工程机械负载口独立控制系统故障容错方法研究

Independent metering control is a novel programmable control hydraulic system. With the increase of control degree of freedoms, the system is able to regulate meter-in and meter-out orifices individually by introducing electronic feedback. Thus, the drawbacks including weak adaptability, poor controllability and low energy efficiency using conventional hydro-mechanical system can be improved. However, due to the unique hardware layout and complex control strategies, independent metering control systems suffer from problems of high failure rate and more failure types, leading to degradations of safety and reliability. To address these issues, the research aims to present a fault tolerant control system considering three aspects: the valve component, electronic feedback and control software. Three key scientific problems will be solved such as: (1) Investigating adaptive reconfiguration of control law by multi-valve coordinate steering to solve the “out of control” problem caused by the faults in valves; (2) Designing a multi-variable control strategy with the absence of feedback signals to solve the “misadjustment” caused by the faults of sensors; (3) Proposing a stability online monitoring and prediction method for the discrete mode switching to solve the “instability” caused by the worse transient response during the multi-control-mode switching. By this research, the safety and intelligent maintenance level are expected to be improved, and the negative influences of faults to the motion and energy-saving performances can be decreased. This research will promote the applications of electronic and intelligent hydraulic systems in mobile machinery

负载口独立控制系统是一种新型可编程序控制液压系统，通过增加控制自由度，引入电子反馈独立地调节进出口节流面积，改善传统机液控制式工程机械液压系统的适应性、操控性及节能性。然而，其独特的硬件结构和复杂的控制方法导致故障概率高、故障类型多，降低安全性及可靠性。本课题提出包括控制阀组、电子反馈、控制软件三个层次的故障容错控制系统，拟重点解决三个科学问题：（1）研究多阀协调动作的自适应控制律重构以匹配故障系统动态特性，解决负载口独立阀故障引起的“失控”问题；（2）设计变量信息不完全反馈的多变量控制策略，解决传感器失效时反馈信号缺失引起的“失调”问题；（3）建立离散模式切换稳定性的在线监测与预警方法，解决多控制模式变换时瞬态特性变差引起的“失稳”问题。通过本课题的研究提高复杂工况下安全性及智能维护水平，降低故障对运动及节能特性的不利影响，为电子化、智能化的新型液压控制系统应用至实际工程机械提供有力支撑

负载口独立控制通过多阀协调动作、多信息电子反馈、多控制模式切换提高工程液压系统操控性、节能性和通用性。然而，负载口独立控制系统更为复杂的软硬件结构导致故障概率高、故障类型多，制约了其大规模市场化应用。. 首先研究负载口独立控制系统正常工况的高效节能控制策略，围绕“复杂多变负载工况下能效多模式最优变换”这一核心难题，建立了泵阀协调控制系统，提出了“泵-阀-负载”三层结构多模式能效最优切换方法，设计了兼顾运动与节能需求的多输入多输出控制算法，相比于传统负载敏感控制系统及其能量管理方法，提出多模式切换节能控制方法节能率高达16.4%-30.7%。. 在该常规控制器基础上，针对负载口独立控制系统控制阀组、电子反馈和多控制器切换三类故障展开研究工作。针对控制阀故障引起的“失控”，围绕“匹配随机故障特性的多阀协调控制主动容错”这一核心难题，揭示了多阀协调动作所具备的解析冗余特性，建立了压力反馈式阀故障主动容错控制系统，针对不同故障特性首创了工作模式、控制模式、控制信号三种控制重构原理，提出非基于模型且精确匹配故障特性的控制重构策略，实现了控制阀故障不利影响的自适应补偿与自动回避。针对传感反馈故障引起的“失调”，围绕“多变量耦合关联下故障传感信号重建”这一核心难题，发掘了多输入/多输出系统所具备的解析冗余特性，建立了非基于模型的传感器故障主动容错控制系统，设计了针对不同传感器故障的控制环变换配置方法，创新提出了变量不完全反馈的多变量控制重构策略，实现了故障传感器信号的在线重建与替代。针对多控制器切换引起的“失稳”，围绕“多控制器快速稳定无扰动切换”这一核心难题，研究了不同控制器切换前后的稳定性控制方法，提出了隐藏层跟踪控制的无扰动切换策略，基于最小增益理论设计了鲁棒稳定的隐藏跟踪控制器，消除了切换引起的控制不连续。. 本项目研究突破了负载口独立控制系统“如何能容错”、“如何精确容错”、“如何稳定容错”的关键技术，提高复杂工况下安全性及智能维护水平，可促进负载口独立控制系统至工程机械主机厂商的推广应用。