一种数字和模拟组合控制液压系统多泵源的构型设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于液压技术领域，特别涉及一种节能型多栗源液压系统的构型设计方 法。
【背景技术】
[0002] 锻造液压机是机械行业中的重要的一种机械设备，其所消耗的巨大能量一直都是 各界人士纷纷重点关注的焦点，因此节能是锻压工业发展过程所必须解决的问题。
[0003]目前，锻造液压机按功率调节的方式，可分为节流控制系统和容积控制系统。前 者采用以插装式大通径电液比例节流阀为控制核心的阀控系统，后者是采用以高响应径 向柱塞变量栗为驱动和控制的栗控系统。节流控制的优点是频带宽，响应速度快，增益较 高，动态特性好，但存在溢流损失和节流损失。容积控制方式由于其回路中没有溢流和节 流损失，效率较高，功率损失小，相对于阀控系统在节能上有巨大优势，其传动效率可达 40% -60%，但是该类系统投资和维护成本较高。
[0004] 国内外有关锻造液压机阀控系统的研究主要集中在提高动态品质和精度的控制 策略、平稳卸压卸荷技术、故障诊断等，但对其液压控制系统节能方面的研究工作尚处于起 步阶段。因此，对于锻造液压机阀控系统而言，急需寻求一种有效的液压系统设计方法，解 决多栗源系统输出的定流量与负载需求不匹配的问题，进而构建一种低成本、高效率的液 压传动系统。
[0005] 另外，DFP(Digital Fluid Power)近几年已成为流体传动技术的一个新的分支。 DFP就是液压或气动系统依靠一定数量离散的元件灵活地控制系统的输出。DFP主要分为 两大类，一类是通过PCM(Pulse Code Modulation)控制多个并行排布元件的组合状态实现 不同需求的输出，另一类是通过调节PWM(Pulse width Modulation)频率或者占空比控制 单个元件实现不同的输出特性。数字液压系统在节能、无泄漏、高控制自由度、抗污染性、多 功能性等方面有着模拟控制系统无可比拟的优势，是未来液压传动理论与技术的重要发展 方向之一。目前，国内学者主要对PWM控制的数字变量栗进行了研究。国外学者对PCM数 字栗控系统的构型及控制进行了研究，但研究对象都是针对小流量液压系统，并且没有涉 及到液压系统的构型设计方法。
[0006] 然而，锻造行业中液压机液压系统通常都具有高压、大流量的特征，其采用数字化 控制时不易进行高频切换，流量输出明显呈阶梯形，对连续量的模拟精度低，不易满足工程 需求。另外大流量切换时所产生的冲击会严重影响栗源输出特性，使系统的控制特性恶化， 故如何实现大流量液压系统连续无冲击的输出特性将是数字液压发展中急需解决的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种响应快、无溢流损失、传动效率高、输出流量连续可调 的数字和模拟组合控制液压系统多栗源的构型设计方法。本发明主要利用区域分割的方 法，提出数字+模拟组合栗源的非标准二进制组合规则及构型方法，其中的数字信号是指 定量栗组中的电磁卸荷阀的控制信号均为0/1数字信号，模拟信号是指变量栗的控制信号 为连续的模拟量；本发明指依据所需流量曲线，通过流量区域划分的方法确定出多栗源系 统中定量栗和变量栗的台数及排量，定量栗组可输出"阶梯状"流量，变量栗输出的流量可 "填补"定量栗阶梯流量的空白处，使之变成"光滑"的流量曲线。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] 本发明的液压系统包括第一变量栗A1、第二变量栗A2、……、第η变量栗A n、第一定 量栗B1、第二定量栗Β2、……、第m定量栗Bni、第一电磁卸荷阀C 1、第二电磁卸荷阀C2、……、 第m电磁卸荷阀(；、第一安全阀E1、第二安全阀E 2、……、第m安全阀Eni、第一单向阀F1、第 二单向阀F2、......、第n+m单向阀Fn+m、油箱G ;每个定量栗的出口和油箱之间跨接一个电磁 卸荷阀和一个安全阀，电磁卸荷阀的作用是控制相应定量栗接入系统的状态，安全阀防止 压力过载。m个定量栗和η个变量栗的出口均汇于一点后作为多栗源的压力油输出口。
[0010] 设定量栗排量SD1，单位为ml/r，对应的输出流量为Qdi，单位为L/min，1彡i彡m ; 变量栗最大排量分别γ i，单位为ml/r，满排量时输出流量分别为QAj_，单位为L/min， 1彡j彡η ;所有栗电机转速均为np，单位为r/min ;流量曲线上最大斜率的绝对值h，单位 为 L/s2。
[0011] 本发明的设计内容主要包括定量栗和变量栗的台数及排量确定，其设计步骤如 下：
[0012] (1)根据实际工业生产中主机设备的工况要求，求出该设备的液压系统所需的流 量需求Q (t)，并求出最大流量值Qniax以及最大流量变化率的绝对值h ;
[0013] (2)确定定量栗组的最佳组合系数λ和定量栗组中最小栗的排量D1。综合考虑 栗组输出流量与负载流量需求偏差度、栗切换频率、流量冲击程度、栗组成本等因素后，得 出最小栗排量D 1理论计算公式如下：
[0014]
[0015] 其中，λ为定量栗组的最佳组合系数，并且〇 < λ彡1 ; ε、ω、〇、δ分别表示 定栗组输出流量与负载流量需求偏差、栗组切换频率、流量切换冲击程度、栗组成本对定量 栗台数的最佳影响系数，并且均是介于〇到1之间的无量纲数。权重系数α、β、γ、ζ满 足关系式α+β + γ + ζ = 1，权重系数的大小根据设计要求确定；
[0016] (3)确定定量栗的台数m及栗的最大排量队。采用部分二进制排量比的定量栗组， 即0 1:02:03*"014:01^"0" 1=2°:21:22*"21':2、"21';因此，定量栗台数及最大排 量为：
[0017]
[0018]
[0019] 取m为大于Iog2 + d的最小正整数，而队取实际排量系列值当中与理论计算值 、乂 J 最为接近的数值；
[0020] (4)确定变量栗的台数η及满排量γ ]。变量栗组排量一般取相同值，根据所有变 量栗满排量输出时的流量曲线斜率值h'大于所需流量曲线上最大斜率的绝对值h要求， 得出变量栗组排量与台数的关系式：
[0021]
[0022] 考虑到实际产品系列以及成本因素，根据该公式，台数η从1逐渐增加，分别求出 对应的排量值，直至确定成本较为合理的一组解。
[0023] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0024] 1、避免了传统阀控系统多栗源定流量输出造成的的溢流损失，实现了液压执行机 构所需流量匹配的目的，节能效果明显。
[0025] 2、响应快、溢流损失少、传动效率高、输出流量连续可调，兼具传统的阀控系统和 栗控系统的优势，同时避免了栗控系统投资大、维护成本高的缺点。
【附图说明】
[0026] 图1表示本发明采用的流量区域划分原理图；
[0027] 图2表示本发明的多栗源液压原理构型图；
[0028] 图3表示本发明的多栗源栗组状态控制流程如图图；
[0029] 图4表示本发明的多栗源液压系统实现流量连续输出的工作流程图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0031] 在图1所示的数字和模拟组合控制液压系统多栗源的构型设计方法的流量区域 划分原理图中，图（a)表示定量栗组和变量栗组各自的输出流量曲线，图（b)表示定量栗组 和变量栗组的输出流量之和。数字量间接控制的定量栗组可输出阶梯状流量，模拟量控制 的变量栗可输出连续变化的流量。
[0032] 通过流量区域划分的方法确定出多栗源系统中定量栗和变量栗的台数及排量。设 定量栗台数为m，排量为D 1，对应的输出流量为Qdi，并且K Q D(1+1)，l彡i Sm;变量栗台 数为n，最大排量分别为γ P满排量时输出流量分别为Q4]_，I < j < η ;采用等间距分割原 则进行流量区域划分。每个流量等级间距的跃变值△ Q = Qdi，即定量栗组输出流量分辨率。 依据工艺要求求解出执行器所需的流量目标曲线，求出系统最大流量0_。要求所有定量栗 组同时输出时的流量值满足条件：
[0033]
(1)
[0034] 即定量栗组最大输出流量可满足系统所需最大流量。为了实现定量栗组利用率的 最大化并尽量减少栗的投入台数，设定定量栗的排量比为二进制关系，但随着台数的增加， 定量栗排量又不是无限制增大，而是达到某一排量值D k时不再变化。即：
[0035] D1 : D2 : D3...Dk : Dk^Dn= 2。： 21 : 22...2k : 2k...2k (2)
[0036] 其中，k为正整数。定量栗组中最小排量的栗输出的流量为Qdi，设np是最小排量 栗的转速，因此最小排量为：
[0037]
(3)
[0038] 系统定量栗组的流量分辨率Δ Q取为：
[0039] Δ Q = λ · Qnax (4)
[0040] 其中，λ为定量栗组的最佳组合系数，并且〇< λ < 1 ;等多目标优化后确定。定 义ε、ω、〇、δ分别表示定栗组输出流量与负载流量需求偏差、栗组切换频率、流量切换 冲击程度、栗组成本对定量栗台数的最佳影响系数，并且均是介于〇到1之间的无量纲数。 因此有：
[0041] λ = α · ε+β · ω + γ · σ + ζ · δ (5)
[0042] α+β + γ + ζ = 1 (6)
[0043] 根据不同的设计要求给定相应的一组的权重系数α、β、γ、ζ ;由此，由式（3)、 (4)、（5)、（6)可以确定出定量栗组中最小排量的栗。
[0044] 定量栗