本發(fā)明涉及一種電液位置跟蹤控制方法，尤其是涉及一種變排量變壓力調(diào)節(jié)負(fù)載匹配電液位置跟蹤控制方法。

背景技術(shù)：

電液位置伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)舵面控制、機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片俯仰角控制等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電液位置伺服系統(tǒng)使用定量泵+溢流閥供油單元或恒壓變量泵供油單元向負(fù)載提供恒定壓力，而負(fù)載所需的壓力是變化的，供油壓力與負(fù)載壓力不相等導(dǎo)致負(fù)載伺服閥上產(chǎn)生壓降，造成能量損失，整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率低。另一方面，若僅僅降低供油壓力來(lái)節(jié)能，會(huì)使傳統(tǒng)的位置反饋控制響應(yīng)速度變慢，位置控制特性變差。為了在節(jié)能的同時(shí)保持甚至提高位置控制性能，需要更有效的電液位置控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種變排量變壓力調(diào)節(jié)負(fù)載匹配電液位置跟蹤控制方法，減少壓差損失達(dá)到節(jié)能目，同時(shí)提高液壓缸位置跟蹤精度。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種變排量變壓力調(diào)節(jié)負(fù)載匹配電液位置跟蹤控制方法，包括以下步驟：

1)獲取液壓缸速度信號(hào)v_d，計(jì)算伺服閥開度前饋控制量S_v,d：

S_v,d＝v_d×K_s

其中，K_s為控制系數(shù)；

2)根據(jù)所述伺服閥開度前饋控制量S_v,d以及液壓缸位置信號(hào)x_d和負(fù)載需求，使用逆模型法反求泵出口壓力前饋控制量P_p,d和泵變量控制閥前饋控制量q_a,d；

3)獲取泵斜盤傾角泵出口壓力P_p、液壓缸位移x和液壓缸負(fù)載壓力P_L，根據(jù)所述泵出口壓力前饋控制量和泵變量控制閥前饋控制量采用線性反饋方法獲得變量控制閥實(shí)際控制量q_a，采用Backstepping方法獲得伺服閥實(shí)際控制量S_v，實(shí)現(xiàn)液壓缸位置跟蹤控制。

所述控制系數(shù)K_s通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中：

式中，K_q為伺服閥流量系數(shù)，A_c為液壓缸活塞有效面積，β為油液彈性模量，T_c為前饋控制器運(yùn)算周期，V_c0為初始位置時(shí)液壓缸左右兩腔容積，F(xiàn)為負(fù)載力，m為液壓缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，a_dmax、v_dmax、x_dmax分別為液壓缸加速度信號(hào)、速度信號(hào)和位置信號(hào)的最大值。

所述步驟2)中，使用逆模型法求出泵出口壓力前饋控制量P_p,d具體為：

其中：

式中，B為液壓缸速度粘滯系數(shù)，A_c為液壓缸活塞有效面積，F(xiàn)為負(fù)載力，m為液壓缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，P_L,d為液壓缸前饋壓力，β為油液彈性模量，V_c0為初始位置時(shí)液壓缸左右兩腔容積，Q_L,d為液壓缸前饋流量，K_q為伺服閥流量系數(shù)，Sgn為符號(hào)函數(shù)。

所述步驟2)中，使用逆模型法求出泵變量控制閥前饋控制量q_a,d具體為：

當(dāng)q_a,d<0時(shí)，

當(dāng)q_a,d≥0時(shí)，

式中，為變量泵斜盤傾角前饋量，A_a、r_a分別為泵變量缸活塞面積和等效運(yùn)動(dòng)半徑，V_p為泵出口容腔體積，K_qleak為泄漏系數(shù)，k_p表示泵流量系數(shù)。

所述步驟3)中，采用線性反饋方法獲得變量控制閥實(shí)際控制量q_a具體為：

q_a＝q_a,d+q_a,c

式中，為泵斜盤傾角誤差，為變量泵斜盤傾角前饋量，e_p為泵出口壓力誤差，e_p＝p_p,d-p_p，λ_p分別為斜盤傾角和泵出口壓力的反饋系數(shù)。

所述步驟3)中，采用Backstepping方法獲得伺服閥實(shí)際控制量S_v具體為：

其中：

z₃＝y(tǒng)₃-α₂

z₂＝y(tǒng)₂-α₁

α₁＝-K₁z₁

z₁＝y(tǒng)₁

式中，e_p為泵出口壓力誤差，e_p＝p_p,d-p_p，V_p為泵出口容腔體積，y₁為液壓缸位移誤差，y₁＝x_d-x，y₂為液壓缸速度誤差，y₂＝v_d-v，y₃為液壓缸壓力誤差，y₃＝P_L,d-P_L，δ₁、δ₂、δ₃、K₁、K₂、K₃為大于0的反饋控制參數(shù)，δ_p為大于0的壓力反饋控制參數(shù)。

該方法還包括：根據(jù)所述變量控制閥實(shí)際控制量q_a獲得控制閥開度控制信號(hào)S_va：

當(dāng)q_a<0時(shí)

當(dāng)q_a≥0時(shí)

式中，K_qc為變量控制閥的流量系數(shù)，p_a為變量缸的壓力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用液壓缸速度信號(hào)及負(fù)載需求和逆模型法反求系統(tǒng)前饋控制量，并結(jié)合反饋信號(hào)反饋控制量實(shí)現(xiàn)泵出口壓力根據(jù)液壓缸負(fù)載變化，減少壓差損失達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)提高液壓缸位置跟蹤精度，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明使v_d×K_s作為伺服閥開度的前饋控制量S_v,d，可以滿足液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的流量需求。K_s越大，伺服閥開度也越大，在相同流量下伺服閥上的壓降越小，節(jié)能效果越好，但過(guò)大的伺服閥開度前饋控制量S_v,d會(huì)使后續(xù)計(jì)算的液壓缸左腔或右腔前饋壓力出現(xiàn)負(fù)值，即空穴現(xiàn)象，這在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該避免的，因此K_s不能過(guò)大。本發(fā)明設(shè)計(jì)了K_s的計(jì)算公式，既能保證節(jié)能，又能保證不出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。

(2)相比于一般的反饋控制，本發(fā)明根據(jù)位置信號(hào)直接求得前饋控制量，無(wú)需反饋信號(hào)參與運(yùn)算，因此系統(tǒng)響應(yīng)速度比一般反饋控制更快。

(3)本發(fā)明在計(jì)算時(shí)考慮了負(fù)載需求壓力，所求解的泵出口壓力與負(fù)載所需壓力相匹配，可以減少壓差損失。

(4)本發(fā)明采用適應(yīng)性更強(qiáng)的BackStepping方法求解實(shí)際控制量，具有更高的液壓缸位置控制精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的控制算法框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的電液位置控制系統(tǒng)；

圖3為實(shí)施例的液壓缸位置信號(hào)，以及在常規(guī)位置控制和本發(fā)明控制算法作用下液壓缸實(shí)際位置信號(hào)的示意圖；

圖4為實(shí)施例在常規(guī)位置控制和本發(fā)明控制算法作用下位置跟隨誤差示意圖；

圖5為實(shí)施例的液壓缸負(fù)載力示意圖；

圖6為實(shí)施例在常規(guī)位置控制和本發(fā)明控制算法作用下泵出口壓力示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖2所示的電液位置控制系統(tǒng)，包括變量泵1，變量缸2，變量控制閥3，泵出口管道容腔4，伺服閥5，液壓缸6，壓力傳感器7a、7b、7c、7d，液壓缸位移傳感器8，以及變量泵斜盤傾角傳感器9。壓力傳感器7a、7b、7c、7d分別用于測(cè)量泵出口壓力P_p，變量缸壓力p_a，液壓缸左右腔壓力p₁，p₂，其中負(fù)載壓力P_L＝p₁-p₂；液壓缸位移傳感器8用于測(cè)量液壓缸位移x；變量泵斜盤傾角傳感器9用于測(cè)量變量泵斜盤傾角變量控制閥3通過(guò)控制量S_va改變閥口開度，控制流入或流出變量缸2的流量q_a從而改變變量泵1斜盤傾角，使變量泵1輸出的流量發(fā)生變化。變量泵1輸出的油液一方面經(jīng)過(guò)伺服閥5流入液壓缸6，驅(qū)動(dòng)液壓缸6運(yùn)動(dòng)；另一方面由于油液的壓縮在泵出口管道容腔4中建立壓力。對(duì)于常規(guī)的電液位置伺服系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整變量控制閥3的控制量S_va并通過(guò)泵出口壓力P_p反饋控制，即可實(shí)現(xiàn)泵出口壓力P_p保持恒定，而變量泵1輸出的流量隨著負(fù)載流量需求而變化。根據(jù)液壓缸位置信號(hào)x_d結(jié)合位移傳感器8反饋的位置信號(hào)x來(lái)調(diào)整伺服閥5開度控制量S_v，實(shí)現(xiàn)液壓缸位置控制。由于液壓缸所需的壓力是變化的，供油壓力P_p與負(fù)載壓力不相等導(dǎo)致負(fù)載伺服閥5上產(chǎn)生壓降，造成能量損失，整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率低。另一方面，若僅僅降低供油壓力P_p來(lái)節(jié)能，會(huì)使傳統(tǒng)的位置反饋控制響應(yīng)速度變慢，位置控制特性變差。

為了提高系統(tǒng)能量利用率和位置控制精度，本發(fā)明采用前饋控制加反饋控制結(jié)合的方法，使泵出口壓力P_p與負(fù)載所需壓力匹配，減少壓差損失，同時(shí)提高了位置控制精度。由附圖2可以看出，系統(tǒng)有兩個(gè)實(shí)際控制量：變量控制閥3的開度S_va和伺服閥5開度S_v。系統(tǒng)的控制目的在于使泵輸出的壓力P_p與負(fù)載壓力匹配，并使液壓缸的位置x跟隨給定的位置信號(hào)x_d。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，本發(fā)明按如圖1所示步驟來(lái)計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際控制量S_va和S_v：

1)獲取液壓缸速度信號(hào)v_d，計(jì)算伺服閥開度前饋控制量S_v,d：

S_v,d＝v_d×K_s

其中，K_s為控制系數(shù)，控制系數(shù)K_s通過(guò)公式(1)計(jì)算：

其中：

式中，K_q為伺服閥流量系數(shù)，A_c為液壓缸活塞有效面積，β為油液彈性模量，T_c為前饋控制器運(yùn)算周期，V_c0為初始位置時(shí)液壓缸左右兩腔容積，F(xiàn)為負(fù)載力，m為液壓缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，a_dmax、v_dmax、x_dmax分別為液壓缸加速度信號(hào)、速度信號(hào)和位置信號(hào)的最大值。

2)根據(jù)所述伺服閥開度前饋控制量S_v,d以及液壓缸位置信號(hào)x_d和負(fù)載需求，使用逆模型法反求泵出口壓力前饋控制量P_p,d和泵變量控制閥前饋控制量q_a,d。

泵出口壓力前饋控制量P_p,d通過(guò)公式(4)～(6)依次計(jì)算求得：

式中，B為液壓缸速度粘滯系數(shù)，A_c為液壓缸活塞有效面積，F(xiàn)為負(fù)載力，m為液壓缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，P_L,d為液壓缸前饋壓力，β為油液彈性模量，V_c0為初始位置時(shí)液壓缸左右兩腔容積，Q_L,d為液壓缸前饋流量，K_q為伺服閥流量系數(shù)，Sgn為符號(hào)函數(shù)。

泵變量控制閥前饋控制量q_a,d通過(guò)公式(7a)～(8b)依次計(jì)算求得：

當(dāng)q_a,d<0時(shí)，

當(dāng)q_a,d≥0時(shí)，

式中，為變量泵斜盤傾角前饋量，A_a、r_a分別為泵變量缸活塞面積和等效運(yùn)動(dòng)半徑，V_p為泵出口容腔體積，K_qleak為泄漏系數(shù)，k_p表示泵流量系數(shù)，泵的流量即為

3)獲取泵斜盤傾角泵出口壓力P_p、液壓缸位移x和液壓缸負(fù)載壓力P_L，根據(jù)所述泵出口壓力前饋控制量和泵變量控制閥前饋控制量采用線性反饋方法獲得變量控制閥實(shí)際控制量q_a，采用Backstepping方法獲得伺服閥實(shí)際控制量S_v，實(shí)現(xiàn)液壓缸位置跟蹤控制。

變量控制閥實(shí)際控制量q_a通過(guò)公式(9)～(10)依次計(jì)算求得：

q_a＝q_a,d+q_a,c (10)

伺服閥實(shí)際控制量S_v通過(guò)公式(11)～(17)依次計(jì)算求得：

z₁＝y(tǒng)₁ (11)

α₁＝-K₁z₁ (12)

z₂＝y(tǒng)₂-α₁ (13)

z₃＝y(tǒng)₃-α₂ (15)

式中，e_p為泵出口壓力誤差，e_p＝p_p,d-p_p，V_p為泵出口容腔體積，y₁為液壓缸位移誤差，y₁＝x_d-x，y₂為液壓缸速度誤差，y₂＝v_d-v，y₃為液壓缸壓力誤差，y₃＝P_L,d-P_L，δ₁、δ₂、δ₃、K₁、K₂、K₃為大于0的反饋控制參數(shù)δ_p為大于0的壓力反饋控制參數(shù)。

通過(guò)依次計(jì)算式(1)～(17)，最終得出系統(tǒng)實(shí)際控制量q_a和S_v，其中S_v可以直接作為伺服閥的信號(hào)給出，而q_a還需要轉(zhuǎn)換到變量控制閥上的開度控制信號(hào)S_va才能給出，S_va按照式(18)或(19)計(jì)算：

當(dāng)q_a<0時(shí)

當(dāng)q_a≥0時(shí)

式中，K_qc為變量控制閥的流量系數(shù)，p_a為變量缸的壓力。

下面通過(guò)仿真的方法，對(duì)比傳統(tǒng)電液位置伺服控制與本發(fā)明所提出的變排量變壓力調(diào)節(jié)負(fù)載匹配電液位置跟蹤控制算法，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1系統(tǒng)參數(shù)

本發(fā)明控制方法的控制參數(shù)如表2所示，其中K_s在是根據(jù)式(1)和系統(tǒng)參數(shù)及位移指令x_d(如圖3所示)，在速度信號(hào)大于0時(shí)所求的值；當(dāng)速度小于0時(shí)，需要根據(jù)式(1)實(shí)時(shí)計(jì)算，以保證最大程度節(jié)約能量。而用于對(duì)比的常規(guī)恒壓電液位置伺服系統(tǒng)采用PI控制器控制液壓缸位置，比例系數(shù)P＝6000，積分系數(shù)I＝12000，且該系數(shù)為調(diào)定后的系數(shù)，以保證有良好的控制效果。

表2控制參數(shù)

由圖3可以看出，在位置信號(hào)x_d作用下，常規(guī)控制和變排量變壓力調(diào)節(jié)負(fù)載匹配電液位置跟蹤控制控制算法均能使液壓缸跟隨位置信號(hào)指令，但由圖4可以看出，使用發(fā)明算法，跟隨誤差比常規(guī)電液位置控制更小。同時(shí)根據(jù)圖5和圖6可以看出，負(fù)載力發(fā)生變化時(shí)，常規(guī)位置控制系統(tǒng)仍然保持恒定壓力210bar，發(fā)明算法則根據(jù)負(fù)載需求調(diào)整泵出口壓力，因此壓差損失更小，提高了系統(tǒng)能量利用率。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施實(shí)例，不能以之限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。即凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化及修飾，仍將不失發(fā)明的要義所在，亦不脫離本發(fā)明的精神和權(quán)利要求范圍，故都應(yīng)視為本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施狀況。