主动调压式CPR环境下的液压系统节能机理及其控制研究

Efficiency enhancement of the hydraulic system based on CPR(Common Pressure Rail) is restricted since it is lack of considering of the efficiency of each element from the whole view, though the CPR has a huge potential from the energy saving aspect. Moreover, the large-scale applications of the system are also restricted because it is lack of the fundamental research results of control strategy about how to enhance the control performance of actuators to satisfy the practical requirement. In this project, a concept adopted “Active regulating common pressure rail” is presented, whose strategy is to set a finite field by regulating the main pump actively instead of keeping the constant pressure of the high pressure line. Following the energy saving control strategy, the system can guarantee the high efficiency contributed by the actuator group which is working on the optimal combination of efficiency. To overcome the difficulties caused by the inevitable parameter uncertainties, changing load and input saturation, a new control strategy combining with adaptive and robust control algorithm is proposed to enhance the control performance of actuators based on the constitutive model which includes mechanical, electric and hydraulic systems by using multidisciplinary approach. Hence the high efficient advantage of the hydraulic system can be obtained without reducing the control performance. It is appropriate for enriching the fundamental research of the hydraulic system based on CPR, and developing a new approach for the energy saving technique in hydraulic system.

在当前节能减排的大背景下，具备较大节能潜力的Common Pressure Rail(压力共轨，简称CPR)环境下的液压系统理论因没有综合分析各元件的实时效率而制约了系统整体效率的大幅提升，同时因缺乏从系统本质机理角度提高控制品质的基础研究而导致执行元件的性能无法满足大规模推广的要求。本项目提出一种“主动调压式CPR”的概念，扩展传统CPR中要求高压管路恒压的条件，将压力变化限制在有限域内，依据节能型控制策略来主动调整高压管路压力使各元件处于最优效率组合运行状态而提高整体效率。此外，针对该系统存在着参数不确定性、干扰变化大以及本质非线性问题，采用多学科交叉的方法建立“机电液”本构模型，并研究结合自适应和鲁棒控制等智能控制的先进算法，抑制参数摄动等外干扰的影响，实现系统高效率的同时提高控制性能。获得的研究成果将丰富CPR环境下的液压系统的基础理论，为液压系统节能技术的深入推广探索新的途径。

本项目面向当前节能减排的需求，针对效率较低的液压系统进行了创新研究，提出了一种“主动调压式CPR（ARCPR）”的概念，去除传统CPR中要求高压管路恒压的限制，依托节能型控制策略以整体效率最高为目标来主动调整高压管路压力；另外，为解决由压力波动引入的参数不确定性问题以及液压变压器自身具备的强非线性特点导致的控制性能下降问题，开发了依托现代控制理论的先进控制算法的控制器，保证了所提出的系统控制性能满足要求的同时达到了节能的目标。首先，项目建立了综合机械、液压、控制以及内燃机各子系统为一体的多维仿真模型，能够完成多领域之间的联合仿真，为准确的模拟实际工况以及后续的研究奠定了基础。然后，以挖掘机的液压系统为例，依托离散动态规划算法开发了ARCPR系统的最优匹配方法并依据优化结果提出了实践性较强的基于规则的前向控制策略，在相同工况下，所提出的液压系统可提高节油率13%。此外，本项目对于CPR系统中的核心元件液压变压器进行了元件优化和控制执行元件的控制算法研究，对于阀控摆动马达的内环回路开发了鲁棒反步滑模控制器，保证摆动马达带动的配流盘能够准确的完成位置控制；对于外环开发了基于状态估计的模糊滑模速度控制器来解决液压变压器具备的参数耦合和本质非线性问题；最后，本项目搭建了基于ARPCR的试验台，并研究了实验过程中出现的气穴等现象，开发了适用于CPR系统的单出杆对称液压缸；对提出的控制算法和控制策略进行了实验验证，结果表明所提出的方案能够有效的保证控制性能并降低能耗，相关成果具备普适性，可以适用于工程机械、具备周期性特点的特种车辆和工业设施。本项目的科学意义在于为具有混杂系统特征并满足多约束条件下的最优控制问题提供了解决方案，并丰富了带有参数不确定性以及本质非线性并存在控制输入饱和限制下的液压执行元件的鲁棒控制器设计方法。