s的复杂变化，可能增大也可能减小。
[0045] 4)稳态模式（模式4)
[0046] 该模式下，第一高速开关阀6、第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7都不工 作，离合器15断开，双向定量泵/马达16不工作。此时仅液压飞轮蓄能器12本身在阻力 的作用下旋转，系统处于稳态模式（《 min彡ω彡ω _且？1彡？3彡？2)，如图5所示。该模 式下，液压飞轮蓄能器系统3不与液压系统1相连，仅在阻力的作用下维持自身的稳态，因 此转速ω会不断减小，气体长度I g不变，另外其压力公式与模式2相同，此模式下，蓄能器 出口压力Ps不断增大。
[0047] 5)自循环模式（模式5)
[0048] 该模式下，第一高速开关阀6不工作，第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7 工作，离合器15接通，双向定量泵/马达16作为马达工作。液压飞轮蓄能器12液体端的 油液经高速阀7和高速阀18进入双向定量泵/马达16,使马达的输出转矩经离合器15后 驱动液压飞轮蓄能器12旋转，液压飞轮蓄能器系统自身的液压能转化为动能，以维持液压 飞轮蓄能器12的最低转速，此时系统处于自循环模式，如图6所示。此模式下的系统状态 变化与模式4的系统状态变化相反。
[0049] 以上所述的五种模式是本实用新型的液压飞轮蓄能器系统的所有模式，其各自对 系统状态的影响不同，为了更直观地说明不同模式对系统状态的影响，下表列出了单时间 步长（具体数值视具体液压系统的需求而定）后执行各模式可能引起的系统状态的变化。
[0050] 表1单时间步长后执行各模式引起的系统状态的变化
[0051]
[0052] 注：上升箭头"丨"表示执行该模式后值增大，下降箭头"丨"表示表示执行该模式 后值减小，水平线" 一一"表示执行该模式后值不变
[0053] 通过上述可知，本实用新型提供的定量泵式液压飞轮蓄能器系统，结构看似简单， 但工作过程十分复杂，因此，为了很好地控制该系统，使其在保证转速稳态和压力稳态的条 件下，实现充能和放能功率的最大化，即储能速率最大。本实用新型为该系统设计了基于储 能速率最大的控制方法。
[0054] 本实用新型提出的系统的控制方法如下：
[0055] 本实用新型是根据液压飞轮蓄能器系统中液压能和动能两种能量的相互作用关 系，通过控制离合器的通断及三个高速开关阀的工作与否，即工作模式的选择，来实现对整 个系统工作状态的控制，使液压飞轮蓄能器系统在保证转速范围和压力范围的条件下，充 能和放能的速率最优。
[0056] 由于转速范围是系统正常工作的先决条件，而压力范围是为了使系统维持最佳工 作状态，因此本实用新型采用转速优先、压力次之、速率最大的顺序控制原则进行控制（压 力指蓄能器出口压力，此处以单时间步长后的充放能功率来度量各模式的充放能速率，充 放能功率越大，充能速率越大）。依据上一时刻的系统状态值（转速和压力），分别用可行 的模式预测出系统下一时刻的系统状态值，比较单步长后各可行模式引起的系统状态的变 化，进而选择功率较大的模式。当可行模式不能使转速或压力进入稳态时，用"与稳态的偏 离程度"（当转速或压力低于其稳态下限时，"与稳态的偏离程度"为下一时刻的转速或压力 与其下限值的差值的绝对值，即I ω - UminI或IPs-P1I ;当转速或压力高于其稳态上限时同 理）来比较各可行模式的预测结果，作为模式选择的依据。当下一时刻的转速和液压能同 时进入稳态时，则比较可行模式的充放能功率，选择功率较大的模式。当下一时刻的转速和 压力不能同时满足要求时，应优先考虑转速稳态的维持，比较各模式可能引起的转速变化， 选择使转速进入稳态的模式；若各可行模式都不能使转速进入稳态，则选择使转速偏离稳 态较小的，若偏离稳态程度相同，再比较压力，选择能使压力进入稳态的模式，若各可行模 式也都不能使压力进入稳态，再比较压力与稳态的偏离程度，选择偏离程度较小的模式，若 压力的偏离程度相同，再比较功率，选择功率较大的模式。
[0057] 下面根据上述控制方法详述本实用新型的系统的控制过程。
[0058] 本实用新型的总体控制流程如图7所示。液压系统总控制器2对液压系统1此时 刻的需求（充能、放能、能量维持）进行判断，在液压系统这三种需求的任意一种下，系统将 分别进入其对应的模式选择模块：能量维持时的模式选择31，充能时的模式选择32,放能 时的模式选择33。由于充能与放能是互逆过程，原理完全类似，这里仅以充能时的模式选择 和能量维持时的模式选择为例，来说明系统的具体控制过程。
[0059] 1.能量维持时的模式选择31
[0060] 如图8所示，首先判断该时刻的系统状态，若转速处于稳态（QniinS ω彡ω _)， 则判断压力是否过大，压力过大（PS>P2)，需要降压，选择模式5,压力不过大（P sSP2)，选择 模式4;若转速过大（ω彡ω_)，需要降速，选择模式4;若转速过小（ω〈ω_)，再比较压 力，若压力不过小（P s> P D，需要使转速增大，选择模式5,若压力过小（PS〈P)，则此时系统 能量全部耗散完，在没有新的能量充入之前，系统将不能继续维持稳态。
[0061] 2.充能时的模式选择32
[0062] 如图9所示，先判断该时刻的系统状态，按照转速优先的控制策略，先判断是否满 足转速稳态（U min彡ω彡ω _)。若转速不满足，进一步判断转速是否过大（ω>ω_); 转速不过大时，应选择对应状态下使转速增大的模式，即执行44。转速过大时，此时液 压飞轮蓄能器系统2已充满，进入下一循环。若满足转速稳态再判断是否满足压力稳态 (P 1^ PP2)，若满足，此时选择充能功率最大的模式，即执行43 ;若不满足，再判断压力是 否过大（PS>P2)，是则选择对应状态下使压力减小的模式，执行42,若压力不过大（P^P 1)JJ 选择对应状态下使压力增大的模式，执行41。下面对充能时的四个控制子模块41、42、43、 44分别详述其控制过程。
[0063] 1)选择对应状态下使压力增大的模式41
[0064] 如图10所示，此状态下该时刻满足转速稳态但压力过小（《min< ω < ω _且 Ps〈Pi)，此时应选择使压力增大的模式，可选择模式1或模式3。由于执行模式3可能使压 力增大，也可能使压力减小。首先用模式3预测下一时刻的压力情况，若压力减小，则模式3 不可行，直接选择模式1 ;若模式3使压力增大，则进一步比较模式1和模式3,选择最优模 式。表2是用模式1和模式3分别预测下一时刻可能的系统状态变化及相应的模式选择表， 由两种模式的预测结果对比决定最终的模式选择，例如当模式3仅使转速进入稳态而模式 1使转速和压力都进入稳态时，由转速优先、压力次之的控制原则，此时应选择模式1。表2 对应的详细控制过程见图10。
[0065] 表2模式1和模式3的预测结果对比及相应的模式选择 [0066]
[0067] 2)选择对应状态下使压力减小的模式42
[0068] 如图11所示，此状态下该时刻满足转速稳态但压力过大（QniinS ω < ω _且 PS>P2)，此时应选择使压力减小的模式，可选择模式2或模式3。由于执行模式3可能使压 力增大，也可能使压力减小。首先用模式3预测下一时刻的压力情况，若压力增大，则模式3 不可行，直接选择模式2 ;若模式3使压力减小，则进一步比较模式2和模式3,选择最优模 式。表3是用模式2和模式3分别预测下一时刻可能的系统状态变化及相应的模式选择表， 由两种模式的预测结果对比决定最终的模式选择，例如当模式3仅使转速进入稳态而模式 2使转速和压力都进入稳态时，由转速优先、压力次之原则，此时应选择模式2。表3对应的 详细选择过程见图12。
[0069] 表3模式2和模式3的预测结果对比及相应的模式选择
[0072] 3)选择对应状态下使功率最大的模式43
[0073] 如图12所示，此状态下该时刻的转速和压力都满足要求（QminS ω < ω _且 P1S PsS P2)，三种充能模式都是可行的，此时应比较三种模式的充能功率，选择功率最大 的模式。
[0074] 4)选择对应状态下使转速增大的模式44
[0075] 如图13所示，此状态下该时刻转速过小（ω彡Omin)，要增大转速，可选择模式2 或模式3,直接比较模式2和模式3,选择能使转速增大的模式，比较方法同表3,具体过程 如图13。
【主权项】
1. 一种定量泵式液压飞轮蓄能器系统，其特征在于：包括液压飞轮蓄能器（12)、双向 定量泵/马达（16)、离合器（15)、高速旋转接头（11)、三个高速开关阀、溢流阀（8)、油箱 (9)、控制器以及传感器；所述的传感器包括两个压力传感器、流量传感器（5)以及转速传 感器（13)，分别用来测液压系统（1)和蓄能器出口的压力信号、液压系统流量信号及蓄能 器转速信号；所述双向定量泵/马达（16)的轴端、离合器（15)及液压飞轮蓄能器（12)依 次机械连接；所述双向定量泵/马达（16)的高压油口与三个高速开关阀及高速旋转接头 (11)依次液压连接，构成液压飞轮蓄能器系统（3)的液压回路；所述的液压飞轮蓄能器系 统控制器（17)接收来自液压系统及各个传感器的信号并发出控制信号，控制离合器（15) 的通断以及三个高速开关阀的工作与否。
【专利摘要】本实用新型公开了一种定量泵式液压飞轮蓄能器系统，该系统将飞轮和液压蓄能器的功能合为一体，构成一个新的复合能量存储单元，即液压飞轮蓄能器。其构成的液压飞轮蓄能器系统包括液压飞轮蓄能器、双向定量泵/马达、高速开关阀、溢流阀、油箱、传感器以及控制器。适用于任何需要进行能量存储的液压系统。针对该能量存储系统存在的多种工作模式，本实用新型提出了一种使其充能和放能速率最优的控制方法。该方法是在保证系统转速范围和压力范围的条件下，通过控制离合器的通断以及三个高速开关阀的工作与否，选择使系统充能或放能功率最大的模式，来实现系统高效的充放能特性，满足系统的瞬时大功率需求。
【IPC分类】F15B1/04, F15B1/027
【公开号】CN204692204
【申请号】CN201520216199
【发明人】汪长虹, 张宇, 张云辉, 王继新, 韩云武
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月12日