一种变转速液压动力源流量控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于液压动力系统控制技术领域，涉及一种流量控制系统及方法，具体涉 及一种变转速液压动力源流量控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 液压传动与控制技术是集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算机控制及现 代控制理论等众多学科于一体的高交叉性、高综合性的技术学科，具有显著的机电液一体 化特征。液压设备中大部分要对执行机构的速度进行控制，也就是说调速控制是液压设备 的核心，一般分为节流调速和容积调速两种阀控形式。随着交流电机变频调速技术的不断 普及，液压设备变频容积调速（变转速控制）方法被提出，它的原理是将定量油泵和电机交 流调速技术有机结合，通过油泵转速的变化实现流量的动态调节，与变量泵系统相比较省 去了复杂的变排量控制机构。与传统阀控调速系统相比变转速流体调速控制简化了液压回 路，抗污染能力强，减少或完全消除了液压阀的能量损耗，提高了系统效率和可靠性，效率 可达80%以上，并且结构简单、动态性能好，因此液压设备变转速控制成为国内外学者研宄 开发热点。
[0003] 变转速液压动力系统具有高度非线性、强耦合性、时变性的特点。动力源一般采用 永磁伺服电机，它具有非线性特性，表现为电机输出的转矩和转速与电机的输入电流电压 具有高度非线性，进而泵输出的流量和压力与电机的输入电压电流表现出非线性；强耦合 性体现在液压系统负载波动时引起系统流量和压力的变化以及电机电流电压的变化；时变 性主要表现为液压油粘度系数随温度的不同而变化及体积弹性模量随油压变化而变化。
[0004] 变转速液压调速系统的速度刚度较低，动力源输出的流量容易受载荷干扰，例如： 系统加载时压力上升使得液压系统油液泄漏量增加，从而引起系统流量减小；系统减载时 压力下降液压油泄露量减少，使系统流量增加。对执行机构速度控制的本质是对液压动力 源输出流量的控制。目前大多数液压调速系统仍采用负载速度大闭环控制，存在系统环节 多、时滞严重、不易调节等问题，控制算法也局限于常规简单PID控制方法，系统响应速度 与超调量之间的矛盾不能得到解决。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种变转速液压动力源流量 控制系统及方法，该系统及方法可以高精度、实时、快速的对变转速液压动力源流量进行控 制。
[0006] 为达到上述目的，本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统包括控制器、伺 服驱动器、永磁电机、齿轮泵、油箱、马达及用于检测齿轮泵出油口流量信息的流量传感 器；
[0007] 所述伺服驱动器的输出端与永磁电机的控制端相连接，永磁电机的输出轴与齿轮 泵的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵的入油口相连通，齿轮泵的出油口与马达的入 油口相连通，马达的出油口与油箱的入油口相连通，流量传感器的输出端与控制器的输入 端相连接，控制器的输出端与伺服驱动器的输入端相连接。
[0008] 所述控制器包括减法器、微分运算器、PID补偿控制器、比较器、限幅模糊控制器及 加法器；
[0009] 所述减法器的输入端与流量传感器的输出端相连接，微分运算器的输入端与减法 器的输出端相连接，比较器的输入端与减法器的输出端相连接，比较器的输出端与PID补 偿控制器的输入端相连接，限幅模糊控制器的输入端与微分运算器的输出端及减法器的输 出端相连接，加法器的输入端与PID补偿控制器的输出端及限幅模糊控制器的输出端相连 接，加法器的输出端与伺服驱动器的输入端相连接。
[0010] 本发明所述的变转速液压动力源流量控制方法包括以下步骤：
[0011] 1)流量传感器实时采集齿轮泵出油口处的流量信息，并将齿轮泵出油口处的流量 信息传递至减法器中，减法器通过预设目标流量值减去当前齿轮泵出油口处的流量值，得 系统流量偏差，并将所述系统流量偏差传递至PID补偿控制器、微分运算器及限幅模糊控 制器中；
[0012] 2)微分运算器根据所述系统流量偏差得系统流量偏差的变化率，并将所述系统 流量偏差的变化率传递至限幅模糊控制器中，限幅模糊控制器根据系统流量偏差的变化率 及系统流量偏差进行模糊运算，并将解模糊得到的结果进行幅值调整，并将幅值调整的结 果输入加法器中；同时比较器判断当前系统流量偏差是否小于预设偏差阀值，当系统流量 偏差大于预设偏差阀值时，则限幅模糊控制器输出控制信号，PID补偿控制器不进行工作， PID补偿控制器的输出为"0"，加法器输出限幅模糊控制器的调整结果；当系统流量偏差小 于等于偏差阀值时，PID补偿控制器进行工作，加法器将限幅模糊控制器的幅值调整结果及 PID补偿控制器输出的结果进行相加，并将相加得到的结果输出到伺服驱动器中；
[0013] 3)伺服驱动器根据步骤得到的相加结果控制永磁电机工作，永磁电机的输出轴带 动齿轮泵工作，齿轮泵输出液压油驱动马达工作。
[0014] 本发明具有以下有益效果：
[0015] 本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统及方法在工作时，通过流量传感器 采集齿轮泵出油口处的流量信息，将所述齿轮泵出油口处的流量信息与目标流量进行相 减，得系统流量偏差，根据所述系统流量偏差得系统流量偏差的变化率以及判断是否需要 启动PID补偿控制器，然后根据系统流量偏差及系统流量偏差的变化率进行模糊运算及限 幅，再根据限幅得到结果与PID补偿控制器输出结果的和来控制齿轮泵出油口处的流量， 从而实现变转速液压动力源流量的控制。另外，本发明中限幅模糊控制属于闭环控制，克服 了所有闭环控制"边调边算"响应速度慢的问题，通过调节参数具有开环控制响应快速的特 性，并且控制系统无超调。限幅模糊控制流量阶跃响应速度4. 5秒，大幅领先于模糊控制或 PID控制的流量阶跃响应速度10秒。同时，通过限幅模糊控制补偿液压系统负载扰动引起 的油液泄漏量损失和体积压缩量损失对流量控制的影响。另外，通过比较器与PID补偿控 制器相结合消除限幅模糊控制所产生的稳态误差，提高控制精度，同时，解决了单一控制方 法响应快速与超调量之间的矛盾，性能明显优于单一控制方法。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的结构示意图；
[0017] 图2为本发明的流程图；
[0018] 图3为现有PID控制方法流量阶跃响应图；
[0019] 图4为现有模糊控制方法流量阶跃响应图；
[0020] 图5为本发明流量阶跃响应图；
[0021] 图6为现有模糊控制方法流量斜坡响应图；
[0022] 图7为本发明的流量斜坡响应图；
[0023] 图8为本发明加载时（压力为5. 8Mpa)的流量斜坡响应图。
[0024] 其中，1为控制器、2为减法器、3为微分运算器、4为限幅模糊控制器、5为比较器、 6为PID补偿控制器、7为加法器、8为流量传感器、9为伺服驱动器、10为永磁电机、11为齿 轮泵、12为马达。