混合动力系统离散变量控制液压冲击形成机理及其抑制方法研究

The hydraulic hybrid system has great potential in energy saving, but nowadays its generally used variable piston pump/motor has the disadvantages of slow response rate, poor anti-interference performance, poor reliability and extremely high cost. To solve these problems, we put forward a distributed variable displacement control according to the distributed control theory and the digital electronic technique. The hydraulic impacts and body buffetings should be solved first to improve control quality. In this project, we plan to optimize the inner geometry construction of hydraulic manifold block according to flow field analysis; grasp the hydraulic impact formation mechanism and the response regularity in discrete variable system by establishing total flow mathematical model and dynamic model of reversing valve group; observe the capacitive and inductive loads’ effects on body buffeting through hydraulic hybrid vehicle kinematics simulation model analysis; and according to theory analysis, establish control algorithm to restrain hydraulic impact in distributed variable control and parameters matching rule to eliminate body buffeting. The proposed research will offer a theoretical basis for realizing full digitalization of hydraulic system, and develop a new approach to the hybrid and energy saving technique in hydraulic system.

液压混合动力系统具有极大的节能潜力，目前普遍采用的柱塞式变量二次元件响应速度慢，控制信号易受干扰，可靠性差且成本极高。为解决这些问题，课题组参照离散控制理论及数字电子技术提出了液压离散变量控制方式。为了提高控制品质，首先必须解决液压冲击及系统抖振等问题。本项目拟通过对集成阀块内部的流场分析优化其几何结构；建立总流数学模型和换向阀组动态模型分析离散变量液压冲击形成机理及其响应规律；建立混合动力车辆仿真模型分析液压冲击输入下系统容性和感性负载参数对系统抖振的影响；根据理论分析构建抑制离散变量控制中液压冲击的控制算法，制定参数匹配原则以消除由于液压冲击造成的离散变量液压混合动力车辆抖振现象。本研究为实现液压系统的全数字化控制提供了理论基础，为液压混合动力技术及液压系统节能技术的深入推广探索了新的途径。

近年来，数字液压技术成为液压控制领域中的研究热点，采用离散的液压元件，通过矩阵式开关控制方式，可以替代统液压系统很多采用模拟控制方式的变量元件。本课题提出的液压离散变量控制即属于一种数字液压控制方法，在响应速度、抗干扰、抗污染、低成本等方面都具有显著的优势。然而，由于离散变量控制采取阶梯拟合的方式实现排量调节，在阶梯变化过程中存在流量不连续，从而造成压力冲击和系统的抖振。.首先建立了离散变量控制系统的数学模型，通过数学推导，发现产生压力冲击的根本原因，是开关控制截断效应造成的流量突变与系统感性环节相互作用造成的液体激波现象。由于实际液压系统中感性、容性元件参数不确定，因此本课题中集中研究离散变量单元本体部分的压力冲击问题。仿真和实验对比发现，实际系统压力冲击比理想开关阀状态下小，进一步分析原因是开关阀响应速度造成实际存在的中间状态。在实验和仿真过程中还发现排量组合信号发出后，压力冲击与排量大小不成正相关关系，通过数学模型分析证明由于开信号和关信号造成的压力冲击方向相反，大小取决于流量的变化梯度。因此提出了时序控制策略，通过优化算法主动将排量开关信号进行顺序分解，使得不同响应的控制阀尽可能产生压力冲击抵消状态，从而降低压力冲击。仿真和实验表明，采用该策略后，压力冲击平均可以降低35%，具有明显的效果。.在将离散变量元件应用于混合动力系统中时，我们意识到液压泵/马达的双模式可逆工作特性可以扩展离散变量系统的控制范围，即将最初的正叠加组合控制逻辑扩展为正负叠加组合控制逻辑。由于引入了“减法”控制，从而使得排量拟合分辨率可以在相同组合单元数量的情况下大幅提高，或用更少的组合单元实现相同的拟合分辨率，这两种效果对系统的实现均具有重要的实用价值。通过仿真模拟实验发现，这一双模式控制策略有效。