一种水液压马达转速控制系统及方法与流程

本发明属于水液压马达控制技术领域，具体涉及一种水液压马达转速控制系统及方法。

背景技术：

随着国家海洋战略的实施，水液压系统在深海远洋中工作的越来越广泛，对水液压马达转速的控制精度的要求越来越高。但由于水的低粘度、润滑性能差和气化压力高等特殊性质，水液压马达更容易发生、气蚀冲击、水锤噪声等使得水液压马达的转速相比油压马达更易产生波动，对转速的控制也更难。水液压马达调速方式分为节流调速、变排量和变转速三种方式。节流调速方式是依靠在水液压马达的进水管路中调节节流阀的开口面积大小来实现对输出流量的控制进而控制转速；变排量方式是通过调节变量泵的排量来实现对输出流量的控制进而控制转速；变转速调速系统中动力源为伺服电动机和定量泵，泵的输出流量靠改变电机的转速来实现。变转速调速系统相比节流调速系统，没有节流损失，液压系统的效率高；相比变排量液压容积调速系统，少了变排量机构，且变频电机能根据负载需要改变转速，变频电机的效率比较高。在水液压调速系统中，水液压泵和水液压马达在不断的吸、排水动作时以及水本身具有可压缩性等原因，致使水液压调速系统中产生压力、流量产生脉动，进而水液压马达输出轴的转速也会产生较大的波动。传统的pid控制属于线性控制，难以适应对水液压系统多变量、非线性的控制环境。为了提高控制精度，在闭环控制过程中往往采用水液压马达的实际转速或者液压系统的流量作为反馈信息进行调节，转速、压力、流量等反馈信息的精准测量是提高控制精度的关键。但是在信号检测、传递过程中，所测信号往包含多种高频干扰成分。若将混有干扰成分的信号作为反馈用于控制，则对水液压调速系统的控制性能产生影响。工程中大多使用滤波器对控制信号做滤波处理，但在滤除干扰成分的同时，也将部分有用成分丢失，不利于水液压调速系统的实时控制。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种水液压马达转速控制系统及方法，利用模糊控制克服传统控制方式控制精度不高无法适应水液压系统多变量、非线性的缺陷；但是对于水液压马达转速波动较大的情况，模糊控制响应速度较慢，原因是水液压马达转速波动较大时往往伴随水液压泵和水液压马达容积效率的改变，使得水液压马达的实际转速调整到目标转速的过程变长。为了弥补模糊控制响应慢的不足，利用目标转速前馈，系统总容积效率反馈的方式对水液压马达转速波动进行提前补偿；为了克服伺服控制器控制伺服电机转速本身所具有的非线性问题，对伺服电机理论转速与实际转速的差值进行反馈，在伺服电机转速的控制上构成了一个局部小闭环，提高伺服电机转速控制的精准度；为消除检测流量信号中的干扰信号，基于多分辨率分析理论对流量信号中的干扰成份进行剥离，然后对信号进行重构。为消除转速测量过程中的量化误差，对转速信号进行小波变换减少或消除转速信息中的量化误差。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种水液压马达转速控制系统，由动力源、水液压系统、检测系统、控制系统和数据传输系统组成。所述的动力源由伺服控制器和伺服电机组成；伺服控制器控制伺服电机。所述的水液压系统包括水液压泵、水液压马达和先导式电磁溢流阀；水液压泵由伺服电机驱动。水液压泵的输入端经过滤器接水箱，输出端依次经单向阀和先导式电磁溢流阀后接水箱；单向阀的输出端接电磁换向阀的进水口；水液压马达的两个工作口与电磁换向阀的两个工作阀口分别连通；电磁换向阀的回水口经散热器后接水箱。水液压马达的输出轴与联轴器的一端固定，联轴器上固定有脉动吸收盘。所述的检测系统包括第一转速传感器、第二转速传感器、第一流量传感器、压力传感器、第二流量传感器和温度传感器。第一转速传感器测量伺服电机的实际转速；第二转速传感器布置在联轴器一侧，对水液压马达实际转速进行非接触测量；第一流量传感器串接在电磁换向阀与散热器之间，测量水液压马达的输出流量；单向阀输出口与电磁换向阀的进水口之间设有压力传感器、第二流量传感器和温度传感器，压力传感器测量水液压泵的出水压力，第二流量传感器测量水液压泵的输出流量，温度传感器测量水液压泵的出水水温。

所述的控制系统由信号处理模块、转速控制模块和人机操作界面组成。

所述的人机操作界面包含目标转速设置窗口、开始按钮、停止按钮和显示窗口。目标转速设置窗口设定水液压马达的目标转速ns，0rpm≤ns≤500rpm，未设置时水液压马达的目标转速值为0。开始按钮用于将目标转速ns传给转速控制模块；停止按钮将ns＝0传给转速控制模块；显示窗口显示信号处理模块传递过来的水液压马达的实际转速、伺服电机实际转速、水液压泵容积效率、水液压马达容积效率、水液压泵的出水压力和水液压泵的出水水温。

所述的信号处理模块接收数据传输系统传来的各种信号，根据转速信号得到水液压马达实际转速、伺服电机实际转速、水液压马达实际转速与目标转速的差值以及差值的变化率，根据流量信号得到水液压泵的理论流量、水液压泵容积效率、水液压马达容积效率和系统总容积效率，并将水液压马达实际转速、水液压泵的出水水温、水液压泵的出水压力、水液压泵容积效率和水液压马达容积效率传递给人机操作界面，将伺服电机的实际转速、系统总容积效率、转速与转速的差值以及差值的变化率传递给转速控制模块，转速控制模块生成总控制量。

所述的数据传输系统包括a/d转换器和d/a转换器。a/d转换器将检测系统中各传感器所测模拟信号转变为数字信号，然后将数字信号传递到控制系统的信号处理模块；控制系统的转速控制模块将总控制量的数字信号传递给d/a转换器，d/a转换器将数字信号转变为模拟信号传递给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机转速，间接控制水液压马达转速。

优选地，所述的水液压系统还包括空气滤清器和液位计，空气滤清器固定在水箱的上盖通气孔上；液位计显示水箱的水位。

优选地，所述的水液压泵为高压海水定量柱塞泵。

优选地，所述的第一转速传感器为光电编码器。

优选地，所述的联轴器上固定测速齿轮，第二转速传感器测量测速齿轮转速，从而测得水液压马达实际转速。

该水液压马达转速控制系统的控制方法，具体如下：

伺服电机启动前，首先调节先导式电磁溢流阀来限定水液压泵的最高出水压力，并调节电磁换向阀来设置水液压马达的转向；再通过计算机的人机操作界面设定水液压马达的目标转速ns.，点击开始按钮，目标转速ns被传递到转速控制模块生成控制量u0，此时由于水液压马达实际转速nc、系统总容积效率和伺服电机实际转速nd均为0，u1＝u2＝u3＝0，则总控制量初始值un0＝u0+u1+u2+u3＝u0；伺服控制器根据总控制量un驱动伺服电机运转，水液压泵开始工作，水箱中的水依次经过过滤器、水液压泵、单向阀、温度传感器、第二流量传感器、压力传感器、电磁换向阀、水液压马达、第一流量传感器和散热器流回水箱，水液压泵启动；检测系统的各个传感器将检测到的信号经a/d转换器模数转换后传递给计算机的信号处理模块，信号处理模块对信号进行处理，将处理后得到的水液压马达的实际转速nc、水液压泵的出水水温t、水液压泵的出水压力p1以及水液压泵容积效率ηv1和水液压马达容积效率ηv2传递给人机操作界面进行显示，将伺服电机的实际转速nd、系统总容积效率ηv、转速nc与转速ns的差值e以及差值的变化率ec传递给转速控制模块；转速控制模块将水液压马达的目标转速ns通过线性比例关系转换成控制量u0，将水液压马达实际转速nc与目标转速ns的差值e以及差值的变化率ec作为模糊控制的输入量进行模糊化、模糊推理和解模糊，输出控制量u1，将系统总容积效率ηv通过反比例函数转换成控制量u2；信号处理模块计算伺服电机的理论转速nn与伺服电机实际转速nd的差值c，将差值c通过线性比例关系转换成控制量u3；然后通过迭代式un＝u0+u1+u2+u3计算当前总控制量un；最后将总控制量un经d/a转换器转换为模拟信号后传递给伺服控制器，伺服控制器生成对应电压值控制伺服电机转速，直至水液压马达实际转速与ns.差值小于5rpm，之后水液压马达保持恒速运转。

若水液压马达运转过程中水液压马达转速出现波动，转速控制模块自动重新生成总控制量进行调节。

若运行过程中水液压马达要改变转速，直接在人机操作界面改变目标转速ns.的值，再次点击开始按钮，转速控制模块自动对水液压马达的转速进行调节。

水液压马达需要停止工作时，通过人机操作界面点击停止按钮，信号处理模块根据水液压马达的当前目标转速ns.值，自动生成一个目标转速随时间逐渐衰减至0的函数，下一时刻的函数值即为目标转速，转速控制模块根据目标转速ns通过线性比例关系转换成控制量u0，同时将u1，u2，u3置0，然后输出总控制量un＝u0。

优选地，所述的信号处理模块对转速信号进行小波变换减少或消除转速信息中的量化误差得到水液压马达实际转速nc以及伺服电机实际转速nd；信号处理模块基于多分辨率分析理论对流量信号中的干扰成份进行剥离，然后对信号进行重构，对重构后的流量信号进一步计算如下：根据nd计算水液压泵的理论流量qt＝nd*v*dt，其中v为水液压泵的理论排量，dt为第二流量传感器采样时间间隔，然后计算水液压泵容积效率ηv1＝q2/qt，水液压马达容积效率ηv2＝q1/q2，系统总容积效率ηv＝q1/qt。

优选地，将水液压马达实际转速nc与目标转速ns的差值e以及差值的变化率ec作为模糊控制的输入量进行模糊化、模糊推理和解模糊，输出控制量u1，这整个过程中，模糊推理采用mamdani模糊推理法，解模糊采用重心法。

本发明的有益效果在于：

采用目标转速前馈、系统总容积效率反馈及模糊控制的复合控制方法使得转速控制系统控制的精度高、响应速度快。对检测信号进行预处理剥离信号中的干扰成分，转速控制系统抗扰动能力强、鲁棒性好；在水液压马达联轴器上集成有脉动吸收盘，降低压力、流量脉动，使水液压马达转速输出平滑。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的系统原理图；

图3为本发明的控制原理图；

图4为本发明中模糊控制的原理图；

图中：1.水箱，2.d/a转换器，3.伺服控制器，4.计算机，5.伺服电机，6.第一转速传感器，7.单向阀，8.水液压泵，9.过滤器，10.散热器，11.第一流量传感器，12.空气滤清器，13.液位计，14.负载，15.脉动吸收盘，16.联轴器，17.第二转速传感器，18.水液压马达，19.电磁换向阀，20.压力传感器，21.先导式电磁溢流阀，22.a/d转换器，23.第二流量传感器，24.温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种水液压马达转速控制系统，由动力源a、水液压系统b、检测系统c、控制系统d和数据传输系统e组成。动力源由伺服控制器3和伺服电机5组成；伺服控制器控制伺服电机。

如图1和2所示，水液压系统包括水液压泵8、水液压马达18和先导式电磁溢流阀21；水液压泵8由伺服电机5驱动。水液压泵8的输入端经过滤器9接水箱1，输出端依次经单向阀7和先导式电磁溢流阀21后接水箱1；先导式电磁溢流阀21用于限定水液压系统工作的最高压力；单向阀7的输出端接电磁换向阀19的进水口；水液压马达18的两个工作口与电磁换向阀19的两个工作阀口分别连通；电磁换向阀19的回水口经散热器10后接水箱；电磁换向阀19用于改变水液压马达的转向。进一步的，水液压系统还包括空气滤清器12和液位计13，空气滤清器12固定在水箱的上盖通气孔上，用于防止颗粒污染物侵入水箱1；液位计13显示水箱1的水位；水液压马达的输出轴与联轴器16的一端固定，联轴器上固定有脉动吸收盘15，脉动吸收盘15在水液压马达有压力、流量脉动时吸收部分脉动，使水液压马达转速更加稳定。优选地，水液压泵为高压海水定量柱塞泵。水液压系统实际工作时，联轴器16另一端与负载14固定。

检测系统包括第一转速传感器6、第二转速传感器17、第一流量传感器11、压力传感器20、第二流量传感器23和温度传感器24。第一转速传感器为光电编码器，用于测量伺服电机的实际转速nd；第二转速传感器布置在联轴器一侧，通过在联轴器上固定测速齿轮实现水液压马达实际转速的非接触测量，避免负载扰动带来的测量干扰，测量精度高；第一流量传感器11串接在电磁换向阀19与散热器10之间，测量水液压马达的输出流量q1；单向阀7输出口与电磁换向阀19的进水口之间设有压力传感器20、第二流量传感器23和温度传感器24，压力传感器20测量水液压泵的出水压力p1，第二流量传感器23测量水液压泵8的输出流量q2，温度传感器24测量水液压泵8的出水水温t。

控制系统由基于matlab编写程序的信号处理模块d1、基于labview编写程序的转速控制模块d2和人机操作界面d3组成。控制系统的应用平台为计算机4。

人机操作界面包含目标转速设置窗口、开始按钮、停止按钮和显示窗口。目标转速设置窗口用于设定水液压马达的目标转速ns(0rpm≤ns≤500rpm)，未设置时其值为0。在ns设置完毕后点击开始按钮，将目标转速ns传给转速控制模块，水液压马达开始工作；需要水液压马达停止工作时，点击停止按钮；显示窗口实时显示信号处理模块传递过来的水液压马达的实际转速nc、伺服电机实际转速nd、水液压泵容积效率ηv1、水液压马达容积效率ηv2、水液压泵的出水压力p1和水液压泵的出水水温t。

信号处理模块接收数据传输系统传来的各种信号，对转速信号进行小波变换减少或消除转速信息中的量化误差得到水液压马达实际转速nc以及伺服电机实际转速nd，并计算得到水液压马达实际转速nc与目标转速ns的差值e以及差值的变化率ec；同时，信号处理模块基于多分辨率分析理论对流量信号中的干扰成份进行剥离，然后对信号进行重构，对重构后的流量信号进一步计算如下：根据nd计算水液压泵的理论流量qt＝nd*v*dt，其中v为水液压泵的理论排量，dt为第二流量传感器采样时间间隔；计算水液压泵容积效率ηv1＝q2/qt，水液压马达容积效率ηv2＝q1/q2，系统总容积效率ηv＝q1/qt。最后，信号处理模块将水液压马达实际转速nc、水液压泵的出水水温t、水液压泵的出水压力p1、水液压泵容积效率ηv1和水液压马达容积效率ηv2传递给人机操作界面，将伺服电机的实际转速nd、系统总容积效率ηv、转速nc与转速ns的差值e以及差值的变化率ec传递给转速控制模块。

转速控制模块将水液压马达的目标转速ns通过线性比例关系转换成控制量u0，0≤u0<15v，控制量u1、u2和u3的初始值取为0，根据转速控制模块的总控制量un＝u0+u1+u2+u3计算总控制量初始值un0；然后将总控制量初始值un0通过线性比例关系计算得到伺服电机的理论转速初始值nn0；当水液压马达实际转速nc、系统总容积效率或伺服电机实际转速nd的值有一个不为0时，将水液压马达实际转速nc与目标转速ns的差值e以及差值的变化率ec作为模糊控制的输入量进行模糊化、模糊推理和解模糊，输出控制量u1，-2v≤u1≤2v；将系统总容积效率通过反比例函数转换成控制量u2，0≤u2≤2v；计算伺服电机的理论转速nn与伺服电机实际转速nd的差值c，将差值c通过线性比例关系转换成控制量u3，-1v≤u3≤1v；然后通过迭代式un＝u0+u1+u2+u3计算当前总控制量un。

数据传输系统包括a/d转换器22和d/a转换器2。a/d转换器将检测系统中各传感器所测模拟信号转变为数字信号，然后将数字信号传递到控制系统的信号处理模块；控制系统的转速控制模块将总控制量un的数字信号传递给d/a转换器，d/a转换器将数字信号转变为模拟信号传递给伺服控制器，伺服控制器生成对应电压值控制伺服电机转速，间接控制水液压马达转速。

该水液压马达转速控制系统的控制方法，具体如下：

如图3所示，伺服电机启动前，首先调节先导式电磁溢流阀21限定水液压泵的最高出水压力，并调节电磁换向阀19来设置水液压马达18的转向；再通过计算机4的人机操作界面设定水液压马达18的目标转速ns.，点击开始按钮，目标转速ns被传递到转速控制模块生成控制量u0，此时由于水液压马达实际转速nc、系统总容积效率和伺服电机实际转速nd均为0，u1＝u2＝u3＝0，则总控制量初始值un0＝u0+u1+u2+u3＝u0；伺服控制器3根据总控制量un驱动伺服电机运转，水液压泵8开始工作，水箱1中的水依次经过过滤器9、水液压泵8、单向阀7、温度传感器24、第二流量传感器、压力传感器20、电磁换向阀19、水液压马达18、第一流量传感器11和散热器10流回水箱1，水液压泵8启动；检测系统的各个传感器将检测到的信号经a/d转换器模数转换后传递给计算机4的信号处理模块，信号处理模块对信号进行处理，将处理后得到的水液压马达18的实际转速nc、水液压泵的出水水温t、水液压泵的出水压力p1以及水液压泵容积效率ηv1和水液压马达容积效率ηv2传递给人机操作界面进行显示，将伺服电机的实际转速nd、系统总容积效率ηv、转速nc与转速ns的差值e以及差值的变化率ec传递给转速控制模块；转速控制模块将水液压马达的目标转速ns通过线性比例关系转换成控制量u0，将水液压马达实际转速nc与目标转速ns的差值e以及差值的变化率ec作为模糊控制的输入量进行模糊化、模糊推理和解模糊，输出控制量u1，将系统总容积效率ηv通过反比例函数转换成控制量u2；信号处理模块计算伺服电机的理论转速nn与伺服电机实际转速nd的差值c，将差值c通过线性比例关系转换成控制量u3；然后通过迭代式un＝u0+u1+u2+u3计算当前总控制量un；最后将总控制量un经d/a转换器转换为模拟信号后传递给伺服控制器3，伺服控制器3生成对应电压值控制伺服电机转速，直至水液压马达实际转速与ns.差值小于5rpm，之后水液压马达保持恒速运转。

水液压马达运转过程中，当负载出现扰动或水液压系统总容积效率下降等原理致使水液压马达18转速出现波动时，转速控制模块自动重新生成总控制量进行调节，保证水液压马达18的稳定运行。

若运行过程中水液压马达要改变转速，直接在人机操作界面改变目标转速ns.的值，再次点击开始按钮，转速控制模块自动对水液压马达18的转速进行调节。

水液压马达需要停止工作时，通过人机操作界面点击停止按钮，信号处理模块根据水液压马达的当前目标转速ns.值，自动生成一个目标转速随时间逐渐衰减至0的函数，下一时刻的函数值即为目标转速，转速控制模块根据目标转速ns通过线性比例关系转换成控制量u0，同时将u1，u2，u3置0，然后输出总控制量un＝u0，从而避免因急停对水液压系统产生冲击。

进一步，将水液压马达实际转速nc与目标转速ns的差值e以及差值的变化率ec作为模糊控制的输入量进行模糊化、模糊推理和解模糊，输出控制量u1，这整个过程如图4所示，其中，模糊推理采用mamdani模糊推理法，解模糊采用重心法；模糊化过程如下：本实施例中水液压马达18的最大转速为500rpm，则水液压马达18目标转速ns与水液压马达实际转速nc之间的差值e∈[-500,500]，对应模糊子集分为负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大8个等级，语言值为(nb,nm,ns,no,pops,pm,pb)，隶属度函数取三角型；本实施例中水液压马达18目标转速ns与水液压马达实际转速nc之间的差值变化率ec∈[-5,5]，对应模糊子集分为负大、负小、负零、正零、正小、正大6个等级，语言值为(nb,ns,no,pops,pb)，隶属度函数取三角型；本实施例中输出控制量u1∈(-2,2)，对应模糊子集分为负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大8个等级，语言值为(nb,nm,ns,no,pops,pm,pb)，隶属度函数取高斯型；模糊控制规则建立如表1所示。

表1