负载口独立电液比例方向阀控制系统关键技术研究

摘要

液压传动技术广泛应用于工程机械，多路阀是工程机械液压系统的核心控制元件，其性能好坏直接关系到整机的操控和节能性能。传统多路阀每联阀采用单主阀芯结构调节其进口和出口节流面积，而负载口独立控制多路阀的每联阀采用双阀芯结构独立调节其进口和出口节流面积，该结构增加了系统的控制自由度，使工程机械的操控和节能性能进一步提升成为可能。负载口独立方向阀控制系统的执行器速度和压力控制策略、与负载口独立方向阀控制系统在工程机械中的应用，是负载口独立控制技术研究的重点和难点。本学位论文研究负载口独立方向阀控制系统的控制策略和挖掘机负载口独立方向阀控制样机的机液耦合特性，充分利用负载口独立控制技术的优势来提高整机操控和节能性能，具有广泛的工程应用背景和重要的学术研究价值。
　　 本文提出了根据操作者输入控制速度大小来调控负载口独立方向阀两端压差的变压差补偿的速度控制方法，相比传统的机液定压差负载补偿方法，该控制方法在输入控制速度较小时，降低了负载口独立方向阀两端的压差，减少了系统的速度控制增益，提高了系统的稳定和节能性，在输入控制速度较大时，增加了负载口独立方向阀两端的压差，提高了系统增益，改善了系统的快速性，在挖掘机动臂液压缸变速提升典型工况的实验结果表明，该控制方法可节能系统能耗8％以上。建立了负载口独立方向阀控挖掘机系统机液耦合模型和性能测试样机，并设计了控制器，提出了兼顾操控和节能性能的执行器工作模式选择的新方法，在挖掘机动臂下降时，动臂选用高压再生模式，该模式相比低压再生下降模式，提高了系统的阻尼，动臂下降速度控制实验结果表明，可降低速度超调20％以上；在挖掘机动臂和斗杆空载并同时运行时，动臂选用阻抗伸出模式，斗杆选用高压再生模式，相比统一选用阻抗模式，可提高系统的效率7％以上。提出了由平衡阀的延滞时间调节速度控制器闭环增益的变增益速度调控方法，该方法通过估计平衡阀的延滞时间，分段调节执行器速度控制闭环增益，在平衡阀缓慢开启阶段采用小增益速度控制器以减少速度超调，在平衡阀全开阶段采用大增益速度控制器来提高系统动态响应，双执行器同时运行的实验结果表明，采用该方法所获得的速度控制结果相比定增益控制方法减少了执行器速度控制超调40％。本论文的研究成果为应用负载口独立控制技术改善工程机械系统的操控和节能性能提供了理论支撑和工程应用示范。
　　 论文的主要结构如下：
　　 第一章，指出了论文的研究目的和意义，介绍了负载口独立控制技术的研究背景和国内外研究现状，确定了负载口独立方向阀控制系统关键技术的研究内容。
　　 第二章，主要设计了负载口独立方向阀控制系统不同工作模式下执行器压力、速度控制策略，选择适合于负载口独立方向阀控制系统工程应用的控制方法。分别仿真和实验比较了基于计算流量反馈的速度控制器和压力前馈和反馈相结合的压力控制器，基于反馈线性化模型的计算力控制器和自适应鲁棒速度控制器和自适应鲁棒压力控制器三种控制器的控制性能。
　　 第三章，拓展负载口独立方向阀控制系统的应用领域，研究了负载口独立方向阀控制技术与负载敏感技术相结合的控制策略，分析了当前负载敏感技术的控制特点，提出了根据操作者输入速度信号改变控制阀两端压差的变压差补偿的速度控制方法，改善了系统的节能性能；研究了负载口独立控制技术与闭中心负载敏感技术相结合的控制方法，提出了区分轻、重负载执行器模式选择的速度控制方法，并进行了单个执行器工作模式切换的实验研究，该方法为进一步改善系统的节能性能提供了条件。
　　 第四章，研究了多执行器同时运行时的负载口独立比例方向阀控制系统的速度控制特性，建立了双执行器负载口独立方向阀控制系统的同步模型并设计了控制器，对比传统的电液比例控制方向阀控制系统，比较了不同工况下执行器速度控制特性。研究带平衡阀的负载口独立方向阀控多执行器同时运行系统，提出根据平衡阀延滞时间来分段调节速度增益的速度控制方法，改善了带平衡阀支路的速度控制稳定性。
　　 第五章，设计了挖掘机负载口独立方向阀控制系统，建立了基于AMESim的系统机液耦合模型，研究了不同工作模式下，挖掘机动臂和斗杆油缸的速度控制方法，分析获得在动臂油缸处于上升速度控制时，宜采用阻抗伸出模式，而动臂油缸下降速度控制时高压再生下降模式比阻抗下降模式具有更好的速度控制稳定性。对动臂和斗杆油缸进行了同时上升和同时下降速度控制实验，应用第四章设计的负载口独立多执行器控制方法获得了较好的速度控制特性。
　　 第六章，概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需要进一步研究的工作和方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

论文物理量符号说明

第1章 绪论

1.1 负载口独立方向阀控制系统发展历程

1.1.1 负载口独立电液比例方向控制阀的概念及典型应用

1.1.2 负载口独立方向阀控制系统的国内外研究现状

1.1.3 负载口独立方向阀控制系统的关键技术

1.1.4 负载口独立方向阀控制系统的发展趋势

1.2 课题的背景和研究意义

1.3 课题主要研究内容

第2章 负载口独立方向阀控制系统控制策略

2.1 不同工作模式负载口独立方向阀控制系统执行器运动控制

2.1.1 工作模式的说明和定义

2.1.2 不同工作模式下执行器运动控制的方法

2.1.3 防止气穴现象的功能研究

2.2 负载口独立方向阀控制系统流量和压力控制策略对比分析

2.2.1 计算流量反馈的速度控制及压力前馈和反馈方法

2.2.2 计算力控制方法

2.2.3 自适应鲁棒控制方法

2.3 控制方法的实验验证

2.4 负载口独立方向阀结构参数对执行器控制特性的影响分析

2.5 本章小结

第3章 负载敏感负载口独立方向阀系统研究

3.1 前言

3.1.1 负载敏感系统概述

3.1.2 负载敏感系统在工程机械的应用

3.1.3 负载敏感系统仍存在的问题及解决方案

3.2 定量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统研究

3.2.1 定量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统的建模

3.2.2 定量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统的仿真分析

3.2.3 定量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统实验研究

3.3 变量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统研究

3.3.1 变量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统能耗建模

3.3.2 变量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统控制器的设计

3.3.3 变量泵负载敏感负载口独立方向阀控制系统实验验证

3.4 本章小结

第4章 负载口独立方向阀系统多执行器控制

4.1 多执行器运动控制的概述

4.1.1 多执行器同步运动的控制方法

4.1.2 带有安全平衡阀的系统稳定性分析

4.2 负载口独立方向阀控多执行器系统的控制器设计

4.2.1 多执行器复合运动负载口独立方向阀控制系统建模

4.2.2 多执行器负载口独立方向阀控制系统同步控制器的设计

4.2.3 多执行器同步运动仿真分析

4.3 考虑平衡阀的负载口独立方向阀系统多执行器运动控制

4.3.1 带平衡阀的双执行器同时运行速度控制器设计

4.3.2 带平衡阀的负载口独立方向阀控制系统的仿真实验

4.3.3 带平衡阀的负载口独立方向阀控制系统实验分析

4.4 本章小结

第5章 挖掘机负载口独立方向阎系统特性研究

5.1 挖掘机负载口独立方向阀控制系统的基本介绍

5.1.1 挖掘机实验系统液压原理

5.1.2 挖掘机负载口独立方向阀控制系统组成

5.1.3 挖掘机负载口独立方向阀控制系统电控单元

5.2 挖掘机负载口独立方向阀控制系统的仿真分析

5.2.1 挖掘机负载口独立方向阀控制系统仿真模型

5.2.2 不同工作模式下负载口独立方向阀系统速度控制仿真分析

5.2.3 动臀上升变速度控制负载敏感负载口独立方向阀系统仿真

5.2.4 挖掘机负载口独立方向阀系统动臂和斗杆复合运动仿真

5.3 挖掘机负载口独立方向阎控制系统的实验研究

5.3.1 不同工作模式下动臂斗杆速度控制

5.3.2 动臂负载敏感负载口独立方向阀控制系统特性研究

5.3.3 动臂和斗杆的复合运动实验研究

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表及录用的学术论文