一种集中液压站节能优化方法及系统与流程

本发明涉及集中液压站节能优化领域，特别是涉及一种集中液压站节能优化方法及系统。

背景技术：

液压系统具有承载能力强、能耗大等特点；液压系统的节能问题是所有液压驱动的系统中非常关注的问题。为了实现节能，提高液压油源的通用性和适应性，集中供油方式在大型的机电系统、液压试验中心中得到了非常广泛的应用。

集中液压站装机功率大，供油能力强，能耗极大，因此，针对集中液压站节能技术的研究极为重要。为了实现集中液压站的节能，选用性能优良的液压执行器件和节能电机、优化液压控制回路等方法都能起到一定的作用；但是，由于集中液压站外接负载是不确定的，供油需求变化极大；所以，实时在线的节能优化控制技术在实现集中液压站的节能过程中具有重要作用。

为了实现集中液压站的节能，需要综合考虑外部用油子系统提交的供油需求，监测用油子系统实际用油参数，包括供油输出回路的压力和流量等；同时还需要考虑集中液压站内部的工作状态；集中液压站内部一般包含较多的具有独立供油能力的液压单元，并通过分流、合流的方式实现多个供油管理单元为一个用油输出回路供油，或者一个单独的供油液压单元同时为多个用油输出回路供油；也就是说，供油和用油方案之间存在非常多的组合型式，但是各种供油组合方案的能量消耗是不一致的，如果采用简单策略调度集中液压站内的供油管理单元，即使能为所有输出回路供油，也较难实现节能的效果，能耗特别大。所以，综合利用集中液压站内部的状态参数和供油需求，动态决策并优化供油控制方案，在大型集中液压站的实际控制过程中具有非常重要的意义。

而实际集中液压站控制系统面临一个非常关键的问题，即：所有外部工作装置所提交的供油需求经常是满足其工作需求的最大值而不是最优值，未按其当前实际工况提交所需的供油压力和需求流量，造成集中液压站能耗过大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集中液压站节能优化方法及系统，以解决实际集中液压站能耗大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种集中液压站节能优化方法，所述集中液压站包括能量优化单元、多个供油管理单元以及多个输出回路；所述供油管理单元与所述输出回路之间为可控连接，所述能量优化单元用于确定最优供油方案并对所述集中液压站进行优化；所述优化方法包括：

获取所述供油管理单元与所述输出回路之间的可控连接；

根据所述可控连接确定连接矩阵；所述连接矩阵内的矩阵元素为“0”或“1”；其中，“0”为断开，“1”为连通；

根据所述连接矩阵确定多个分流合流模式；所述分流合流模式为多个所述供油管理单元与多个所述输出回路之间的多种可控连接；所述分流合流模式包括一个所述供油管理单元单独为任意一个所述输出回路供油、多个所述供油管理单元合并为一个所述输出回路供油以及一个所述供油管理单元为多个所述输出回路供油；

根据所述分流合流模式确定多个供油方案；

对比多个所述供油方案的能量总损失，确定能量总损失最小的供油方案为最优供油方案；所述最优供油方案能量总损失最小；

根据所述最优供油方案对所述集中液压站进行优化。

可选的，所述根据所述连接矩阵确定多个分流合流模式，具体包括：

根据所述连接矩阵判断每个有供油需求的输出回路是否至少有一个所述供油管理单元与所述输出回路相连接，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为每个有供油需求的输出回路至少有一个所述供油管理单元与所述输出回路相连接，判断在当前实际供油模式下，所述可控连接的通/断转换次数是否不大于所述供油管理单元总数的一半，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示为在当前实际供油模式下，所述可控连接的通/断转换次数不大于所述供油管理单元总数的一半，确定所述当前实际供油模式为分流合流模式；所述当前实际供油模式为所述供油管理单元与所述输出回路之间的可控连接。

可选的，所述根据所述分流合流模式确定多个供油方案，具体包括：

当所述分流合流模式为一个所述供油管理单元单独为任意一个所述输出回路供油时，获取所述输出回路的需求压力及需求流量；

根据所述需求压力及需求流量确定所述供油管理单元的需提供排量及需提供压力；

根据所述需提供排量及所述需提供压力确定所述供油方案。

可选的，所述根据所述分流合流模式确定多个供油方案，具体包括：

当所述分流合流模式为多个所述供油管理单元合并为一个所述输出回路供油时，获取所述供油管理单元内部的液压泵的功率特性曲线；

根据所述功率特性曲线确定能量特性曲线图；

根据所述能量特性曲线图，采用效率梯度上升的方式确定所述供油方案。

可选的，所述根据所述分流合流模式确定多个供油方案，具体包括：

获取所述输出回路的需求压力的最高值以及所有所述输出回路的需求流量之和；

根据所述需求压力的最高值确定所述供油管理单元的供油压力；

根据所述需求流量之和确定所述供油管理单元的供油流量；

根据所述供油压力和所述供油流量确定所述供油方案。

一种集中液压站节能优化系统，所述集中液压站包括能量优化单元、多个供油管理单元以及多个输出回路；所述供油管理单元与所述输出回路之间为可控连接，所述能量优化单元用于确定最优供油方案并对所述集中液压站进行优化；所述优化系统包括：

可控连接获取模块，用于获取所述供油管理单元与所述输出回路之间的可控连接；

连接矩阵确定模块，用于根据所述可控连接确定连接矩阵；所述连接矩阵内的矩阵元素为“0”或“1”；其中，“0”为断开，“1”为连通；

分流合流模式确定模块，用于根据所述连接矩阵确定多个分流合流模式；所述分流合流模式为多个所述供油管理单元与多个所述输出回路之间的多种可控连接；所述分流合流模式包括一个所述供油管理单元单独为任意一个所述输出回路供油、多个所述供油管理单元合并为一个所述输出回路供油以及一个所述供油管理单元为多个所述输出回路供油；

供油方案确定模块，用于根据所述分流合流模式确定多个供油方案；

最优供油方案确定模块，用于对比多个所述供油方案的能量总损失，确定能量总损失最小的供油方案为最优供油方案；所述最优供油方案能量总损失最小；

优化模块，用于根据所述最优供油方案对所述集中液压站进行优化。

可选的，所述分流合流模式确定模块具体包括：

第一判断单元，用于根据所述连接矩阵判断每个有供油需求的输出回路是否至少有一个所述供油管理单元与所述输出回路相连接，得到第一判断结果；

第二判断单元，用于若所述第一判断结果为每个有供油需求的输出回路至少有一个所述供油管理单元与所述输出回路相连接，判断在当前实际供油模式下，所述可控连接的通/断转换次数是否不大于所述供油管理单元总数的一半，得到第二判断结果；

分流合流模式确定单元，用于若所述第二判断结果表示为在当前实际供油模式下，所述可控连接的通/断转换次数不大于所述供油管理单元总数的一半，确定所述当前实际供油模式为分流合流模式；所述当前实际供油模式为所述供油管理单元与所述输出回路之间的可控连接。

可选的，所述供油方案确定模块具体包括：

需求压力及需求流量获取单元，用于当所述分流合流模式为一个所述供油管理单元单独为任意一个所述输出回路供油时，获取所述输出回路的需求压力及需求流量；

需提供排量及需提供压力确定单元，用于根据所述需求压力及需求流量确定所述供油管理单元的需提供排量及需提供压力；

第一供油方案确定单元，用于根据所述需提供排量及所述需提供压力确定所述供油方案。

可选的，所述供油方案确定模块具体包括：

功率特性曲线获取单元，用于当所述分流合流模式为多个所述供油管理单元合并为一个所述输出回路供油时，获取所述供油管理单元内部的液压泵的功率特性曲线；

功能特性曲线图确定单元，用于根据所述功率特性曲线确定能量特性曲线图；

第二供油方案确定单元，用于根据所述能量特性曲线图，采用效率梯度上升的方式确定所述供油方案。

可选的，所述供油方案确定模块具体包括：

需求压力最高值及需求流量之和获取单元，用于获取所述输出回路的需求压力的最高值以及所有所述输出回路的需求流量之和；

供油压力确定单元，用于根据所述需求压力的最高值确定所述供油管理单元的供油压力；

供油流量确定单元，用于根据所述需求流量之和确定所述供油管理单元的供油流量；

第三供油方案确定单元，用于根据所述供油压力和所述供油流量确定所述供油方案。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种集中液压站节能优化方法及系统，通过获取供油管理单元与输出回路之间的可控连接，从而确定分流合流模式，针对不同的分流合流模式确定不同的供油方案，对比不同的供油方案从而确定能量总损失最小的最优供油方案，进而能够根据当前实际工况(即：在供油管理单元与输出回路之间的可控连接基础上进行供油的实际供油工况)动态调整所述供油管理单元的供油压力及流量，以最小的能量损失的供油方案对集中液压站进行优化，降低所述集中液压站的能耗，达到节能的最佳效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的集中液压站节能优化方法流程图；

图2为本发明所提供的集中液压站节能优化系统结构图；

图3为本发明所提供的实施集中液压站节能优化方法的功能结构图；

图4为本发明所提供的能量优化单元的实施方案示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种集中液压站节能优化方法及系统，降低集中液压站能耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种集中液压站节能优化控制方法。从控制系统结构上将集中液压站的控制组件分为供油管理单元、能量优化单元、油源控制单元和分流合流控制单元；所述的供油管理单元用于实现通信和接口功能，以及外部的工作装置根据预先定义的通信协议获取外部用油子系统的供油压力和流量请求，同时将集中液压站当前的供油状态参数传输给外部的供油子系统。

所述的能量优化单元实现节能和优化决策，能量优化单元实时测量下列参数：

1)所有独立供油管理单元的输入功率power_pj(j＝1....m)，m为独立供油管理单元的数量。

2)所有独立供油管理单元泵出口的压力pressure_pj和流量flow_qj(j＝1....m)，m为独立供油管理单元的数量。

3)所有独立供油管理单元泵溢流回路的流量loss_qj(j＝1....m)，m为输入独立供油管理单元的数量。

4)所有独立供油出口回路减压阀前后压力in_pk、out_pk和出口流量out_qk(k＝1....n),n为供油输出回路数量。

在采集上述参数后，能量优化单元利用式(1)计算系统的总能量损失,利用式(2)计算各个输入回路的能量损失，利用式(3)计算各个输出回路的能量损失：

exj＝pressure_pj*flow_qj(2)

eyk＝(in_pk-out_pk)*out_qk(3)

能量优化单元测量并保存了各个独立供油内部液压泵的功率特性曲线，各个独立液压泵的特性曲线描述了在各种输出流量条件下的压力和流量关系，同时测量并存储了在各种压力和流量工况下的泵驱动电机的输入功率，计算得到绘制出液压泵的功率特性曲线，用矩阵方式存储。根据在各种工况下的输出功率和输入功率关系，即可以确定泵的等效率曲线。为了使泵工作过程中节能，应当进行优先，使得各个供油回路的泵工作在效率较高的区域，即效率较高的等效率曲线所限定的区域。

能量优化单元的整体目标是使eall损失降低，但是不能直接实现，所以分为如下步骤分解优化目标：

1、确定供油模式，这一步根据输出回路实际的供油压力和流量获取外部用油系统的流量和压力需求。为了保持外部工作装置能够稳定正常工作，应保持输出回路串联减压阀维持一个最小压差，所以各个回路的内部实际供油需求可以表示为：

req_pk＝out_pk+δp，(k＝1....n),n为供油输出回路数量；

req_qk＝out_qk，(k＝1....n),n为供油输出回路数量。

由于各个供油管理单元已经通过供油管理单元提供了最大的供油流量和压力需求，所以当req_pk大于供油管理单元传递的值时应由供油管理单元给定的值代替。

2、如果系统损失过大，系统启动优化调节计算过程，具体判断条件为：

a)总能量损失eall大于设定值；

b)至少一个输入回路的能量损失exj大于设定值；

c)至少一个输出回路的能量损失eyk大于设定值。

上述设定值大于零，由用户在使用过程中设置，影响最终的供油节能效果。

图1为本发明所提供的集中液压站节能优化方法流程图，如图1所示，一种集中液压站节能优化方法，所述集中液压站包括能量优化单元、多个供油管理单元以及多个输出回路；所述供油管理单元与所述输出回路之间为可控连接，所述能量优化单元用于确定最优供油方案并对所述集中液压站进行优化；所述优化方法包括：

步骤101：获取所述供油管理单元与所述输出回路之间的可控连接。

步骤102：根据所述可控连接确定连接矩阵；所述连接矩阵内的矩阵元素为“0”或“1”；其中，“0”为断开，“1”为连通。

m个供油单元和n个输出回路之间均存在可控的连接，将上述的连接等效为m×n的连接矩阵，所有矩阵元素为0或1,0表示断开，1表示连通。

步骤103：根据所述连接矩阵确定多个分流合流模式；所述分流合流模式为多个所述供油管理单元与多个所述输出回路之间的多种可控连接；所述分流合流模式包括一个所述供油管理单元单独为任意一个所述输出回路供油、多个所述供油管理单元合并为一个所述输出回路供油以及一个所述供油管理单元为多个所述输出回路供油。

在保证每个有供油需求的输出回路至少有一个供油单元与之连接的前提下，同时限制在当前实际供油模式下可控的连接通/断转换次数不大于供油单元总数的一半，枚举所有可满足供油需求的分流合流模式。

步骤104：根据所述分流合流模式确定多个供油方案。

针对所有可能的分流合流模式，分别求解优化的供油方案并计算损失，分为3种情况：

1)如果一个供油单元单独为某个输出回路供油，则该供油单元的排量和压力根据对应的供油单元的压力和流量需求设置。

2)如果多个供油单元合并为一个输出回路供油，则根据所涉及泵的功率特性曲线采用效率较高、综合能量损失较低的供油策略，根据能量特性曲线图，采用效率梯度上升的方法搜索供油方案，搜索的起点为所有泵平均供油压力一致，供油流量均相同。

3)如果一个供油单元为多个输出回路供油，则供油单元的供油压力为所有输出回路需求压力的最高值，供油流量为所有输出回路需求流量之和。

步骤105：对比多个所述供油方案的能量总损失，确定能量总损失最小的供油方案为最优供油方案；所述最优供油方案能量总损失最小。

针对所有分流合流模式下的优化供油方案，分别计算集中液压站的能量总损失，选择总损失最小的方案为可用供油方案。

步骤106：根据所述最优供油方案对所述集中液压站进行优化。

在能量优化单元确定了可用供油方案后，将压力和流量参数传输到分立的各个油源控制单元，每个油源控制单元完成一组液压泵的排量和压力控制；将分流合流模式传输给分流合流控制单元，控制减压阀和方向阀沟通出口油路和供油支路之间的通路并调整压力。

在上述优化控制方案中，能量优化单元的优化周期不能过短，由于液压系统回路切换和状态调整需要一定时间，所以一般将能量优化单元的重复周期设置为6～20秒，即6～20秒检测并调整一次供油方案，但是在如下条件下，集中液压站将立即启动并调整供油方案：

1)实际供油需求变动。

2)实际供油压力和流量不能满足设备的供油需求，该条件的判断依据为：减压阀压差小于设定值且入口压力未达到供油回路的请求值。

图2为本发明所提供的集中液压站节能优化系统结构图，如图2所示，一种集中液压站节能优化系统，所述集中液压站包括能量优化单元、多个供油管理单元以及多个输出回路；所述供油管理单元与所述输出回路之间为可控连接，所述能量优化单元用于确定最优供油方案并对所述集中液压站进行优化；所述优化系统包括：

可控连接获取模块201，用于获取所述供油管理单元与所述输出回路之间的可控连接。

连接矩阵确定模块202，用于根据所述可控连接确定连接矩阵；所述连接矩阵内的矩阵元素为“0”或“1”；其中，“0”为断开，“1”为连通。

分流合流模式确定模块203，用于根据所述连接矩阵确定多个分流合流模式；所述分流合流模式为多个所述供油管理单元与多个所述输出回路之间的多种可控连接；所述分流合流模式包括一个所述供油管理单元单独为任意一个所述输出回路供油、多个所述供油管理单元合并为一个所述输出回路供油以及一个所述供油管理单元为多个所述输出回路供油。

所述分流合流模式确定模块具体包括：第一判断单元，用于根据所述连接矩阵判断每个有供油需求的输出回路是否至少有一个所述供油管理单元与所述输出回路相连接，得到第一判断结果；第二判断单元，用于若所述第一判断结果为每个有供油需求的输出回路至少有一个所述供油管理单元与所述输出回路相连接，判断在当前实际供油模式下，所述可控连接的通/断转换次数是否不大于所述供油管理单元总数的一半，得到第二判断结果；分流合流模式确定单元，用于若所述第二判断结果表示为在当前实际供油模式下，所述可控连接的通/断转换次数不大于所述供油管理单元总数的一半，确定所述当前实际供油模式为分流合流模式；所述当前实际供油模式为所述供油管理单元与所述输出回路之间的可控连接。

供油方案确定模块204，用于根据所述分流合流模式确定多个供油方案。

所述供油方案确定模块204具体包括：需求压力及需求流量获取单元，用于当所述分流合流模式为一个所述供油管理单元单独为任意一个所述输出回路供油时，获取所述输出回路的需求压力及需求流量；需提供排量及需提供压力确定单元，用于根据所述需求压力及需求流量确定所述供油管理单元的需提供排量及需提供压力；第一供油方案确定单元，用于根据所述需提供排量及所述需提供压力确定所述供油方案。

所述供油方案确定模块204具体包括：功率特性曲线获取单元，用于当所述分流合流模式为多个所述供油管理单元合并为一个所述输出回路供油时，获取所述供油管理单元内部的液压泵的功率特性曲线；功能特性曲线图确定单元，用于根据所述功率特性曲线确定能量特性曲线图；第二供油方案确定单元，用于根据所述能量特性曲线图，采用效率梯度上升的方式确定所述供油方案。

所述供油方案确定模块204具体包括：需求压力最高值及需求流量之和获取单元，用于获取所述输出回路的需求压力的最高值以及所有所述输出回路的需求流量之和；供油压力确定单元，用于根据所述需求压力的最高值确定所述供油管理单元的供油压力；供油流量确定单元，用于根据所述需求流量之和确定所述供油管理单元的供油流量；第三供油方案确定单元，用于根据所述供油压力和所述供油流量确定所述供油方案。

最优供油方案确定模块205，用于对比多个所述供油方案的能量总损失，确定能量总损失最小的供油方案为最优供油方案；所述最优供油方案能量总损失最小。

优化模块206，用于根据所述最优供油方案对所述集中液压站进行优化。

图3为本发明所提供的实施集中液压站节能优化方法的功能结构图，如图3所示，集中液压站节能优化控制实施方案在整体结构上包括供油管理单元1、能量优化单元2、油源控制单元3和分流合流控制单元4。所述的供油管理单元1完成和外部用油子系统的通信功能，通过网络通信的方式获取外部用油子系统工作所需的供油压力和流量，同时将集中液压站当前的供油状态参数传输给外部供油子系统。所述的能量优化单元2测量集中液压站各个供油单元的出口压力、出口流量、溢流流量和泵输入功率，同时测量各个供油支路的减压阀前压力、减压阀后压力和供油出口流量；以上述测量值为基础，计算液压系统的总能量损失、溢流回路能量损失、出口支路能量损失，综合判断能量损失是否超出限制，并在能量损失过大时调整供油方案。在能量优化单元2确定了供油方案后，能量优化单元2将供油压力和流量参数传输给分离的油源控制单元3，油源控制单元3分别根据接收的流量和压力调节指令调整供油状态。与此同时，能量优化单元2将分流合流控制方案传输给分流合流控制单元4实现油路沟通和压力调节，将液压油输送到指定的供油方向。

本发明还提供了一种集中液压站节能优化软件，软件通过嵌入式控制软件、可编程控制器(powerlinecommunication，plc)控制程序或运行在计算机平台上的软件系统实现，在程序结构上分为供油管理单元1、能量优化单元、分流合流控制单元4和多个油源控制单元3，能量优化单元2综合采集和计算液压系统的实际输出压力、流量、有效输出功率、输入功率，计算能量损失，并根据能量损失采用首先枚举分流合流模式，然后搜索各模式下的优化供油方案，最后选择总损失最低的分流合流模式及其对应的优化参数调节各个供油单元和分流合流系统。

图4为本发明所提供的能量优化单元的实施方案示意图，如图4所示，能量优化单元包含总能量损失计算单元5、供油回路能量损失计算单元6、输出回路能量损失计算单元7、供油合格性监测单元8、供油需求变动监测单元9、动态优化单元10。总能量损失计算单元5根据公式(1)计算系统总的能量损失并判断是否超出了能量损失限制，在能量损失超出限制时输出信号有效，供油回路能量损失计算单元6根据公式(2)计算各个供油单元的能量损失并判断是否超出了能量损失限制，在能量损失超出限制时输出信号有效。输出回路能量损失计算单元7根据公式(3)计算各个输出回路的能量损失并判断是否超出了能量损失限制，在能量损失超出限制时输出信号有效。供油合格性监测单元8监测系统所有供油流量和压力需求是否均被满足，判断依据为：如果减压阀压差小于设定值且入口压力未达到供油回路的请求值则输出信号有效。供油需求变动监测单元9监测由供油管理单元1提供的压力供油需求，和原有需求比较以确定是否需求出现了变化，在存在变化时输出信号有效。动态优化单元10在总能量损失计算单元5、供油回路能量损失计算单元6、输出回路能量损失计算单元7、供油合格性监测单元8、供油需求变动监测单元9任意一个的输出信号有效的前提下触发。动态优化单元10启动后执行4个优化计算步骤和一个信号输出步骤，最终实现优化和输出控制功能。动态优化单元10执行的优化计算步骤为：

1)枚举所有可能的分流合流方案；为了缩短计算时间并维持系统稳定，枚举计算策略的限制条件为：(1)保证所有存在流量需求的输出回路有与之连接的供油单元；(2)在当前模式下系统状态切换最少。

2)针对每个可行的分流合流方案计算各个供油单元的的供油压力和流量参数，遵循能量效率梯度上升(即能量损失梯度下降)的方式从初始供油点动态搜索压力和流量组合控制参数。

3)在获得各个分流合流方案下的优化搜索结果后，分别计算各方案的能量损失。

4)根据能量损失计算结果选择能量损失最小的方案作为可行控制方案。

5)将计算获得的各个供油单元压力和流量参数分别传输到对应的油源控制单元3，将确定可行的分流合流控制方案发送给分流合流控制单元4，实现供油路的沟通连接。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。