用于轴向活塞开路泵的可变负载检测弹簧设置的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年3月3日递交的美国临时申请第61/947, 038号的权益。
技术领域
[0003] 本发明涉及液压负载检测系统，并且更具体地，涉及用于非线性应用的液压负载 检测系统。
【背景技术】
[0004] 负载检测系统广泛地用于整个动力液压工业。这种系统的流行的主要原因之一是 控制的简单性。通过正确地使用负载检测和压力控制，负载检测系统本质上典型地是被动 式的，其看起来容易解析。在解析得出的方案和实际应用之间的差异在于选择合理的参数， 例如间隙、阀轴面积轮廓等。这些参数中的一些规定泵的整体稳定性，并且在大多数情况下 它们通过几种反复试验法计算出。
[0005] 例如在挖掘机中看到的完全的液压负载检测系统本质上是复杂的模型。诸如引 擎、液压泵、阀的部件、非特定负载动力学以及非特定操作者行为可以在复杂的负载检测系 统中以多种方式造成不稳定。许多人已经以不同的方式面对这种情形。大多数人忽视了一 些实际因素，例如负载检测控制轴面积的作用等。对于通常的负载检测系统，如果引擎速度 被设定为恒定，输入至阀的操作者输入仅是输入至系统的外部输入或作用，其驱使整个系 统的稳定性。负载的变化可以看作外部扰动。即使可以用公式表示对于整个系统一个输入 的控制算法，但是将非常难以获得解析方案，因为所涉及的非线性动力学是复杂的。线性化 的模型对于预测负载情形是足够好的，但是基于线性化的模型得出的控制作为在非特定负 载条件下的非线性控制不是有效的。因此，本领域中需要一种解决这些缺陷的方式。
[0006] 因此，本发明的目的在于证明基于非线性化模型的液压负载检测控制。
[0007] 本发明的另一目的在于提供一种通过操作者命令和负载检测阀轴有效开口面积 激励的液压负载控制。
[0008] 这些或其他目的基于下面的说明书、附图以及权利要求对于本领域的普通技术人 员将是清楚的。
【发明内容】
[0009] 用于非线性应用的液压负载检测系统具有与操作者命令相关的第一子系统、与负 载检测轴有效开口面积相关的第二负载系统以及与负载检测轴位移相关的第三子系统。用 以稳定第一子系统的第一控制输入和用以稳定第二子系统的第二控制输入通过将反推控 制应用于第一和第二子系统通过计算机来确定。
[0010] 使用第一和第二控制以及第三子系统，通过计算机计算可行的负载检测面积。随 后，计算机使用可行的负载检测面积以控制液压泵。
【附图说明】
[0011] 图1是负载检测泵的侧面剖视图；
[0012] 图2是负载检测系统的不意图；
[0013] 图3是示出负载检测阀轴可变面积槽的图；
[0014] 图4是对比泵源和负载压力的曲线；
[0015] 图5是泵保护的相位图的曲线图；
[0016]图6是负载振荡条件下系统压力的曲线图；
[0017]图7是示出计算的负载检测阀轴面积的曲线图；
[0018] 图8是示出操作者命令/阀的节流孔面积的曲线图；
[0019] 图9是示出来自源的负载流的曲线图；
[0020] 图10是示出可变极限压力的曲线图；和
[0021] 图11是示出气缸位置的曲线图。
【具体实施方式】
[0022] 参考图1，图中示出的是负载检测泵10的剖视图。泵10内包含伺服活塞12,该伺 服活塞12可滑动地容纳在伺服活塞导向器14内。导向器14接合操作地连接至转子轴18 的旋转斜盘16。与伺服活塞12相对并且另外与旋转斜盘16接合的是具有偏压弹簧22的 偏压活塞20。
[0023] 图2示出液压负载检测系统10的示意图。电动机24连接至泵10。泵10传送至 控制阀28并将来自罐26的流体加压至系统压力。作为示例，阀28是通过操作者输入控制 的可变面积节流孔。设置补偿回路30,其包括压力限制补偿阀32和负载检测补偿阀34。系 统还包括扭矩控制阀36,例如伺服活塞，其调节旋转斜盘16的位移。个人计算机38连接至 所述系统。替换地，可以使用负载检测控制。
[0024] 通过下来的微分方程描述液压系统的非线性模型。通过下式给出负载检测阀轴动 力学：
[0025]
(1)
[0026] 其中，等于每单位面积的负载检测弹簧力，也被称为极限（margin)压力。压 力控制阀轴动力学通过下式给出：
[0027]
(2)
[0028] 其中&^是设定为单位面积的力的压力控制弹簧设定，在本文后面将对它进行设 计。旋转斜盘kit动力学由方程（3)给出。
[0029]
[0030] Tmswash是泵活塞移动产生的旋转斜盘或摇晃力矩。我们使用制成表格的测试数据 将该动力学解释成模拟结果。伺服进入和出去的伺服流量被限定为方程（8):
[0031]
(4)
[0032] 图3示出可变面积槽的曲线。对于正的xls，伺服流量被限定为从源至伺服的流量。 另一方面，对于负的x ls，该流量被限定为至罐的伺服。矩形面积的总的水平长度限定为L1sA， 垂直长度限定为h。最大开口面积为^^^并且对于给定的负载检测阀轴位移，对于从源至 伺服的流量来说该面积限定为xlsh，对于从伺服至罐的流量来说是(亨-~；)、这允许能够 通过李雅普诺夫（Lyapunov)稳定性分析计算可行的负载检测阀轴面积，使得将有助于根 据需要计算阻流且增益节流孔的尺寸。这是使用负载检测阀轴面积作为外部输入的动机。 现在通过下面微分方程将伺服压力限定为：
[0036] 要注意的是，对于非零的旋转斜盘角a，伺服和偏压活塞滑动跨过旋转斜盘，以及 因此从旋转斜盘组件中心至伺服和偏压活塞接触点的有效长度被描述为：
[0037] xsv= -1svtana (7)
[0038] xbs= 1bstana
[0039] 源流量Qs、从源至负载的流量Qstld以及从致动器至罐的流量Qldtt分别限定为：
[0041] 之后，负载压力被限定为：
[0042]
(9)
[0043] 液压致动器负载动力学被限定为
[0044]
(10)
[0045] 因为气缸比例为7 : 10并且致动器的杆端部直接连接至罐，其保持罐压力Pt。
[0046]
(11)
[0047] 现在，将这些状态限定为：
[0048]
(12)
[0049] 将方程（1)至（11)重新整理并说明所述状态变量，可以改写为下面的方程：
[0050]
[0052]
[0065] 这是基于没有任何一般意义上的损失的情况下体积Vps，V ld是相等的设定。
[0066] 通过这些方程限定子系统。作为示例，第一子系统包括方程（21)、（22)以及（23)， 第二子系统包括方程（15)、（16)以及（17)，第三子系统包括方程（13)、（14)、（19)以及 (20)。第一和第二系统由操作者命令和负载检测阀轴有效地开口来激励或致动。第三子系 统包括压力控制和负载检测阀轴并且是被动式的系统。
[0067] 为了确定将使第一子系统稳定的操作者输入，应用反推控制。
[0068] 在控制理论中，反推被用于设计非线性系统的特殊的回归类的稳定化控制。从方 程（22)开始，可以计算出合适的x n，使得方程（22)将被稳定化。现在，方程（22)可以改 写为
[0069]
(26)
[0070] 0n(t)已知为想要的用于子系统（13)的控制法贝IJ，变量的改变为z n = xn-0n(t)。随后，考虑李雅普诺夫函数备选项\^为
[0071]
(27)
[0072] 对方程（27)进行微分并且当S 39= (x 3-x9)，可以得到
[0073]
[0077] 将想要的控制法则选择为
[0081] 要说明的是，zn是在想要的气缸速度情况下的气缸速度Xll的误差变量；因 此，方程（30)的负定性将保证所述追踪。此外要说明的是，这个过程展开了关于气缸速度 的追踪问题，使得对于任何操作者命令，可以基于导向器的轨道或轨线确定负载速度。这种 行为也将解决失控的负载的气穴问题。
[0082] 然而，此时不能确保如9 = 因此，另一误差变量可以看作为 〇
[0084] 现在，对误差变量z39进行微分，可以使得
[0085]
[0086] 在此阶段，第二李雅普诺夫函数看作成V2
[0087]
(33)
[0088] 对方程（33)进行微分，可以得到
[0089]
[0090] 要注意的是，作为操作者命令的被输入至阀的已提出的输入出现在方程（34)中。 为了简化，将简单的可变面积节流孔看做为该阀。因此，操作者命令设定