柔性液压工作系统外文翻译

1、 成绩： 移动式机械的柔性液压工作系统摘要： 本文针对移动式机械提出了一个新型的液压工作系统构架。负载传感，流量控制以及中位全开合并成了一个常见的系统类型。提出的这个系统是可配置的，操作者可以实现任何标准系统的特性而不损害能效。这可以在连续运转时实现。电子控制的变量泵供应这个系统，其中也用到了传统的中位关闭滑阀。泵的控制方法会在文中详细解释。实验的结果论证了一个关于流量匹配问题的解决方案以及在不同控制模式时静态和动态的区别。关键词：移动式液压技术；动力学；能源效率；泵控制器1. 前言 近几十年液压传动系统已成功地应用于移动式机械。由于机械的多功能性，针对不同的用途已开发出不同的液压系统。液压系

2、统的重要性能包括能源效率，可控性，减幅以及系统复杂性。液压工作系统的选择通常是这些性能的折中。这篇论文提出了一个节能且灵活的液压工作系统。关于这个系统，它有可能在运转时改变静态和动态特性以适应一个特殊的机械，工作循环或操作者。 在移动式液压系统领域，一个热门的研究题目就是消除控制阀并将一个泵用于每个执行机构。多种概念已被发展，包括泵控制的执行机构(Rahmfeld and Ivantysynova 2001, Heybroek 2008)，液压变压器(Achten et al. 1997)以及电动静液作动器(Gomm and Vanderlaan 2009)。在移动式机械中这些系统还没有普遍投

3、入市场，但也是可以找到的，例如航天产业(Raymond and Chenoweth 1993)。相对于单泵系统，无阀系统提高了能源效率，尤其是多种功能同时起作用时。然而，有一点必须得考虑的是无阀系统或许会要求很少的阀来操作，例如，非对称气缸驱动以及满足安全要求(Williamson and Ivantysynova 2007, Heybroek 2008)。此外，因为在无阀系统的概念中所有执行机构都有自己专用的泵，每一个都得分尺寸以易于控制最大速度。在单泵系统中，泵可以被简化，因为每一个负载都同时以全速驱动并不常见。由于这些原因，总的安装排量趋势是无阀系统高于单泵系统。不同于这些无阀概念，本文

4、关注的是单泵系统。 在移动式液压系统研究中另一个有趣的地方是换向阀的进油调路回路和回油调路回路的孔口的系统是解耦的。在学术界和工业上，许多针对单独计量系统的配置已开发出来了(Eriksson 2010)。然而，类似于无阀系统，在移动式机械中这些系统还没有普遍投入市场，主要是因为控制复杂以及成本问题。在这篇论文中，关注点是使用传统滑阀的系统。2移动式液压工作系统现今，大多数移动式机械的液压工作系统是通过中位全开阀和定量泵来运转。这种系统相对而言比较简单，粗糙而且性价比高，但通常低效能。这些系统有负载干涉，这意味着一个负载的压力等级很大程度上影响着其他执行机构的速度。此外，流速不仅取决于阀芯位置，

5、也取决于负载压力，通常涉及到负载依赖项。从可控性角度来说，这通常被认为是一个缺点。从动态学角度来说，负载依赖项使系统有一个大的减幅，这意味着系统很少有振动趋势。当控制大惯性负载时，减幅是首选的性能，例如一个移动式起重机的摆动功能。通过持续改变它们的压力使其高于最大负载，负载传感系统相对于中位全开系统提高了能效。这意味着在一个确定的流量时有一个特定的阀芯位移结果，这个结果独立于负载压力。这对于使用压力补偿器时负载同时运转的情况也是成立的。压力的不灵敏性使负载传感系统在低惰性负载时很容易操控速度或位移控制。然而，对于高惰性负载，会由于低减幅使操作变得不平稳。此外，泵的闭环控制模式可能会导致平稳问题

6、(Krus 1988)。这来自于Andersson(1980)早前对于负载传感系统的说法。为了提高能效的同时仍保持负载依赖项和大的减幅，基于变量泵和中位全开阀的系统已被开发出来，即负控制(Andersson 1997)。其可控性类似于中位全开系统。功率损耗通常高于负载传感系统，但由于有变量泵，所以并不像中位全开系统的功率损耗那么高。然而，中位全开变量泵系统有功率损耗而负载传感系统没有。液压机械泵控制器的前一步是用一个电子控制泵。这样使实现一个电子负载传感系统成为可能(Hansen et al. 2010)。另一个可能性是基于操作者的指令信号而不是负载的反馈信号来控制泵排量的设置。一个系统解决方

7、案是根据所有要求的负载流量的总和来控制泵排量的设置，这涉及到流量控制。相比负载传感，流量控制的优点是由于在大部分操作处有个减小的压力裕度从而有更高的能效(Djurovic 2007)以及由于是开环控制所以有更好的动态特性(Latour 2006, Finzel 2010)。然而，流量是静态压力独立于流量控制系统，会使系统只有一个小的减幅(Axin 2013)。这是Axin等人关于流量控制系统的评论。关于使用补偿器的流量控制系统通过换向阀来控制完全的流量，存在一个问题是流量匹配(Eriksson and Palmberg 2010)。泵的流量必须与所有负载流量的总和相持平。泵流量过低：在最高负载

8、时补偿器阀芯将会完全打开，从而导致负载速度下降。泵流量过高：不仅补偿器阀芯会关的更紧，而且泵的压力会升高直到系统中的减压阀打开。 许多研究已提出了怎样解决这种流量匹配问题(Fedde and Harms 2006,Djurovic 2007, Grosbrink et al. 2010, Xu et al. 2015)。这些解决方案包括附加传感器或给水槽加一个泄水阀。另一种解决方案是使用流量分担压力补偿器，干扰全部的泵流量从而使每个阀门打开(Finzel and Helduser 2008)。然而，在一些用途中，当泵饱和时它并不需要分配流量。此外，流量分担补偿器使最大的负载妨碍了所有较轻负载。

9、3.柔性液压系统 就像前几节所描述的，不同的液压系统有不同的系统特性。在一些用途中，当要求高能效和控制能力的精确位置控制时，需要高减幅个平稳控制比其他性能更重要。这篇论文提出了一个使用电子控制变量泵的柔性系统的解决方案。它不仅能实现中位全开，负载传感以及流量控制，而且也是这三个系统的混合。其中使用了传统的中位关闭短管阀，这样会有高能效。4.泵控制器 在柔性液压工作系统中泵控制器的使用见图1。传感器测量泵压力，最大负载压力，轴速以及泵排量布置。操作员者给电子控制器的输入信号是压力和流量指令。因此有可能在没有任何系统反馈信号时实现在一个闭环回路中控制压力和在一个开环回路中控制流量。5.负载传感和流

10、量控制的组合 负载传感和流量控制分别有它们各自的优缺点。负载传感的一个缺点是泵控制器是闭环控制增益的一部分(Krus 1988)。提高泵的响应时间将会减小整个系统的稳定裕度。流量控制没有此类问题，但又有其他问题。例如，将流量控制泵和传统的压力补偿器组合问题仍存在疑点(Eriksson and Palmberg 2010)。在此(Axin et al. 2014b)提出的解决方案是结合压力和流量控制从而在利用这两个系统优点的同时避免他们的缺陷。其他的研究者也提出了类似的想法。Grosbrink and Harms (2009) and Grosbrink et al. (2010)研究出一个由控

11、制流量的电子液压阀和控制压力的液压机械阀组成泵控制器。一般会选择这种两个控制器中泵最小排量。这意味着泵控制流量将和泵需要流量不高时那样久。如果电子液压控制器需要泵中的流量 多于阀可控制的，压力将会上升， 图1.电子泵控制器测量泵的压力，最大负载压力，转换 泵控制器将会自动转换到压力控制速度以及排量布置。操作者输入的是压力和流量指令。 模式。Xu et al. (2012) 和(2015)已研究出了一个类似的方法。不同之处在于流量和液压控制是通过电子液压来实现。这两种方法都将流量控制作为首选控制模式而压力控制作为一种安全控制模式。转换控制器或许会像Xu et al. (2015)展示的那样引起稳

12、定问题。Hansen (2009) and Hansen et al. (2010)提出了一个有压力控制器的电子负载传感设计，以附加的操纵杆指令信号供给前面装置。图2.本文所使用的电子控制器的原理图。输出信号接收来自压力控制起和流量控制器的影响。操作者设定的参数决定了会从控制器的压力和流量部分产生多少影响。这篇论文打算总结流量控制器和压力控制器是为了获得压力和流量的共同影响。此外，对操作者来说选择应该分别从流量和压力控制器部分受到多少影响是可能的。这里用了一个参数 ，见图2. = 1结果是纯压力控制器， = 0结果是纯流量控制器。而0 < < 1结果是压力和流量控制的联合。因此有可

13、能控制泵不间断的从压力控制到流量控制。通过运用压力和流量联合控制，泵排量布置一部分决定于负载压力反馈，一部分决定于流量控制信号。低的负载压力反馈增益可用来解决流量匹配问题。当泵需要太多的流量而且系统压力升高，压力控制器将会减小泵排量设置，从而避免产生不必要的压力。此外，因为压力控制器只能给位移控制阀体工一小部分输出信号，所以就有了稳定裕度。6.中位全开和流量控制的组合虽然流量控制相比泵控制器没有稳定性问题，但其减幅通常很低。提高减幅的一个方法是想系统中引入一个负载附加项。中位全开系统在中位全开通道方面有这个负载依赖项。然而，损耗通常也很大。改成一个变量泵但仍保持中位全开阀提高效率(Anders

14、son 1997)。本文打算通过使用电子控制泵和中位关闭阀来模仿传统的中位全开系统的运行状况。相比使用中位全开阀的变量泵系统这将很大程度上提高能效。图3.所提到的使用流量控制泵的系统解决方案。 = 1，中位全开模式， = 0，流量控制模式， 0 < < 1，两种模式之间。 在提议的解决方案中，通过控制变量泵真实再现了中位全开的流量。在传统的中位全开系统中，通过中位全开通道的流量可从测量泵压力计算出来，还有一个根据方程式（1）建立的在中位全开通道开区域的模型。际通过中位全开路径的流量将会从泵的最大流量比率中减去。当无阀活动时，相关流量是零。这可以和所有流量通过中位全开通道时做对比。开

15、动一个阀将会减少实际中中位全开通道中的开区域，因此允许泵供给其一个小的流量，提高泵的压力。在一个特定的压力级，相关流量将会寻求到平衡，仅补偿它自己的泄漏量。激活更多的阀将会继续提高压力直到泵的压力变得高于负载压力。然后就会有一个流量流向负载。大幅度提高阀芯行程将会减少实际中中位全开通道的开区域，这意味着提高了来自泵处的流量。当阀完全打开时，泵将会达到最大排量，将所有流量都输向负载。恰好一个传统的中位全开系统有同样的工作原理，虽然已达到了全液压而不是电控制。自从使用了电控制，使一个实际的中位全开通道有一个任意的模型成为可能。例如，持续降低它从而减少负载依赖项将会成为可能。在此提出了一个参数，它是

16、实际流量的一个增加系数。同时也会改变给系统的输入信号，见图3. 输入信号将决定于操作者给操纵杆的指令信号，而不是达到最大流量。一个极端的例子就是当完全没有负载依赖项存在时， = 0，结果就是一个流量控制系统。通过改变的值，有可能实现一个有中位全开特性的系统，一个流量控制系统或介于两个系统特性之间的系统。7.中位全开和负载传感的组合在传统的中位全开系统中，操作者通过开动阀来控制泵的压力。泵的压力决定于中位全开通道的开区域和中位全开流量的大小。本文提议通过变量泵来控制泵压力。和在前面章节所用到的中位全开通道的开区域实际模型相同。通过测量电流泵排量布置和旋转速度来计算通过中位全开通道的实际流量，见方

17、程式（2） 。然后根据方程式（3）可计算出泵压力。当没有阀活动时，相关泵的压力接近于零。这是一个传统中位全开系统中所有流量都通过中尉全开通道时的例子。开动一个阀将会减少中位全开通道的 开区域，提高相关泵的压力。在一个特定的压力级，将会达到平衡，泵将仅补 偿它本身的泄漏。然后泵排量布置将接近于零，这表示所有的流量仍通过中位全开通道。开动的阀越多，压力就持续增大，直到知道泵的压力高于负载压力。然后会有一个流量流向负载，甭排量布置将提高来支撑压力。根据方程式（2），这将减少实际的中位全开流量。大幅度提高阀芯行程将会减少实际中中位全开通道的开区域以及世纪的中位全开流量，允许更多的流量流向负载。当阀完全

18、打开时，泵将会达到最大排量，将所有流量都输向负载。类似于前面的部分，它有可能减少负载压力依赖项。这里同样用到参数，它在这个例子中将改变相关泵的压力。它将同样受到最大负载压力和附加负载压力裕度的影响，而不是根据方程式（3）计算出相关泵的压力，见图4.极端的例子就是当完全没有负载依赖项存在时，即 = 0，负载传感系统。通过改变的值，可以实现一个有中位全开特性的系统，一个流量控制系统或介于两个系统特性之间的系统。图4.所提到的使用压力控制泵的系统解决方案。 = 1，中位全开模式， = 0，负载传感控制模式， 0 < < 1，两种模式之间。一个类似的商业系统设计就是Nordhydrauli

19、c (Andersson 2013)的3G阀。然而，它不能在线控制负载感应和功能所需的额外的小流量。3G阀和本文中所提到方案的不同之处在于系统控制是完全由纯液压实现的，可以包含补偿器，从而消除负载干扰问题。8.完整的系统解决方案在前面的章节中，提出了三种不同的系统解决方案。上述方案中都使用了电子泵。在本节，为了实现一个柔性的高能效液压工作系统，三种方案组合了起来。 图5.所提出系统的完整框图，从输入信号到排量控制阀信号，ucontroller. 决定泵是处于压力控制，流量控制或两者之间。设置负载依赖项的等级。在完整的系统解决方案中，参数决定泵是压力控制，流量控制或介于两者之间。参数设置负载依赖

20、项的等级。图5.展示了从输入信号到流量控制阀信号（ucontroller）的完整框图。不需要附加传感器，这些对电子泵控制器已经足够了。完整的系统解决方案，它可以实现负载传感系统，流量控制系统，中位全开系统，或者介于这些系统特性之间系统，见图6.相对于只能在三种原始系统之间选择，这扩大了决定空间而且可以达到最佳的控制特性以适应特定的机械，工作循环，负载或操作者。 图6.所提出系统设计的设计空间9.实验结果设计了一个试验装备来证实柔性液压工作系统的性能。它是有四个执行机构的机动式起重吊车：吊杆，起重机臂，望远镜和摇摆，由经济实用的电子控制泵来供能，运转时可同时实现流量和压力控制模式(P1 axia

21、l piston pump, product catalogue)。，见图7。中位关闭换向阀是为使用补偿器或止回阀做准 图7.试验所用的起重吊车。吊杆汽缸控制第一臂，起重机臂汽缸控制第二个，望远镜汽缸可延伸到第二臂，摇摆汽缸可旋转起重机。可看见阀泄露会降低。备。压力传感器附在供给侧。在换向阀的压力传感端上方和所有汽缸两侧。汽缸上也装备着位置传感器，有个流量传感器装在泵的软管处，而且泵上装了一个排量传感器。泵和阀都由Parker Hannifin的商业软件IQAN控制。计算机硬件数据见表1.表1.实验所用起重机硬件数据图8. 流量指令将从恰当等级上升到比阀需要的多10%或更多。高的值将会使泵控制

22、器不敏感于不正确的流量指令。（a）当由于不同的值使泵需要太多的流量时，泵的压力裕度会上升。（b）从图8（a）可见，有一个功用是压力均衡。通过避免低的值，流量匹配问题就解除了。10.流量匹配问题在这部分，将论证压力和流量控制怎样解决流量匹配问题。换向阀上装着传统的压力补偿器，控制着流向负载的绝对流速。给泵控制器的流量指令将从恰当等级上升到比阀需要的多10%或更多。正如图8（a）所示，在流量控制模式( = 0)泵压力裕度略微上升了10bar到55bar。理论上，压力将会上升直到系统的主减压阀打开但次影响如上升的泵泄露稳定着压力。通过向泵控制器中引入一个负载压力反馈，系统将会在低压力级时找到平衡。图

23、8（a）展示了2和5%的压力反馈会怎样影响系统。在压力传感模式( = 1)，系统对不合适流量的需求是迟钝的，因为泵仅受负载压力反馈控制。图8（b）展示了压力平衡随着值的变化如何变化。通过避免低的值，当给泵控制器的流量指令高于阀的期望时，泵压力将不会上升到比压力传感模式时还高。11.动态特性在吊杆功能时做的一步是为了证明压力传感，流量控制和介于两者之间的动态不同。具体见图9（a）和（b），流量控制模式( = 0)比负载传感模式( = 1)响应快。这是因为给泵控制器的信号链短些。在负载传感模式，操纵杆产生一个试点压力代替换向阀。最高的负载压力然后以电子的方式被送到泵控制器，这个泵控制器会产生流量因

24、此在泵的软管里会有一个压力。在流量控制模式，当操纵杆活动时，流量需求直接发送给泵控制器，当用压力和流量联合( = 0.5)来控制泵时，响应时间介于流量控制和负载传感之间。图9（c）初始延迟随着值而近似线性增长。在图9（a）和（b），也可以观察系统的稳定性。在负载传感模式，泵控制器是环路增益的一部分，这致使了低的稳定性裕度，也导致了振动行为。通过减小值，因此减小了环路增益，泵排量设置部分决定于负载压力反馈信号，部分决定于流量指令信号。压力控制器因此仅仅给流量控制阀全部输出信号的一部分，这意味着有了稳定性裕度振荡也因此会低于 = 0.5时，这意味着两个系统都有高的稳定性裕度,见图9（d）。通过避免

25、高的值，压力振荡会近似恒定。在液压机械负载传感控制器和电子流量控制器作比较时，类似的结果已被报道。图9.不同值时吊杆功能的动态比较。0秒时的一个步骤。低的值提高了响应时间，降低了振荡。（a）泵压力关于时间的函数。（b）起重机速度关于时间的函数。（c）最初延迟关于的函数。（d）压力振荡的振幅关于的函数。12.负载依赖项本部分描述了不同等级的负载依赖项怎样影响柔性液压系统的静态和动态特性。泵处于流量控制模式( = 0)而负载依赖项分别设置为 = 0, 0.5和 1。给起重机臂的操纵杆指令信号是不变的，在1秒时吊杆功能有一个步骤。在4秒时，吊杆的操纵杆信号重置为0。图10(a),(c)和(d)展示了

26、不同等级的负载依赖项的泵压力和最大负载压力。当运动时，吊杆部分有最大的负载压力。否则，起重机臂部分由最大的负载压力。图10（b）,（d）和（f）展示了吊杆和起重机的速度以及泵排量的设置。 = 0时泵排量设置独立于负载压力。当值上升时，流量变得更加依赖于压力。这种静态不同可见图10（b）,（d）和（f）。因为起重机臂部分有一个相对低的负载压力，根据方程式（1），通过中位全开通道的实际流量将会很小。这导致了在第一秒时升高值起重机臂部分的速度会更高。当驱动吊杆部分时，压力将会升到一个相对高的等级，提高了实际流量。一个较高的值将使吊杆速度减小。当吊杆停止运动，压力会重新减小。由于起重机的结构，现在起重

27、机臂部分需要一个介于0秒和1秒之间的略微高的压力。如图10（b）所示，当 = 0时，这并不影响静态下起重机臂速度。然而，当负载依赖项升高，由于较高的泵压力，静态下起重机臂速度会略微降低，导致通过中位全开通道的实际流量更高，见图10（d）和（f）。负载依赖项等级也会影响动态特性。在1到4秒时，吊杆部分走一个步骤，泵排量布置以及系统压力等级将会改变。由于泵控制器的动态，当没有负载依赖项时，将会导致过度以及排量布置时的小幅度振荡，见图10（b）。当存在负载依赖项时，泵压力中的振荡将会影响泵排量布置。随着压力升高，会出现加速力，泵会减小它的排量。然后这个加速将会慢下来，导致系统有更多的减幅。可从图10(a),(c)和(e)中看出，当增加负载依赖项时压力振荡会减小。在图10（d）和（f）也可以看出为了减小压力振荡，排量布置常被减小。图10.不同值时的系统特性。减小值减小负载依赖项。（a） = 0时,压力关于时间的函数；（b） = 0时的速度和排量布置；（c） = 0.5时,压力关于时间的函数；（d） = 0.5时的