泵阀复合控制系统及方法与流程

本发明属于液压控制技术领域，具体地来说，是一种泵阀复合控制系统及方法。

背景技术：

液压传动是以液体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动方式，与机械传动、电气传动并列构成传动的三种主要类型。以液压传动技术为基础，液压控制系统在工业领域得到广泛应用。

液压控制系统以电机提供动力基础，利用液压泵将机械能转化为压力而推动液压油，通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸实现不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。液压控制系统具有无级调速容易、动态性能好、运动平稳性佳、自我润滑等优点，在机器人领域研究愈益深入。

目前，足式机器人的液压系统，多属以阀控缸为基础的节流型系统，由电液伺服阀进行液压控制。节流型系统节流损失很大，能量利用率低。同时，机器人的不同行走步态使得各关节对系统压力/流量的需求存在差异，进一步加剧了驱动单元的能量损失，导致机器人野外工作的续航能力低，制约了机器人负载能力的提高。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种泵阀复合控制系统及方法，以泵控非对称液压缸与阀控单元的旁路泄压调节，实现具有理想节能效率与控制精度的复合驱动控制，增强系统及足式机器人的续航能力与负载能力。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种泵阀复合控制系统，包括：

泵控单元，包括双向泵与用于驱动所述双向泵工作的驱动电机，所述双向泵一端油路连接于所述非对称液压缸的有杆腔，另一端油路连接于所述非对称液压缸的无杆腔；

压力传感器，用于分别监测所述非对称液压缸的两腔的实时压力；

位移传感器，用于监测所述非对称液压缸的活塞运动的实时位移；

阀控单元，用于分别实现所述非对称液压缸的两腔的旁路泄压；

控制单元，用于根据所述压力传感器的监测值、所述位移传感器的监测值与所述非对称液压缸的目标参数控制所述驱动电机的输出转矩与所述阀控单元的泄压流量。

作为上述技术方案的改进，所述阀控单元包括第一电液伺服阀与第二电液伺服阀：

所述第一电液伺服阀设置于所述非对称液压缸的一侧旁路，用于释放所述非对称液压缸的无杆腔的多余油液；

所述第二电液伺服阀设置于所述非对称液压缸的另一侧旁路，用于释放所述非对称液压缸的有杆腔的多余油液。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括回油箱，用于接收所述第一电液伺服阀与所述第二电液伺服阀释放的多余油液。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括汇流元件，所述双向泵、所述压力传感器与所述阀控单元集成安装于所述汇流元件上。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括供油箱，用于提供所述双向泵所需的液压油。

作为上述技术方案的进一步改进，所述供油箱一端通过单向阀油路连接于所述非对称液压缸的无杆腔，另一端通过另一单向阀油路连接于所述非对称液压缸的有杆腔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述位移传感器一体集成于所述非对称液压缸上。

一种泵阀复合控制方法，应用于以上任一项所述的泵阀复合控制系统，包括：

获取非对称液压缸的两腔的实时压力与活塞运动的实时位移；

根据所述非对称液压缸的目标参数与两腔的实时压力控制所述驱动电机的输出转矩，根据所述非对称液压缸的目标参数、两腔的实时压力与活塞运动的实时位移控制所述阀控单元的泄压流量。

作为上述技术方案的改进，所述“根据所述非对称液压缸的两腔的实时压力与目标参数控制所述驱动电机的输出转矩”包括：

根据所述非对称液压缸的目标输出力与目标速度计算所述驱动电机的前馈控制量；

根据所述非对称液压缸的两腔的实时压力计算所述非对称液压缸的实际输出力，根据所述实际输出力与所述目标输出力计算所述驱动电机的反馈控制量；

根据所述驱动电机的前馈控制量与反馈控制量控制所述驱动电机的输出转矩。

作为上述技术方案的进一步改进，所述“根据所述非对称液压缸的活塞运动的实时位移与目标参数控制所述阀控单元的泄压流量”包括：

根据所述非对称液压缸的目标输出力与活塞运动的目标速度计算所述阀控单元的前馈控制量；

根据所述非对称液压缸的活塞运动的实时位移与目标位移计算所述阀控单元的反馈控制量；

根据所述阀控单元的前馈控制量与反馈控制量控制所述阀控单元的泄压流量。

本发明的有益效果是：

(1)以双向泵与驱动电机组成具有容积调速能力的泵控单元，驱动非对称液压缸执行动作，容积控制方式减少节流损失，降低系统的系统能耗、提高系统的能量利用率，增强系统及足式机器人的续航能力与负载能力；

(2)以阀控单元实现非对称液压缸的两腔的旁路泄压，解决非对称液压缸存在的非对称流量特性问题，提高泵控非对称液压缸的可控性，匹配闭式系统泵双端流量；

(3)由压力传感器监测非对称液压缸的两腔的实际压力，由位移传感器监测非对称液压缸的活塞运动的实时位移，控制单元根据前述检测值与非对称液压缸的目标参数控制驱动电机的输出转矩与阀控单元的液压流量，具有前馈控制与闭环控制的复合特性，增强控制系统的柔顺度，抑制位置扰动对系统的力控精度的影响，保证理想的控制精度与灵敏度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的泵阀复合控制系统的系统原理示意图；

图2是本发明实施例1提供的泵阀复合控制系统的控制原理示意图；

图3是本发明实施例1提供的泵阀复合控制系统的第一控制器的控制原理框图；

图4是本发明实施例1提供的泵阀复合控制系统的第二控制器的控制原理框图；

图5是本发明实施例1提供的泵阀复合控制系统的第三控制器的控制原理框图；

图6是本发明实施例2提供的泵阀复合控制系统的泵阀集成流控模块的第一轴测示意图；

图7是本发明实施例2提供的泵阀复合控制系统的泵阀集成流控模块的第二轴测示意图；

图8是本发明实施例2提供的泵阀复合控制系统的泵阀集成流控模块的主视局部示意图；

图9是图8中泵阀集成流控模块的a-a剖视示意图；

图10是图8中泵阀集成流控模块的b-b剖视示意图；

图11是本发明实施例3提供的泵阀复合控制方法的总体流程示意图；

图12是本发明实施例3提供的泵阀复合控制方法的步骤b1的流程示意图；

图13是本发明实施例3提供的泵阀复合控制方法的步骤b2的流程示意图。

主要元件符号说明：

100-泵阀复合控制系统，1-双向泵，11-第一油口，12-第二油口，2-驱动电机，31-第一压力传感器，32-第二压力传感器，4-位移传感器，51-第一电液伺服阀，52-第二电液伺服阀，61-第一控制器，62-第二控制器，63-第三控制器，71-第一单向阀，72-第二单向阀，8-供油箱，9-回油箱，91-油液冷却器，10-非对称液压缸，20-汇流元件，21-主流道，21a-第一流道，21b-第二流道，22-支流道，22a-引流段，22b-泄流段，23-换流末端，30-快速接头。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对泵阀复合控制系统及方法进行更全面的描述。附图中给出了泵阀复合控制系统及方法的优选实施例。但是，泵阀复合控制系统及方法可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对泵阀复合控制系统及方法的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在泵阀复合控制系统及方法的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例公开一种泵阀复合控制系统100，包括泵控单元、压力传感器、位移传感器4、阀控单元与控制单元，用于实现对非对称液压缸10的泵阀复合控制。首先说明的是，非对称液压缸10的内腔由活塞划分为有杆腔与无杆腔，活塞杆位于有杆腔内。

泵控单元包括双向泵1与用于驱动双向泵1工作的驱动电机2，用于实现容积控制目的。双向泵1一端油路连接于非对称液压缸10的无杆腔，另一端油路连接于非对称液压缸10的有杆腔。

其中，双向泵1具有两个旋转方向，通过正反转切换而实现不同的输出目的。在不同方向的旋转输出驱动下，非对称液压缸10实现伸缩往复运动。示范性地，双向泵1具有可变排量而为双向变量泵，通过容积变化而实现排量调节，具有容积控制特性。双向泵1种类众多，示范性地，可以是双向齿轮泵。可以理解，通过驱动电机2的驱动控制，双向泵1可实现快速的方向切换与排量调节。驱动电机2种类众多，示范性地，为伺服电机。

压力传感器用于分别监测非对称液压缸10的两腔的实时压力。换言之，压力传感器的数量至少为二，其中，第一压力传感器31用于监测无杆腔的实时压力，第二压力传感器32用于监测有杆腔的实时压力。示范性地，第一压力传感器31安装于无杆腔的油口油路上，第二压力传感器32安装于有杆腔的油口油路上。

位移传感器4用于监测非对称液压缸10的活塞运动的实时位移。位移传感器4的种类众多，包括直线位移传感器、磁致伸缩位移传感器、lvdt位移传感器、拉绳位移传感器等类型。示范性地，位移传感器4为磁致伸缩位移传感器。

示范性地，位移传感器4一体集成于非对称液压缸10上，随非对称液压缸10的活塞杆的活塞运动而实时测量活塞位移。可以理解，根据位移传感器4的测量值，即可计算非对称液压缸10的活塞运动速度、加速度等运动参数。

阀控单元用于分别实现非对称液压缸10的两腔的旁路泄压，解决非对称液压缸10存在的非对称流量特性问题。具体而言，由于非对称液压缸10的两腔面积不对称引起的流量不对称，当无杆腔出油、有杆腔进油时，多余的油液强迫两腔内的压力上升，产生压力与位置扰动而导致系统的力控制精度下降。阀控单元实时自旁路阀式泄除两腔的多余油液而实现旁路节流调节，消除无杆腔与有杆腔的压力扰动与位置扰动，从而保证理想的力控制精度。

示范性地，阀控单元包括第一电液伺服阀51与第二电液伺服阀52。第一电液伺服阀51设置于非对称液压缸10的一侧旁路，用于释放非对称液压缸10的无杆腔的多余油液；第二电液伺服阀52设置于非对称液压缸10的另一侧旁路，用于释放非对称液压缸10的有杆腔的多余油液。

示范性地，泵阀复合控制系统100还包括回油箱9，用于接收第一电液伺服阀51与第二电液伺服阀52释放的多余油液。换言之，第一电液伺服阀51的进油口(p口)连接于非对称液压缸10的无杆腔，控制口(a口或b口)连接于回油箱9；第二电液伺服阀52的进油口(p口)连接于非对称液压缸10的有杆腔，控制口(a口或b口)连接于回油箱9。示范性地，回油箱9为常压油箱。示范性地，第一电液伺服阀51与第二电液伺服阀52分别通过油液冷却器91而油路连接于回油箱9。

请参阅图2，控制单元用于根据压力传感器的监测值、位移传感器4的监测值与非对称液压缸10的目标参数控制驱动电机2的输出转矩与阀控单元的泄压流量。其中，非对称液压缸10的目标参数是指其所预期达到的动态目标值，包括目标输出力、活塞运动的目标速度与目标位移等不同运动参数。

根据前述参数数值，控制单元对应实现对驱动电机2(间接地对双向泵1)与阀控单元(可具体为第一电液伺服阀51与第二电液伺服阀52)的前馈控制与反馈控制，降低力控制刚性而增强柔顺性，抑制位置扰动对力控精度的影响，减少时间迟滞而提高控制灵敏度。

请结合参阅图2～5，示范性地，控制单元包括第一控制器61、第二控制器62与第三控制器63。其中，第一控制器61用于根据非对称液压缸10的目标参数与两腔的实时压力控制驱动电机2的输出转矩，第二控制器62用于根据非对称液压缸10的目标参数、两腔的实时压力与活塞运动的实时位移控制第一电液伺服阀51的开口度，第三控制器63用于根据非对称液压缸10的目标参数、两腔的实时压力与活塞运动的实时位移控制第二电液伺服阀52的开口度。

示范性地，泵阀复合控制系统100还包括供油箱8，用于提供双向泵1所需泵送的液压油。供油箱8一端连接于无杆腔，另一端连接于有杆腔。在双向泵1的泵送作用下，供油箱8的液压油对应输出至无杆腔或有杆腔。示范性地，供油箱8为加压油箱，保证在双向泵1停止工作时系统油路充满油液，防止空气混入，并在双向泵1工作时提供油液。

示范性地，供油箱8一端通过第一单向阀71油路连接于非对称液压缸10的无杆腔，另一端通过第二单向阀72油路连接于非对称液压缸10的有杆腔，防止系统中的油液回流至供油箱8。

实施例2

请结合参阅图6～10，在实施例1的基础上，本实施例公开一种泵阀集成流控模块，包括汇流元件20及分别集成安装于汇流元件20上的双向泵1、电液伺服阀与压力传感器，用于提供一种高度集成的泵阀复合控制器件，压缩布局空间、减少管线数量，提高安装维护效率，降低生产维护成本。

汇流元件20用于实现流体回路中泵阀流控元件的集成安装，并使这些泵阀流控元件对应流体连接形成所需的流控回路。基于此，泵阀集成流控模块形成具有高集约度并可快速拆装的整体单元，模块中各泵阀流控元件之间无需通过管线连通，杜绝管线缠绕繁复弊端，安装维护均十分便利。汇流元件20可采用多种结构形式，即如板状、块状等类型，示范性地，汇流元件20为汇流块结构。

汇流元件20的内部具有主流道21与支流道22，用于实现对应的泵阀流控元件之间的流路连通。其中，主流道21用于连接双向泵1与非对称液压缸10而形成输出主路，提供非对称液压缸10工作所需的主驱动力；支流道22用于连接电液伺服阀与非对称液压缸10而形成节流旁路，实现对非对称液压缸10的节流调节；压力传感器连通于主流道21，实现对输出主路的压力监测。

示范性地，主流道21与支流道22分别具有复数个换流末端23，换流末端23开口于汇流元件20的表面。换流末端23用于实现汇流元件20与其他流体元件的流体交换，实现流体路径连通。换流末端23可采用多种形式实现，包括螺纹孔、通孔、接头等类型。

示范性地，不同的换流末端23分别安装双向泵1、电液伺服阀、压力传感器与快速接头30，快速接头30用于实现对外的管路连接。其中，快速接头30用于实现泵阀集成流控模块与非对称液压缸10、供油箱8、回油箱9等流体元件的快速连接。示范性地，快速接头30为铰接接头，可实现方便的旋转调节，使之处于较佳的连接位置而保证管线紧凑。

示范性地，主流道21包括第一流道21a与第二流道21b。其中，第一流道21a用于连接双向泵1的一端油口与液压缸的一腔，另一端油口用于连接供油箱8而输入液压油；第二流道21b用于连接双向泵1的一端油口与液压缸的另一腔，另一端油口用于连接供油箱8而输入液压油。相应地，双向泵1的第一油口11与第一流道21a连接，第二油口12与第二流道21b连接。

示范性地，第一流道21a与第二流道21b一端连通并共同连接于供油箱8，进一步简化主流道21的结构。示范性地，主流道21用于与供油箱8连接的一端设置单向阀，防止液压油意外回流至供油箱8。例如，第一流道21a用于连接供油箱8的一端安装第一单向阀71，第二流道21b用于连接供油箱8的一端安装第二单向阀72。示范性地，第一流道21a上安装第一压力传感器31，第二流道21b上安装第二压力传感器32。

示范性地，支流道22包括相互隔离的引流段22a与泄流段22b。其中，引流段22a一端连接于非对称液压缸10，另一端连接于电液伺服阀的进油口(p口)；泄流段22b一端分别连接于电液伺服阀的控制油口(a口或b口)，另一端连接于回油箱9。由此，电液伺服阀可实现节流控制。可以理解，于泄流段22b具有分别对应于电液伺服阀的t(出油)/a/b口的换流末端23。

可以理解，主流道21与支流道22可通过不同的换流末端23连通于非对称液压缸10，亦可共享相同的换流末端23连通于非对称液压缸10。示范性地，引流段22a远离电液伺服阀的进油口的一端连通于主流道21，使主流道21与支流道22共享换流末端23，减少换流末端23的数量，简化汇流元件20的结构。

示范性地，支流道22成对设置并分别连接于液压缸的两腔，电液伺服阀与支流道22一一对应地设置。换言之，支流道22的数量至少为二。每一支流道22分别安装一电液伺服阀，用于实现对液压缸的一腔的旁路节流。由于液压缸具有两腔，则第一电液伺服阀51用于实现第一腔的旁路节流，第二电液伺服阀52用于实现第二腔的旁路节流。

示范性地，驱动电机2可通过联轴器直接安装于双向泵1上，具有一体紧固结构。

实施例3

请参阅图11，本实施例公开一种泵阀复合控制方法，应用于实施例1或2所介绍的泵阀复合控制系统100，包括以下步骤：

步骤a：获取非对称液压缸10的两腔的实时压力与活塞运动的实时位移。可以理解，非对称液压缸10的两腔的实时压力由压力传感器(第一压力传感器31与第二压力传感器32)监测得到，活塞运动的实时位移由位移传感器4监测得到。

步骤b：根据非对称液压缸10的目标参数与两腔的实时压力控制驱动电机2的输出转矩(b1)，根据非对称液压缸10的目标参数、两腔的实时压力与活塞运动的实时位移控制阀控单元的泄压流量(b2)。

请参阅图12，示范性地，步骤b1包括以下步骤：

步骤b11：根据非对称液压缸10的目标输出力与目标速度计算驱动电机2的前馈控制量。由于非对称液压缸10的两腔非对称特性，首先判断目标输出力的方向，根据判断结果而进行前馈补偿。

例如，当目标输出力与非对称液压缸10的伸出方向一致时，规定目标输出力的值为正；当目标输出力与非对称液压缸10的收缩方向一致时，规定目标输出力的值为负。则前置控制信号的一种近似计算方程如下：

式中，f为目标输出力，v为目标速度，a1为无杆腔的作用面积，a2为有杆腔的作用面积，fr为实际输出力，p1实为无杆腔的实时压力，p2实为有杆腔的实时压力。

步骤b12：根据非对称液压缸10的两腔的实时压力计算非对称液压缸10的实际输出力，根据所述实际输出力与所述目标输出力计算驱动电机2的反馈控制量。具体而言，其为闭环控制。根据实际输出力与目标输出力之间的差值，即可计算所需的反馈控制量，从而实现驱动电机2的反馈调节。

步骤b13：根据驱动电机2的前馈控制量与反馈控制量控制驱动电机2的输出转矩。基于前馈控制与反馈控制的结合，驱动电机2的调节时滞得以有效控制，具有较佳的灵敏度。同时，前馈控制在扰动发生后而被控变量尚未变化之前，抑制位置扰动对系统力控精度的影响，有效提高系统的跟踪性能。

请参阅图13，示范性地，步骤b2包括以下步骤：

步骤b21：根据非对称液压缸10的目标输出力与活塞运动的目标速度计算阀控单元的前馈控制量。由于非对称液压缸10的两腔非对称特性，首先根据目标输出力与目标速度的方向，判断非对称液压缸10的工况，根据不同工况进行对应的前馈补偿。

例如，在根据目标输出力与活塞运动的目标速度，可将泵控缸分为四象限运动工况。同时，限定目标输出力沿伸出方向为正、活塞运动的目标速度沿伸出方向为正。则前置控制信号的一种近似计算方程如下：

其中，p1是第一电液伺服阀51的前馈输入压力，x1是第一电液伺服阀51的前馈开口度，p2是第二电液伺服阀52的前馈输入压力，x2是第二电液伺服阀52的前馈开口度。

步骤b22：根据非对称液压缸10的活塞运动的实时位移与目标位移计算阀控单元的反馈控制量。具体而言，其为闭环控制。根据活塞运动的实时位移与目标位移之间差值，即可计算所需的反馈控制量，从而实现阀控单元(具体可为第一电液伺服阀51与第二电液伺服阀52)的反馈调节。

步骤b23：根据阀控单元的前馈控制量与反馈控制量控制阀控单元的泄压流量。基于前馈控制与反馈控制的结合，阀控单元的调节时滞得以有效控制，具有较佳的灵敏度。同时，前馈控制在扰动发生后而被控变量尚未变化之前，抑制位置扰动对系统力控精度的影响，有效提高系统的跟踪性能。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。