基于能量调节的电液变转速液压缸位置控制系统

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 C HI 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 z X 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 u 2 2 4 腔流量连续方程 V 2 腔的流量连续方程为 式中 V o 2 2 5 腔流量连续方程 警 鲁 d t 12 式中 V o 3 2 X 2 2 6 液压缸的力平衡方程 由牛顿第二力学定律可得 活塞和纯惯性负载 的力平衡方程为 p Ap l P3 鲁 13 3 电液位置控制系统控制策略 系统的输入信号为位置信号 输 出信号为液 压缸活塞杆 的实际位移 为一个单输入 单输出 的电液位置控制系统 如 图 4所示 图4 系统整体控制框图 控制器接收输入信号和 反馈信号 并根据能量 调节器两侧的压力状态做出运算和分析 得出变频 器 比例方向阀和能量调节器的控制信号 分别输入 这三个控制单元 实现对系统流量 压力的综合控制 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 8 机械工程学报 第 4 4卷第 1 期 由图 4可看出 控制器为一个 4输入 3输出的 控制模块 如何根据输入信号做出综合分析得出最 优的输出来控制 3 个控制单元 以达到最佳控制效 果是本文要解决的难点 这里设计了基于 比例 积 分一微分 P I D 的复合控制算法 其思想为 电动机 的转速 由P I D输出的绝对值确定 根据 P I D输出的 变化率来判断系统现在需要加速或减速 当系统需 要加速时 比例方 向阀开到最大 由能量调节器两 边的压力情况计算此时能量调节器开口的大小 来 释放流量 当系统需要减速时比例方 向阀开始工作 并根据能量调节器两边的压力情况判断是否应该打 开储存多余流量 系统误差 挺 则 y K p i f X e d t K d 1 4 U 式中 K 为 P I D调节系数 输入到变频器的控制频率为 K f lY l 1 5 对 P I D的输出进行微分以得到系统现在需要的 速度情况 为 了消除微分引入 的高频误差 在微分 的同时进行 了滤波 截止频率为 如式 1 6 所示 2c o k s Z c s 2 2 c o s c o z y 1 6 式中 S为拉式变换系数 为滤波阻尼比 当系统需要加速时 比例方向阀开到最大 当 系统需要减速 时 比例方向阀开始工作 以加快系 统 的减速度 如式 1 7 所示 I d s g n X JV c J s g n X e av e 0 1 7 0 Pa 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 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