恒压网络二次转速、转矩调节

　　1　引言

　　在液压动力传动领域,近年来发展了一种新的传动技术—二次调节。该原理从七十年代末由德国国防大学Nikolaus教授提出以来,得到很大发 展,并成功地应用于许多领域,如车辆传动、试验技术、冶金、造船等。在传统的液压静压能量传递中,是通过控制系统的流量来驱动二级单元的,或采用无节流元 件的原级单元排量控制,或通过比例阀或伺服阀节流控制,或采取类似的方法在能量传递链上进行控制。而在新型的二次调节系统里,由恒压泵、蓄能器组成的恒压 油源提供压力基本恒定的油源,系统压力基本恒定,而不取决于负载。进入液压马达(二次元件)的流量由马达转速和负载转矩决定。二次调节的基本原理是:通过 二次元件的排量变化来适应负载转矩的变化。网络压力保持基本不变,这样,系统的液压时间常数对二次元件的动态品质就几乎没有影响。应用二次调节原理可以对 二次元件的输出转速、输出转矩、旋转角度及输出功率进行方便、精确的调节。二次调节的主要优点是:可以使多个负载并联于恒压网络同时工作而互不影响;液压 能的回收与再利用,可以减少装机容量和避免制动发热,显著提高系统的效率;扩大了系统的工作区域,改善了系统的控制特性。

　　2　二次转速调节

　　二次调节的基本型式是二次转速调节,在实际应用中,二次转速调节的应用最为广泛。该调节系统如图1所示。二次元件(液压马达)工作在恒压网络, 其输入流量Q2正比于其输出转矩与转速之积。二次转速调节的原理是:当改变二次元件的输出转速或二次元件的负载转矩发生变化时,二次元件的输出转速就要发 生变化,实际输出转速与设定转速就不相符,它们的差值通过控制器驱动伺服阀或比例阀,伺服阀输出流量控制变量油缸的位移,而变量油缸的移动将改变二次元件 的斜盘倾角,二次元件的排量随斜盘倾角的变化而变化,二次元件排量的变化将使二次元件的输出转矩也随之变化,最终使其输出转矩和负载转矩相一致。例如,当 负载转矩增大,输出转矩小于负载转矩,二次元件的转速必然下降,实际转速小于设定转速,这两个转速之差通过控制器驱动伺服阀,增大变量油缸的位移,也就是 增大了二次元件的排量,其输出转矩随之增大,从而使驱动转矩和负载转矩相符,转速恢复到设定值,二次元件又在设定转速下运行。二次转速调节可以采用液压控 制,电液控制等方案。电液控制二次转速调节系统数学模型建立如下:

　　(1)电液伺服阀流量方程:

　　实际应用中,控制器输出部分与伺服阀接成电流负反馈形式,这样可以使伺服阀本身的响应频率提高许多,与变量油缸的固有频率相比也高得多,因此常 常将伺服阀看成比例环节。将以上(1) ~ (7)简化整理,可得图2所示的二次转速调节系统方块图。在恒压网络里,二次元件的最大输出转矩受系统压力限制,但不限制其最大转速。为了防止出现超速事 故,必须设置先导控制单向阀使二次元件在超速时从恒压网络中分离出来。由于二次调节系统的阻尼很小,必须设计合适的控制器来使系统稳定工作。为此,作者提 出了一种变结构PID控制策略,实践证明是行之有效的。由于二次元件在零位时存在死区,即二次元件处于中位时,其起动力矩很大,为了加快动态响应过程,希 望在起动过程中,二次元件尽快离开中位,处于最大排量状态,保持最大转矩下起动,直到转速超过设定转速时,控制器采用PD控制规律,当实际转速接近要求转 速时,采用PI调节,以求静态偏差为最小,这样可使系统的快速性和稳定性统一起来。为了改善系统的特性,可以将变量油缸位移y(或斜盘倾角)反馈回来组成 局部小闭环,如图2虚线部分所示。在具有变量油缸位移反馈的情况下,必有稳态速度偏差,故需要加微分补偿。通过分析可知,加入局部校正,可以提高系统的瞬 态响应特性(增大阻尼比),但系统的闭环速度刚度略有下降。通过合理选择控制策略和控制参数,可以使其闭环速度刚度影响不大的情况下,能提高系统的动态响 应特性。