液壓系統(tǒng)能量匹配控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液壓系統(tǒng)能量匹配控制方法，其特征是根據(jù)液壓系統(tǒng)的時間與流量關(guān)系曲線、時間與壓力關(guān)系曲線，獲取任一時刻的負載率和流量需求；優(yōu)先從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提取與負載率相對應的變頻電機的實際最佳頻率，以及與流量需求相匹配的比例變量泵實際斜盤傾斜角；若無，則根據(jù)變頻電機的效率與負載特性曲線，用理論計算方式初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。在設備運行中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫根據(jù)輸出反饋信號進行數(shù)值修正，使液壓系統(tǒng)具有自適應調(diào)整功能。本發(fā)明實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的負載需求與能量輸入匹配，而且最大程度保證了電機工作在高效階段，提高了液壓系統(tǒng)的能量利用率。
【專利說明】液壓系統(tǒng)能量匹配控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液壓系統(tǒng)控制方法，特別是涉及一種液壓系統(tǒng)能量匹配控制，用于實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)負載需求與能量輸入的匹配。

【背景技術(shù)】
[0002]伴隨發(fā)電設備、大型飛機、船舶、軍機、航天和車輛的快速發(fā)展，公稱壓力在800噸至數(shù)萬噸的液壓設備不斷出現(xiàn)，總裝機功率高達幾百千瓦已屢見不鮮。液壓系統(tǒng)工作過程具有瞬間高載的特點，工作周期內(nèi)負載變化差異大，導致液壓系統(tǒng)長期工作在低效率階段，大量能量在溢流或節(jié)流中耗散殆盡，能量損失嚴重。在定量泵的液壓系統(tǒng)中，據(jù)統(tǒng)計由高壓節(jié)流造成的能量損失高達36%?68%，如何大幅推進這類產(chǎn)品的低碳化轉(zhuǎn)型成為裝備制造企業(yè)面臨的迫切問題。
[0003]為解決液壓系統(tǒng)效率低下的問題，目前所采取單一變量泵法一定程度上實現(xiàn)了泵的輸出功率和負載需求功率的匹配問題，但是由于電機仍維持定高速運轉(zhuǎn)，匹配可調(diào)空間有限，造成系統(tǒng)流量低時，電機損耗無法控制?；蚴遣捎脝我蛔冾l電機驅(qū)動定量泵法，避免了 “大馬拉小車”的現(xiàn)象，但是當電機慢速運轉(zhuǎn)時，難以滿足系統(tǒng)控制精度要求；
[0004]變頻電機驅(qū)動比例變量泵法能更好的根據(jù)工作載荷的變化或人為的要求改變電機的輸出功率，但所涉及的現(xiàn)有技術(shù)仍存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，而且在能量匹配過程是只以流量實現(xiàn)為目標，而忽略了電機自身效率提高的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供了一種液壓系統(tǒng)能量匹配控制方法，可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的負載需求與能量輸入相匹配，并最大程度保證電機工作在高效階段，提高了液壓系統(tǒng)的能量利用率。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明液壓系統(tǒng)能量匹配控制方法，所述液壓系統(tǒng)包括變頻電機和由所述變頻電機驅(qū)動的比例變量泵，其特點是所述能量匹配控制方法按如下過程進行:
[0008]步驟a、根據(jù)液壓設備主機工作方式與工件成形工藝特征制定液壓系統(tǒng)的時間與流量關(guān)系曲線，以及時間與壓力關(guān)系曲線；對所述變頻電機進行效率測試，建立所述變頻電機在各級工作頻率下的效率與負載特性曲線；
[0009]步驟b、根據(jù)所述液壓系統(tǒng)的時間與流量關(guān)系曲線和時間與壓力關(guān)系曲線，獲取t時刻的負載率β t和流量需求Qt ;查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是否存在負載率β t和流量需求Qt對應下的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’ ；
[0010]若存在，則將所述系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’分別作為實際最佳頻率ft"和實際斜盤傾斜角Yt"，即有:ft" =ft’，Yt" = Y；;
[0011]若不存在，則根據(jù)所述變頻電機的效率與負載特性曲線，以所述變頻電機效率最高與流量需求Qt可實現(xiàn)性為判斷準則，計算獲取所述負載率β t和流量需求Qt對應的理論最佳頻率ft ;根據(jù)所述流量需求Qt和所述理論最佳頻率ft，計算獲取所述負載率β t和流量需求Qt對應的所述比例變量泵的理論斜盤傾斜角Y t ;將所述理論最佳頻率ft同時作為原始最佳頻率ft’和實際最佳頻率ft"，將所述理論斜盤傾斜角Yt同時作為原始斜盤傾斜角Yt’和實際斜盤傾斜角Yt"，并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，即有ft" =ft’ =ft，Yt" = Y；=Y t;
[0012]步驟C、通過變頻器的控制使所述變頻電機在t時刻的工作頻率為實際最佳頻率ft"，通過變量機構(gòu)控制使所述比例變量泵在t時刻的斜盤傾斜角為所述實際斜盤傾斜角Yt";檢測獲得所述比例變量泵在t時刻的流量輸出的測量值Q3m，根據(jù)系統(tǒng)設定的精度給定容差度S1，判斷式(I)是否成立
[0013]Qt-Qa,] I ^ ε I (I)
[0014]若式(I)成立，則維持所述負載率β t和流量需求Qt對應下的實際最佳頻率ft"和實際最佳斜盤傾斜角Yt"不變；若式(I)不成立，則判斷式(2)是否成立，
_5] Qmin(ft")彡 2Qt_Q測<Qmax(ft" ) (2)
[0016]其中Qmin(ft")和Qmax(ft")分別為所述實際最佳頻率ft"對應下的所述比例變量泵的最小流量和最大流量；
[0017]若式⑵成立，則根據(jù)所述流量差Qt-Q_、所述實際最佳頻率ft"和所述實際最佳斜盤傾斜角Yt"，計算獲取變角修正信號Λ Y1，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中與所述負載率β,和流量需求Qt對應的原始斜盤傾斜角Yt’修改為:Yt’ = Yt" +Δ y !；
[0018]若式⑵不成立，則判斷式⑶是否成立:
[0019]ft" =f；ax 且 Yt" = Ymax⑶
[0020]式(3)中，fmax為所述變頻電機的最大工作頻率，Ymax為所述比例變量泵的最大斜盤傾斜角；
[0021]若式(3)不成立，則根據(jù)所述流量差Qt-Qs以及實際最佳頻率ft"計算獲得變頻信號修正值Af和變角信號修正值Λ Y2，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中與所述負載率^和流量需求Qt對應的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’修改為:ft’ =ft" +Af, Yt'=Yt" +Δ Y2 ；
[0022]若(3)式成立，則判斷當前系統(tǒng)存在故障，已超出所述變頻電機與所述比例變量泵的可調(diào)范圍。
[0023]電機是系統(tǒng)的能量源頭，對于某一特定工況，在電機輸出功率與負載需求功率之間匹配的同時，若能使電機自身處于該工況最佳效率點運行，可以進一步提高整機能量效率，與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0024]1、本發(fā)明通過利用時間與成形速度關(guān)系曲線、時間與負載關(guān)系曲線、電機在各級工作頻率下的效率與負載特性曲線，解決了由于變頻電機與比例變量泵組合所形成的雙變量機構(gòu)耦合控制問題，實現(xiàn)了液壓機系統(tǒng)的負載需求與能量輸入匹配，并最大程度保證電機工作在高效階段；
[0025]2、本發(fā)明通過采用理論計算初始化歷史數(shù)據(jù)，并利用反饋信號修正歷史數(shù)據(jù)庫，從歷史數(shù)據(jù)中提取實際最佳輸出值，使液壓系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)本身特性進行實時動態(tài)調(diào)整，提聞了系統(tǒng)的容差率和穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明液壓系統(tǒng)能量匹配控制流程圖。
[0027]圖中標號:1油箱、2變頻電機、3比例變量泵、4液壓管路、5控制閥組、6執(zhí)行機構(gòu)

【具體實施方式】
[0028]參見圖1，本實施例中液壓系統(tǒng)包括變頻電機2和由變頻電機2驅(qū)動的比例變量泵
3。變頻器與變頻電機的電輸入端相連，用于改變輸入變頻電機2的電流頻率。變量機構(gòu)與比例變量泵3的斜盤相連，用于改變比例變量泵3的斜盤傾斜角。比例變量泵3從油箱I中吸取液壓油，液壓油通過液壓管路4和控制閥組5，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)6的運動。設置在比例變量泵3出口處的流量傳感器可用于半閉環(huán)控制，設置在執(zhí)行機構(gòu)6處的位移傳感器可用于實現(xiàn)全閉環(huán)控制。
[0029]本實施例中對于液壓系統(tǒng)的能量匹配控制方法是按如下步驟進行:
[0030]步驟a、根據(jù)液壓設備主機工作方式與工件成形工藝特征，如液壓機床加工齒輪，液壓機沖壓車門等，制定液壓系統(tǒng)的時間與流量關(guān)系曲線Q = yi(t)，以及時間與壓力關(guān)系曲線P = y2 (t);對變頻電機2進行效率測試，建立所述變頻電機2在η級工作頻率下的效率與負載特性曲線H =y3(0，f)。變頻電機2效率測試可由電機廠家完成或由用戶自身在現(xiàn)有電機試驗臺上完成。
[0031]步驟b、根據(jù)液壓系統(tǒng)的時間與流量關(guān)系曲線Q = yi(t)和時間與壓力關(guān)系曲線P= y2(t)，獲取t時刻的負載率β,和流量需求Qt ;查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中是否存在負載率^^和流量需求Qt對應下的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是用于存儲負載率Pt和流量需求Qt對應下的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’。在設備初試時，需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行賦空處理。
[0032]若系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存在，則將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Y；分別作為實際最佳頻率ft"和實際斜盤傾斜角Yt"，即有:ft" =ft’，Yt" = Yt’。
[0033]若系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中不存在，則根據(jù)變頻電機2的效率與負載特性曲線η =y3(β，f)，以變頻電機2效率最高與流量需求Qt可實現(xiàn)性為判斷準則，計算獲取負載率β t和流量需求Qt對應的理論最佳頻率ft ;根據(jù)流量需求Qt和理論最佳頻率ft，計算獲取負載率β t和流量需求Qt對應比例變量泵3的理論斜盤傾斜角Y t ;將理論最佳頻率ft同時作為原始最佳頻率ft’和實際最佳頻率ft"，將理論斜盤傾斜角Yt同時作為原始斜盤傾斜角Y；和實際斜盤傾斜角Yt"，并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，即有ft" =f； =ft，Yt" = Yt'=Yt。
[0034]其中理論最佳頻率ft的計算是采用常規(guī)的遍歷法和數(shù)值比較法，算式如下
[0035]

I (I S fiIJl^d2ZD tan ;/mjll) / m < Q1 < (I 5/jj^cPZD tan y ■) / m
IH= {y,(β,,./;),,J2),.--y,(β,,)},其巾/ = 1,2，…，η
[0036]通過查詢電機與泵的參數(shù)手冊，獲取電機極數(shù)m，泵的容積效率nv，柱塞直徑d，柱塞數(shù)Z，柱塞中心分布圓直徑D，比例變量泵的最小斜盤傾斜角Ymin和最大斜盤傾斜角
Y
° max ο
[0037]理論斜盤傾斜角Y t的計算是采用常規(guī)的幾何結(jié)構(gòu)分析法，計算式如下:
, mQ \
[0038]Y'^^\5fm^ZD
[0039]步驟c、通過變頻器的控制使所述變頻電機在t時刻的工作頻率為實際最佳頻率?,"，通過變量機構(gòu)控制使所述比例變量泵在t時刻的斜盤傾斜角為所述實際斜盤傾斜角Yi";利用比例變量泵3出口處設置的流量傳感器或執(zhí)行機構(gòu)處設置的位移傳感器，檢測獲得比例變量泵3在t時刻的流量輸出的測量值Q3m，根據(jù)系統(tǒng)設定的精度給定容差度ε 17判斷式(I)是否成立。
[0040]Qt-Qa,] I ^ ε I (I)
[0041]若式(I)成立，則維持負載率β t和流量需求Qt對應下的實際最佳頻率ft"和實際最佳斜盤傾斜角Yt"不變；若式(I)不成立，則判斷式(2)是否成立，
[0042]Qmin(ft")彡 2Qt_Q測<Qmax(ft" )(2)
[0043]其中Qmin (ft〃 )和Qmax (ft〃 )分別為實際最佳頻率ft"對應下的比例變量泵3的最小流量和最大流量，計算過程采用常規(guī)的幾何結(jié)構(gòu)分析法，算式如下:
[0044]Qniin (ft〃 ) = 15ft" η v 31 d2ZDtan Y min/m, Qmax (ft;/ ) = 15ft" η v π d2ZDtan y max/m
[0045]若式⑵成立，則根據(jù)流量差Qt-Q?、實際最佳頻率ft"和實際最佳斜盤傾斜角Yi"，計算獲取變角修正信號Λ Y1，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中與負載率β,和流量需求Qt對應的原始斜盤傾斜角Y t'修改為:Y t’ = Yt" +Δ Y !；
[0046]其中Λ Y1的計算為常規(guī)的作差法，算式如下:
[0047]
Λ ( /?(20,-a；:,) ( mQt
Ay.= arc Um-^---arctan--
115/ XZD15./; ηην7Τ?Ι^ΖΟ
[0048]若式⑵不成立，則判斷式⑶是否成立:
[0049]f/ =乙虹且(3)
[0050]式(3)中，fmax為變頻電機2的最大工作頻率，Y max為比例變量泵3的最大斜盤傾斜角。
[0051]若式(3)不成立，則根據(jù)所述流量差Qt-Qs以及實際最佳頻率ft"計算獲得變頻信號修正值Af和變角信號修正值Λ Y2，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中與所述負載率^和流量需求Qt對應的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’修改為:ft’ =ft" +Af, Yt'=Yt" +Δ Y。
[0052]其中變頻信號修正值Af的計算式為常規(guī)的遞進取值法，算式如下:
[0053]

— I向上級頻率躍迀，Qt-Qm>0
*[向下級頻率躍遷，0t Qn<0
[0054]其中變角信號修正值Λ y2的計算為常規(guī)的作差法，算式如下:
[0055]
Ay = arctan-1n^z-Qi__0^}_--arctan-"必,——

15(./; ’’+ Af PiJutZD15./； ηηνπ?ιΖΟ
[0056]若(3)式成立，則判斷當前系統(tǒng)存在故障，已超出所述變頻電機2與所述比例變量泵3的可調(diào)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種液壓系統(tǒng)能量匹配控制方法，所述液壓系統(tǒng)包括變頻電機和由所述變頻電機驅(qū)動的比例變量泵，其特征是所述能量匹配控制方法按如下過程進行: 步驟a、根據(jù)液壓設備主機工作方式與工件成形工藝特征制定液壓系統(tǒng)的時間與流量關(guān)系曲線，以及時間與壓力關(guān)系曲線；對所述變頻電機進行效率測試，建立所述變頻電機在各級工作頻率下的效率與負載特性曲線； 步驟b、根據(jù)所述液壓系統(tǒng)的時間與流量關(guān)系曲線和時間與壓力關(guān)系曲線，獲取t時刻的負載率β t和流量需求Qt ;查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是否存在負載率β t和流量需求Qt對應下的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’ ; 若存在，則將所述系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’分別作為實際最佳頻率ft"和實際斜盤傾斜角Yt"，即有:ft" =ft’，Yt" = Y；; 若不存在，則根據(jù)所述變頻電機的效率與負載特性曲線，以所述變頻電機效率最高與流量需求Qt可實現(xiàn)性為判斷準則，計算獲取所述負載率β t和流量需求Qt對應的理論最佳頻率ft;根據(jù)所述流量需求Qt和所述理論最佳頻率ft，計算獲取所述負載率和流量需求Qt對應的所述比例變量泵的理論斜盤傾斜角Y t ;將所述理論最佳頻率ft同時作為原始最佳頻率ft’和實際最佳頻率ft"，將所述理論斜盤傾斜角Yt同時作為原始斜盤傾斜角Yt’和實際斜盤傾斜角Yt"，并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，即有ft" =ft’ =ft, Yt^ = Yt' = Yt; 步驟C、通過變頻器的控制使所述變頻電機在t時刻的工作頻率為實際最佳頻率ft"，通過變量機構(gòu)控制使所述比例變量泵在t時刻的斜盤傾斜角為所述實際斜盤傾斜角Yt";檢測獲得所述比例變量泵在t時刻的流量輸出的測量值(?，根據(jù)系統(tǒng)設定的精度給定容差度h，判斷式(I)是否成立 Qt_Q?j I < ε I ⑴ 若式(I)成立，則維持所述負載率Pt和流量需求Qt對應下的實際最佳頻率ft"和實際最佳斜盤傾斜角Yt"不變；若式(I)不成立，則判斷式(2)是否成立， Qmin(ft")彡 2Qt-Q測彡 Qmax(ft" ) (2) 其中Qmin(f/ )和)分別為所述實際最佳頻率ft"對應下的所述比例變量泵的最小流量和最大流量； 若式(2)成立，則根據(jù)所述流量差Qt-Q_、所述實際最佳頻率ft"和所述實際最佳斜盤傾斜角Yt"，計算獲取變角修正信號Λ Y1，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中與所述負載率0,和流量需求Qt對應的原始斜盤傾斜角Y t’修改為:Y t’ = Yt" +Δ Y !； 若式(2)不成立，則判斷式(3)是否成立:
ft " = fmax 且 Y t " = Y max⑶ 式⑶中，fmax為所述變頻電機的最大工作頻率，Ymax為所述比例變量泵的最大斜盤傾斜角； 若式(3)不成立，則根據(jù)所述流量差Qt_Q.以及實際最佳頻率ft"計算獲得變頻信號修正值Af和變角信號修正值Λ Y2，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中與所述負載率^和流量需求Qt對應的原始最佳頻率ft’和原始斜盤傾斜角Yt’修改為:ft’ =ft" +Af, yt'=Yt" +Δ Y2 ； 若(3)式成立，則判斷當前系統(tǒng)存在故障，已超出所述變頻電機與所述比例變量泵的可調(diào)范圍。
【文檔編號】F15B11/02GK104179735SQ201410345674
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】劉志峰, 趙凱, 黃海鴻, 劉明, 李新宇, 李磊 申請人:合肥工業(yè)大學