电液流量匹配控制系统的仿真与试验研究

电液流量匹配控制系统的仿真与试验研究

随着中国城市建设和工业的快速发展，国际市场的不断扩大，给挖掘机和其他工程行业带来了巨大机遇。然而，鉴于世界上能源和环境危机等重大问题，挖掘机和其他工程机械迫切需要节约能源和环境，我们正在寻求新的解决方案。另一方面，对挖掘机和其他工程机械产品的控制和智能化控制的要求越来越高。随着机枪和其他工程机械产品的发展，以及基于电比的多臂阀的电比和开环泵流量适应管理制度（eh-mc），我们必须满足电比流量适应性管理制度的需要。采用泵阀联合监测方法，提高系统灵活性和灵活性。负载敏感系统(loadsensing,LS)是目前应用最广泛的工程机械液压系统之一.然而由于负载敏感系统压力反馈系长管道传输,且具有预设泵出口与最高负载之间压力裕度进行闭环控制等特点,时而出现系统振荡和响应滞后等一系列的问题,影响了系统的稳定性和操控性能.而应用电比例多路阀和电比例泵的电液流量匹配控制系统采用泵阀同步控制的方式,可以基本消除传统负载敏感系统控制中泵滞后阀的现象,同时不用预设泵出口压力与最高负载压力之间的压力裕度,不需最高负载压力反馈闭环控制,因此在动态性能和节能方面具有较大改善的潜能.20世纪90年代,Harms等在研究负载敏感等系统中提到流量匹配液压原理.提出通过检测手动、液控多路阀阀芯位移计算系统所需流量来控制泵的排量.2004年开始,Helduser等以挖掘机为对象,对通过检测阀后补偿器位移而间接实现流量闭环控制的方式进行了讨论.2005年开始,Harms等以农业拖拉机为对象,对比分析定压、定流、负载敏感系统和电液流量匹配控制系统的节能、响应性等,且针对流量过多情况下的系统节能性和响应性进行了初步的理论探讨.系统采用的是阀前补偿形式的电比例多路阀.力士乐公司更把流量匹配控制液压系统誉为下一代的负载敏感控制,尽管其2008年已经发布了相关系统信息,至目前为止还未见报道其他液压元件和主机厂家涉足该类产品的开发,极少数研究机构在近几年才有公开研究报道,国内鲜见相关文献提到研究者对该类系统进行分析.尽管近5年来国外研究者已初步开始对电液流量匹配系统的研究,但是系统的一些关键技术还有待进一步发展,工程应用性能还有待提高.尤其针对工况恶劣、复合动作要求较高的挖掘机工程机械的应用环境,国内外都还未对电液流量匹配控制系统在其上的应用进行研究,可以说挖掘机电液流量匹配控制系统技术的研究尚处于起步阶段.本研究基于自主研制的电液流量匹配控制系统挖掘机试验样机,仿真与试验对比分析基于与负载压力无关流量分配(lastdruckunabhue562ngigedurchflussverteilung,LUDV)多路阀的负载敏感系统与电液流量匹配控制系统的节能及动态响应和稳态特性.试验研究电液流量匹配控制系统的抗流量饱和流量共享分配特性,并通过典型挖掘工况对挖掘机整机能耗进行评估.1压力补偿器阀芯压力传递函数如图1所示为LUDV负载敏感液压系统原理图,系统最高负载压力pLs通过由主阀3、4和阀后补偿器5、6组成的LUDV多路阀反馈到负载敏感泵2的流量控制阀,负载敏感泵仅提供系统所需求的流量和压力,实现系统的压力流量自适应控制.如图2所示为LUDV电液流量匹配控制系统液压系统简图,该系统结构与LUDV负载敏感系统相比,电控变量泵2取代了负载敏感泵,并采用同样的多路阀控制元件,减少最高负载压力的反馈油路.电液流量匹配控制系统中控制器输出比例控制信号U1、U2到多路阀的同时,考虑泵、阀的先导控制流量以及泵转速等参数的影响,输出流量控制信号Up控制电比例泵的斜盘摆角,实现泵阀之间的流量匹配.电比例泵提供执行机构所需流量,以满足系统流量和压力要求.电液流量匹配控制系统采用泵、阀几乎同步控制的开环液压控制回路,可以基本消除负载敏感系统控制中泵滞后阀的现象,同时不用预设泵出口压力与最高负载压力之间的压力裕度,不需压力反馈闭环控制,因此在改善系统节能性、稳定性和操控性等方面具有较大的开发潜能和发展前景.对LUDV多路阀电液流量匹配控制系统的流量压力特性分析如下:主阀阀口压差:式中:F0为压力补偿器弹簧预压力;Ac0为压力补偿器阀芯端面油压受压面积;ps为泵出口压力;p1,p2为执行机构1,2对应补偿器进口压力.各执行机构需求流量和总流量为式中:Cq为流量系数;ρ为油液密度;qVli为第i个执行机构流量;Wi,XVi分别为第i个执行机构对应阀的过流面积梯度和开度;qVl1,qVl2,……qVln分别为第1个,第2个……第n个执行机构的流量;qVs为执行机构总需求流量.由式(2),(3)得各执行机构需求流量与执行机构总需求流量关系:式中:XV1,XV2,……XVn分别为第1个,第2个……第n个执行机构对应阀的阀口开度.式(4)表明流量匹配系统中某执行机构负载的流量与该执行机构的控制阀主阀芯过流面积及各执行机构控制阀总过流面积有关.当电液流量匹配控制系统提供执行机构流量qVs一定的情况下,系统根据各执行机构控制阀过流面积与各执行机构控制阀总过流量面积的比例对系统流量进行比例分配.由式(4)得因此,求得泵的出口压力和系统压力裕度为流量匹配控制系统中泵的出口压力是最高负载压力和阀芯开度的函数.在负载和阀口开度一定的情况下,泵出口压力自适应系统的流量变化.给定流量和负载情况下,增大阀芯开度,可以降低系统泵压,提高节能性.从LUDV阀后补偿多路阀系统的流量与压力特性关系可以看出,由于LUDV阀后补偿多路阀具有流量共享分配特性,其组成的电液流量匹配控制系统在流量分配和控制方面具有以下特征.1)LUDV阀后补偿多路阀主阀阀口压差自适应系统流量变化,不受补偿器弹簧预压力大小等的限制,理论情况可在工作压力范围内任意变化,因此,一定阀控信号下其通流流量可变范围非常大,电液流量匹配控制系统不能仅根据其阀控信号大小计算执行机构所需.因此可以通过以下2种方法来进行流量匹配控制:第一,给定期望主阀口工作压差,并根据操控信号计算执行机构所需的流量,进而计算电比例泵控信号,由于每个执行机构的工作流量和系统供给的流量都有一定的限制,控制器需要对信号进行标定以满足系统操控要求;第二,根据系统流量和执行机构操作要求,直接标定操控信号对应的执行机构流量大小,控制器控制电比例变量泵提供系统所需.本论文研究采用第一种控制方法,以LUDV负载敏感系统流量不饱和情况下的主阀口工作压差作为标准计算执行机构的需求流量.2)电液流量匹配控制系统实际为泵控液压系统,LUDV阀后补偿多路阀具有流量共享分配功能,在系统中相当于流量分配器,无论在何种工况,系统提供的流量都能根据操控信号按比例供给各执行机构.因此,可以通过控制器使最大流量需求执行机构的对应控制阀阀口全开,同时根据操控信号使各执行机构对应的控制阀阀口开度按比例增大,以保证系统的操控性能不变.在系统匹配控制中,通过主阀流量不变的情况下,增大了阀口过流面积,因此可降低主阀口的压力损失,提高系统的节能性.以两执行机构系统为例,在泵流量充足情况下,对LUDV负载敏感系统和电液流量匹配控制系统的流量关系分析如下.对LUDV负载敏感系统,各执行器的流量:负载敏感泵提供执行器的流量:式中:ΔpLs为LUDV负载敏感系统中负载敏感泵流量阀的预设压力裕度(泵出口与最高负载之间的压力差值);U1,U2分别为两执行机构的操控信号,阀的实际控制信号也为U1,U2;f(U1),f(U2)分别为对应阀的过流面积.对LUDV多路阀电液流量匹配控制系统,同样的阀操控信号U1,U2情况下,通过控制器对阀操控信号进行重新控制与分配.假设执行机构1为最大需求流量执行机构,根据电液流量匹配控制系统的流量与压力特性分析,使其对应控制阀口最大,同时,其他执行器机构根据操控指令按比例增大阀口控制面积,各执行器的流量关系为式中:UI,UO分别为两阀的实际控制信号;fmax(UI)为执行机构控制阀的最大过流面积,其对应阀的控制电压为UI.为保证各执行机构操控特性不变,控制时满足式(13)关系:因此,LUDV多路阀电液流量匹配控制系统与LUDV负载敏感系统的控制阀过流面积和系统压力裕度满足式(14)~(16).与LUDV负载敏感系统相比,电液流量匹配控制系统各执行机构的流量大小及相互之间的流量比例关系都保持不变,增大了主阀口的过流面积,降低了系统的压力裕度降低.2amesim仿真基于LUDV多路阀的电液流量匹配控制系统系统原理图如图3所示,采用力士乐的SYDFEE电比例控制变量泵和丹佛斯的PVG100电比例控制LUDV多路阀.与之对比分析的LUDV负载敏感系统采用机液负载敏感泵替换电控变排量泵,多路阀组和执行机构等其他元件都保持不变.如图4所示为PVG100多路阀工作模块剖视图,工作模块主要由阀体,PVES电驱动模块,主阀芯,压力补偿器和缓冲阀等组成.通过液压系统AMEsim模型与多体动力学Adams联合建模的方法对液压挖掘机进行仿真研究.根据PVG100多路阀的原理和结构在AMEsim软件中建立仿真模型,如图5所示为PVG100的单联的AMEsim仿真模型,包括先导控制,主阀芯,压力补偿器和液压缸等部分.由于主阀芯阀口为非规则的非全周阀口,在AMEsim选择异形阀口建模,并在仿真时调用过流面积与水利直径同阀口开度的关系数据文件,通过插值计算各阀口开度处的过流面积.PVG100多路阀为阀后压力补偿,从补偿原理来看,高压油先节流再减压,并随时将各联中的最高压力自动选择为负载敏感压力,同时作用在各联的补偿器端面上.如图6所示为虚拟样机联合仿真输入输出关系,在AMEsim中建立的液压模型通过软件通讯接口与Adams的挖掘机工作装置动力学模型进行力,位移和速度之间的数据交换,实现整机系统的联合仿真.电液流量匹配控制系统挖掘机试验样机如图7所示,采用基于Matlab/xPC实时采集主从控制系统完成数据的实时采集和控制,执行机构为玉柴YC20-8挖掘机工作机械臂.试验研究液压系统的主要参数见表1.3在模拟分析和实验结果的分析中3.1仿真结果分析如图8所示为挖掘机动臂和铲斗复合动作特性仿真与试验结果对比,其中v表示速度,p表示压力,t为时间.从油缸速度,泵出口压力和系统压力裕度(泵出口压力与最高负载压力之间的差值)曲线可知,系统的仿真与试验结果吻合较好,仿真模型基本准确,可用于系统的进一步理论分析.LUDV负载敏感系统中速度和压力产生较大幅度的振荡,稳定性能差,压力裕度维持在1.3MPa左右振荡.而LUDV多路阀电液流量匹配控制系统在响应阶段有较小的超调,速度和压力能较快稳定,系统的稳定性能好.与LUDV负载敏感系统相比,电液流量匹配控制系统的压力裕度降低了0.9~1MPa,节能性得到较大的提高.3.2基于ludv多路阀的电液流量匹配控制系统在系统中不同在四通闭中心多路阀液压系统中,当执行机构需求流量大于泵所能提供的最大流量时,系统发生流量饱和.由于工程机械工况复杂多变,经常会出现流量饱和现象,尤其对于阀前补偿多路阀负载敏感系统,流量饱和将使执行机构之间相互干涉,严重影响系统的操控性能.LUDV多路阀具有流量共享功能,由前面的流量压力特性分析可知,其组成的液压系统饱和工况始终具有比例的流量分配特性.如图9所示为LUDV负载敏感系统流量饱和工况、非流量饱和工况及电液流量匹配控制系统饱和工况3种特性对比.为模拟系统的流量饱和工况,将电机转速由1500r/min调至300r/min进行试验.由试验结果可知,流量未发生饱和时,LUDV负载敏感系统动臂和铲斗的稳态速度分别约为41.5和89mm/s,压力裕度约为1.3MPa,系统的压力和速度产生较大的振荡.发生流量饱和时,LUDV负载敏感系统与电液流量匹配控制系统的动臂和铲斗稳态速度都分别降低至24.5和48mm/s.由于发生流量饱和,通过各执行机构控制阀的流量减小,而LUDV负载敏感系统各阀控信号保持不变,因此主阀的阀口压差减小,系统压力裕度也随之降低,约为0.35~0.4MPa.负载敏感泵工作在最大摆角,流量控制阀失去调节作用.因此可知,基于LUDV多路阀的电液流量匹配控制系统具有抗流量饱和作用,即使未采取任何附加措施,当发生流量饱和时也能实现按比例降低各执行机构速度的功能,即无论何种工况,LUDV多路阀都能根据各阀控信号对应的流量比例关系完成泵供给执行机构总流量的比例分配.3.3b挖掘姿态定位为对挖掘机的LUDV多路阀电液流量匹配控制系统进行整机能耗评估,以典型挖掘工况为代表进行了整机复合挖掘动作试验,如图10所示(a)~(f)分别为各阶段的试验动作图.其中(a)为初始位置;(a)到(b)完成动臂单执行机构提升动作;(b)到(c)完成斗杆和铲斗复合收缩动作;(c)到(d)动臂下降完成挖掘姿态定位;(d)到(e)斗杆和铲斗伸出复合动作完成挖掘动作;(e)到(f)动臂提升,铲斗收缩复合动作完成卸土.如图11所示为典型挖掘机工况LUDV负载敏感系统与电液流量匹配控制系统的试验特性对比,其中图(a)~(c)分别为压力,位移和速度曲线.在相同的阀控信号大小和时序控制下,电液流量匹配控制系统和LUDV负载敏感系统完成相同的动作.通过系统压力和动臂的速度曲线对比可看出,电液流量匹配控制系统的稳定性和响应性均优于