（机械电子工程专业论文）工程机械多执行器电液分流控制研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o n ep u m pp o w e r e db yg a se n g i n ea n dm u l t i a c t u a t o r si sap o p u l a rm o d e li n c o n s t r u c t i o nm a c h i n ef i e l d t h ep e r f o f i n a n c eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e ss u f f e r sf r o m t h e i rl a r g ei n e r t i al o a d sa n dm u l t i a c t u a t o r ss e r i o u s l y i tb r i n g sa b o u tt h ep r o b l e m so f 1 0 wf l o w u s e dr a t i oa n db a dh a r m o n yi nf l o wd i v i d i n gc o n t r o lw h e ns i m u l t a n e o u s l y o p e r a t i n gm u l t i a c t u a t o r sw i t hd i f f e m n ti n e r t i al o a d s t h i sp a d e ri s a i m e dt os o l v e t h e s ep r o b l e m sb ym e t h o db a s e do np r e s s u r ed e c r e a s es e n s i n ga n dm e t e r - i nf l o wr a t e f e e d b a c kc o n t r 0 1o fa c t u a t o r s i nt h i s p a p e es e v e r a li m p o r t a n tp o i n t si n c l u d i n g t h e o r e t i c a la n a l y s i s c o m p u t e rs i m u l a t i o n , a n d e x p e r i m e n ts t u d y w i l lb e e x p l a i n e d c h a p t e r1b e g i n sw i t ha h i s t o r i c a ls u r v e yi n t ot h ec o n c e p t i o n ，t h es t r u c t u r e sa n d s o m ef l o wr a t e d i v i d i n g m e t h o d so ft h em u l t i a c t l l a t o r se o n t r o l s y s t e m t h e a d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so fe v e r ys t r u c t u r ea n de v e r yf l o wr a t ed i v i d i n g m e t h o da r e a n a l y z e d f u r t h e rr e q u i r e m e n t o ft e c h n i q u e sa n d p r o b l e m s t ob e i n v e s t i g a t e da r ep o i n t e do u ti nt h i sc h a p t e r t h e ni tp r e s e n t san e w i d e ao ff l o wr a t e d i v i d i n gm e t h o db a s e do np r e s s u r ed e c r e a s es e n s i n ga n dm e t e r - i nf l o wr a t ef e e d b a c k c o n t r o lt oo v e r c o m et h eu n r e a s o n a b l ef l o wr a t e d i v i d i n g w h e ns i m u l t a n e o u s l y o p e r a t i n gm u l t i a c t u a t o r sw i t hd i f f e r e n ti n e r t i al o a d s a l s od i s e n s s e da r et h es u b j e c t a n ds i g n i f i c a n c eo f t h e 廿1 e s i sa n dt h ec o n t e n to f 也i sr e s e a r c h c h a p t e r2p r o v i d e s ab r i e fs u m m a r yo ft h e p r i n c i p l e a n do p e r a t i o no ft h e c a l c u l a t e df l o wr a t ef e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo f 也e m u l f i a c t u a t o r sc o n t r o l s y s t e m b a s e do n p r e s s u r e d e c r e a s e s e n s i n g t h e n a m u l t i a c t u a t o r sc o n t r o ls y s t e mm o d e li sd e v e l o p e df o rt h ec o n s t a n tp u m pd i s c h a r g e p r e s s u r eh y d r a u l i cs y s t e m a 1 s ot h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es t a t i ca c c u r a c yo f a e t u a t o r s s p e e da n d f l o wr a t ea n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e di nt h i sc h a p t e r c h a p t e r3 百y e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ef l o wr a t ed i v i d i n gp r i n c i p l eb a s e do u m e t e r - i nf l o wr a t ef e e d b a c kc o n t r 0 1o f m u l t i 。a c m a t o r sc o n t r o ls y s t e m s p e c i a la n a l y s i s a b o u ts i m u l t a n e o u s l yo p e r a t i n gm u l t i a c t u a t o r sw i t hd i f f e r e n ti n e n i al o a d si sm a d e f i n a l l y 血er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v e dt h a t 1 en e w m e t h o di sa ne f f e c t i v ew a yt o i m p r o v et h ef l o w u s e dr a t i ow h e nt h ep u m pd i s c h a r g ef l o wr a t ei si n s u 伍c i e n t t h e c o m b i n a t i o no f p r i o r i t ya n dp r o p o r t i o nf l o w r a t ed i v i d i n gc o n t r o li sr e a l i z e dt h r o u g h t h i sm e t h o d c h a p t e r4i sa b o u te x p e r i m e n ts y s t e r na n de x p e r i m e n tm e t h o d t h e np i df l o w r a t ec o n t r o la l g o r i t h mi si n t r o d u c e d m 1e x p e r i m e n t sm a d ei n 也i sc h a p t e ra r ea b o u t m e a s u r i n g t h ev a l v e p a r a m e t e r sa c c o r d i n g t os p o o lp o s i t i o n s ，s i n g l ea c t u a t o rf l o wr a t e c o n t r o lb yt h ec a l c u l a t e df l o wr a t ef e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d ，f r e ef l o wr a t ed i v i d i n g e o n t r o lu n d e rt h es u 伍c i e n tp u m pd i s c h a r g ef l o wr a t es i t u a t i o n p r o p o r t i o nf l o wr a t e d i v i d i n ga n df l o wr a t ed i v i d i n gb a s e d o nm e t e r - i nf l o wr a t ef e e d b a c kc o n t r 0 1m e t h o d u n d e ri a s u f f i c i e n tp u m pd i s c h a r g ef l o wr a t es i t u a t i o n t h er e s u l t so fa l le x p e r i m e n t s p r o v e dt h a tt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i s 廿1 e s i si sa ne f f e c t i v ew a y t oo v e r c o m e 血e u n r e a s o n a b l ef l o wr a t ed i v i d i n gw h e ns i m u l t a n e o u s l yo p e r a t i n gm u l t i a c t u a t o r sw i m d i f f e r e n ti n e r t i al o a d s c h a p t e r 5p r o v i d e sab r i e fs u m m a r yo nt h em a i nr e s e a r c h i n gt o p i ci nt h i st h e s i s ， 2 浙江大学硕士学位论文 a n d p r e s e n t ss o m ed i r e c t i o n st h a ts h o u l d b er e s e a r c h e dm o r e d e e p l yi nt h es a m ef i e l d o f t h i st h e s i s t h ep a p e ri s s u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r es c i e n c ef u n dp r o j e c t ( g r a n t n o 5 9 9 7 5 0 8 0 1 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要 本章综述了工程机械多执行器系统的概念、基本构成和一些分流控制方法的 现状，分析了各种分流控制结构和分流控制方法的优缺点，在此基础上指出了一 些所需要进一步研究的问题；接着提出了论文的选题意义和一种基于压差传感和 执行器进油侧流量反馈的分流控制方法来实现大小惯性多执行器流量合理分配 的构想。 【关键词】工程机械多执行器大小惯性分流控制 1 1 前言 工程机械是机械工业的一个支柱产业，特别是在现今国家加大了基础设施 建设投入。扩大内需的背景下，工程机械的作用将更为重要。 近年来，随着负载敏感控制( 闭中心负载敏感系统c l s s 和电液负载敏感系 统e l s s ) 、发动机一泵一执行器协调控制等技术在工程机械上的应用，工程机械 在节能、动力控制等方面有了很大的进步，但在提高操纵性等控制性能方面进 展较慢，仍存在较大问题。工程机械的操纵控制性能与其负载密切相关。工程机 械本身存在大惯性体，其作用对象亦存在重载、大惯性；另外大多采用以内燃机 为动力的单一液压源同时驱动多执行器的工作模式。工程机械的这种大惯性负载 及多执行器系统对工程机械的操纵控制性能产生了较大影响，主要体现在： ( 1 ) 由于工程机械本身的大惯性( 回转系统、行走系统等) 及作用对象的 大惯性，其大时间常数、低动态阻尼比等特点，使系统中执行器的加减速过程极 易产生振荡，调节过程较长，在减速和制动时更为严重，严重影响系统的平稳操 纵，以及操作者的舒适感和安全感，同时影响相关元件的寿命。如液压挖掘机、 汽车起重机等工程机械，其回转系统一般为大惯性，在回转作业的加速和快速制 动过程中，回转系统甚至整个车身都会发生剧烈振荡，对操纵者和机械本身均产 生很大影响；又如工程机械在行走过程中，特别在下坡等隋况下需减速时，由于 整机的重量均很大( 大惯性) ，也会发生整机剧烈振动的现象，给平稳操纵带来 很大困难，严重时甚至会发生倾覆。上述产生的振荡等现象，在大型工程机械中 尤为严重。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要 本章综述了工程机械多执行器系统的概念、基本构成和一些分流控制方法的 现状，分析了各种分流控制结构和分流控制方法的优缺点，在此基础上指出了一 些所需要进一步研究的问题；接着提出了论文的选题意义和一种基于压差传感和 执行器进油侧流量反馈的分流控制方法来实现大小惯性多执行器流量合理分配 的构想。 【关键词】工程机械多执行器大小惯性分流控制 1 1 前言 工程机械是机械工业的一个支柱产业，特别是在现今国家加大了基础设施 建设投入。扩大内需的背景下，工程机械的作用将更为重要。 近年来，随着负载敏感控制( 闭中心负载敏感系统c l s s 和电液负载敏感系 统e l s s ) 、发动机一泵一执行器协调控制等技术在工程机械上的应用，工程机械 在节能、动力控制等方面有了很大的进步，但在提高操纵性等控制性能方面进 展较慢，仍存在较大问题。工程机械的操纵控制性能与其负载密切相关。工程机 械本身存在大惯性体，其作用对象亦存在重载、大惯性；另外大多采用以内燃机 为动力的单一液压源同时驱动多执行器的工作模式。工程机械的这种大惯性负载 及多执行器系统对工程机械的操纵控制性能产生了较大影响，主要体现在： ( 1 ) 由于工程机械本身的大惯性( 回转系统、行走系统等) 及作用对象的 大惯性，其大时间常数、低动态阻尼比等特点，使系统中执行器的加减速过程极 易产生振荡，调节过程较长，在减速和制动时更为严重，严重影响系统的平稳操 纵，以及操作者的舒适感和安全感，同时影响相关元件的寿命。如液压挖掘机、 汽车起重机等工程机械，其回转系统一般为大惯性，在回转作业的加速和快速制 动过程中，回转系统甚至整个车身都会发生剧烈振荡，对操纵者和机械本身均产 生很大影响；又如工程机械在行走过程中，特别在下坡等隋况下需减速时，由于 整机的重量均很大( 大惯性) ，也会发生整机剧烈振动的现象，给平稳操纵带来 很大困难，严重时甚至会发生倾覆。上述产生的振荡等现象，在大型工程机械中 尤为严重。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 单一液压源同时驱动多执行器的工作模式，当各执行器所驱动的惯 性负载相差较大时，会使驱动较大惯性负载的执行器的运动速度远远小于驱动较 小惯性负载的执行器，甚至不动，严重影响各执行器的协调动作，从而影响作业 精度和效率。这时油源压力处于系统最高压力，液压源输出流量大部分通过安全 阀溢流，引起很大的流量浪费，严重降低了工程机械的系统效率。如液压挖掘机 在进行回转与伸收动臂或斗杆的复合操纵作业时，由于回转系统的惯性较大，动 臂或斗杆系统的惯性相对较小，往往会产生回转系统不能很快加速，而动臂或斗 杆又因得不到所需流量而运动缓慢，影响作业效率，同时，液压源大部分输出流 量不能被充分利用，而溢流浪费掉。 ( 3 ) 由于采用单一液压源同时驱动多执行器的工作模式，当多个执行器 复合操纵，而其中一个执行器的操作量或负载变化时，会通过油源压力或泵输出 流量干涉其它执行器的运动，尤其是当被干涉的执行器所驱动的负载惯性很大 时，还会由于其低动态阻尼比而引起该执行器产生迟缓振荡，较大幅度影响工程 机械的操纵性和作业精度。如液压挖掘机在进行整平等高精度作业时，如果负载 发生较大变化( 如土质变硬等) 时，就会产生斗杆运动速度降低而动臂速度加快 等现象，降低作业的精度。 针对上述三个方面的问题，需要解决： ( 1 ) 大惯性负载阀控系统中执行器加速、制动以及减速过程的快速性和平 稳性问题卧【4 】； ( 2 ) 多执行器阀控系统中大、小惯性负载复合操作时的分流控制问题【5 ； ( 3 ) 多执行器阀控系统中复合控制各联之间的相互干涉问题 4 。 本论文的主要研究内容为多执行器阀控系统中大、小惯性负载复合操作时 的分流控制问题。 1 - 2 多执行器阀控系统的构成 闭中心负载敏感( c l s s ，c l o s e c e n t e rl o a ds e n s i n gs y s t e m ) 的概念由 w t s t e p h e n s 与h n u n d e r w o o d 在1 9 6 5 年提出，应用对象为车辆6 1 。在工程机 械领域，在1 9 7 5 年由a m y e r s 提出以全液压驱动的液压挖掘机为对象的c l s s 方案，但没有实用化7 1 。进入8 0 年代后期，在欧洲陆续推出一些带有能改善流 2 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 单一液压源同时驱动多执行器的工作模式，当各执行器所驱动的惯 性负载相差较大时，会使驱动较大惯性负载的执行器的运动速度远远小于驱动较 小惯性负载的执行器，甚至不动，严重影响各执行器的协调动作，从而影响作业 精度和效率。这时油源压力处于系统最高压力，液压源输出流量大部分通过安全 阀溢流，引起很大的流量浪费，严重降低了工程机械的系统效率。如液压挖掘机 在进行回转与伸收动臂或斗杆的复合操纵作业时，由于回转系统的惯性较大，动 臂或斗杆系统的惯性相对较小，往往会产生回转系统不能很快加速，而动臂或斗 杆又因得不到所需流量而运动缓慢，影响作业效率，同时，液压源大部分输出流 量不能被充分利用，而溢流浪费掉。 ( 3 ) 由于采用单一液压源同时驱动多执行器的工作模式，当多个执行器 复合操纵，而其中一个执行器的操作量或负载变化时，会通过油源压力或泵输出 流量干涉其它执行器的运动，尤其是当被干涉的执行器所驱动的负载惯性很大 时，还会由于其低动态阻尼比而引起该执行器产生迟缓振荡，较大幅度影响工程 机械的操纵性和作业精度。如液压挖掘机在进行整平等高精度作业时，如果负载 发生较大变化( 如土质变硬等) 时，就会产生斗杆运动速度降低而动臂速度加快 等现象，降低作业的精度。 针对上述三个方面的问题，需要解决： ( 1 ) 大惯性负载阀控系统中执行器加速、制动以及减速过程的快速性和平 稳性问题卧【4 】； ( 2 ) 多执行器阀控系统中大、小惯性负载复合操作时的分流控制问题【5 ； ( 3 ) 多执行器阀控系统中复合控制各联之间的相互干涉问题 4 。 本论文的主要研究内容为多执行器阀控系统中大、小惯性负载复合操作时 的分流控制问题。 1 - 2 多执行器阀控系统的构成 闭中心负载敏感( c l s s ，c l o s e c e n t e rl o a ds e n s i n gs y s t e m ) 的概念由 w t s t e p h e n s 与h n u n d e r w o o d 在1 9 6 5 年提出，应用对象为车辆6 1 。在工程机 械领域，在1 9 7 5 年由a m y e r s 提出以全液压驱动的液压挖掘机为对象的c l s s 方案，但没有实用化7 1 。进入8 0 年代后期，在欧洲陆续推出一些带有能改善流 2 浙江大学硕士学位论文 量分配机能的c l s s 的液压挖掘机【8 】【9 1 。到9 0 年代初，日本的液压挖掘机也开始 采用附带有各种附加机能的c l s s 【”h ”】。负载敏感是广泛应用于车辆、工程机械 以及其他机械的一种节能液压系统。从广义上讲，他是指系统能自动地将负载所 需压力或流量变化地信号传到敏感控制阀或泵变量控制机构的敏感腔，使其几乎 仅向系统提供负载所需要的液压功率，最大限度地减少功率的损失f 】3 一【2 粥。 工程机械采用的负载敏感系统有开中心负载敏感系统( o l s s ，o p e n c e n t e r l o a d s e n s i n g s y s t e m ) 、闭中心负载敏感系统c l s s 和电液负载敏感系统( e l s s ， e l e c t r o h y d r a u l i cl o a ds e n s i n gs y s t e m ) 。o l s s 操作阀在中位时泵口和油箱口连 通，通过在方向切换过程中产生的泵和油箱之间的节流使泵的输出压力上升到负 载压力以上，负载压力越高，泵的输出流量越小，操作者通过增大操作阀的操作 量来增大泵的输出流量，牺牲了调速区1 2 4 】- 【2 7 1 。c l s s 在中位时泵口被切断。如采 用定量泵，泵的出油口和油箱之间需增加卸荷阀使多余部分流量通过卸荷阀流回 油箱，同时将最高负载侧的压力引到卸荷阀的遥控口，使泵的输出压力在执行器 的操作阀换向的同时自动上升到负载压力之上。如果采用变量泵，可以通过改变 泵的排量来进行压力补偿，也能达到卸荷阀的效果【2 8 】一1 3 1 。e l s s 在9 0 年代初由 w , b a c k e 和b z a h e 提出，通过采用对执行器控制阀进行数字压力补偿的方法， 取代了传统机液负载敏感系统结构中的压力补偿器，并根据传感器返回的最高负 载压力信号以及油源压力信号来调节泵的排量。与此同时，将泵的摆角信号以及 各执行器的速度信号也一并取出并加以反馈，修正负载敏感阀的给定，以提高油 源压力控制的稳定性和响应速度p 2 j p 。 多执行器c l s s 的基本构成如图1 - 1 所示，采用压力补偿器对节流口两端压 差进行补偿的方法对执行器的分流流量进行控制。其节流口为比例方向阀的阀 口，各节流口两端压差均为定值，压力补偿器置于比例方向阀的上游。各执行器 之间通过梭阔链将最高负载压力反馈到泵的调节器，使泵的输出压力比该压力略 高，以保证最高负载回路的效率。每个执行器再通过各自的压力补偿器被节流， 使各节流口两端的压差被分别限定为给定值。通过对各节流口的开口面积的调 整，就可以调整流过各节流口的流量，而不会随着各自负载压力的高低而变。只 要泵的输出流量足够，就可以避免低负载过快、高负载停止的现象【3 6 】。多执 行器c l s s 提高了原动机的效率，减小了系统发热，达到使机械设备结构紧凑和 浙江大学硕士学位论文 节能的目的，还可以通过压力补偿器有效减小执行器之间的相互干涉，可以仅通 过改变各操作阀的操作量来调整各执行器的速度。在车辆和工程机械中采用多执 行器c l s s ，其操作性能可得到大幅度提高。但是该结构会对压力保持侧的起动 性能产生一定的影响，为了起动一侧具有保持压力的执行器，需要将该联的方向 节流阀打开。如果其进油侧恰好为具有保持压力的一侧，并且该保持压力高于其 他各联的负载压力，在方向节流阀打开的同时，该压力保持侧与负载敏感油路也 通过梭阀直接沟通了，由于产生了从该压力保持侧到负载敏感油路的流量，使该 侧的保持压力突然下降，从而出现了在压力保持侧起动瞬间执行器反向运动的现 象译1 。 图1 - 1 多执行器c l s s 的基本构成 多执行器e l s s 由h i t a c h i 公司在1 9 8 5 提出，如图1 2 所示。该结构仍采用 梭阀链将最高负载压力反馈到泵的调节器，但调节器对泵变量机构的控制部分已 经全部由电来代替了。系统虽然保留了压力补偿器控制节流阀两端压差的机构， 但其控制压差的给定值并不是一个定值，而是由外部电器给定。通过对油源压力 调节器参数以及压力补偿器控制压差给定值的调整，可以大幅度提高系统的操作 性能和工况适应性。由于其仍旧保留了梭阀链与负载敏感油路来获得最高负载压 d 浙江大学硕士学位论文 力，因此仍存在对压力保持侧的起动性能的影响【3 ”。 图1 _ 2 多执行器e l s s 的机构 1 - 3 多执行器分流控制方法 对大多数多执行器工程机械( 如液压挖掘机等) 来说，为了以最高速度驱 动其某一个执行器，往往需要将液压泵的能力最大限度地使用到该执行器上。因 此，当以最高速度同时驱动几个执行器，使每个操作阀的操作量都为最大时，泵 的输出流量就会不足，更有甚之，如果液压泵采用的是功率匹配型的，那么随着 负载压力的上升，泵的输出流量还会减少，更加剧了泵输出流量的不足。另外， 如果作业机在进行一些比较精细的作业时，一般原动机都处于低转速工况，当泵 的排量不足以提供所有执行器所需要的流量时，就不可能使所有节流口两端的压 差都达到设定值。在高负载联，由于所需要的节流口两端压差低于设定值，该联 的压力补偿器处于全开状态，泵的输出压力就无法上升到可以驱动最高负载联的 压力。其结果是：流量不足的状态首先影响到高负载联，导致高负载联的速度降 低，严重影响了系统的正常工作【3 8 。 4 0 。对于一些频繁地在泵输出流量不足工 浙江大学硕士学位论文 力，因此仍存在对压力保持侧的起动性能的影响【3 ”。 图1 _ 2 多执行器e l s s 的机构 1 - 3 多执行器分流控制方法 对大多数多执行器工程机械( 如液压挖掘机等) 来说，为了以最高速度驱 动其某一个执行器，往往需要将液压泵的能力最大限度地使用到该执行器上。因 此，当以最高速度同时驱动几个执行器，使每个操作阀的操作量都为最大时，泵 的输出流量就会不足，更有甚之，如果液压泵采用的是功率匹配型的，那么随着 负载压力的上升，泵的输出流量还会减少，更加剧了泵输出流量的不足。另外， 如果作业机在进行一些比较精细的作业时，一般原动机都处于低转速工况，当泵 的排量不足以提供所有执行器所需要的流量时，就不可能使所有节流口两端的压 差都达到设定值。在高负载联，由于所需要的节流口两端压差低于设定值，该联 的压力补偿器处于全开状态，泵的输出压力就无法上升到可以驱动最高负载联的 压力。其结果是：流量不足的状态首先影响到高负载联，导致高负载联的速度降 低，严重影响了系统的正常工作【3 8 。 4 0 。对于一些频繁地在泵输出流量不足工 浙江大学硕士学位论文 况下进行复合操作的工程机械，现有国内外的技术措旌主要有： 1 优先级分流控制 优先级分流控制的概念在1 9 6 9 年由j d a l l e n 提出，其具体方法是，当液压 源输出流量不足以全速驱动多个执行器同时工作时，优先级分流控制是按各执行 器优先级的高低来分配流量，确保高优先级的执行器的流量要求，并允许在泵流 量不足时各执行器按优先级由高到低的顺序依次降低速度。具有优先式压力补偿 作用的阀，称为优先阀4 ”。在对具有优先式压力补偿作用的系统进行复合操作 时，有可能产生优先级较低的执行器长时间不动，无法实现多个执行器的协调动 作。为了使优先级低的执行器即使在泵的输出流量严重不足的情况下也不会停止 不动，有时还需要弱化这种压力补偿的优先级，采用可变节流口两端压差的压力 补偿。 2 分流比调节控制 对一些需要使各执行器速度保持一定的比例以保证各执行器协调动作的机 械，不能在执行器中附加优先级。当液压泵的输出流量不足时，必须使控制各执 行器的操作阀的输出流量按比例地下降，即保持对各操作阀的操作量之间的比例 不变。这种节流口两端压差的给定值不要求为定值，而只需要相互相等的压力补 偿称为分流调节式压力补偿。分流调节式压力补偿的最初方案由t j m a l o t t 和 j c p a u l 提出，其结构如图1 3 所示f 4 2 1 。 图1 - 3 分流调节式压力补偿器结构 图中，位于滑阀内部的压力补偿器能自动调节使在低负载侧的节流口下游 产生节流作用，以提高该侧的压力。使该侧下游的压力和高负载侧节流口下游的 6 浙江大学硕士学位论文 压力相等。由于两个节流口的上游都和泵的输出口相连接，所以节流口的上游压 力也都是相等的，这样，即使泵的输出流量不足，这些节流口两端的压差也都是 相等的，其原理如图1 - 4 所示。 图1 - 4 分流调节式压力补偿原理 对这一原理的典型应用是l i n d e 公司提出的同步控制系统( l s c ) ，其系统 基本原理如图1 5 所示。 动作1动作2动作3 图i - 5l s c 基本原理图 其特点为可用一个泵驱动多个动作系统，通过相应数量的控制阀、使得流 量按照操作者所希望的数量比例分配到各动作系统、并且各动作系统之间相对独 浙江大学硕士学位论文 立，互不干扰。此系统的基本工作流程是：多功能集成的负载敏感泵供油，通过 操作者调定的可变节流口和压力补偿器( 后两者均集成于v w 阀中1 ，到最终动作。 由于节流口处压差p = p 1 一b = 常数，故当各节流口过流面积一经调定，其间此 关系便保持不变，且互不干扰，从而保证各动作精确地同步工作。当操作者要求 超出泵供能力时，泵输出流量不足，可以通过对分流比的调节使各节流口两端压 差的给定值相等。其工作原理为：如果泵的输出流量不足，那么其出口压力下降， 节流口两端压差的设定值也跟着下降，因此低负载侧阀芯的有效开度减小，从而 也降低了低负载侧的流量，使输出到各执行器的流量保持一定的比例不变【4 3 1 。 有些系统除了在进口节流侧附加上述分流调节式压力补偿外，在出口节流 侧也附加了压力补偿的机能。如果在过去的操作阀基础上，在节流口的下游增加 一只带有上述分流调节式压力补偿器的负载检测阀，也能达到分流调节的目的 m 】。1 9 9 3 年日本小松公司推出的新型液压挖掘机上就采用了在控制节流口下游 设置分流调节式压力补偿器的形式，实现了分流调节式压力补偿。欧美的液压挖 掘机也采用了这样的分流调节机能 4 ”。 3 节流口两端压差可变的压力补偿 图1 - 6 节流口两端压差可变的压力补偿结构 如果使节流口两端的压差可以根据不同的工况要求由外部进行调整，那么就 可以改善系统的复合操作的适应性能。其结构如图1 - 6 所示】。那么即使采用在 控制节流口上游设置压力补偿器的方式，也可以调整分流比，如图1 - 7 所示【4 ”。 浙江大学硕士学位论文 图1 7 压力补偿器在节流口上游的分流调节式压力补偿 v i c k e r s 公司在1 9 8 1 年提出了功率匹配t m 系统，如图1 8 所示，采用了一 种类似于滑阀节流的提动阀，与一个先导控制的进口节流阀对执行器的出油与进 油进行独立调节。两阀芯的开度均由c 1 或c 2 处的先导控制压力大小确定，并 利用液动力对进口节流进行压力补偿。进口节流对于出口节流的相位可预先确 定，以便对各种负载进行最佳匹配。在泵流量不足的情况下，可以通过先导压力 的变化，实现分流调节式压力补偿【4 8 】。 图1 - 8v i c k e r s 功率匹配t m 系统 浙江大学硕士学位论文 日立建机公司于1 9 8 5 年提出的节流口两端压差的给定值由外部电器进行控 制的方案，也同样可以在泵流量不足的情况下，通过对压差给定值的调整，实现 分流调节式压力补偿。 4 大、小惯性负载复合操作时的分流控制 上述分流控制方法仅适用于对惯性负载较小或相似的多个执行器进行复合 操作的场合。当惯性大小相差较大时，就会出现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掉，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。另外，由于大惯性负载联的进油侧压力迅速上升到安全阀 所设定的压力以上，从而使小惯性负载联的压力补偿器产生节流，降低了系统的 效率，并加重了泵的负担。更有甚之，如果采用了恒功率泵为系统供油，当油源 压力提高时，其输出流量减小，从而更进一步降低了小惯性负载的运动速度。 为了避免这一问题的发生，日本小松公司采用了在惯性相对较小联运动时切断惯 性较大联的负载敏感通路的结构，使系统变成了无补偿并联回路，如图1 - 9 所示 1 5 1 。 图1 - 9 可切断大惯性负载敏感通路的多执行器c l s s 结构 这一结构的优点是：在惯性较大一联的起动阶段，泵输出的全部流量首先 浙江大学硕士学位论文 供给了惯性较小的负载，所以没有功率的浪费。这时，惯性较大一联的速度为零， 惯性较小一联的速度则立即达到了最大速度。在经过一段时间后，惯性较大一联 的速度增加，惯性较小一联的速度减小，从而保证了大、小惯性负载的合理分流。 由于在油路中没有产生节流，因此保证了系统的效率。这种结构在大惯性负载 联的起动阶段具有很大的优越性。但如果大惯性联的运动时间较长，由于采用的 是无补偿并联回路，因此会产生泵的输出流量全部供给大惯性联而惯性较小联运 动停止的现象。为了避免这种隋况的发生，还必须在大惯性负载加速到指定速度 时重新连通大惯性负载联的负载敏感通路，使系统的结构更加复杂。 1 - 4 1 选题的意义 1 4 选题的意义、研究内容 自9 0 年代以来，工程机械进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的 同时，不断涌现出新结构和新产品。广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算 机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制 方法等消除或降低机器噪音；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的 尾气排放量；研制无污染，经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元 件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高新型的智能化的结合机、电、液压于一体 的工程机械水平：在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动 换档变速装置，用于物料精确挖( 铲) 、装、载、运作业的工程机械将安装g p s 定位与重量自动称量装置；开发特种用途的“机器人式”工程机械等。工程机械 逐渐向以下几方面发展：系列化、特大型化；多用途、微型化：电子化与信息化 互动；不断创新的结构设计；安全、舒适、可靠；节能与环保【” 。 与此同时，人们对工程机械操作性能与工况适应性的要求也越来越高，低 能耗、高精度，能适应各种复杂作业并且操作简便舒适成为人们对工程机械研究 的重点 5 ”。而目前，由于工程机械中各执行器所驱动的负载都具有较大的惯性， 因而给工程机械操作性能的进一步提高带来了一定的困难。其中主要包括大惯性 负载阀控系统中执行器加速、制动以及减速过程的平稳性，多执行器系统中大小 惯性负载复合操作时的分流控制以及复合控制系统各联之间的相互干涉三个方 面的内容。本课题主要针对多执行器系统中大小惯性负载复合操作时的分流控制 浙江大学硕士学位论文 供给了惯性较小的负载，所以没有功率的浪费。这时，惯性较大一联的速度为零， 惯性较小一联的速度则立即达到了最大速度。在经过一段时间后，惯性较大一联 的速度增加，惯性较小一联的速度减小，从而保证了大、小惯性负载的合理分流。 由于在油路中没有产生节流，因此保证了系统的效率。这种结构在大惯性负载 联的起动阶段具有很大的优越性。但如果大惯性联的运动时间较长，由于采用的 是无补偿并联回路，因此会产生泵的输出流量全部供给大惯性联而惯性较小联运 动停止的现象。为了避免这种隋况的发生，还必须在大惯性负载加速到指定速度 时重新连通大惯性负载联的负载敏感通路，使系统的结构更加复杂。 1 - 4 1 选题的意义 1 4 选题的意义、研究内容 自9 0 年代以来，工程机械进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的 同时，不断涌现出新结构和新产品。广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算 机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制 方法等消除或降低机器噪音；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的 尾气排放量；研制无污染，经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元 件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高新型的智能化的结合机、电、液压于一体 的工程机械水平：在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动 换档变速装置，用于物料精确挖( 铲) 、装、载、运作业的工程机械将安装g p s 定位与重量自动称量装置；开发特种用途的“机器人式”工程机械等。工程机械 逐渐向以下几方面发展：系列化、特大型化；多用途、微型化：电子化与信息化 互动；不断创新的结构设计；安全、舒适、可靠；节能与环保【” 。 与此同时，人们对工程机械操作性能与工况适应性的要求也越来越高，低 能耗、高精度，能适应各种复杂作业并且操作简便舒适成为人们对工程机械研究 的重点 5 ”。而目前，由于工程机械中各执行器所驱动的负载都具有较大的惯性， 因而给工程机械操作性能的进一步提高带来了一定的困难。其中主要包括大惯性 负载阀控系统中执行器加速、制动以及减速过程的平稳性，多执行器系统中大小 惯性负载复合操作时的分流控制以及复合控制系统各联之间的相互干涉三个方 面的内容。本课题主要针对多执行器系统中大小惯性负载复合操作时的分流控制 浙江大学硕士学位论文 供给了惯性较小的负载，所以没有功率的浪费。这时，惯性较大一联的速度为零， 惯性较小一联的速度则立即达到了最大速度。在经过一段时间后，惯性较大一联 的速度增加，惯性较小一联的速度减小，从而保证了大、小惯性负载的合理分流。 由于在油路中没有产生节流，因此保证了系统的效率。这种结构在大惯性负载 联的起动阶段具有很大的优越性。但如果大惯性联的运动时间较长，由于采用的 是无补偿并联回路，因此会产生泵的输出流量全部供给大惯性联而惯性较小联运 动停止的现象。为了避免这种隋况的发生，还必须在大惯性负载加速到指定速度 时重新连通大惯性负载联的负载敏感通路，使系统的结构更加复杂。 1 - 4 1 选题的意义 1 4 选题的意义、研究内容 自9 0 年代以来，工程机械进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的 同时，不断涌现出新结构和新产品。广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算 机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制 方法等消除或降低机器噪音；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的 尾气排放量；研制无污染，经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元 件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高新型的智能化的结合机、电、液压于一体 的工程机械水平：在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动 换档变速装置，用于物料精确挖( 铲) 、装、载、运作业的工程机械将安装g p s 定位与重量自动称量装置；开发特种用途的“机器人式”工程机械等。工程机械 逐渐向以下几方面发展：系列化、特大型化；多用途、微型化：电子化与信息化 互动；不断创新的结构设计；安全、舒适、可靠；节能与环保【” 。 与此同时，人们对工程机械操作性能与工况适应性的要求也越来越高，低 能耗、高精度，能适应各种复杂作业并且操作简便舒适成为人们对工程机械研究 的重点 5 ”。而目前，由于工程机械中各执行器所驱动的负载都具有较大的惯性， 因而给工程机械操作性能的进一步提高带来了一定的困难。其中主要包括大惯性 负载阀控系统中执行器加速、制动以及减速过程的平稳性，多执行器系统中大小 惯性负载复合操作时的分流控制以及复合控制系统各联之间的相互干涉三个方 面的内容。本课题主要针对多执行器系统中大小惯性负载复合操作时的分流控制 斯江大学硕士学位论文 问题进行研究。 本课题作为工程机械大惯性及多执行器系统的电液控制研究的一部分，受 到国家自然科学基金的资助。 1 4 2 研究内容 论文主要针对目前工程机械所采用的由单泵供油同时驱动多个执行器协调 动作的工作模式困各执行器所驱动惯性负载的差异而引起的流量利用率低和协 调性不佳的问题，采用计算机仿真与实验相结合的方法，对多执行器电液分流控 制系统结构和控制算法两方面进行研究。 主要内容如下： 一、分流控制系统结构研究 由于采用压力补偿器的结构流量压力特性较差，在流量不足的情况下会产生 很大的瞬时流量超调( 一般为调定值的三倍) ，而且在流量不足的情况下，如果 流量指令仍等于操作指令，压力补偿器会处于全开状态而失去压力补偿的作用。 本文采用一种基于压差传感的比例方向阀结构和计算流量反馈的流量控制方法， 并对其控制特性进行研究。 二、分流控制方法的研究 由于采用传统的优先式分流方法和分流比分流方法在大小惯性负载起动阶 段流量利用率低和协调性不佳。在基于压差传感的系统结构上，提出一种基于 执行器进油侧流量反馈的分流控制方法，并对大小惯性负载复合操作时的分流情 况进行研究。 三、实验研究 对本文采用的基于压差传感的系统结构和执行器进油侧流量反馈的分流控 制方法进行实验研究。实验表明该分流控制方法可卧使驱动大小惯