基于變頻調(diào)節(jié)的泵閥聯(lián)合系統(tǒng)節(jié)能性控制研究*

劉 鵬，木合塔爾·克力木，胡成龍，張光武

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

基于變頻調(diào)節(jié)的泵閥聯(lián)合系統(tǒng)節(jié)能性控制研究*

劉 鵬，木合塔爾·克力木，胡成龍，張光武

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

為了電液伺服系統(tǒng)解決泵控高效節(jié)能性與閥控快速響應(yīng)性及控制精度高不兼容的特性，搭建基于變頻調(diào)速的泵閥聯(lián)合系統(tǒng)。首先對泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)做模型分析，為了改善系統(tǒng)的節(jié)能性，建立基于變頻調(diào)速的泵控回路。同時運(yùn)用模糊PID控制算法設(shè)計(jì)壓力控制器，實(shí)時監(jiān)控泵口壓力，平穩(wěn)快速的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了提高液壓缸位置精度，閥控回路設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償PID控制，對液壓缸位移實(shí)時追蹤。通過AMEsim與Simulink的聯(lián)合仿真，表明泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的電液比例伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，控制精度更高，節(jié)能性明顯得到提升。

泵閥聯(lián)合控制；變頻調(diào)節(jié)；模糊PID

0 引言

液壓伺服控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域[1]，具體表現(xiàn)在工程機(jī)械，鍛壓機(jī)械，船舶的舵機(jī)控制等，但是普通的液壓伺服控制系統(tǒng)存在著能源利用率低或者動態(tài)響應(yīng)慢，控制精度低的缺點(diǎn)?！爸袊圃?025”與“中國十三五節(jié)能環(huán)保規(guī)劃”的實(shí)施和推進(jìn)，社會對節(jié)能降耗日益重視，發(fā)展節(jié)能型液壓元件及控制系統(tǒng)也成為液壓傳動的重要發(fā)展方向。付永領(lǐng)等[2]針對泵閥并聯(lián)系統(tǒng)提出一種分級壓力控制方法，但只研究了定位控制效果，沒有對系統(tǒng)動態(tài)跟蹤進(jìn)行分析；王洪斌等[3]設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)反推滑?？刂撇呗詰?yīng)用于直驅(qū)式泵控缸系統(tǒng)，但本質(zhì)上泵控系統(tǒng)仍是直驅(qū)式系統(tǒng)。因此能解決泵控高效率與閥控高精度的兼容性，建立泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)，就能在發(fā)展節(jié)能型液壓伺服系統(tǒng)上邁上一大步。

近年來，為了探索液壓系統(tǒng)節(jié)能的新道路，變頻技術(shù)得到了發(fā)展與應(yīng)用。即變頻電機(jī)鏈接定量泵通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)達(dá)到泵流量的調(diào)節(jié)，從源頭上達(dá)到節(jié)能性。徐兵等[4-7]將變頻技術(shù)應(yīng)用到液壓電梯控制系統(tǒng)中節(jié)能性比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)提升40%，變頻技術(shù)成了液壓控制的重要發(fā)展方向。本文主要針對泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的控制研究，建立泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)的節(jié)能性和定位設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，將變頻技術(shù)應(yīng)用到液壓控制系統(tǒng)中，同時應(yīng)用新型控制策略到泵閥聯(lián)合系統(tǒng)中獲得更好的節(jié)能性。

1 泵閥聯(lián)合控制模型

泵閥串聯(lián)控制原理圖如圖1所示。

圖1 泵閥串聯(lián)控制原理圖

由圖1可知，泵控部分和閥控部分串聯(lián)組成泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)。泵控部分由變頻器，壓力控制器，電機(jī)1，液壓泵2，安全閥3，蓄能器4組成。閥控部分由位置控制器，負(fù)載，伺服閥5，液壓缸7組成。在泵控部分由于沒有溢流閥，所以系統(tǒng)的泄露很少，自然系統(tǒng)的效率增加，節(jié)能性提高。同時設(shè)定系統(tǒng)壓力Pr，通過傳感器檢測泵口壓力Ps，壓力控制器的積分環(huán)節(jié)和比例增益環(huán)節(jié)如下關(guān)系：

式中，T1—壓力調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)(s)；

K1—壓力調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)(rad/(Pa·s))。

得到的給定轉(zhuǎn)速信號Wr進(jìn)入變頻器，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)類型主要分為轉(zhuǎn)矩電流、磁鏈、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[8-10]?？紤]本文研究方向，忽略磁鏈、轉(zhuǎn)矩電流動態(tài)影響，研究轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對電機(jī)調(diào)速的影響。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由積分和比例放大環(huán)節(jié)組成，則轉(zhuǎn)矩電流由如下表示：

式中，T2—電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)(s)；

K2—電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)(rad/(Pa·s))；

Wm—電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(rad/s)。

同時對電機(jī)進(jìn)行模型建立得其電磁轉(zhuǎn)矩公式如下：

Te=KmiST

式中，Km——電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)矩電流的比例參數(shù)；

Te——電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)。

電機(jī)運(yùn)動方程：

式中，TL—電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；

J—電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量(kg·m)；

D—電機(jī)阻尼(N·m·s/rad)。

可得電機(jī)轉(zhuǎn)速Wm與系統(tǒng)壓力Ps的傳遞關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)壓力與電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞框圖

由于沒有溢流閥參與壓力的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)是改變電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，同時蓄能器在壓力調(diào)節(jié)過程中起到至關(guān)重要的作用。由于系統(tǒng)流量周期性的變化，變頻電機(jī)的響應(yīng)存在延遲，響應(yīng)速度達(dá)不到，因此液壓系統(tǒng)的供給流量達(dá)不到需求的流量，以致于蓄能器不斷充放油液來進(jìn)行補(bǔ)給，因此系統(tǒng)壓力周期性的變化。根據(jù)系統(tǒng)壓力的變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而滿足系統(tǒng)的需求流量，也使得系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定。

利用機(jī)理模型建立法對閥控部分建模，根據(jù)流量連續(xù)性方程、系統(tǒng)的節(jié)流方程、液壓缸的力平衡方程[11]得：

QL=Kq1Xv-Kc1PL

式中，Q1,Q2分別為無桿腔與有桿腔的流量，QL為負(fù)載流量，PL,P1,P2分別為負(fù)載壓力、無桿腔與有桿腔的壓力，XV,Xt分別為閥芯位移、液壓缸活塞的位移，A1，A2，λ分別為無桿腔的有效面積、有桿腔的有效面積、兩者之比，Kq1,Kc1分別為系統(tǒng)的開環(huán)增益、流量壓力增益系數(shù)，β，M,b,fc分別液壓油彈性模量、負(fù)載的有效質(zhì)量、阻尼系數(shù)、摩擦力。

由以上3個公式簡化可得：

式中：ζn為阻尼比，KV為系統(tǒng)的開環(huán)增益系數(shù)，wn為固有頻率，Ktc為系統(tǒng)的等效泄露系數(shù)。其表達(dá)式如下：

由于Kce1=Kc1+Ctc且Kc1>>>Ctc，則Kce1取決于Kc1。又因?yàn)镵c1與Ps成反比，則當(dāng)Ps下降的時候系統(tǒng)的阻尼比增高，穩(wěn)定性好，但是系統(tǒng)的開環(huán)增益降低，抗干擾能力差。為了提高閥控部分的響應(yīng)速度和控制精度采用前饋補(bǔ)償PID控制，使系統(tǒng)得到改善。

2 前饋補(bǔ)償PID控制器設(shè)計(jì)

如前所述，為了使系統(tǒng)中閥控回路響應(yīng)速度快，控制精度高，運(yùn)用傳統(tǒng)的PID控制器雖然能消除各種狀況的影響，然而被控量的偏差是進(jìn)行反饋控制調(diào)節(jié)的，擾動總是發(fā)生在反饋調(diào)節(jié)之前[12]。前饋補(bǔ)償PID控制器是在外干擾信號對被控量產(chǎn)生偏差前進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得調(diào)節(jié)及時。本文以期望速度，系統(tǒng)壓力波動，以及液壓缸兩腔的壓力作為干擾信號。前饋補(bǔ)償PID傳遞關(guān)系如圖3所示。

圖3 前饋PID控制框圖

前饋控制量的控制率為：

式中，ΔPN為伺服閥的額定壓力，QN為伺服閥的額定流量。

3 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

變頻電機(jī)的控制信號是積分與比例構(gòu)成的壓力偏差信號，PID比例環(huán)節(jié)放大運(yùn)算壓力誤差，加快動態(tài)響應(yīng)。積分環(huán)節(jié)用來消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速會因?yàn)楸壤禂?shù)過大而產(chǎn)生波動，壓力動態(tài)調(diào)節(jié)的精度和靈敏度因?yàn)橄禂?shù)過小受到影響。積分時間常數(shù)過大，電機(jī)轉(zhuǎn)速會有明顯的遲滯。積分時間常數(shù)過小，加劇系統(tǒng)壓力的動態(tài)震蕩。因此選擇合適的積分時間常數(shù)和比例系數(shù)至關(guān)重要[13]。

模糊PID控制器將比例系數(shù)和積分時間常數(shù)進(jìn)行自我整定，由控制經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊控制器，在線修正模糊控制器的控制參數(shù)和模糊規(guī)則省略對控制對象建立數(shù)學(xué)模型，因而表現(xiàn)出自我整定的作用且適用于非線性系統(tǒng)。模糊控制器的設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 模糊控制設(shè)計(jì)框圖

針對本文比例模糊控制器的輸入量Up是壓力誤差的絕對值,輸出量是PID控制器的比例系數(shù)。積分模糊控制器的輸入量Ui是壓力誤差變化率的絕對值，輸出量是PID控制器的積分系數(shù)。當(dāng)誤差較大時，適當(dāng)降低比例系數(shù)，防止過大的比例增益，使電機(jī)轉(zhuǎn)速過高；當(dāng)誤差較小時，提高比例系數(shù)，提高壓力控制的靈敏度和快速響應(yīng)；當(dāng)誤差有增大的趨勢時，應(yīng)加快電機(jī)速度調(diào)節(jié)，需要提高積分系數(shù)；當(dāng)誤差有減小趨勢時，適當(dāng)?shù)臏p少積分系數(shù)，減少電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工程中的震蕩過程。以積分系數(shù)模糊控制器為例，輸入量由：0、較小、較大、大4個等級。模糊集為{O,PS,PN,PB},偏差量導(dǎo)數(shù)的絕對值的輪域?yàn)閧0,1,2,3}，輸入量變化劃分如圖5所示。

圖5 輸入量變化劃分

輸出量也分為3級：0，較小，較大，大。模糊集為{O,PS,PN,PB},論域?yàn)閧0,1,2,3}，輸出量的變化劃分如圖6所示。

圖6 輸出量變化劃分

積分系數(shù)模糊控制器的控制規(guī)則如下：若Ui為0，則Ki為0；若Ui為較小，則Ki為較??；若Ui為較大，則Ki為較大；若Ui為大，則Ki為大；根據(jù)控制規(guī)則可得如圖7所示。

圖7 模糊控制規(guī)則

同樣的比例系數(shù)的模糊控制也是如此。

4 仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)的可行性，利用AMEsim和Simulink聯(lián)合仿真進(jìn)行驗(yàn)證，其中AMEsim完成泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的模型的搭建，Simulink進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為對比研究泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和系統(tǒng)效率，將系統(tǒng)控制效果與電液比例伺服系統(tǒng)進(jìn)行比較，為了客觀對比，應(yīng)使兩系統(tǒng)額定流量相當(dāng)。圖8為泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的仿真原理圖，圖8a為仿真界面，圖8b為聯(lián)合控制的Simulink控制界面。

(a)泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的仿真原理圖

(b)聯(lián)合控制的Simulink控制界面圖8 泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的仿真原理圖

兩個系統(tǒng)中的主要仿真參數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的行程100mm,缸徑20mm，桿徑10mm，負(fù)載的質(zhì)量100kg。伺服閥的頻帶80Hz,額定電流40mA，額定壓力21MPa，額定流量8L/min。液壓泵的排量5mL/r，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定在10MPa。令液壓缸做正弦運(yùn)動，運(yùn)動軌跡為yr=0.03sin(πt-π/2)+0.05m。圖9是兩個系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)對比圖，發(fā)現(xiàn)基于變頻器的泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)經(jīng)過前饋補(bǔ)償后控制精度很高，而電液比例伺服系統(tǒng)存在滯后，且有一定的震蕩。

(a)泵閥聯(lián)合系統(tǒng)位置跟隨曲線

(b)泵閥聯(lián)合系統(tǒng)誤差曲線

(c)電液伺服系統(tǒng)位置跟隨曲線

(d)電液伺服系統(tǒng)誤差曲線圖9 泵閥串聯(lián)系統(tǒng)與電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤

為研究泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)的節(jié)能性，得到仿真結(jié)果，泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的系統(tǒng)流量會根據(jù)需求來進(jìn)行調(diào)節(jié)，相比電液比例系統(tǒng)恒定的系統(tǒng)流量，不存在溢流量所以更加節(jié)能。如圖10～圖12所示。

(a)系統(tǒng)流量

(b)泄露流量圖10 系統(tǒng)流量與溢流損失

(a)油源壓力

(b)負(fù)載壓力圖11 油源壓力與負(fù)載壓力

圖12 負(fù)載流量

分別測試了電液比例系統(tǒng)和基于變頻器的泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)單個周期內(nèi)的功耗如表4所示。

表4 兩個系統(tǒng)的功耗對比

由表分析得出泵閥聯(lián)合系統(tǒng)78%的功耗比電液比例系統(tǒng)58%的功耗節(jié)能性更好。因此泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)具有很好的節(jié)能性，同時擁有高精度快響應(yīng)的特性。

5 結(jié)論

為綜合高效節(jié)能性和高精度，快響應(yīng)的優(yōu)勢。

(1)提出了基于變頻調(diào)節(jié)泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)的原理，在源頭上改善液壓伺服系統(tǒng)的溢流損失，從而提升系統(tǒng)效率。系統(tǒng)精度由于外界的干擾有很大的影響，前饋補(bǔ)償PID控制器的設(shè)計(jì)達(dá)到消除干擾的作用。

(2)通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了基于變頻調(diào)節(jié)泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的可行性，為液壓控制在工程機(jī)械領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)，使得未來在鍛壓機(jī)械，機(jī)床控制等得到合理的應(yīng)用。

(3)通過試驗(yàn)研究泵閥聯(lián)合控制系統(tǒng)的節(jié)能效果，研究表明，相同工況下泵閥聯(lián)合系統(tǒng)的效率能達(dá)到將近80%，對比電液伺服系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。但是由于油源壓力還是存在波動，如果能使得趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)效率能進(jìn)一步的提升。

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(編輯李秀敏)

EnergySavingControlResearchBasedonTheInverterControlofPumpandValveCooperateSystem

LIU Peng, MUHETAER Ke-li-mu, HU Cheng-long, ZHANG Guang-wu

(School of Mechanical Engineering , Xinjiang University , Urumqi 830047,China)

In order to solve pump control electro-hydraulic servo system efficiency and fast valve control responsiveness， incompatible characteristics such as high accuracy, builds the pump valve combination system based on frequency control of motor speed.First to establish the mathematical model of control system of pump valve, in view of the energy system, based on frequency control of motor speed pump control circuits, and design pressure of the fuzzy PID controller, real-time monitoring of the pump inlet pressure, steady and rapid adjusting the motor speed.In order to improve the hydraulic cylinder position accuracy, valve control circuit design PID control, the feedforward compensation for the hydraulic cylinder displacement real time tracking.Combined with simulink through AMEsim simulation, shows that control system of pump valve compared with the traditional electro-hydraulic proportional servo system with fast responsiveness, higher control precision, energy-saving significantly improve.

the control of pump and valve cooperate; inverter adjustment;fuzzy PID

TH137；TG506

：A

1001-2265(2017)09-0088-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.023

2016-12-06；

：2016-12-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：動脈瘤支架與血流場作用機(jī)理及支架無沉積結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(51365052)

劉鵬(1992—)，男，河南三門峽人，新疆大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)與機(jī)械電子，(E-mail)325814833@qq.com；通訊作者：木合塔爾·克力木(1964—)，男，維吾爾族，烏魯木齊人，新疆大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檠簞恿W(xué)、流體傳動與控制，(E-mail)kmuhetar@xju.edu.cn。