車載液壓發(fā)電機(jī)行車工況發(fā)電穩(wěn)速控制

李 昊 楊玉強(qiáng)

1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，秦皇島，0660042. 江蘇徐州工程機(jī)械研究院，徐州，221004

車載液壓發(fā)電機(jī)行車工況發(fā)電穩(wěn)速控制

李 昊1楊玉強(qiáng)2

1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，秦皇島，0660042. 江蘇徐州工程機(jī)械研究院，徐州，221004

車載液壓發(fā)電機(jī)在駐車工況下發(fā)出電能的質(zhì)量較高，但在行車發(fā)電工況下，行駛負(fù)載的擾動使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，發(fā)出的電能質(zhì)量較差。針對行車發(fā)電穩(wěn)速控制展開研究，構(gòu)建了行車發(fā)電工況下變量泵-定量馬達(dá)閉式調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了輸出轉(zhuǎn)速波動的機(jī)理，采用前饋補(bǔ)償加直接閉環(huán)反饋的方法對馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速波動進(jìn)行抑制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償控制能夠使系統(tǒng)在行車工況下具有較高的控制精度和魯棒性，輸出電力品質(zhì)滿足軍用Ⅱ類自發(fā)電電站標(biāo)準(zhǔn)。

液壓發(fā)電機(jī)；行車發(fā)電；穩(wěn)速控制；泵控馬達(dá)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對自發(fā)電電站的要求不僅僅停留在駐車工況，對行車條件下發(fā)電的需求也愈來愈強(qiáng)烈，要求車輛或移動裝備在行駛過程中也能為用電設(shè)備提供高品質(zhì)電力。車載液壓發(fā)電機(jī)具有體積小、功重比大、噪聲低、可在車輛移動中發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備[1-2]優(yōu)勢明顯。

國內(nèi)的行車發(fā)電還停留在理論階段或簡單組裝國外產(chǎn)品階段，行車發(fā)電技術(shù)還有待進(jìn)一步深入研究。針對液壓發(fā)電機(jī)行車發(fā)電的研究主要在控制方法上。文獻(xiàn)[3]通過仿真分析，研究了泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。文獻(xiàn)[4-5]對行車發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和恒速控制策略研究，提出了負(fù)載擾動條件下的控制方法。文獻(xiàn)[6]采用模糊自整定PID控制方法，對車載液壓發(fā)電系統(tǒng)馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[7-8]將智能控制策略用于行車發(fā)電。以上研究僅對行車工況下液壓發(fā)電機(jī)負(fù)載擾動時的穩(wěn)定控制方法進(jìn)行了分析，對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入波動沒有進(jìn)行深入探討，控制手段在工程應(yīng)用時可靠性不高。

本文針對液壓發(fā)電機(jī)在變轉(zhuǎn)速輸入條件下的穩(wěn)定控制方法展開研究，分析其液壓傳動系統(tǒng)變轉(zhuǎn)速輸入、恒轉(zhuǎn)速輸出的控制特性，提出了發(fā)電機(jī)穩(wěn)速輸出控制策略。

1 車載液壓行車發(fā)電系統(tǒng)

1.1 工作原理

車載液壓發(fā)電機(jī)安裝在汽車底盤上，其工作原理如圖1所示。汽車發(fā)動機(jī)一方面驅(qū)動車輛正常行駛，另一方面隨時為車載液壓發(fā)電機(jī)提供動力輸入。發(fā)電系統(tǒng)主要包括發(fā)動機(jī)、變量泵、定量馬達(dá)、同步發(fā)電機(jī)等。發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動變量泵，進(jìn)而通過液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動定量馬達(dá)，定量馬達(dá)和同步發(fā)電機(jī)固連在一起，實(shí)現(xiàn)動力從發(fā)動機(jī)到發(fā)電機(jī)的傳遞。變量泵-定量馬達(dá)閉式調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速輸入-恒轉(zhuǎn)速輸出控制，此時變量泵工作于恒流源狀態(tài)。

圖1 車載液壓發(fā)電機(jī)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of on-board hydraulic generator

1.2 車載液壓發(fā)電機(jī)電氣技術(shù)要求

根據(jù)雷達(dá)裝備、電子對抗裝備和通信裝備對電力品質(zhì)的要求，選取軍用Ⅱ類電站標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]，按照12 kW功率設(shè)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)。液壓馬達(dá)與發(fā)電機(jī)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)固連，因此，可用馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速表征發(fā)電頻率的變化。馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速指標(biāo)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速要求

2 車載液壓發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

車載液壓發(fā)電機(jī)液壓傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要由兩部分組成：作為調(diào)速機(jī)構(gòu)的泵控馬達(dá)模型，作為控制機(jī)構(gòu)的比例閥控缸模型。

2.1 閥控缸的數(shù)學(xué)模型

高頻響比例閥線性化流量方程為

qL=kqxv-kcpL

(1)

式中，qL為液壓缸的負(fù)載流量，m3/s；kq為閥芯在零位附近的流量增益，m2/s；xv為閥芯位移，m；kc為閥芯在零位附近的流量壓力增益，m3/(Pa·s)；pL為液壓缸負(fù)載壓降，Pa。

液壓缸流量連續(xù)性方程為

(2)

式中，Ctc為液壓缸總泄漏系數(shù)，m3/(Pa·s)；Ap為活塞的有效面積，m2；xp為活塞位移，m；Vt為兩側(cè)容腔總?cè)莘e，m3；K為液體體積彈性模量，Pa。

液壓缸負(fù)載力平衡方程為

(3)

式中，mt為活塞及其剛性連接可移動負(fù)載的折合質(zhì)量，kg；Bp為活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；Kp為活塞及負(fù)載的彈簧剛度，N/m；FL為作用在活塞桿的外界負(fù)載力，N。

聯(lián)立式(1)～式(3)，經(jīng)拉式變換得閥芯位移和變量油缸位移的傳遞函數(shù)：

(4)

式中，ωh為閥控缸系統(tǒng)固有頻率，rad/s；ξh為閥控缸系統(tǒng)阻尼比。

2.2 泵控馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型

變量泵流量的數(shù)學(xué)模型為

Qp=ωpDp-Cic(ph-p1)-Cepph

(5)

Dp=γkpq

(6)式中，ωp為變量泵的角速度，rad/s；Dp為變量泵的排量，m3/rad；Cip、Cep分別為變量泵的內(nèi)泄漏系數(shù)和外泄漏系數(shù)，m3/(Pa·s)；ph、p1分別為高低壓力側(cè)的壓力，Pa；γ為變量泵斜盤擺角，rad；kpq為變量泵的排量梯度，m3/rad2。

馬達(dá)高壓側(cè)連續(xù)性方程為

(7)

式中，Cim、Cem分別為馬達(dá)的內(nèi)外泄漏系數(shù)，m3/(Pa·s)；Dm為馬達(dá)排量，m3/rad；θm為馬達(dá)轉(zhuǎn)角，rad；Vpm為泵、馬達(dá)工作腔以及連接管路的總?cè)莘e，m3。

馬達(dá)和負(fù)載力矩平衡方程為

(8)

式中，Jt為折合到馬達(dá)上的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；Bm為馬達(dá)和負(fù)載的等效阻尼系數(shù)，N·m·s/rad；KL為負(fù)載的彈簧剛度，Nm/rad；TL為外負(fù)載力矩，Nm。

泵控馬達(dá)傳遞函數(shù)為

(9)

式中，ωm為泵控馬達(dá)系統(tǒng)固有頻率，rad/s；ξm為泵控馬達(dá)系統(tǒng)阻尼比。

2.3 變量泵斜盤-活塞的數(shù)學(xué)模型

變量機(jī)構(gòu)中，變量油缸伸出桿和斜盤鉸接在一起，變量油缸活塞位移和斜盤傾角存在一定的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理，可得斜盤傾角和活塞位移之間的傳遞函數(shù)：

xp(s)=Lγ(s)

(10)

式中，L為變量活塞油缸施力點(diǎn)與斜盤鉸接點(diǎn)間的距離，m。

2.4 轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)速傳感器將泵和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速信號采集后反饋到控制器中，其頻響遠(yuǎn)高于液壓系統(tǒng)固有頻率。轉(zhuǎn)速傳感器的傳遞函數(shù)為

(11)

式中，kv為轉(zhuǎn)速傳感器增益，(V·s)/rad；U為轉(zhuǎn)速傳感器電壓，V。

2.5 比例放大器的數(shù)學(xué)模型

比例放大器將給定電壓信號與反饋電壓信號做差后，得到偏差值。偏差值經(jīng)過放大器運(yùn)算后作用于比例閥，其傳遞函數(shù)為

ka=I(s)/U(s)

(12)

式中，ka為比例放大器增益，A/V；I為放大器電流，A。

閥控缸的頻響遠(yuǎn)大于泵控馬達(dá)系統(tǒng)的頻響，可將其簡化為一個比例環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)。假設(shè)馬達(dá)與發(fā)電機(jī)之間為剛性連接，忽略彈性負(fù)載，可得到泵控馬達(dá)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖(圖2)。

圖2 泵控馬達(dá)傳遞函數(shù)框圖Fig.2 Block diagram of pump-controlled motor transfer function

根據(jù)圖2可得馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和輸入電壓之間的傳遞函數(shù)：

(13)

由系統(tǒng)傳遞函數(shù)可知，系統(tǒng)為3階系統(tǒng)，包含一個積分環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)。發(fā)動機(jī)直接連接在液壓發(fā)電機(jī)的變量泵上，使得泵控馬達(dá)系統(tǒng)成為一個時變增益系統(tǒng)。通常工況下，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍為700～3000 r/min，由式(13)可知發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)的開環(huán)增益影響較大，因此基于固定模型的常規(guī)控制方法很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)速控制。

3 控制方法研究

本文將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號作為前饋補(bǔ)償信號，來補(bǔ)償輸入轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)的影響，使變量泵斜盤迅速到達(dá)目標(biāo)角度值附近，再通過直接轉(zhuǎn)速反饋控制對馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制。圖3為車載液壓發(fā)電機(jī)的穩(wěn)速控制原理簡圖。由圖3可以看出，控制模式主要分為兩部分：基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的前饋補(bǔ)償；直接轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋控制。

圖3 穩(wěn)速控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of steady speed control

由圖2可知，泵的輸出流量為轉(zhuǎn)速和排量的乘積，不考慮系統(tǒng)泄漏時，泵和馬達(dá)流量的關(guān)系為

ωpDp=ωmDm

(14)

由于系統(tǒng)中的馬達(dá)為定量馬達(dá)，因此泵的輸出流量決定了馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速。液壓發(fā)電系統(tǒng)要求定量馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速為恒值，也就是說需要對系統(tǒng)進(jìn)行恒流量控制。當(dāng)泵的輸入轉(zhuǎn)速變化時，需要控制變量泵的排量，由式(14)可得變量泵斜盤角度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

(15)

由于變量泵的輸入轉(zhuǎn)速變化范圍很大，僅僅采用直接閉環(huán)無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)速輸出控制，故將變量泵的輸入轉(zhuǎn)速作為前饋補(bǔ)償信號對系統(tǒng)加以調(diào)節(jié)。將轉(zhuǎn)速輸入和斜盤角度調(diào)節(jié)成線性關(guān)系，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與斜盤角度一一對應(yīng)，系統(tǒng)前饋部分可表示為

(16)

式中，K為前饋調(diào)整系數(shù)，K=A/(kakvIkq)。

液壓發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率可達(dá)每秒1000r/min，轉(zhuǎn)速波動范圍大，且與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差變化率較高。在啟動、急加速、急減速階段，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)增益都會發(fā)生劇烈變化，如果采用常規(guī)PID控制器，其積分環(huán)節(jié)在這些階段會產(chǎn)生誤差積累，造成系統(tǒng)超調(diào)，本文采用積分分離PID控制器以消除這種不穩(wěn)定性。

在啟動階段和大轉(zhuǎn)速變化階段采用PD模式進(jìn)行控制；怠速階段和穩(wěn)速行駛階段的轉(zhuǎn)速偏差較小，引入積分環(huán)節(jié)，用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。設(shè)置臨界值為0.5，當(dāng)目標(biāo)值和實(shí)際值的偏差絕對值大于0.5時采用PD控制，小于0.5時采用PID控制。車載液壓發(fā)電機(jī)穩(wěn)速控制傳遞函數(shù)如圖4所示。

圖4 帶有前饋補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)速控制Fig.4 Block diagram of steady speed control with feed forward compensation

4 穩(wěn)速輸出仿真與實(shí)驗(yàn)分析

系統(tǒng)的仿真借助AMESim平臺完成。圖5所示為仿真環(huán)境下的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線。

圖5 馬達(dá)輸出仿真轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Curve of output hydraulic motor speed in simulation

由圖5可看出，無前饋補(bǔ)償時，輸入轉(zhuǎn)速上升階段的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速超調(diào)嚴(yán)重，調(diào)整時間較長；加入前饋補(bǔ)償后，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速超調(diào)量明顯減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度都得到提高。表2所示為仿真環(huán)境下的馬達(dá)輸出。無前饋補(bǔ)償時，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速超調(diào)量達(dá)5.7%，調(diào)整時間為3s，超出標(biāo)準(zhǔn)要求；加前饋補(bǔ)償后，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速最大瞬態(tài)調(diào)整率為1%，符合系統(tǒng)要求。

表2 仿真環(huán)境下的馬達(dá)輸出

車載液壓發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺組成如圖6所示。變頻電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)動力輸入，定量馬達(dá)直接連接同步發(fā)電機(jī)，變量泵調(diào)節(jié)方式為排量外控調(diào)節(jié)。

圖6 車載液壓發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺原理圖Fig.6 Schematic diagram of on-board hydraulic generator testbanch

基于車載液壓發(fā)電機(jī)仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺，采用前饋補(bǔ)償加直接轉(zhuǎn)速反饋控制對系統(tǒng)進(jìn)行分析。設(shè)定變頻電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速由400 r/min上升到500 r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 馬達(dá)輸出實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速曲線Fig.7 Curve of hydraulic motor speed undertestbanch

由圖7可以看出，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)曲線出現(xiàn)超調(diào)，超調(diào)量為2.7%，調(diào)整時間為2.8 s，穩(wěn)定后的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率小于1%，超調(diào)量和調(diào)整時間均滿足軍用Ⅱ類電站要求；馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速仿真曲線超調(diào)量為1%，滿足動靜態(tài)調(diào)整率要求。調(diào)整過程中，系統(tǒng)的壓力如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)壓力變化曲線Fig.8 Pressure curve of pump-controlled motor system

系統(tǒng)調(diào)整過程中存在一定的壓力波動，這是由于系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速是變化的，調(diào)整完成后，壓力能夠穩(wěn)定在目標(biāo)值處。

5 結(jié)論

(1)液壓發(fā)電機(jī)的傳動系統(tǒng)是一個時變增益系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的PID控制器很難達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。采用前饋補(bǔ)償加直接轉(zhuǎn)速反饋的控制方式，可以有效提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

(2)前饋補(bǔ)償加直接轉(zhuǎn)速反饋下，馬達(dá)實(shí)驗(yàn)輸出轉(zhuǎn)速最大超調(diào)量為2.7%，調(diào)整時間為2.8 s，穩(wěn)態(tài)調(diào)整率小于1%。馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到軍用Ⅱ自發(fā)電電站標(biāo)準(zhǔn)。

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(編輯 張 洋)

Steady Speed Control of On-board Hydraulic Generators under Moving Conditions

LI Hao1YANG Yuqiang2

1.College of Vehicles and Energy,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.XCMG Research Institute,Xuzhou,Jiangsu,221004

On-board hydraulic generators might ensure high steadiness under parking conditions, but under moving conditions, stability of generator speed was poor for running load disturbances. The paper studied steady speed control of the hydraulic generators under moving conditions. A mathematical model of pump-motor closed system was constructed, and motor output speed fluctuation mechanism was revealed. Motor speed control strategy of pump controled motor system was proposed, aiming at the motor output speed fluctuation mechanism. Simulation and test results show that feed forward compensation with speed feedback has good control precision and robustness, and power quality satisfies stand and of military Ⅱ spontaneous power station.

hydraulic generator; moving generate; steady speed control; pump-controlled motor

2016-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375422)

TH137

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.017