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第15届斯堪的纳维亚流体动力国际会议，SICFP#39;17，2017年6月7日至9日，瑞典Linkouml;ping
数字液压系统零流量切换控制方法
彭霜
武汉工业大学机械与机电工程学院，中国武汉，电子邮箱：dung.peng@whut.edu.cn
摘要
近几十年来，数字液压技术以其功耗低、可控性好、抗污染能力强等特点成为液压领域的新趋势。在一些数字液压系统中，采用了脉宽调制（PWM）控制器来调节系统流量。因此，频繁开关引起的压力脉冲和开关功率损耗成为数字液压系统的挑战。在这项工作中，它的目标是开发一个控制系统，当通过阀门的流量值为零时，数字阀总是关闭。本文介绍了一种零流量开关（ZFS）控制系统在典型二阀数字液压系统中的应用。本文介绍了其工作原理和数学模型。仿真结果表明，与硬开关控制系统相比，ZFS控制系统的开关功耗为14.7%。由此可见，ZFS控制方法可以很好地解决数字液压系统频繁切换引起的压力脉冲和开关功率损失问题。
关键词：零流量切换（ZFS）、数字液压、节能。
1、介绍
1988年，MUTO为液压执行器提出了一种带脉宽调制控制的双向电磁阀系统[1]。近几十年来，由于数字液压系统具有更高的效率性能和更好的控制方法特性，因此对其进行了越来越多的研究。2000年，Mattila发布了一个双阀执行器，而不是伺服液压系统，以驱动负载为620kg的机械臂[2]。所设计的执行机构节省了总输入能量的15%。彭老师比较了四种不同配置的数字液压系统的性能[3]。结果表明，双阀数字液压系统比其他系统具有更好的节能性能。然而，压力脉冲是这种数字液压系统应用的主要挑战。当数字阀在高压大流量下突然关闭时，会产生较大的压力脉冲。在这一过程中，能量会被浪费，因为开关损耗和压力脉冲会降低系统响应的准确度。ZFS控制方法是在通过阀门的流量降至零[4-5]时关闭阀门。在前面的工作中，ZFS控制方法只是在没有气缸负载的情况下进行建模。因此，旧型号中不包括气缸的动态电容。本文提出了一种改进的零流量切换（ZFS）控制方法。双阀数字液压系统。为了更好的可控性，还包括来自负载气缸的电容。本文的组织结构如下。第二节介绍了ZFS控制系统在典型二阀数字液压系统中的工作原理和数学模型。第3节给出了测试系统的模拟结果。
2、A ZFS数字液压系统
本文介绍了一种典型的双阀数字液压系统（如图1所示）。在此系统中，阀1和阀3用于控制流向。两个流动路径分别由白色/黑色箭头表示。在ZFS控制系统中，辅助管路（谐振管路）与阀1平行安装（如图2所示）。利用常规泵输出压力中的小振幅波作为谐振线的激励。当气缸缩回时，油液作为白色箭头导向，阀3在低压下工作，开关损耗很小，压力脉冲可以忽略；当气缸伸出时，油液沿着黑色箭头流动。在此过程中，阀1和阀2在供应压力下工作。压力脉冲大，开关功率损失大。因此，本文设计了一种ZFS控制单元。ZFS单元包含两条平行线：一条由阀1组成；另一条为辅助线，包括阀2、液压电容和液压电感。阀1是主控制阀，负责调节延伸时气缸的流量。当阀1即将关闭时，附件管路开始工作，直到阀1和阀2在零流量时刻关闭。
F
A
B
阀 1
Q1
QS
阀3
供给侧压力
P2A2
P1A1
图1带两个数字阀的数字液压系统示意图
1
F
A
B
阀 3
阀 1
阀 2
N
Hydraulic Hydraulic Inductance Capacitance
供给侧压力
Tank
P2A2
P1A
图2:ZFS数字液压系统示意图。
2.1延伸过程的工作原理
当气缸伸出时，阀1在高压下工作，因此设计了附件管路，使阀在零流量时刻关闭。延伸运动系统的示意图如图3所示。关闭过程分为四种模式。
PA
PB
Valve 1
Q1
Valve 2
QS
N
C
Suppl y Pres sure
L
Q2
图3:ZFS装置示意图
模式1
在模式1中，阀1打开，阀2关闭。阀1作用于调节负载的主控制阀。
模式2
在模式2中，阀2打开，而阀1仍保持打开。供给侧和RLC振荡器（如图4所示）都向负载提供流量。
L
RLC Resonator
C
正弦流速 正弦压力
图4：液压RLC谐振器
模式3
当RLC振荡器输出的正弦流量的瞬态值等于所需的QA值时，从供给侧和气缸的杆侧流出的流量被抵消，系统切换到模式3：阀1在零流量时刻关闭，附属线路独立提供负载。
在该模式中，共振流速逐渐减小；当它振荡回零后，它流向相反的方向。
模式4
当其值等于QB Qsmax时，附件管线的流量为零。然后阀2关闭，系统在模式4下工作。
阀门的状态矩阵如表1所示。表1阀门状态矩阵
|
Operating Modes |
Valve 1 |
Valve 2 |
|
Mode 1 |
ON |
OFF |
|
Mode 2 |
ON |
ON |
|
Mode 3 |
OFF |
ON |
|
Mode 4 |
OFF |
OFF |
2.2延伸过程的数学模型
系统的供给压力为
PS = PS0 Psa·sin(omega;t) （1）
系统在模式1下作为常规差分系统工作
QS = QA - QB （2）
在模式2和模式3中，谐振器参与驱动系统。提出了模式2和模式3的数学模型，分析了系统的性能。这些模型假设如下：
阀1和阀2的孔开口形状和尺寸相同；
在一定流量范围内，1阀和2阀的压力与流量特性呈线性关系：r=p/q；阀1和阀2的流量与开启面积特性呈线性关系。
模式2
在此模式下，主线和附件线都在工作（如图5所示）。气缸的回流和来自供给侧的流量汇合在一起，然后均匀地分为主管道和附件管道。同时，RLC谐振器开始产生谐振流速Qres。
Q1 = 1/2（QS QB） （3）
Q2 = 1/2（QS QB） Qres （4）
Qres = Psa/RC·sin（omega;t） （5）
frac12;(QS QB)
QS
PN
PB
PA
Suppl y
Pres sure
1/2(QS QB) Qres
图5：模式2的系统示意图
阀门2打开后，
QS = QA - QB - Qres （6）
然后QS随着Qres从零增加而减小（如图6中的红线所示）。
图6：模式2中的共振流速
当谐振流量Qres达到QA时，QS降至零，QB也由泵的溢流阀释放。假设Qres（t*）=Qa。在t=t*的时刻，系统行为是复杂的。这里讨论了t=t*前后的系统行为。
此时系统t=t*-1/infin; ,当时间即将达到t*时，Qres将要达到QA。
Qres 1/infin; =QA (7)
因此
PN＜PS (8)
PA
Pb
1/infin;
PS/QS=0
PN
Qres 1/infin;=QA PNlt;PS
Suppl y
Pres sure
PA/QA
Qres 1/infin;
图7:t=t*-1/infin;时的系统示意图
此时，两条线仍在工作，如图7所示。
当时间刚好在t*之后时，系统在t=t* 1/infin;时，Qres比QA大一点，QA为
Qres 1/infin; = QA Qsmax （9）
然后无杆侧腔的实际流量比所需流量（QA）大，结果
PN＞PS （10）
流体不能通过主管道流向无杆侧腔，因此
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