數(shù)字變量泵控制方案及仿真分析

數(shù)字變量泵控制方案及仿真分析

隨著工業(yè)化水平的提高，對能源效率、控制精度、速度和自動化的要求也越來越高。傳統(tǒng)的模型擴(kuò)展技術(shù)不能滿足現(xiàn)有控制系統(tǒng)的要求。1數(shù)字變量泵總控制器設(shè)計數(shù)字變量泵由定量泵、高速開關(guān)閥、插裝閥、蓄能器、單向閥及流量傳感器等元件集成一體數(shù)字變量泵工作系統(tǒng)原理圖如圖1所示,工作時,控制器根據(jù)流量傳感器的反饋信號控制變頻電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速及高速開關(guān)閥輸入信號的占空比,實(shí)現(xiàn)數(shù)字變量泵輸出流量的恒定。當(dāng)系統(tǒng)所需流量增加時,控制器接收流量傳感器的反饋信號,通過推演和運(yùn)算處理,增加變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速,同時高速開關(guān)閥通電,插裝閥閥芯閉合;當(dāng)系統(tǒng)所需流量減少時,控制器接收流量傳感器的反饋信號,通過推演和運(yùn)算處理,降低變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速,同時減少高速開關(guān)閥的通電時間,插裝閥輸出流量增加;當(dāng)系統(tǒng)所需流量低于定量泵最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的輸出流量時,控制器控制變頻器的輸入信號使變頻電機(jī)在最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,同時,計算機(jī)接收流量傳感器的反饋信號,通過推演和運(yùn)算處理,實(shí)時控制高速開關(guān)閥的通斷電時間,調(diào)節(jié)插裝閥閥芯的開口大小,實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng),達(dá)到流量恒定控制的目的。2數(shù)字變量泵控制系統(tǒng)的流量補(bǔ)償數(shù)字變量泵在實(shí)際使用過程中,由于液壓系統(tǒng)中的內(nèi)泄漏不可避免地產(chǎn)生流量損失,因此在數(shù)字變量泵的控制系統(tǒng)中,必需考慮數(shù)字變量泵的流量補(bǔ)償。該數(shù)字變量泵的輸出流量是由計算機(jī)輸入的PWM信號控制,其中變頻電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速可控制數(shù)字變量泵的最大輸出流量,高速開關(guān)閥輸入信號占空比用于控制數(shù)字變量泵輸出流量的穩(wěn)態(tài)精度。2.1交流差值流量控制原則考慮到液壓系統(tǒng)中不可避免的流量損失,控制器需對系統(tǒng)實(shí)時反饋流量進(jìn)行運(yùn)算處理,補(bǔ)償變頻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出流量的控制要求。根據(jù)這一原則設(shè)計了變頻電機(jī)控制器的模型,其狀態(tài)識別器連接差值流量(實(shí)時流量與設(shè)定流量之差),根據(jù)差值流量的正負(fù)性判斷變頻電機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)差值流量為正值時,控制器控制變頻電機(jī)輸出設(shè)定轉(zhuǎn)速;當(dāng)差值流量為負(fù)值時,其差值的絕對值經(jīng)增益放大后與設(shè)定轉(zhuǎn)速之和作為變頻電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速;當(dāng)系統(tǒng)所需流量低于定量泵最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下供給流量時,變頻電機(jī)維持在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下工作。2.2高速開關(guān)閥控制器設(shè)計由于變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速增益對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了一定的流量補(bǔ)償,數(shù)字變量泵的輸出流量將高于設(shè)定流量,且易產(chǎn)生流量脈沖。因此必需通過高速開關(guān)閥輸入信號占空比的智能調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)數(shù)字變量泵輸出流量的精度控制。當(dāng)實(shí)時流量接近于設(shè)定流量時,高速開關(guān)閥接受的輸入信號占空比增加,插裝閥單位時間內(nèi)的輸出流量減小,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字變量泵輸出流量的微調(diào);當(dāng)實(shí)時流量與設(shè)定流量相差較大時,高速開關(guān)閥接受的輸入信號占空比趨近與0,插裝閥單位時間內(nèi)的輸出流量較大,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字變量泵響應(yīng)速度的較大提升。3數(shù)字變量泵的動態(tài)模擬模型3.1高速開關(guān)閥的流量模型根據(jù)異步電動機(jī)兩相靜止坐標(biāo)即M-T坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,可得到轉(zhuǎn)差頻率矢量控制變頻電機(jī)的基本方程式為式中:ω高速開關(guān)閥的流量是一組流量脈沖的集合,因此其流量不僅與閥芯的開口量有關(guān),而且與其開關(guān)時間及電磁鐵的通電時間長短都有關(guān)系。由于高速開關(guān)閥的響應(yīng)速度極快,閥芯開啟后可近似為一個阻尼孔,其流量方程可表示為式中:q高速開關(guān)閥輸入信號占空比的函數(shù)方程為式中:s(t)為瞬時的占空比;Q插裝閥的基本單元為主閥單元,其形狀與單向閥類似。它具有兩個工作腔A和B,一個控制腔C。當(dāng)不計閥芯質(zhì)量和摩擦阻力時,其流量方程可表示為式中:q3.2高速開關(guān)閥的動態(tài)選擇定量泵的排量為43mL/r,最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為600r/min,蓄能器的預(yù)壓力為0.5MPa,高速開關(guān)閥PWM控制信號的頻率為50Hz4數(shù)字變量泵性能及優(yōu)化數(shù)字變量泵的承載能力、變量范圍、工作效率、響應(yīng)速度、控制精度是衡量其性能優(yōu)越的主要指標(biāo),為了滿足數(shù)字變量泵的設(shè)計要求,分別對其不同轉(zhuǎn)速增益、外加負(fù)載、控制流量、節(jié)能效果進(jìn)行了以下分析。4.1不同轉(zhuǎn)速增益設(shè)定系統(tǒng)的控制流量為50L/min,節(jié)流閥孔徑為3mm,仿真得到轉(zhuǎn)速增益分別為1、2、5、15的模型仿真結(jié)果,如圖4、圖5所示。其中,曲線1至曲線4為轉(zhuǎn)速增益逐漸增加的響應(yīng)特性曲線。圖4表明,轉(zhuǎn)速增益的大小影響了定量泵啟動時的峰值流量,轉(zhuǎn)速增益越大,峰值流量越大,但達(dá)到一定程度時,峰值流量變化很小。圖5表明,轉(zhuǎn)速增益為1時,數(shù)字變量泵的輸出流量穩(wěn)態(tài)時間要明顯長于轉(zhuǎn)速增益分別為2、5和15的穩(wěn)態(tài)時間,但不同轉(zhuǎn)速增益下,數(shù)字變量泵達(dá)到設(shè)定流量的穩(wěn)態(tài)精度均較高,而轉(zhuǎn)速增益為2、5和15時的穩(wěn)態(tài)時間幾乎不變,約為0.3s,響應(yīng)速度較快。上述情況表明:轉(zhuǎn)速增益對數(shù)字變量泵輸出流量的補(bǔ)償有一定的作用,且提高了數(shù)字變量泵的響應(yīng)速度,但轉(zhuǎn)速增益的增加,導(dǎo)致其泄漏量有所增加,且轉(zhuǎn)速增益增加到一定值時,響應(yīng)速度變化很小。因此轉(zhuǎn)速增益的大小應(yīng)盡量逼近臨界值。4.2節(jié)流閥孔徑對定量泵性能的影響設(shè)定系統(tǒng)的控制流量為50L/min,轉(zhuǎn)速增益為2,節(jié)流閥阻尼孔大小分別為3mm、5mm、7mm、10mm的模型,仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。其中曲線1至曲線4為阻尼孔逐漸增加的響應(yīng)特性曲線,即負(fù)載逐漸減小的響應(yīng)特性曲線。圖6表明,節(jié)流閥孔徑為3mm時,定量泵的峰值流量最大,到達(dá)66L/min,而當(dāng)節(jié)流閥孔徑增加至7mm時,定量泵的輸出流量較為平緩。圖7表明,負(fù)載大小對數(shù)字變量泵的響應(yīng)速度有一定的影響,負(fù)載越小,響應(yīng)速度越快。分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較大時,液壓系統(tǒng)的泄漏量增加,數(shù)字變量泵需要補(bǔ)償?shù)牧髁吭黾?致使其響應(yīng)速度有所下降。4.3定量泵輸入流量無小范圍設(shè)定節(jié)流閥阻尼孔為3mm,轉(zhuǎn)速增益為2,仿真得到系統(tǒng)控制流量分別為15L/min、30L/min、45L/min、60L/min的模型曲線圖如圖8、圖9所示。圖8表明,當(dāng)控制流量為60L/min時,定量泵在0.3s處的瞬時輸入流量達(dá)到75L/min,隨后迅速減少至60L/min,并有小范圍的波動;當(dāng)控制流量低于定量泵最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的輸入流量時,電機(jī)維持在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,定量泵輸入流量較為平緩。圖9中顯示,數(shù)字變量泵的變量范圍寬,控制流量在60L/min時,輸出流量有小幅的振動,但在不同的控制流量下,響應(yīng)時間變化很小,約為0.35s。當(dāng)控制流量接近額定流量時,會出現(xiàn)小幅的振動,這是因為當(dāng)控制流量較大時,系統(tǒng)的泄漏量增加,轉(zhuǎn)速增益補(bǔ)償?shù)牧髁坎荒軓浹a(bǔ)系統(tǒng)的泄漏量。因此可通過適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速增益,提高數(shù)字變量泵的控制精度。4.4高速開關(guān)閥控插裝閥控制特性設(shè)定節(jié)流閥孔徑為3mm,轉(zhuǎn)速增益為2,調(diào)節(jié)數(shù)字變量泵初始控制流量為50L/min,從2s處開始控制流量降至25L/min,至第4s控制流量又增加到40L/min,仿真得到的結(jié)果如圖10、圖11所示。圖10顯示,在2s時,高速開關(guān)閥輸入信號占空比為0,電磁鐵斷電,插裝閥閥芯處于全開狀態(tài);在4s時,高速開關(guān)閥輸入信號占空比變?yōu)?,此時電磁鐵通電,插裝閥閥芯處于閉合狀態(tài),定量泵的輸入流量全部轉(zhuǎn)化成數(shù)字變量泵的輸出流量;在整個控制過程中,高速開關(guān)閥輸入信號占空比都在不斷地跟隨系統(tǒng)輸出流量而變化,起到智能調(diào)節(jié)的作用。圖11中曲線1為定量泵輸出流量響應(yīng)特性曲線,曲線2為數(shù)字變量泵輸出流量響應(yīng)特性曲線。曲線1表明,當(dāng)定量泵的輸入流量增加時,在系統(tǒng)到達(dá)設(shè)定流量之前,有一定的流量補(bǔ)償;當(dāng)輸入流量減少時,流量變化較為平緩。曲線2表明,數(shù)字變量泵的控制流量在階躍遞減及階躍遞增時響應(yīng)速度并不一致,階躍遞減時響應(yīng)時間約為0.15s要稍快于階躍遞增時的響應(yīng)時間0.3s。這是由于控制流量階躍遞減時,變頻電機(jī)控制定量泵的輸出流量減少,同時高速開關(guān)閥控插裝閥的溢流量增加,而階躍遞增時,僅有變頻電機(jī)控制。曲線1與曲線2對比表明,高速開關(guān)閥在數(shù)字變量泵控制系統(tǒng)中具有一定的流量調(diào)節(jié)作用,且控制精度較高,數(shù)字變量泵的輸出流量與定量泵的輸入流量基本保持一致,產(chǎn)生的溢流損失主要集中在到達(dá)設(shè)定流量的過程中,但由于響應(yīng)速度較快,其溢流損失較小,節(jié)能效果較為優(yōu)異。5高速開關(guān)閥占空比智能