘機(jī)工況LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)與電液流量匹配控制系統(tǒng)的試驗(yàn)特性對(duì)比,其中圖(a)~(c)分別為壓力,位移和速度曲線.在相同的閥控信號(hào)大小和時(shí)序控制下,電液流量匹配控制系統(tǒng)和LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)完成相同的動(dòng)作.通過系統(tǒng)壓力和動(dòng)臂的速度曲線對(duì)比可看出,電液流量匹配控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)性均優(yōu)于