一种智控液压系统及智控液压系统的功能回路仿真建模方法与流程

1.本发明涉及液压技术领域，具体涉及一种智控液压系统及智控液压系统的功能回路仿真建模方法。


背景技术：

2.随着ai技术的发展，人类为应对越来越复杂多变的自然环境或者灾难，需要大功率的施工设备，例如，液压挖掘机等。但是发生灾难的地区往往伴随着许多危险情况，考虑人员安全，发展远程遥控挖掘机或者自动驾驶挖掘机成为一种趋势。
3.通常的遥控或自动驾驶技术通常采用步进电机等易于数字化控制的电气元件，但步进电机等电气元件的功率密度与液压技术相比较小，难以满足狭小空间下大功率密度的施工救援，而液压具有“个小劲儿大”的功率密度，因此，为了能与ai技术衔接，发展数字液压或液压数字孪生技术也必然成为一种趋势。
4.目前对于数字液压业内有两种观点，一种是将液压系统中的流量通过高速开关阀离散为可控的数字量，以方便数字化控制；另一种是通过数字电气控制液压元件的主要参数(如：泵的排量、马达的排量、阀的开度、液压缸的位移、速度)，称为数字液压。
5.这两种液压数字化技术，一种由于高速开关阀技术的限制，难以实现大流量的工程液压技术的需要；另一种由于工作介质温度或密度的变化，整体目标需求(如液压油缸不仅需要位移准确，也需要输出功率适应负载并可调整)控制的准确度难以实时调整。
6.液压数字孪生技术主要是通过对液压原件或系统的仿真计算，能够镜像或反映液压原件或系统的现状，或者对未来液压原件或系统持久工作的潜力进行预估和评价。
7.通常，液压数字孪生的仿真技术，对于运行在复杂灾难现场的液压系统的仿真难度大偏差大，不如通过传感技术检测的数据准确，更能实现远程的液压系统的正确或准确调控。为此，潍坊嘉腾液压技术有限公司发明了“一种液压多参数(液压压力、温度、压力脉动、流量计流量脉动)复合检测的管接头”等传感器，对液压功能元件(液压泵、液压缸、液压马达)进出油口的油液p和流量q等可进行实施数据采集，这样液压元件的进出口的功率密度pq就可以及时掌握，为ai智控的液压系统提供了眼睛，也为有效实时修正数字孪生的液压挖掘机的寿命预测或运维提供了有力的支持。
8.但是，一个智控液压系统只有眼睛还是不行的，主要起执行单元也需要精确可控才是主要的。而液压挖掘机的主要执行单元主要有两种：一是液压油缸，二是液压马达，其智控系统必然分为以执行单元为主的液压控制回路，但由于这些执行单元所连接的负载变化难以量化(具有规律的功率谱)，实际负载的变化无规律，也经常伴有冲击载荷，而这种冲击载荷通过液压马达的油路造成对系统的冲击，而这种冲击难以仿真和控制，从而造成液压工作的不平稳。
9.随着技术的发展，用电路拟合仿真的液压系统中有了具有明显感抗液阻的液压元件，可以有效用来抑制液压系统中执行元件压力或流量脉动对系统动态特性的影响，为液压系统的建模提供了元件支撑，从而使得液压系统可以控制。
10.但这些以执行单元(液压油缸、液压马达)为主的液压控制回路没有一种简洁的仿真模型用于智控液压系统的仿真计算。因此，急需发明一种简洁易懂、可靠的仿真建模，并借助实时流量和压力的检测技术的反馈，以便有效控制执行单元(液压油缸、液压马达)精准工作。
11.目前常规液压系统，通常是由泵、控制阀、液压执行元件(液压缸、液压马达)组成的静压传动，通常包括控制系统压力的溢流阀，速度控制的节流孔(或阀)等，而溢流阀的工作原理也是借助流回油箱的节流口大小的控制，所以，液压系统的节流损失较大，油液温升较大；而且，因使用的液压控制阀数量多，控制阀位的开度与实际流量或压力一般无线性关系，所以，执行单元(液压油缸、液压马达)难以实际精准调控工作。
12.故而，急需一种新型的液压系统，可实现执行单元(液压油缸、液压马达)精准调控。同时，需要结合数字变量泵、流量高速开关阀技术的发展，借助软件开发、数字仿真、云计算等的发展，发明一种新型智控液压系统和功能回路仿真建模法，减少仿真计算的繁琐，用于远程灾难救援的指控液压挖掘机等工程机械上。
13.因此，发展一种用于灾难现场实施救援的数字化智控液压系统势在必行。


技术实现要素：

14.本发明的一个目的是提供一种智控液压系统，以解决上述技术问题中的至少一个技术问题。本发明的另一个目的是提供上述智控液压系统的功能回路仿真建模方法。
15.本发明所提供的一种智控液压系统是通过以下技术方案实现的：
16.一种智控液压系统，包括：变量泵，所述变量泵的排量能够调控；动力源，所述动力源为所述变量泵提供动力；液压执行单元，所述液压执行单元包括液压执行元件以及设置于所述液压执行元件的进油口和/或出油口处的高速开关阀组，所述高速开关阀组包括多个能够独立启闭的开关阀，通过调整所述开关阀的开启数量能够调节所述液压执行元件的进油口和/或出油口处液压油流量的大小或油压的高低；多参数检测集成复合传感器，所述变量泵的泵入口和泵出口、所述液压执行元件的进油口和出油口处均设置有所述多参数检测集成复合传感器，所述多参数检测集成复合传感器至少能够检测流量和压力信号；以及控制单元，所述控制单元能够接收所述多参数检测集成复合传感器检测到的信号，并依内部程序或手动操作调整所述液压执行元件的进油口或出油口处的高速开关阀组的开关阀的开启数量、所述变量泵的排量、所述动力源的输出功率中的至少一个，以适应所述液压执行元件的负载端的负载变化。
17.本发明中的智控液压系统还具有下述附加技术特征：
18.所述动力源为柴油机、汽油机、燃气机或电动机，通过电气化或数字化调控所述柴油机或所述汽油机供油、所述燃气机供气、或者调控所述电动机加大电流或电压，以调控所述动力源的输出功率。
19.所述变量泵为径向柱塞泵或轴向柱塞泵，且所述变量泵的排量的调控能够电气化或数字化操控。
20.所述多参数检测集成复合传感器还包括检测仪，所述检测仪能够将所述多参数检测集成复合传感器检测信号转化为数字信号并传递至所述控制单元。
21.所述高速开关阀组为由数字信号控制的高速开关阀组。
22.所述液压执行元件为液压油缸；或者，所述液压执行元件为液压马达，且所述液压马达的进油口与所述高速开关阀组之间设置有第一螺旋管，和/或所述液压马达的出油口与所述高速开关阀组之间设置有第二螺旋管。
23.本发明还提供了一种智控液压系统的功能回路仿真建模方法，所述智控液压系统为如上所述的智控液压系统，所述功能回路仿真建模方法包括：将所述多参数检测集成复合传感器检测到的流量、压力信号拟合为电路中的电流i和电压u；将所述高速开关阀组中的各所述开关阀拟合为电路中的各开关电阻，各所述开关电阻包括一个电阻及与该电阻串联的开关；对于对应同一所述进油口或所述出油口由多个所述开关阀并列启闭油口开度大小的高速开关阀组的组成拟合为由多个所述开关电阻并联形成的并联电路；通过上述拟合，以将所述液压执行元件的流量信号拟合为电流信号进行仿真，将压力信号拟合为电压信号进行仿真，将压力信号和流量信号的所反映的功率信号拟合为电功率信号进行仿真，通过调整仿真电路中的电流信号或电压信号或电功率以适应所述液压执行元件的负载端的速度或负载变化。
24.所述液压执行元件为液压油缸，将所述液压油缸拟合为电路中的变压器进行仿真。
25.所述液压执行元件为液压马达，且所述液压马达拟合为电路中的可变电阻进行仿真；且当所述压马达的进油口与所述高速开关阀组之间设置有第一螺旋管，和/或所述液压马达的出油口与所述高速开关阀组之间设置有第二螺旋管时，将所述第一螺旋管和第二螺旋管分别拟合为电路中并联的电容c和电感l的lc并联电路进行仿真。
26.所述第一螺旋管和第二螺旋管在计算仿真中的固有频率为lc开平方，且所述第一螺旋管和所述第二螺旋管仿真拟合的感抗l和容抗c的设定，根据所述多参数检测集成复合传感器对数据的历史采集和计算设定。
27.由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
28.1.本发明所提供的一种智控液压系统采用变量泵能够及时调控排量，以及高速开关阀组的设置能够有效调整进出液压执行元件的液压油的流量的大小以及油压的高低以应对不同的负载要求。
29.多参数检测集成复合传感器可实时监控执行单元的进出油口的油液p和流量q等可进行实施数据采集，这样液压元件的进出口的功率pq就可以及时掌握，并进行及时反馈，以消除仿真或计算误差，也为有效实时修正数字孪生液压挖掘机的寿命预测或运维提供了有力的支持。
30.此外，本发明还能够降低对阀品种数量、常规换向阀中位机能的阀芯遮盖量的要求，降低液压系统的整体成本，并将关注点集中在液压系统整体的目标需求上，使液压传动控制大为简化，让用户不必再关心什么是p i d、什么是频响、什么是阀口增益等等复杂的器件特性，减少对液压元件仿真依赖，易于工程技术人员掌握，并且数字化的流量分配，实现ai功率元控制。
31.2.作为本发明的一种优选实施方式，所述变量泵为径向柱塞泵或轴向柱塞泵，且所述变量泵的排量的调控能够电气化或数字化操控。柱塞泵具有较高的配合精度，密封性能好，在高压工作仍有较高的容积效率，只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量，通过因此能够更好的提供高功率密度，而且通过电气化或数字化进行操控能够有效
提高工作效率。
32.3.作为本发明的一种优选实施方式，所述多参数检测集成复合传感器还包括检测仪，所述检测仪能够将所述多参数检测集成复合传感器检测信号转化为数字信号并传递至所述控制单元。检测仪能够将传感器检测出的流量、压力等信号转化为数字信号传递至控制单元，便于用户以及控制单元及时对数据进行读取以及收集并作出相关应对操作。
33.4.作为本发明的一种优选实施方式，所述液压执行元件为液压油缸；或者所述液压执行元件为液压马达，且所述液压马达的进油口与所述高速开关阀组之间设置有第一螺旋管，和/或所述液压马达的出油口与所述高速开关阀组之间设置有第二螺旋管。螺旋管的应用使得用电路拟合仿真的液压系统中有了具有明显感抗液阻的液压元件，可以有效用来抑制液压系统中执行元件压力或流量脉动对系统动态特性的影响，为液压系统的建模提供了元件支撑，从而使得液压系统可以控制。
34.5.本发明所提供的一种智控液压系统的功能回路仿真建模方法，由于上述智控液压系统具有上述技术效果，上述智控液压系统的功能回路仿真建模方法也应具有同样的技术效果，在此不做详细介绍。
附图说明
35.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在本附图中：
36.图1为本发明所提供的一种实施方式下的智控液压系统的液压原理图；
37.图2为本发明所提供的一种实施方式下的液压马达的部分原理图；
38.图3为本发明所提供的一种实施方式下的液压油缸的部分原理图；
39.图4为本发明所提供的一种实施方式下的液压油缸的功能回路仿真模型；
40.图5为本发明所提供的一种实施方式下的液压马达的功能回路仿真模型。
41.附图标记：
42.10-控制单元；20-动力源；30-变量泵；40-液压油缸；50-液压马达；60-高速开关阀组；61-开关阀；62-开关电阻；63-开关；64-变压器；65-可变电阻；70-多参数检测集成复合传感器；71-检测仪；80-二位二通电磁换向阀；90-高速开关阀组总线；100-控制输入功率总线；110-数字总线；120-控制泵排量数字总线；130-光缆；140-电控安全阀；150-过滤器；160-散热器；170-第一螺旋管；180-第二螺旋管。
具体实施方式
43.为了更清楚的阐释本技术的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
44.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
45.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除
非另有明确具体的限定。
46.如图1-3所示，本发明所提供的一种智控液压系统，包括：
47.变量泵30，所述变量泵30的排量能够调控，调控的方式为所述控制单元10发出的数字信号或者模拟信号，当所述变量泵30接收到所述控制单元10发出的信号之后能够通过调节内部阀的开度或者调整内部叶轮直径等方式实现排量的调控。
48.动力源20，所述动力源20与所述变量泵30结合，为所述变量泵30提供动力，用于对油箱内的液压油加压，以使液压油进入所述液压执行元件。
49.液压执行单元，所述液压执行单元包括液压执行元件以及设置于所述液压执行元件的进油口和/或出油口处的高速开关阀组60，所述高速开关阀组60包括多个能够独立启闭的开关阀61，通过调整所述开关阀61的开启数量能够调节所述液压执行元件的进油口和/或出油口处液压油流量的大小或油压的高低，例如，当系统不能满足负载要求时，增加设置于液压执行元件进油口处的开关阀61的开启数量，使得液压油流入进油口的流量增大以及使得液压执行元件内进油腔的油压增高，进而使得功率密度pq增大；或者增加设置于液压执行元件出油口处的开关阀61的开启数量，使得液压油流出出油口的流量增大以及使得液压执行元件出油腔的油压增高，进而使得功率密度pq增大；亦或者同时增加进油口和出油口处开关阀61的开启数量以使功率密度增大效果加强。作为优选，高速开关阀组60的驱动为音圈电机控制，具有速度快，动力大的效果。开关阀61的阀芯的结构应能保证压力油的平衡，便于快速开启。
50.多参数检测集成复合传感器70，所述变量泵30的泵入口和泵出口、所述液压执行元件的进油口和出油口处均设置有所述多参数检测集成复合传感器70，所述多参数检测集成复合传感器70至少能够检测流量和压力信号，当然还可以增设温度信号检测等，所述多参数检测集成复合传感器70对液压功能元件(液压泵、液压缸、液压马达)进出油口的油液p和流量q等可进行实施数据采集，这样液压元件的进出口的功率pq就可以及时掌握，为ai智控的液压系统提供了眼睛，也为有效实时修正数字孪生的液压挖掘机的寿命预测或运维提供了有力的支持。与仅具有单一检测功能的流量传感器或者压力传感器相比，多参数检测集成复合传感器70集成了两个及以上的检测不同物理量的传感器70单元，这些传感器的单元信号可以各自单独输出信号，高级的则由组合体中嵌入的处理器测量后按照规定的格式集中输出。
51.控制单元10，所述控制单元10能够接收所述多参数检测集成复合传感器70检测到的信号，依内部程序或手动操作整所述液压执行元件的进油口或出油口处的高速开关阀组的开关阀61的开启数量、所述变量泵30的排量、所述动力源20的输出功率中的至少一个，以自适应所述液压执行元件的负载端的负载变化。具体而言，在上述通过预先设定的内部程序调整时，可以通过高速开关阀组总线90调整所述液压执行元件的进油口或出油口处的高速开关阀组的开关阀61的开启数量、通过控制泵排量数字总线120控制所述变量泵30的排量、通过控制输入功率总线100控制所述动力源20的输出功率中的至少一个，以适应所述液压执行元件的负载端的负载变化。所述控制单元10可以为为plc或者是计算机采集和控制系统。
52.而作为本发明的一种优选实施方式，所述控制单元10接收所述多参数检测集成复合传感器检测到的信号，根据内部程序并依次调整所述液压执行元件的进油口或出油口处
的高速开关阀组的开关阀61的开启数量、所述变量泵30的排量、所述动力源20的输出功率中的至少一个，以适应所述液压执行元件的负载端的负载变化。即调整时按照仿真顺序执行，首先调整高速开关阀组的开关阀61的开启数量，在该调整下若能适应负载变化，则无需进行其它操作，在该调整下若依然无法适应负载变化的前提下，再调整变量泵的排量。同理，在调整变量泵的排量的条件下若能适应负载变化，则无需进行其它操作，若调整变量泵后若依然无法适应负载变化，再调整动力源的输出功率。
53.本发明所提供的智控液压系统还包括设置于变量泵30的泵入口和油箱之间的过滤器150，能够过滤油箱中的杂质；设置于进油路中的电控安全阀140以应对极端环境及负载要求；以及设置于回油路中的散热器160，以对回油路中的液压油经散热之后再排进油箱。
54.本发明所提供的智控液压系统，还能够降低对阀品种数量、常规换向阀中位机能的阀芯遮盖量的要求，降低液压系统的整体成本，并将关注点集中在液压系统整体的目标需求上，使液压传动控制大为简化，让用户不必再关心什么是p i d、什么是频响、什么是阀口增益等等复杂的器件特性，减少对液压元件仿真依赖，易于工程技术人员掌握，并且数字化的流量分配，实现ai功率元控制。
55.如图1所示，本发明所提供的智控液压系统设置有二位二通电磁换向阀80，用于调换所述液压油的流向，以完善系统往返功能，所述二位二通电磁换向阀80通电时，其主阀门打开，所述泵出口连通进油管路，回油管路连通油箱；所述二位二通电磁换向阀80断电时，其主阀门关闭，所述泵出口连通回油管路，进油管路连通油箱；或者，所述二位二通电磁换向阀80通电时，其主阀门打开，所述泵出口连通回油管路，进油管路连通油箱；所述二位二通电磁换向阀80断电时，其主阀门关闭，所述泵出口连通进油管路，回油管路连通油箱。
56.作为本发明的一种优选实施方式，所述动力源20为柴油机、汽油机、燃气机或电动机，通过电气化或数字化调控所述柴油机或所述汽油机供油、所述燃气机供气、或者调控所述电动机加大电流或电压，以调控所述动力源20的输出功率。不同动力输出机器各有优缺点，可以根据实际工况选用合适的机器作为动力源。电气化控制实用性强，具有手动、电动等控制方法，在系统的运行过程中，可以针对不同的情况采取与之相对应的方法和策略进行处理，具有准确、高效、实时监控和安全性能高等特点。数字化控制技术具有更快速的控制性能，很高的灵活性以及可编程程度更高。
57.作为本发明的一种优选实施方式，所述变量泵30为径向柱塞泵或轴向柱塞泵，且所述变量泵30的排量的调控能够电气化或数字化操控。柱塞泵是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积的变化来实现吸油与压油的液压泵，与齿轮泵和叶片泵相比，这种泵有许多优点：首先，构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到较高的配合精度，密封性能好，在高压工作仍有较高的容积效率；第二，只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量；第三，柱塞泵中的主要零件均受压应力作用，材料强度性能可得到充分利用。由于柱塞泵压力高，结构紧凑，效率高，流量调节方便，故在需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类，其调节流量的偏心量或者斜盘角度应可以由数字通过电信号转化控制。
58.作为本发明的一种优选实施方式，所述多参数检测集成复合传感器70还包括检测
仪71，所述检测仪71能够将所述多参数检测集成复合传感器70检测信号转化为数字信号并传递至所述控制单元10。所述检测仪71为多参数检测仪71，设置于多参数检测集成复合传感器70和控制单元10之间，并用光缆130连接多参数检测集成复合传感器70，用数字总线连接检测仪71和控制单元10，以将多参数检测集成复合传感器70检测出来的且难以直接读取的信号进行转化为数字信号并传递至控制单元10，用户可以直接读取并采集该数字信号。
59.作为本发明的一种优选实施方式，所述高速开关阀组60为由数字信号控制的高速开关阀组。高速开关阀组的数字化具有很多优点，可以直接与控制单元接口，不需要a/d转换器，而且结构简单、工艺性好、抗污染能力强、重复性好、工作稳定可靠、性价比高。
60.进一步地，所述液压执行元件为液压油缸40；或者所述液压执行元件为液压马达50，且所述液压马达50的进油口与所述高速开关阀组60之间设置有第一螺旋管170，和/或所述液压马达50的出油口与所述高速开关阀组60之间设置有第二螺旋管180。螺旋管结构能够将液压管路中产生的压力脉动的冲击动能转化成螺旋管的势能，并将压力脉动中多余的能量储存在螺旋管的弹性变形中，螺旋管能够随压力脉动进行伸缩而平衡压力脉动，减少脉动沿管路传播，同时螺旋管用于智控液压系统中使其具有明显感抗液阻的液压元件，可以有效用来抑制液压系统中执行元件压力或流量脉动对系统动态特性的影响，为液压系统的建模提供了元件支撑。
61.本发明提供的智控液压系统的功能回路仿真建模方法，将所述多参数检测集成复合传感器70检测到的流量、压力信号拟合为电路中的电流i和电压u；将所述高速开关阀组60中的各所述开关阀61拟合为电路中的各开关电阻62，各所述开关电阻62包括一个电阻及与该电阻串联的开关63；对于对应同一所述进油口或所述出油口由多个所述开关阀61并列启闭油口开度大小的高速开关组60的组成拟合为由多个所述开关电阻62并联形成的并联电路。通过上述拟合，以将所述液压执行元件的流量信号拟合为电流信号进行仿真，将压力信号拟合为电压信号进行仿真，将压力信号和流量信号的所反映的功率信号拟合为电功率信号进行仿真，通过调整仿真电路中的电流信号或电压信号或电功率以适应所述液压执行元件的负载端的速度或负载变化。
62.可选地，如图4所示，所述液压执行元件为液压油缸40，将所述液压油缸40拟合为电路中的变压器64进行仿真。具体的，将液压油缸40与负载连接的活塞或缸筒的进油端拟合为变压器主线圈，所述主线圈的一端与连接高速开关阀组60的进油口连接，另一端串联一接地的可变电阻；将液压油缸40与出油端的缸筒或活塞拟合为变压器副线圈，所述副线圈的一端与连接高速开关阀组60的出油口连接，另一端直接接地。将变压器两端的线圈分别对应油缸的两个油口与活塞之间的两个油腔，主线圈的高压端连接高速开关阀组60，副线圈的感应高压端为接地工况，变压器两端的线圈之一中的电流仿真对应油缸中某一腔中的油液流量，线圈中的电压仿真对应该腔中的油液压力。
63.可选地，如图5所示，所述液压执行元件为液压马达50，且所述液压马达50拟合为电路中的可变电阻65进行仿真；且当所述压马达的进油口与所述高速开关阀组60之间设置有第一螺旋管170，和/或所述液压马达50的出油口与所述高速开关阀组60之间设置有第二螺旋管180时，将所述第一螺旋管170和第二螺旋管180分别拟合为电路中并联的电容c和电感l的lc并联电路进行仿真。
64.进一步地，所述第一螺旋管170和第二螺旋管180在计算仿真中的固有频率为lc开
平方，且所述第一螺旋管170和所述第二螺旋管180仿真拟合的感抗l和容抗c的设定，根据所述多参数检测集成复合传感器70对数据的历史采集和计算设定。
65.本发明中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。
66.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。