一种基于分入流复合的流体脉动衰减主动控制方法与流程

本发明涉及液压管路流体脉动主动控制技术领域，具体为一种基于分入流复合的流体脉动衰减主动控制方法。

背景技术：

泵瞬时流量的周期性脉动是液压管路中流体脉动的根源，并在管路和负载的阻抗作用下形成压力脉动。压力脉动不仅会带来流体噪声，而且会引起流体与液压管路之间的耦合振动，最终导致机械结构的疲劳破坏。流体脉动已成为制约液压系统向着高精度、低噪声发展的一个关键因素。对于高精度系统，流体脉动会大大降低控制系统的性能。传统的脉动控制方式是通过改变系统的阻抗来衰减系统的流体脉动的，此类方法是被动式的，通常采用加装抗性消振器或阻性消振器的方式。此类消振器往往结构参数固定或需要手调，不具有自适应能力。此外，被动消振器对压力脉动的中、高频削减效果较好，对于低频脉动往往削减效果不理想。因此，被动式消振器的应用由于难以满足实际要求而受到了很大限制。鉴于被动式脉动消振器存在的诸多问题，国内外学者针对液压管路系统进行了主动消振研究，其原理都是采用主动消振器产生与初始压力脉动等幅值、反相位的次级压力脉动，相互叠加以衰减脉动。现有的主动脉动控制方法根据产生次级脉动的原理又可以分为四大类。

第一类是通过串联或旁接在管路的伺服作动筒往复运动来改变管路容积，产生次级压力脉动波，与管路中的原始压力脉动波相互叠加以抵消脉动。第二类是采用智能材料作动器使液压油路中某一段特制的管壁变形，使管道内流体产生次级压力脉动波，与管道初始压力脉动叠加抵消脉动。第三类是采用溢流压力脉动波峰值的方式来削减压力脉动，需在旁支路安装高频响的液压阀，当压力脉动波峰值来临时打开液压阀，通过溢流小部分油液的方式来减小压力脉动。第四类是采用补油泵向主管路中注入小部分油液流量的方式来消减压力脉动，同样需要在旁支路安装高频响的液压阀，当压力脉动谷值来临时打开液压阀，通过补油泵向主管路中注入小部分油液的方式来消减压力脉动。

第一类消振策略没有流量的增减，而且结构复杂，体积庞大；第二类消振策略同样没有流量的增减，而且不适用于高压系统；第三类消振策略通过溢流一部分油液的方式来削减压力脉动的峰值，但对于压力脉动的谷值无法进行削减。第四类消振策略通过补油泵向主管路中注入小部分油液的方式来消减压力脉动的谷值，但对于压力脉动的峰值无法进行削减。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单且具有良好的脉动衰减效果的基于分入流复合的流体脉动衰减主动控制方法，技术方案如下：

一种基于分入流复合的流体脉动衰减主动控制支路，包括设置在液压主管路消振点处的压电式消振阀，压电式消振阀具有与主管路连接的a接口，与补油泵连接的p接口，以及直接与第四油箱连接的t接口；主管路上柱塞泵出口处设置有参考压力传感器，参考压力传感器通过a/d转换模块连接到控制器的信号输入端；控制器的信号输出端通过d/a转换模块和放大电路连接到压电式消振阀，控制压电式消振阀在压力脉动波的峰值来临时工作在右位，与第四油箱直接接通，溢流一部分流量来削减压力脉动波的峰值；并控制压电式消振阀在压力脉动波的谷值来临时工作在左位，通过补油泵向主管路中注入小部分油液，来填补压力脉动波的谷值。

进一步的，所述主管路消振点附近还设有误差传感器，误差传感器通过所述a/d转换模块连接到控制器的信号输入端。

更进一步的，所述压电式消振阀包括阀芯、阀体和压电陶瓷执行器；阀芯设置在阀体内，其为滑阀结构，压电陶瓷作为驱动装置固定在阀芯两端，且压电陶瓷执行器由压电陶瓷薄片堆叠而成；阀芯与设置在阀体两端的密封活塞间还设有弹簧用于施加预紧力。

一种基于分入流复合的流体脉动衰减主动控制方法，包括以下过程：

a：由参考压力传感器检测得到泵源脉动的初始脉动参考信号x(n)；

b：根据参考信号x(n)由f-xlms控制算法计算得到压电式消振阀的控制信号y(n)；

c：根据控制信号y(n)控制压电式消振阀产生次级脉动s(n)；

d：当初始脉动和次级脉动在主管路的消振点处叠加后，由误差传感器检测得到脉动叠加后残余脉动的误差信号e(n)；

e：根据预先设定的控制目标调整参考信号x(n)和误差信号e(n)的权系数，进而改变次级脉动的幅值和相位。

本发明的有益效果是：本发明通过主动调节压电式消振阀开口，分流、入流一定的油液流量来降低系统的压力脉动，结构简单且具有良好的脉动衰减效果；且可根据输入输出数据，不断的调整模型参数，使控制参数达到一个最佳的状态，自适应能力强。

附图说明

图1为本发明基于分入流复合的流体脉动衰减主动控制支路的原理图。

图2为本发明压电式消振阀的结构示意图。

图3为本发明自适应前馈控制系统框图。

图中：1-柱塞泵；2-第一溢流阀；3-参考压力传感器；4-误差传感器；5-压电式消振阀；51-阀芯；52-阀体；53-压电陶瓷执行器；54-密封活塞；55-弹簧；6-补油泵；7-第二溢流阀；8-节流阀；9-a/d转换模块；10-控制器；11-d/a转换模块；12-过滤器；13-主电机；14-补油电机；15-第一油箱；16-第二油箱；17-第三油箱；18-第四油箱；19-第五油箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种基于分入流复合的流体脉动衰减主动控制支路，包括设置在液压主管路消振点处的压电式消振阀5，压电式消振阀5具有与主管路连接的a接口，与补油泵6连接的p接口，以及直接与第四油箱18连接的t接口；主管路上柱塞泵1出口处设置有参考压力传感器3，参考压力传感器3通过a/d转换模块9连接到控制器10的信号输入端；控制器10的信号输出端通过d/a转换模块11和放大电路连接到压电式消振阀5，控制压电式消振阀5在压力脉动波的峰值来临时工作在右位，与第四油箱18直接接通，溢流一部分流量来削减压力脉动波的峰值；并控制压电式消振阀5在压力脉动波的谷值来临时工作在左位，通过补油泵6向主管路中注入小部分油液，来填补压力脉动波的谷值。

压电式消振阀5作为流体脉动主动控制的执行部件连接在液压管路的消振点处，其a口连接主管路，其p口与补油泵6的出口相连接，其t口与油箱18相连接。安装在主泵1出口附近的参考压力传感器3采集压力信号，通过a/d转换模块9后输入控制器10，控制器10处理后输出信号通过d/a转换模块11和放大电路后控制压电式消振阀5。本实施例采用主动消振器产生与初始压力脉动等幅值、反相位的次级压力脉动，相互叠加来衰减脉动。当压力脉动波的峰值来临时，压电式消振阀5工作在右位，与油箱18接通，溢流一部分流量来削减压力脉动波的峰值；当压力脉动波的谷值来临时，压电式消振阀5工作在左位，与补油泵6接通，向主管路中注入小部分油液来填补压力脉动波的谷值。

为更接近控制目标，本实施例的主管路消振点附近还设有误差传感器4，误差传感器4通过所述a/d转换模块9连接到控制器10的信号输入端。误差传感器4检测主管路中的残余脉动，该压力信号通过a/d转换模块9后输入控制器10，作为控制器10参数调整的参考依据。

安装时，在主管道消振点处引出一旁支路，安装本发明专利支路。工作时，主电机13带动柱塞泵1、补油电机14带动补油泵6从油箱中吸油，柱塞泵产生较大流量的高压油，进入液压管路中，在液压管路的末端连接节流阀8模拟负载，油液流经负载后回到第五油箱19。压电式消振阀5的a口连接主管路，其p口与补油泵6的出口相连接，其t口与油箱18相连接。柱塞泵1的出口处设有第一溢流阀2，用于将溢流的油液排进第一油箱15；补油泵6的出口处设有第二溢流阀7，用于将溢流的油液排进第三油箱17，起安全保护作用。在柱塞泵出口附近安装一个压力传感器3，作为参考压力传感器，在消振点附近安装另一个压力传感器4，作为误差压力传感器。

如图2所示，压电式消振阀5包括阀芯51、阀体52和压电陶瓷执行器53；阀芯51设置在阀体52内，其为滑阀结构，压电陶瓷53作为驱动装置固定在阀芯51两端，且压电陶瓷执行器53由压电陶瓷pzt薄片堆叠而成；阀芯51与设置在阀体52两端的密封活塞54间还设有弹簧(55)用于施加预紧力。压电式消振阀在输入电压为0时，压电陶瓷不产生位移，阀开口为0。压电式消振阀的阀芯位移频率响应超过1000hz。

控制器10为自适应控制器,该控制器可以根据输入输出数据，不断的调整模型参数，使控制参数达到一个最佳的状态，自适应能力强。

自适应控制器采用f-xlms(filtered-xleastmeansquare滤波型最小均方)算法，其控制框图如图3所示，hr(z)为泵源脉动到参考压力传感器之间的参考通道传递函数；hp(z)为泵源脉动到误差传感器之间的管路传递函数，为初级通道传递函数；hs(z)为控制器10输出经放大电路、压电式消振阀5到误差传感器4的次级通道传递函数；三通道的脉冲响应分别为hp(n)、hr(n)和hs(n)；h's(z)是对hs(z)的一个估计，理论上，h's(z)＝hs(z)。p(n)为泵源脉动信号，x(n)为参考压力传感器3获取的参考压力信号；w(z)为驱动压电式消振阀5的控制器10的传递函数；y(n)为控制器10的输出信号；d(n)表示误差传感器4处的初级脉动；s(n)表示误差传感器4处的次级脉动；e(n)为脉动叠加后的误差信号。

自适应前馈脉动主动控制的工作原理：柱塞泵1发出初始脉动沿管路传播，位于柱塞泵1出口的参考压力传感器3获得参考信号x(n)经a/d转换模块9后输入控制器10，控制算法计算得到压电式消振阀5的控制信号y(n)，控制器10输出信号经过驱动电源放大后驱动压电式消振阀5产生次级脉动。初始脉动和次级脉动在管路的消振点处叠加，在消振点后的误差传感器4检测得到脉动叠加后的残余脉动，获得误差信号e(n)，输入到控制器10中，自适应算法根据预先设定的控制目标调整控制器的权系数，从而改变次级脉动的幅值和相位。系统不断地进行调整，直到达到控制目标稳定。

具体控制过程如下

a：由参考压力传感器检测得到泵源脉动的初始脉动参考信号x(n)。

b：根据参考信号x(n)由控制算法计算得到压电式消振阀的控制信号y(n)。

c：根据控制信号y(n)控制压电式消振阀产生次级脉动s(n)。

次级脉动的产生原则为：在压力脉动波的峰值来临时工作在右位，压电式消振阀与第四油箱直接接通，溢流一部分流量来削减压力脉动波的峰值；在压力脉动波的谷值来临时工作在左位，压电式消振阀通过补油泵向主管路中注入小部分油液，来填补压力脉动波的谷值。

d：当初始脉动和次级脉动在主管路的消振点处叠加后，由误差传感器检测得到脉动叠加后残余脉动的误差信号e(n)。

e：根据预先设定的控制目标调整参考信号x(n)和误差信号e(n)的权系数，进而改变次级脉动的幅值和相位。