韓鈺,鄒炳燕
(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心,天津 300350)
泵控液壓馬達(dá)系統(tǒng)由于避免了節(jié)流損失,效率較高[1-3],因此在移動(dòng)裝備中應(yīng)用廣泛[4-6]。在泵控液壓馬達(dá)系統(tǒng)中,時(shí)常需要維持液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的工況。但當(dāng)變量泵的轉(zhuǎn)速主動(dòng)發(fā)生變化,或由于負(fù)載的影響而導(dǎo)致變量泵轉(zhuǎn)速被動(dòng)發(fā)生變化時(shí),都會(huì)顯著增加馬達(dá)在恢復(fù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速之前的調(diào)整時(shí)間和增大馬達(dá)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量。當(dāng)變量泵轉(zhuǎn)速主動(dòng)發(fā)生變化時(shí),國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)穩(wěn)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速的工況做了相關(guān)研究。柴小波等[7]對(duì)定量泵-變量馬達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行分析,提出了以系統(tǒng)流量為中間控制變量的方法,對(duì)變量馬達(dá)擺角進(jìn)行補(bǔ)償控制來穩(wěn)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速;郭初生等[8]針對(duì)泵控馬達(dá)系統(tǒng)中變量泵的轉(zhuǎn)速變化,綜合擾動(dòng)乘積補(bǔ)償方法和PI控制方法實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制;李昊、楊玉強(qiáng)[9]以車載液壓發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,針對(duì)行車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)實(shí)時(shí)變化對(duì)系統(tǒng)的影響,采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)為前饋補(bǔ)償信號(hào)來穩(wěn)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速;王春光、楊玉強(qiáng)[10]針對(duì)泵控馬達(dá)系統(tǒng)在變量泵變轉(zhuǎn)速輸入下,加入轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制和積分分離PID控制實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定輸出。以上文獻(xiàn)主要研究了變量泵轉(zhuǎn)速主動(dòng)發(fā)生變化的情況,而針對(duì)變量泵轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響而被動(dòng)變化時(shí),穩(wěn)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速的相關(guān)研究比較少。針對(duì)此情況,本文作者提出一種前饋補(bǔ)償方式來抑制馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng),減少馬達(dá)的調(diào)整時(shí)間。
泵控液壓馬達(dá)系統(tǒng)原理如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵1,變量泵1驅(qū)動(dòng)定量液壓馬達(dá)2,液壓馬達(dá)2驅(qū)動(dòng)負(fù)載。當(dāng)外負(fù)載突然變化時(shí),高壓管路的工作壓力驟然變化,進(jìn)而引起驅(qū)動(dòng)變量泵的扭矩也隨之改變。又因發(fā)動(dòng)機(jī)與變量泵直接相連,扭矩的改變導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生變化,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又傳給變量泵,最終導(dǎo)致液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)。在這一系列變化過程中,變量泵轉(zhuǎn)速的被動(dòng)變化會(huì)顯著增加液壓馬達(dá)恢復(fù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速之前的調(diào)整時(shí)間及增大馬達(dá)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量。
圖1 液壓原理
比例放大器的作用是將電壓偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。由于其響應(yīng)頻率遠(yuǎn)大于泵控馬達(dá)系統(tǒng)頻率,故可將其視為比例環(huán)節(jié)。輸入電壓U與輸出電流I的傳遞函數(shù)為
Ka=I(s)/U(s)
(1)
式中:Ka為比例放大器增益。
比例放大器輸出的電流信號(hào)需要驅(qū)動(dòng)變量泵控制機(jī)構(gòu)的電比例閥,由于電比例閥的固有頻率遠(yuǎn)大于泵控馬達(dá)系統(tǒng)頻率,故可將其視為比例環(huán)節(jié)。輸入電流I與閥芯輸出位移Xv的傳遞函數(shù)為
Kvi=Xv(s)/I(s)
(2)
式中:Kvi為比例增益。
電比例閥的閥芯Xv移動(dòng)微小距離后,液壓油經(jīng)電比例閥進(jìn)入變量液壓缸,驅(qū)動(dòng)變量缸移動(dòng),變量缸的活塞桿一端與變量泵的斜盤連接,改變斜盤角度。同時(shí),變量缸的活塞桿另一端與電比例閥的機(jī)械反饋桿連接,進(jìn)行閉環(huán)反饋,保證活塞桿位移Xp準(zhǔn)確輸出。
在不考慮機(jī)械反饋的情況下,閥芯Xv與活塞桿位移Xp的傳遞函數(shù)可描述為
(3)
式中:ωh為閥控缸液壓固有頻率;ξh為閥控缸液壓阻尼比;Kq為流量增益,A為變量缸有效作用面積。
考慮存在機(jī)械反饋,設(shè)反饋系數(shù)為Kf,結(jié)合式(3),可得閉環(huán)傳遞函數(shù)為
(4)
變量泵斜盤與變量缸活塞桿鉸接在一起,分析其結(jié)構(gòu)可得,斜盤擺角γ與活塞桿位移xp的傳遞函數(shù)為
1/L=γ(s)/xp(s)
(5)
式中:L為油缸施力點(diǎn)到斜盤鉸點(diǎn)間的距離。
變量泵輸出流量的微分方程為
Qp=KPωPγ-Cip(p1-pr)-Cepp1
(6)
式中:Qp為高壓管路流量;KP為變量泵的排量梯度;ωP為變量泵的轉(zhuǎn)速;Cip為變量泵的內(nèi)泄漏系數(shù);Cep為變量泵的外泄漏系數(shù);p1為高壓側(cè)管路壓力;pr為低壓側(cè)管路壓力。
若假定變量泵轉(zhuǎn)速ωP恒定,系統(tǒng)回油管路壓力pr恒定,則其增量方程的拉氏變換為
QP(s)=KPωPγ(s)-CtpP1(s)
(7)
其中:Ctp為變量泵的總泄漏系數(shù),Ctp=Cip+Cep。
液壓馬達(dá)高壓側(cè)流量連續(xù)微分方程為
(8)
式中:Cim為液壓馬達(dá)的內(nèi)泄漏系數(shù);Cem為液壓馬達(dá)的外泄漏系數(shù);Dm為液壓馬達(dá)排量;θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角;V0為高壓側(cè)管路總體積;βe為油液有效體積彈性模量。
其增量方程的拉氏變換為
QP(s)=CtmP1(s)+Dmsθm(s)+(V0/βe)sP1(s)
(9)
式中:Ctm為變量泵的總泄漏系數(shù),Ctm=Cim+Cem。
液壓馬達(dá)和負(fù)載力矩平衡的微分方程為
(10)
式中:Jt為馬達(dá)和負(fù)載的總慣量;TL為作用在馬達(dá)上的負(fù)載力矩;Bm為黏性阻尼系數(shù)。
其增量方程的拉氏變換為
DmP1(s)=Jts2θm(s)+Bmsθm(s)+TL(s)
(11)
轉(zhuǎn)速傳感器將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋到控制器中,通過與目標(biāo)值做減法得到偏差信號(hào)進(jìn)行反饋控制。由于轉(zhuǎn)速傳感器的響應(yīng)很快,其固有頻率遠(yuǎn)大于泵控系統(tǒng)的固有頻率,因此可將其簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為
(12)
式中:Kv為轉(zhuǎn)速傳感器增益。
在式(7)的推導(dǎo)過程中,假定了變量泵的轉(zhuǎn)速ωP是恒定的,但實(shí)際情況下變量泵的轉(zhuǎn)速是變化的,與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩變化而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí),泵的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之變化。因此在畫系統(tǒng)框圖的時(shí)候,要將發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)做成一個(gè)模型,再與變量泵排量Dm做成乘積的形式。綜合式(1)(2)(4)(5)(7)(9)(11)(12)可得傳遞函數(shù)框圖如圖2所示。
圖2 補(bǔ)償前傳遞函數(shù)框圖
圖中:Tω為給發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩反饋;Ct為系統(tǒng)總泄漏系數(shù),Ct=Ctm+Ctp。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受到馬達(dá)外負(fù)載影響而改變時(shí),進(jìn)一步加劇了馬達(dá)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。除了系統(tǒng)的閉環(huán)反饋穩(wěn)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速外,文中還加入了前饋補(bǔ)償控制方式補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。
在分析變量泵轉(zhuǎn)速ωP的擾動(dòng)時(shí),式(6)中的KPωPγ有2個(gè)自變量,分別是ωP和變量泵斜盤擺角γ,2個(gè)自變量呈非線性關(guān)系,因此在做拉氏變換時(shí),需要在平衡點(diǎn)附近展開成泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行線性化處理[11]。平衡點(diǎn)選取為零負(fù)載且馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)的點(diǎn)。將式(6)泰勒級(jí)數(shù)展開如下:
QP(s)=KPωPγ(s)+KPω0Δγ+KPγ0ΔωP+KPΔωPΔγ-CtpP1(s)
(13)
式中:ω0為平衡點(diǎn)處泵的轉(zhuǎn)速;Δγ為泵斜盤擺角的擾動(dòng)量;γ0為平衡點(diǎn)處斜盤的擺角;ΔωP為泵轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)量。忽略無(wú)窮小量KPΔωPΔγ及KPω0Δγ(工程上Δγ不易測(cè)量),再與式(7)比較,可知只差KPγ0ΔωP這一項(xiàng),該項(xiàng)即為變量泵轉(zhuǎn)速擾動(dòng)引起的流量變化。
根據(jù)結(jié)構(gòu)不變性原理[12-16],引入補(bǔ)償函數(shù)GT(s),以轉(zhuǎn)速擾動(dòng)量ΔωP為輸入,對(duì)KPγ0ΔωP這一項(xiàng)的流量進(jìn)行補(bǔ)償,如圖3所示,推導(dǎo)可得:
(14)
圖3 補(bǔ)償后傳遞函數(shù)框圖
將GB的具體表達(dá)式代入式(14),可得:
(15)
式(15)中有三階微分環(huán)節(jié),工程上難以實(shí)現(xiàn),考慮到閥控變量缸震蕩環(huán)節(jié)固有頻率很高,可以忽略[8],故式(15)可化簡(jiǎn)為
(16)
式中:γ0可根據(jù)平衡點(diǎn)處以及馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí),變量泵的輸入流量與馬達(dá)所需流量相等而計(jì)算求得。
根據(jù)圖3并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型[17],建立系統(tǒng)仿真模型,如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)仿真模型
選取某車載液壓發(fā)電系統(tǒng)的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。仿真主要參數(shù)見表1。
表1 仿真模型主要參數(shù)
為了驗(yàn)證仿真模型的正確性,在30 s突加12 kW(100%)載荷,針對(duì)馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速做了仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比,如圖5所示??芍厚R達(dá)轉(zhuǎn)速在34 s左右趨于穩(wěn)定值1 500 r/min,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符,建立的仿真模型符合實(shí)際工況。
圖5 仿真與實(shí)驗(yàn)的比較
發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速如圖6所示。在0 s時(shí),給定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)為1 200 r/min,經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)自身的轉(zhuǎn)速反饋,在9.5 s后,發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 200 r/min。在30 s時(shí),由于馬達(dá)外負(fù)載扭矩突然增加,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速立即下降并產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng);且無(wú)前饋補(bǔ)償時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為1 021 r/min;有前饋補(bǔ)償時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為990 r/min。有前饋補(bǔ)償時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速更低的原因是補(bǔ)償環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)了變量泵的排量使其增加,進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)變量泵的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增加得更多,因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降也更為嚴(yán)重。在60 s時(shí),由于馬達(dá)外負(fù)載扭矩突然減小,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升,且無(wú)前饋補(bǔ)償時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 370 r/min;有前饋補(bǔ)償時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 381 r/min。此外,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不受負(fù)載扭矩影響時(shí),轉(zhuǎn)速基本恒定在1 200 r/min。
圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速
由圖7可知:液壓馬達(dá)空載工作且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,30 s時(shí)突加階躍負(fù)載TL(100%),可以看到有前饋補(bǔ)償及無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速都驟然減小,雖然最大波動(dòng)量幾乎相等,約為11.5%,但有前饋補(bǔ)償措施的馬達(dá)轉(zhuǎn)速多在目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 500 r/min附近波動(dòng),且其調(diào)整時(shí)間為0.62 s;無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整時(shí)間為2.15 s。當(dāng)變量泵轉(zhuǎn)速恒定時(shí),有前饋補(bǔ)償?shù)那€與恒速曲線基本相符但沒有完全重合,這是因?yàn)檠a(bǔ)償模型中忽略了式(13)中的KPΔωPΔγ、KPω0Δγ。但在大部分工程應(yīng)用中,其精度是滿足要求的。
圖7 階躍突加滿載(100%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
由圖8可知:在馬達(dá)滿載且液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,60 s時(shí)突減階躍負(fù)載TL(100%),可以看到有前饋補(bǔ)償及無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速都驟然增大,雖然轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量基本相同,約為11.4%,但有前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速多在1 500 r/min附近波動(dòng),且有前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整時(shí)間為0.56 s;無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整時(shí)間為1.92 s。
圖8 階躍突減滿載(100%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
由圖9可知:液壓馬達(dá)空載工作且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,30 s時(shí)突加階躍負(fù)載TL(20%),可以看到馬達(dá)轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量比滿載時(shí)要小很多,但最大波動(dòng)量基本相同,約為2.33%,但有前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速多在1 500 r/min附近波動(dòng),其調(diào)整時(shí)間為0.13 s;無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整時(shí)間為0.14 s,調(diào)整時(shí)間相差很小。
圖9 階躍突加負(fù)載(20%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
由圖10可知:在馬達(dá)20%負(fù)載且液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,60 s時(shí)突減階躍負(fù)載TL(20%),可以看到馬達(dá)轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量基本相同,約為2.26%,有前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整時(shí)間為0.13 s;無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整時(shí)間為0.14 s,調(diào)整時(shí)間也相差很小。
圖10 階躍突減負(fù)載(20%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
由圖11可知:液壓馬達(dá)空載工作且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,30 s時(shí)突加斜坡負(fù)載TL(100%),斜坡時(shí)間為0.5 s,可以看到有前饋補(bǔ)償及無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速都驟然減小,但最大波動(dòng)量不同。有前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為3.46%,其調(diào)整時(shí)間為0.62 s;無(wú)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為7.33%,調(diào)整時(shí)間為2.39 s。
圖11 斜坡突加滿載(100%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
由圖12可知:液壓馬達(dá)滿負(fù)載工作且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,60 s時(shí)突減斜坡負(fù)載TL(100%),斜坡時(shí)間為0.5 s,可以看到有前饋補(bǔ)償及無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速都驟然增加,但最大波動(dòng)量不同。有前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為3.20%,其調(diào)整時(shí)間為0.60 s;無(wú)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為6.46%,調(diào)整時(shí)間為2.11 s。
圖12 斜坡突減滿載(100%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
由圖13可知:液壓馬達(dá)空載工作且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,30 s時(shí)突加斜坡負(fù)載TL(20%),斜坡時(shí)間為0.5 s??梢钥吹接星梆佈a(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為0.67%,無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為1.33%。按照2%馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)計(jì)算調(diào)整時(shí)間,轉(zhuǎn)速波動(dòng)均在2%之內(nèi)。
圖13 斜坡突加負(fù)載(20%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
由圖14可知:液壓馬達(dá)20%負(fù)載工作且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,60 s時(shí)突減斜坡負(fù)載TL(20%),斜坡時(shí)間為0.5 s??梢钥吹接星梆佈a(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為0.64%,無(wú)前饋補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速最大波動(dòng)量為1.26%。轉(zhuǎn)速波動(dòng)均在2%之內(nèi)。
圖14 斜坡突減負(fù)載(20%)工況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速
(1)泵控液壓馬達(dá)系統(tǒng)中,針對(duì)負(fù)載變化引起變量泵轉(zhuǎn)速被動(dòng)擾動(dòng)而導(dǎo)致的馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)問題,提出了一種前饋控制方法,實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。
(2)在階躍突加100%負(fù)載工況下,通過前饋補(bǔ)償,調(diào)整時(shí)間最大縮短了1.53 s。在階躍20%負(fù)載工況下,有前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整時(shí)間縮短了0.01 s。在斜坡突加100%負(fù)載工況下,通過前饋補(bǔ)償,馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)量最大減少了3.87%,調(diào)整時(shí)間縮短了1.77 s;在斜坡突加20%負(fù)載工況下,有前饋補(bǔ)償?shù)鸟R達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)減小了0.66%。前饋補(bǔ)償控制有效抑制了馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng),減小了調(diào)整時(shí)間。