一种工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法，通过实验建立液压缸位移、液压回路压力和液压回路流量数据库；针对运行中液压系统，根据传感器接收的位移信息，在数据库中搜索获取相应工况下液压回路压力和流量需求；再通过控制器调节电机转速和泵排量，使泵的输出液压回路压力和液压回路流量满足相应工况下液压回路压力和液压回路流量需求；工况变化时，根据系统能耗优化方法计算获得的最佳电机加速度，由控制器控制电机以最佳加速度变化到下一个工况的需求速度，同时调节泵排量到达需求排量。本发明专利技术对各工况下转速、泵排量和相邻工况点电机的加速度按照能量最低要求进行控制，且最大程度保证了液压机在连续运行中的能耗最低。

【技术实现步骤摘要】
一种工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法
本专利技术涉及一种工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法，用于对各工况下的转速、泵排量和相邻工况点电机的加速度按照能量最低要求进行控制，最大程度地保证液压机在连续运行过程中能耗最低。
技术介绍
随着大功率液压设备的广泛应用，由于装机功率和实际负载功率不匹配造成的能量损失日益明显。变速电机和变量泵的应用，可以根据负载的变化去调整驱动单元的输出功率，从而实现输出功率与负载功率相匹配，进而减少功率输入端的能量消耗。伺服电机驱动比例变量泵可以实现输出功率与负载功率的匹配，但是两个变量单元配置不同状态对整个驱动单元的效率有较为明显的影响，故如何在保证功率匹配的条件下实现整个驱动单元效率的提高成为一个需要解决的问题。公开号为CN104179735B，公开日2016年3月30日的专利文献中公开了一种液压系统能量匹配控制方法，通过从系统数据库中提取液压系统任意工况点下的变频电机的实际最佳频率和比例变量泵实际斜盘倾角，实现液压系统的负载需求与能量输入相匹配，保证电机在该工况点下处于高效状态。但是，该方法虽然保证了驱动系统在各静态工况下具有较高的效率，不能保证驱动系统在工况变化时的效率也较高，且无法保证整个系统在运行过程中的能耗最低。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法，以期实现对各工况下的转速、泵排量和相邻工况点电机的加速度按照能量最低要求进行控制，并且最大程度地保证液压机在连续运行过程中能耗最低。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法，所述双变量液压系统包括：由变速电机和变量泵构成的液压驱动单元、由所述液压驱动单元进行驱动的液压缸，以及用于控制变速电机的转速和变量泵的排量的控制器；其特点是：设置各传感器，分别用于检测液压回路压力、液压回路流量、变速电机的转速、变速电机的输入功率、液压缸的位移，以及液压缸所受到的负载力；所述工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法是：首先通过实验的方式建立液压缸位移、液压回路压力和液压回路流量的数据库；针对运行中的液压系统，根据传感器所接收到的液压缸位移信息，在数据库中搜索获取相应工况下液压回路压力和液压回路流量需求；再通过控制器调节电机转速和泵排量，使泵的输出液压回路压力和液压回路流量满足相应工况下液压回路压力和液压回路流量需求；当工况变化时，根据系统能耗优化方法计算获得的最佳电机加速度，由控制器控制电机以最佳加速度变化到下一个工况的需求速度，同时调节泵排量到达需求排量。本专利技术工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法的特点也在于是按如下步骤进行：步骤1、按照液压系统工艺要求，利用传感器分别采集获得双变量液压系统成形过程中各工况下关于液压缸(3)的位移s、液压回路压力p和液压回路流量Q之间映射关系，建立双变量液压系统成形过程中各工况下关于位移s、液压回路压力p和液压回路流量Q之间映射关系的数据库，针对双变量液压系统成形过程中各工况变化的起始点位移进行标定；步骤2、利用所述传感器实时采集获得实际工况下的液压缸(3)的实际位移；若采集获得的实际工况下的液压缸(3)的实际位移为第i个工况变化的起始点位移，则将所述实际位移记为si，针对实际位移si在数据库中进行匹配，获得与所述实际位移si存在映射关系的液压回路压力pi和液压回路流量Qi的值，根据液压回路压力pi和液压回路流量Qi值，并根据双变量液压系统能耗优化结果得到第i个工况变化过程中的变速电机(1)的加速度，第i+1个工况中的变速电机(1)的转速，以及第i+1个工况中的变量泵(2)的排量；所述双变量液压系统能耗优化结果是按照如下过程得出：步骤2.1通过实验的方式获得常量数组kij和bij在工况i下，液压回路压力为pi，液压回路流量为Qi，则工况i下变速电机不同级转速与变量泵排量Vij满足式(1)所示的关系：式(1)中，以自然数i表征工况，以自然数j表征变速电机的转速级数，以nij表征工况i中变速电机j级转速，以Vij表征与变速电机转速nij按式(1)所示关系对应的变量泵排量；由式(2)计算获得工况i中变速电机在j级转速下的液压驱动单元驱动效率ηij：式(2)中，Pin是由功率仪检测获得的变速电机的实际输入功率；由式(3)和式(4)获得在不同工况中、且变速电机在不同转速级下的常量数组kij和bij：m为所述液压缸活塞及杆的质量，A为所述液压缸中压力油流入腔面积，K为所述变量泵的斜盘倾角变化率，c为液压缸中的液压油粘性阻尼系数，Fij为液压缸所受到的负载力；步骤2.2利用步骤2.1获得的常量数组kij和bij进行能耗优化：步骤2.2.1、变速电机的输入功率理论值Pt-in由式(5)所表征，变速电机的转速满足式(6)：n(i+1)l＝nij+aijtij(6)以n(i+1)l表征工况i+1中变速电机l级转速；以aij表征变速电机由转速nij变化到转速n(i+1)l的加速度；以tij表征变速电机由转速nij变化到转速n(i+1)l的加速时间；以Wij表征变速电机由转速nij变化到转速n(i+1)l的能耗；则有：对于变速电机由转速nij变化到转速n(i+1)l的变化过程，设置能耗优化模型如式(8)：minWij表征变速电机由转速nij变化到转速n(i+1)l的最小能耗；amax为变速电机所允许的最大加速度；tmax为所述液压系统各工况工艺要求下的变速电机最大加速时间；利用式(7)和式(8)计算获得能耗Wij为最小值时的变速电机的加速度aij’和加速时间tij’；根据(7)式中kij并由式(3)得出对应的变速电机转速nij，再根据变速电机转速nij由式(1)得出与所述变速电机转速nij对应的变量泵排量Vij；步骤2.2.2、通过对工况i中变速电机所有不同转速级数至工况i+1中变速电机所有不同转速级的变化过程的能耗最小值进行对比，得出工况i至工况i+1的最小能耗Wi，以及与所述最小能耗Wi所对应的工况i至工况i+1的变速电机的最佳加速度ai，工况i下变速电机的最佳转速ni、与变速电机最佳转速ni对应的变量泵的最佳排量Vi；步骤2.2.3、重复步骤2.2.1和步骤2.2.2获得所有工况中的变速电机最佳转速、变量泵最佳排量和相邻工况之间电机的最佳加速度。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1、本专利技术根据双变量液压系统成形过程建立位移量、液压回路压力和液压回路流量之间一一对应的映射关系的数据库，更容易通过液压缸的位移反映系统的状态信息，从而实现精确控制。2、本专利技术从双变量液压系统成形过程出发，对各工况转速、泵排量和相邻工况电机的加速度按照能量最低要求进行控制，不仅保证了驱动单元在任意工况下具有较高的效率，并且最大程度地保证了液压机在连续运行过程中能耗最低。附图说明图1为本专利技术中双变量液压系统结构示意图；图2为本专利技术中能耗优化控制流程图；图中标号：1变速电机，2变量泵，3液压缸，4数据采集卡，5功率仪，6上位机，7控制器，8压力传感器，9流量传感器，10速度传感器，11位移传感器，12力传感器。具体实施方式参见图1，本实施例中双变量液压系统包括：由变速电机1和变量泵2构成的液压驱动单元、由液压驱动单元进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法，所述双变量液压系统包括：由变速电机(1)和变量泵(2)构成的液压驱动单元、由所述液压驱动单元进行驱动的液压缸(3)，以及用于控制变速电机(1)的转速和变量泵(2)的排量的控制器(7)；其特征是：设置各传感器，分别用于检测液压回路压力、液压回路流量、变速电机(1)的转速、变速电机(1)的输入功率、液压缸(3)的位移，以及液压缸(3)所受到的负载力；所述工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法是：首先通过实验的方式建立液压缸位移、液压回路压力和液压回路流量的数据库；针对运行中的液压系统，根据传感器所接收到的液压缸位移信息，在数据库中搜索获取相应工况下液压回路压力和液压回路流量需求；再通过控制器调节电机转速和泵排量，使泵的输出液压回路压力和液压回路流量满足相应工况下液压回路压力和液压回路流量需求；当工况变化时，根据系统能耗优化方法计算获得的最佳电机加速度，由控制器控制电机以最佳加速度变化到下一个工况的需求速度，同时调节泵排量到达需求排量。

【技术特征摘要】
1.一种工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法，所述双变量液压系统包括：由变速电机(1)和变量泵(2)构成的液压驱动单元、由所述液压驱动单元进行驱动的液压缸(3)，以及用于控制变速电机(1)的转速和变量泵(2)的排量的控制器(7)；其特征是：设置各传感器，分别用于检测液压回路压力、液压回路流量、变速电机(1)的转速、变速电机(1)的输入功率、液压缸(3)的位移，以及液压缸(3)所受到的负载力；所述工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法是：首先通过实验的方式建立液压缸位移、液压回路压力和液压回路流量的数据库；针对运行中的液压系统，根据传感器所接收到的液压缸位移信息，在数据库中搜索获取相应工况下液压回路压力和液压回路流量需求；再通过控制器调节电机转速和泵排量，使泵的输出液压回路压力和液压回路流量满足相应工况下液压回路压力和液压回路流量需求；当工况变化时，根据系统能耗优化方法计算获得的最佳电机加速度，由控制器控制电机以最佳加速度变化到下一个工况的需求速度，同时调节泵排量到达需求排量。2.根据权利要求1所述的工况变化下的双变量液压系统能耗优化方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、按照液压系统工艺要求，利用传感器分别采集获得双变量液压系统成形过程中各工况下关于液压缸(3)的位移s、液压回路压力p和液压回路流量Q之间映射关系，建立双变量液压系统成形过程中各工况下关于位移s、液压回路压力p和液压回路流量Q之间映射关系的数据库，针对双变量液压系统成形过程中各工况变化的起始点位移进行标定；步骤2、利用所述传感器实时采集获得实际工况下的液压缸(3)的实际位移；若采集获得的实际工况下的液压缸(3)的实际位移为第i个工况变化的起始点位移，则将所述实际位移记为si，针对实际位移si在数据库中进行匹配，获得与所述实际位移si存在映射关系的液压回路压力pi和液压回路流量Qi的值，根据液压回路压力pi和液压回路流量Qi值，并根据双变量液压系统能耗优化结果得到第i个工况变化过程中的变速电机(1)的加速度，第i+1个工况中的变速电机(1)的转速，以及第i+1个工况中的变量泵(2)的排量；所述双变量液压系统能耗优化结果是按照如下过程得出：步骤2.1通过实验的方式获得常量数组kij和bij在工况i下，液压回路压力为pi，液压回路流量为Qi，则工况i下变速电机不同级转速与变量泵排量Vij满足式...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海鸿，唐运先，金瑞，李磊，刘志峰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34