电液伺服系统的压力-流量负载敏感复合控制动力源设计

电液伺服系统的压力-流量负载敏感复合控制动力源设计

该系统具有高监控能力和快速响应能力，但存在系统效率低、能量损失大的问题。采用负载敏感技术可有效实现系统节能。作者探讨如何在电液伺服系统中实现负载敏感控制。负载敏感技术有阀控负载敏感技术和泵控负载敏感技术。阀控负载敏感技术虽然减少了压力损失,却造成了流量损失,在流量变化较大的工况节能效果不明显。泵控负载敏感技术有效地减少了压力损失和流量损失,但泵控系统的响应速度慢、控制精度较低。作者针对钢管折弯压力机系统高能耗问题,采用将泵控与阀控负载敏感技术相结合的液压动力源作为系统节能方案,根据钢管折弯压力机系统工作时对负载压力和负载流量的控制要求,利用Matlab仿真软件验证压力-流量负载敏感复合控制动力源节能原理的可行性。1伺服阀控制系统负载敏感技术在工业领域有广泛的应用,特别在负载压力或负载流量变化较大的系统中更能体现其节能效果。作者将泵控与阀控负载敏感技术相结合的液压动力源应用于钢管折弯压力机系统,压力-流量负载敏感控制系统如图1所示。该系统的动力源由电液伺服排量控制泵1和比例溢流阀2组成。系统所需的流量由电液伺服排量控制泵1控制,给定不同的排量指令信号,泵相应输出不同的排量;系统所需的压力由比例溢流阀2来调定,给定不同的压力指令信号,系统压力随之变化。由于变量泵的响应速度较低,且泵的安装位置与执行元件之间有较长的管路,直接通过变量泵控制系统会导致严重的滞后,因此采用伺服阀作为系统的控制元件。伺服阀具有响应快、控制精度高等特点,将其安装在执行元件上可极大减少由管路过长造成的容积效应。该系统使用数字式控制器7对整个系统进行控制,控制器输出给电液伺服排量控制泵1先导阀的指令信号与安装在油缸上的位移传感器5的反馈信号在控制器7内部构成系统流量负载敏感控制,根据位移传感器5的反馈信号,动力源输出流量可与系统负载流量相匹配,减少系统的流量损失;控制器7输出给比例溢流阀2的指令信号与压力传感器4反馈信号在控制器7内部构成系统压力负载敏感控制,根据压力传感器4的反馈信号,动力源输出压力可与系统负载压力相匹配,减少系统的压力损失;控制器7输出给伺服阀3的指令信号与压力传感器4反馈信号构成阀芯位置闭环控制,可以控制伺服阀阀口压差解决负载变化对系统流量增益的影响,确保系统性能。2压力-流量负荷敏感管理系统的建模2.1恒转速系统接口利用Matlab中的Simulink模块建立电液伺服排量控制泵模型如图2所示。电液伺服排量控制泵模型有4个接口,分别是C、S、P和T。C接口是信号给定端口;S接口是电机转速、扭矩等参数输入接口,一般恒转速系统使用常数;P接口是变量泵输出压力和流量接口;T是油箱接口。电液伺服排量控制泵模型需要设置泵的最大排量、变量泵机构最大行程、容积效率、总功率、额定压力、最大转速和运动黏度参数,然后再设定电机转速和扭矩参数。设置完成即可实现电液伺服排量控制泵的仿真。2.2外部给付信号接口比例溢流阀模型与普通溢流阀模型基本相同,差别是在普通溢流阀模型上加入一个外部给定信号接口,通过外部给定信号来控制溢流阀的溢流压力。可以用溢流阀模型近似代替比例溢流阀模型。溢流阀模型需要设置阀最大开口面积、设定压力、阀的调节范围、流量卸荷系数和泄漏面积等参数。设置完成即可实现比例溢流阀的仿真。2.3阀芯位移检测伺服比例阀本质上是一种流量控制阀,与比例流量控制阀的区别是可以实现换向功能,因此可以用比例流量控制阀模型代替伺服比例阀模型。图3所示为封装后的比例流量控制阀模型。模型中利用一个滑阀作为液压放大元件,该元件有3个接口:S接口是信号输入端,A接口是液压输出端,B接口是液压输入端。为了实现流量闭环控制,将输出的流量通过流量传感元件转换为控制信号后,将输入控制信号与流量信号比较后传到液压放大元件的控制端。由于滑阀的控制信号是阀芯位移,因此将该信号引出可以检测阀芯位移状况。图3中封装接口conn1是外部给定控制信号;conn2是外部液压输出端;conn3是外部液压输入端;out1是阀芯位移信号外部输出。FlowRateSensor1是流量传感器,DirectionalValve是滑阀。比例流量阀模型需要设置阀最大过流面积、阀的最大开度、过流系数、初始开口、泄漏面积等参数。设置完成即可实现伺服比例阀的仿真。2.4负载敏感控制系统的模型利用Matlab建立的压力-流量负载敏感控制系统模型如图4所示。3压力-流量负荷敏感控制系统的模拟3.1系统负载压力控制利用Matlab软件模拟出的负载压力给定信号和负载流量给定信号,是依据钢管折弯压力机系统实际工作时系统工况对负载压力和负载流量的控制要求得出的。钢管折弯压力机系统工作时,对负载压力的控制要求是:t=0～1s负载压力缓慢上升,此时系统执行元件处于空行程;接着系统会有一个小冲击负载;t=1～4s负载继续缓慢上升;t=4～5s负载压力快速上升,此时系统负载较大;接着有一个较大的冲击负载;t=5～9s为大负载压力下的稳定阶段,此时系统处于保压工程。按照系统对负载压力的控制要求,模拟的负载压力给定信号如图5所示。钢管折弯压力机系统工作时,系统执行元件运动过程是:油缸运动状态为低速运行,t=1s后急停,而后做匀加速运动,到t=4s时急停,t=5s时有个阶跃信号,最后保持匀速运行。按照系统执行元件运动过程,模拟的负载流量给定信号如图6所示。3.2压力-流量负载敏感控制系统模型压力-流量负载敏感控制系统模型的压力仿真结果如图7所示。根据系统模型和负载压力给定信号得出的系统输出压力曲线可知,系统动力源输出压力与负载压力基本保持高出伺服阀阀口压差的压力,并且系统输出压力能较好地跟随负载压力变化,仅仅在负载变化较快时有滞后现象。压力-流量负载敏感控制系统模型的流量仿真结果如图8所示。图8所示,根据系统模型和负载流量给定信号得出的系统输出压力曲线可知,系统动力源输出的流量在满足系统需求的同时仅仅有极少量的多余流量,系统输出流量较好地跟随负载流量的变化,表明系统溢流量较小,流量损失较小。4压力和流量仿真文中对压力-流量负载敏感控制系统的工作原理进行分析,建立了系统主要元件的模型,根据钢管折弯压力机系统工作时对负载压力和负载流量的控制要求,利用Matlab对系统的压力和流量进行仿真。通过仿真