变排量变压力调节负载匹配电液位置跟踪控制方法与流程

本发明涉及一种电液位置跟踪控制方法，尤其是涉及一种变排量变压力调节负载匹配电液位置跟踪控制方法。

背景技术：

电液位置伺服系统广泛应用于飞机舵面控制、机床进给系统、机械臂运动机构、风力发电机叶片俯仰角控制等领域。传统的电液位置伺服系统使用定量泵+溢流阀供油单元或恒压变量泵供油单元向负载提供恒定压力，而负载所需的压力是变化的，供油压力与负载压力不相等导致负载伺服阀上产生压降，造成能量损失，整个系统的能量利用率低。另一方面，若仅仅降低供油压力来节能，会使传统的位置反馈控制响应速度变慢，位置控制特性变差。为了在节能的同时保持甚至提高位置控制性能，需要更有效的电液位置控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变排量变压力调节负载匹配电液位置跟踪控制方法，减少压差损失达到节能目，同时提高液压缸位置跟踪精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变排量变压力调节负载匹配电液位置跟踪控制方法，包括以下步骤：

1)获取液压缸速度信号v_d，计算伺服阀开度前馈控制量S_v,d：

S_v,d＝v_d×K_s

其中，K_s为控制系数；

2)根据所述伺服阀开度前馈控制量S_v,d以及液压缸位置信号x_d和负载需求，使用逆模型法反求泵出口压力前馈控制量P_p,d和泵变量控制阀前馈控制量q_a,d；

3)获取泵斜盘倾角泵出口压力P_p、液压缸位移x和液压缸负载压力P_L，根据所述泵出口压力前馈控制量和泵变量控制阀前馈控制量采用线性反馈方法获得变量控制阀实际控制量q_a，采用Backstepping方法获得伺服阀实际控制量S_v，实现液压缸位置跟踪控制。

所述控制系数K_s通过以下公式计算：

其中：

式中，K_q为伺服阀流量系数，A_c为液压缸活塞有效面积，β为油液弹性模量，T_c为前馈控制器运算周期，V_c0为初始位置时液压缸左右两腔容积，F为负载力，m为液压缸运动部件质量，a_dmax、v_dmax、x_dmax分别为液压缸加速度信号、速度信号和位置信号的最大值。

所述步骤2)中，使用逆模型法求出泵出口压力前馈控制量P_p,d具体为：

其中：

式中，B为液压缸速度粘滞系数，A_c为液压缸活塞有效面积，F为负载力，m为液压缸运动部件质量，P_L,d为液压缸前馈压力，β为油液弹性模量，V_c0为初始位置时液压缸左右两腔容积，Q_L,d为液压缸前馈流量，K_q为伺服阀流量系数，Sgn为符号函数。

所述步骤2)中，使用逆模型法求出泵变量控制阀前馈控制量q_a,d具体为：

当q_a,d<0时，

当q_a,d≥0时，

式中，为变量泵斜盘倾角前馈量，A_a、r_a分别为泵变量缸活塞面积和等效运动半径，V_p为泵出口容腔体积，K_qleak为泄漏系数，k_p表示泵流量系数。

所述步骤3)中，采用线性反馈方法获得变量控制阀实际控制量q_a具体为：

q_a＝q_a,d+q_a,c

式中，为泵斜盘倾角误差，为变量泵斜盘倾角前馈量，e_p为泵出口压力误差，e_p＝p_p,d-p_p，λ_p分别为斜盘倾角和泵出口压力的反馈系数。

所述步骤3)中，采用Backstepping方法获得伺服阀实际控制量S_v具体为：

其中：

z₃＝y₃-α₂

z₂＝y₂-α₁

α₁＝-K₁z₁

z₁＝y₁

式中，e_p为泵出口压力误差，e_p＝p_p,d-p_p，V_p为泵出口容腔体积，y₁为液压缸位移误差，y₁＝x_d-x，y₂为液压缸速度误差，y₂＝v_d-v，y₃为液压缸压力误差，y₃＝P_L,d-P_L，δ₁、δ₂、δ₃、K₁、K₂、K₃为大于0的反馈控制参数，δ_p为大于0的压力反馈控制参数。

该方法还包括：根据所述变量控制阀实际控制量q_a获得控制阀开度控制信号S_va：

当q_a<0时

当q_a≥0时

式中，K_qc为变量控制阀的流量系数，p_a为变量缸的压力。

与现有技术相比，本发明利用液压缸速度信号及负载需求和逆模型法反求系统前馈控制量，并结合反馈信号反馈控制量实现泵出口压力根据液压缸负载变化，减少压差损失达到节能目的，同时提高液压缸位置跟踪精度，具有以下优点：

(1)本发明使v_d×K_s作为伺服阀开度的前馈控制量S_v,d，可以满足液压缸运动时的流量需求。K_s越大，伺服阀开度也越大，在相同流量下伺服阀上的压降越小，节能效果越好，但过大的伺服阀开度前馈控制量S_v,d会使后续计算的液压缸左腔或右腔前馈压力出现负值，即空穴现象，这在实际应用中应该避免的，因此K_s不能过大。本发明设计了K_s的计算公式，既能保证节能，又能保证不出现空穴现象。

(2)相比于一般的反馈控制，本发明根据位置信号直接求得前馈控制量，无需反馈信号参与运算，因此系统响应速度比一般反馈控制更快。

(3)本发明在计算时考虑了负载需求压力，所求解的泵出口压力与负载所需压力相匹配，可以减少压差损失。

(4)本发明采用适应性更强的BackStepping方法求解实际控制量，具有更高的液压缸位置控制精度。

附图说明

图1为本发明的控制算法框图；

图2为本发明实施例的电液位置控制系统；

图3为实施例的液压缸位置信号，以及在常规位置控制和本发明控制算法作用下液压缸实际位置信号的示意图；

图4为实施例在常规位置控制和本发明控制算法作用下位置跟随误差示意图；

图5为实施例的液压缸负载力示意图；

图6为实施例在常规位置控制和本发明控制算法作用下泵出口压力示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示的电液位置控制系统，包括变量泵1，变量缸2，变量控制阀3，泵出口管道容腔4，伺服阀5，液压缸6，压力传感器7a、7b、7c、7d，液压缸位移传感器8，以及变量泵斜盘倾角传感器9。压力传感器7a、7b、7c、7d分别用于测量泵出口压力P_p，变量缸压力p_a，液压缸左右腔压力p₁，p₂，其中负载压力P_L＝p₁-p₂；液压缸位移传感器8用于测量液压缸位移x；变量泵斜盘倾角传感器9用于测量变量泵斜盘倾角变量控制阀3通过控制量S_va改变阀口开度，控制流入或流出变量缸2的流量q_a从而改变变量泵1斜盘倾角，使变量泵1输出的流量发生变化。变量泵1输出的油液一方面经过伺服阀5流入液压缸6，驱动液压缸6运动；另一方面由于油液的压缩在泵出口管道容腔4中建立压力。对于常规的电液位置伺服系统，通过调整变量控制阀3的控制量S_va并通过泵出口压力P_p反馈控制，即可实现泵出口压力P_p保持恒定，而变量泵1输出的流量随着负载流量需求而变化。根据液压缸位置信号x_d结合位移传感器8反馈的位置信号x来调整伺服阀5开度控制量S_v，实现液压缸位置控制。由于液压缸所需的压力是变化的，供油压力P_p与负载压力不相等导致负载伺服阀5上产生压降，造成能量损失，整个系统的能量利用率低。另一方面，若仅仅降低供油压力P_p来节能，会使传统的位置反馈控制响应速度变慢，位置控制特性变差。

为了提高系统能量利用率和位置控制精度，本发明采用前馈控制加反馈控制结合的方法，使泵出口压力P_p与负载所需压力匹配，减少压差损失，同时提高了位置控制精度。由附图2可以看出，系统有两个实际控制量：变量控制阀3的开度S_va和伺服阀5开度S_v。系统的控制目的在于使泵输出的压力P_p与负载压力匹配，并使液压缸的位置x跟随给定的位置信号x_d。为实现这个目的，本发明按如图1所示步骤来计算系统实际控制量S_va和S_v：

1)获取液压缸速度信号v_d，计算伺服阀开度前馈控制量S_v,d：

S_v,d＝v_d×K_s

其中，K_s为控制系数，控制系数K_s通过公式(1)计算：

其中：

式中，K_q为伺服阀流量系数，A_c为液压缸活塞有效面积，β为油液弹性模量，T_c为前馈控制器运算周期，V_c0为初始位置时液压缸左右两腔容积，F为负载力，m为液压缸运动部件质量，a_dmax、v_dmax、x_dmax分别为液压缸加速度信号、速度信号和位置信号的最大值。

2)根据所述伺服阀开度前馈控制量S_v,d以及液压缸位置信号x_d和负载需求，使用逆模型法反求泵出口压力前馈控制量P_p,d和泵变量控制阀前馈控制量q_a,d。

泵出口压力前馈控制量P_p,d通过公式(4)～(6)依次计算求得：

式中，B为液压缸速度粘滞系数，A_c为液压缸活塞有效面积，F为负载力，m为液压缸运动部件质量，P_L,d为液压缸前馈压力，β为油液弹性模量，V_c0为初始位置时液压缸左右两腔容积，Q_L,d为液压缸前馈流量，K_q为伺服阀流量系数，Sgn为符号函数。

泵变量控制阀前馈控制量q_a,d通过公式(7a)～(8b)依次计算求得：

当q_a,d<0时，

当q_a,d≥0时，

式中，为变量泵斜盘倾角前馈量，A_a、r_a分别为泵变量缸活塞面积和等效运动半径，V_p为泵出口容腔体积，K_qleak为泄漏系数，k_p表示泵流量系数，泵的流量即为

3)获取泵斜盘倾角泵出口压力P_p、液压缸位移x和液压缸负载压力P_L，根据所述泵出口压力前馈控制量和泵变量控制阀前馈控制量采用线性反馈方法获得变量控制阀实际控制量q_a，采用Backstepping方法获得伺服阀实际控制量S_v，实现液压缸位置跟踪控制。

变量控制阀实际控制量q_a通过公式(9)～(10)依次计算求得：

q_a＝q_a,d+q_a,c (10)

伺服阀实际控制量S_v通过公式(11)～(17)依次计算求得：

z₁＝y₁ (11)

α₁＝-K₁z₁ (12)

z₂＝y₂-α₁ (13)

z₃＝y₃-α₂ (15)

式中，e_p为泵出口压力误差，e_p＝p_p,d-p_p，V_p为泵出口容腔体积，y₁为液压缸位移误差，y₁＝x_d-x，y₂为液压缸速度误差，y₂＝v_d-v，y₃为液压缸压力误差，y₃＝P_L,d-P_L，δ₁、δ₂、δ₃、K₁、K₂、K₃为大于0的反馈控制参数δ_p为大于0的压力反馈控制参数。

通过依次计算式(1)～(17)，最终得出系统实际控制量q_a和S_v，其中S_v可以直接作为伺服阀的信号给出，而q_a还需要转换到变量控制阀上的开度控制信号S_va才能给出，S_va按照式(18)或(19)计算：

当q_a<0时

当q_a≥0时

式中，K_qc为变量控制阀的流量系数，p_a为变量缸的压力。

下面通过仿真的方法，对比传统电液位置伺服控制与本发明所提出的变排量变压力调节负载匹配电液位置跟踪控制算法，系统参数如表1所示。

表1系统参数

本发明控制方法的控制参数如表2所示，其中K_s在是根据式(1)和系统参数及位移指令x_d(如图3所示)，在速度信号大于0时所求的值；当速度小于0时，需要根据式(1)实时计算，以保证最大程度节约能量。而用于对比的常规恒压电液位置伺服系统采用PI控制器控制液压缸位置，比例系数P＝6000，积分系数I＝12000，且该系数为调定后的系数，以保证有良好的控制效果。

表2控制参数

由图3可以看出，在位置信号x_d作用下，常规控制和变排量变压力调节负载匹配电液位置跟踪控制控制算法均能使液压缸跟随位置信号指令，但由图4可以看出，使用发明算法，跟随误差比常规电液位置控制更小。同时根据图5和图6可以看出，负载力发生变化时，常规位置控制系统仍然保持恒定压力210bar，发明算法则根据负载需求调整泵出口压力，因此压差损失更小，提高了系统能量利用率。

以上所述，仅为本发明的较佳实施实例，不能以之限制本发明权利要求的范围。即凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和权利要求范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。