液压混动系统泵排量控制研究

湖南大学学报（自然科学版）

Vol.46,No.4 Apr. 2 0 19

2 0 1 9年4月

Journal of Hunan University (Natural Sciences)

文章编号：1674-2974(2019)04-0025-09D01:10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2019.04.004

液压混动系统泵排量控制研究

曾小华S刘持林S李文远S宋大凤李立鑫S陈存福2

(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春130025;

2. —汽解放青岛汽车有限公司，山东青岛266043)

摘要:针对闭式液压回路中变量泵排量控制方法精度较低的问题展开研究，基于泵控

系统中伺服阀的脉宽调制（PWM)控制，推导出占空比信号与变量泵排量的线性关系，在

AMESim软件平台上搭建了泵控系统仿真模型，并基于试验测试数据对模型进行校核，基于

泵控系统模型提出了 PID反馈控制、前馈+反馈控制和三步法控制的泵排量控制方法，并进 行测试对比分析.仿真结果表明，三步法控制在动态响应及快速稳定方面优于PID反馈控制， 相比于前馈+反馈控制，采用三步法控制的泵排量动态响应误差减少了 35.5%.

关键词：占空比信号；泵控系统;PID控制；前馈+反馈控制；三步法控制 中图分类号:U469.72

文献标志码:A

Research on Pump Displacement Control of Hydraulic Hybrid System

ZENG Xiaohua1，LIU Chilin1，LI Wenyuan1，SONG Dafeng1!，LI Lixin1，CHEN Cunfu2

(1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025，China;

2. FAWJiefang，Automotive Co Ltd，Qingdao 266043，China)

Abstract： This paper studied the problem of low precision for variable pump displacement control method of

closed hydraulic circuit. The linear relationship between the duty cycle signal and displacement of pump was derived based on the pulse width modulation (PWM) control of the servo valve for the pump control system. The simulation model of the pump control system was built on the AMESim software platform，and the model was verified by com­paring with the test data. Based on the pump control system model，the PID feedback control，feedforward + feedback control，and three-step control of pump displacement were proposed，and an analysis was performed. Simulation re­sult shows that the three-step control is superior to PID feedback control in dynamic response and rapid stability. When compared with the feedforward + feedback control， the dynamic response error of the pump displacement con­trolled by the three-step method is reduced by 35.5%.

Key words： duty cycle signal;pump control systems;PID control;feedforward + feedback control;three-step

control

Z 收稿日期：2018-05-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51675214,51575221 )，National Natural Science Foundation of China(51675214,51575221);山东

省重点研发计划项目（2017CXGC0510)，Keyof Research and Development Program of Shandong Province(2017CXGC0510)

作者简介:曾小华（1977—)，男，江西吉安人，吉林大学教授，博士

!通讯联系人，E-mail: songdf@126.com

26

湖南大学学报（自然科学版$2019 年

液压传动具有控制方式灵活、布局方便、过载 能力强的优点[1].同时，液压系统能量传递介质具有 润滑、冷却等功能，使得液压系统可以克服机械传 动装置部件易磨损和腐蚀生锈的问题，具有更好的 通用性[2].

采用变量泵的液压系统广泛应用于多种机构 中，为保证系统对各种复杂工况和不同工作输出要 的应性， 对液压泵量

时

.I

机液压 装置通过泵量控制现运动方

向、运动姿态等基本性能的定控制[3]

液压启 能量

系统，通过泵量控制的优

现更加优的能

[4]液 动力

中泵

量的控制 的 [5].可知

作为液压系统的 能

件，液压变量泵的量

性

机的工作性能和能，

变量量控制为液压系统 ，同时的点. [6]对 应控制基于匹

动机的应用问题，

出

应控制、

应的复 变量泵控制方，，

采用的PID控制

性.Bergada等[7#为确定

的动态性

，

通

过

的

，

量生的量、压力的动态变，

有出

具的

量控制方.本 对式液压

中

式变量

量 控制问题 .通过 脉宽制(P4M)控制得到占空比信号与变量

量（指变量

量比，

为范围[-1，1] 的无量纲

）的线性系'基

于

测试据在AMESim软件平台上搭：确

的控系统仿真，出了基于PID反馈控制[9-10]、 馈？反馈控制[11]和三步控制[12]的 量控制方

，并 仿真对比分析，结表明了三步控制

的优越性.

1系统结构原理

本

对象的结构如图1所示，斜盘式变量

相比于单边控单向变量具有斜盘 幅度宽、

使用寿命长的优点，在工

际中应用广泛.

斜盘式变量 的控系统结构如图2所

示，其量大小斜盘倾角决定，在控系统中通

过

伺服阀控制液压缸活位移而

斜盘

倾角的大小，现

量调节.所

的变量中伺

服阀的控制万式为脉宽制(P4M $控制——通过

变占空比大小变脉冲信号在单位时间内的平 均输出值，而伺服阀在脉冲信号的控制下周期性 地闭，生脉冲量，而生与占空比对应的 单位时内的平均输出量，现连续的脉冲量 控制.液压缸位移经位置传器放大后反馈到输入 控制信号处现占空比信号与 量

的闭环

控制.

Fig.1 Structure of swash-plate variable displacement pump

反

馈信号油箱

r；u伺服

信

〇阀

号处液理

漏

压占传空动比系信统

号

1 PWM发生器

图2泵控系统原理图

Fig.2 Schematic of pump control system

当 量增大时，来自控制器的占空比信号与反馈

后的信号同作用生脉宽制信

号作用于伺服阀，伺服阀工作于！位，使 生对应的量向液压缸

油液，增大斜盘倾角，其中，

在闭式液压系统中部液压油 P为油

当需

量小时，来自控制器的占空比信号与反馈 后的信号共同作用生脉宽调制信号使伺服 阀动作，伺服阀工作于I位，使液压缸以对应量

，复位

使斜盘倾角小

量到

：

值时，占空比信号为，伺服阀工作于中位，液压缸 处于压状态，

当

量.

第-期

曾小华等:液压混动系统泵排量控制研究

27

2泵控系统模型

2.1泵控系统分析

伺服阀阀芯位移与P\"M控制信号对应关系如 图3所示.由于阀芯惯性以及电磁惯性等影响，阀芯 位移响应相对于控制信号存在滞后％

图3中：\"胃为脉冲信号高电平电压值;！胃为 阀芯最大位移;$为脉冲信号周期;为电磁铁电流 增长滞后时间;#2为阀芯开启运动时间;#3为磁铁电 流衰减滞后时间;#-为阀芯关闭运动时间;#。/为阀芯 开启时间;#。22为阀芯关闭时间;#p为P\"M信号电压 作用时间，阀芯开启与关闭时位移均简化为线性 变化.

定义无因次平均位移！为阀芯平均位移占最 大位移的比例，即

V%

max( 1)如 lo%A#

( 2)

由图3、式（1)、式(2)及相关推导，可得无因次 平均位移与占比的关系如 3)所示.

0

士2T2 f\\

1+5!2 $/

!-!1)2+包(!2

!-!1)

!1

\"

!!!。/

T

+全(!4-!2) + (!3-!1)

T〇n\"T\"

1-T

〇tf

1-士 (1 + 云)(1-!-!3)2-云(1 -T-!3) 1-!通

\"！<

1-!3

1

1-t3\"t\" 1

3)

式中:T1 ，T2 ?爹，T3 ?爹，T4 ?爹，T。/

，T〇ff ?

T〇$ff ， T — #$.

1

由式中关系可得伺服阀阀芯位移与输入占空比 信号关系的

性线如图4所示.

Fig.4 Static characteristic curve .f serv.-valve

由图可知在占空比！1 + !2 \" T \" 1 - (!3 + T-)范 围内，阀芯的平均位移与占比成线性关系，且增 益恒为1%该 为伺服阀正常工作区，

泵控系统

：

('4 - ') — (% + *

(4)

式中:'i为

的初始占空比信号;+为比例系；%为阀芯位移;*为线性关系常

；'f为

液压的等占比，液压位信号

大器 后的 信号，如

5)所示

'f — k

(5)

式中:,1为比例系数;%i为液压缸位移％

泵的排量 及调节液压缸的

位移与 的关系

-1-:!4.2 X / X tan \" X 06)%p —1 X tan a7)

式中:.为柱塞的直径;2为的柱塞的分布直径;\"为

的 ；0为 ；1为液压作用

中 的

.

由}6)和式(7)得

-p —，2%p

(8)

联立求解式(4)、式(5)和式(8)得

-p—^k1U-+%-*)

(9)

由系统控制原理可知，当排量达到目标值时，

伺服阀于中位，

泵的排量与输入的占比信

28

湖南大学学报（自然科学版}2019 年

号可以简化为线性关系.2.2泵控系统仿真模型验证

根据闭式液压驱动回路结构，基于AMESim软 件平台搭建泵控系统模型并进行仿真测试，如图5 所示.测试模型中，将细节建模的斜盘式柱塞泵泵体 结构和排量控制结构等进行子系统封装后接入系 统模型.

泵控系统仿真模型中主要部件的仿真参数如 表1所示.

表

1模型仿真参数

Tab.l Simulation parameters of model

参数

数值

变量泵最大排量/( cc • rev-1)96

变量泵理论流量/( L • min-1)192@2 000(r*min-1)

补油泵排量/( cc • rev-1)22液压马达额定排量/( cc • rev-1)1 043液压马达最高工作压力/MPa42

液压马达理论转矩/(N*m)1 658@100 MPa

液压马达最大功率/kW40液压马达最大工作转速/( r • min-1)

90

由2.1节分析可知，液压泵排量与控制信号的 占空比可以简化为线性关系.样车试中液压泵 排量稳定时，

液压泵排量与控制信占空

数据，对数据进行线性

如图6所示，泵排

量与占空信的线性关系为：

!! v 21.21!& - 7.5 ! ! 0

lyS v 21.21!& + 7.5 !\"0

(i〇)

为 ，以归一化后的排量比yS表示排量大小.

建的液压泵测试模型进行仿真，仿真时

间1 S时输入阶跃的占空比信号，泵排量 结果

如图7所示.

占空比

图6

液压泵排量随控制信号变化关系

Fig.6 Hydraulic pump displacement changes with control signal

-•…一-占空比0.36

占空比0.37

。r…

………占空比0.381.............................占空比0.39

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

-.….-,& 一_多-…r：…

0

0.5

1.0

1.5

2.0

时间/s图7

仿真结果

Fig.7 Simulation results

由图7可得模型中变量泵排量与输入占空比 信号的对应关系，将仿真所泵排量与理论拟合 线

，图8结可知，

液压泵控系统

件细节建模后的仿真模型，仿真结果表 与线性化理论

的泵排量

，要求，于控制

理模型

要

可以

.

占空比

图8

泵排量特性仿真与理论对比

Fig.8 Simulation and theoretical comparison

of pump displacement characteristics

第4期

曾小华等:液压混动系统泵排量控制研究

29

3泵排量控制

3.1 PID反馈控制

随着计算机技术的发展以及研究对象和系统 越来越复杂，尤其是在具有不确定性模型、高度非 线性的控制任务中，虽然人工智能、神经元网络、模 糊逻辑、生物控制等智能控制方法发展迅速[13]，但受 限于计算复杂度和工程实现成本等因素，其在实际 应用过程中仍存在许多障碍和挑战.比 控制(PID

控制式，因其

原理简单、使用方、适应性 ，经广泛应用于研 .尤其是对控制速性和控制

度 高，

系统性

制任务，PID制应用能

高性

，因

其.

于AMESim软件平台搭建的PID反馈控制

模型机械和

5

，

控制模

9

，其中，KP= 12，KI = 0,

KD = 0.1.

Q >-•

8

88

8

8

■ I I jr

图0

输入控制模块

F-g.0 'nput control module of FK

基于no反馈控制模型分别以斜坡目标泵排 量和

其控制

，

10

.

_霞

0

0.5

1.0

1.5

2.0

时间J

(a

应

_邨麗

(b)斜坡输入响应误差

_霞

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

时间J

(c

应

_邨L

麗

0.05

0-0.05

WNA1.:50 1.551.60

厂

(d)阶跃输入响应误差

图10 PID反馈控制效果

Fig.10 Effect of PID feedback control

由图10控制效果可知，针对本系统中斜盘式

控制，于控系统

等对象，

能 以及

使 系统 具

有非线性性，传统 PID控制算法法对

系统 过程

速、精确

应，在控制

过程中现 现象.

稳态误

差带达到0.15， 控制过程中除信号阶跃瞬有大冲击外，稳定时也存在0.1左右

，

很难实现系统 控制.同，在实际应用过程当

中，PID 控制中控制

手工调节过程繁琐，常

用

PID

整定方法临界比例度法和继

整定法等，受系统限制且控制 确定需依

赖经公式，控制 法保障.

3.2前馈+反馈控制

前控制 F开环”控制系统，通过对扰动进行补偿，被控

会因扰动用或给定值.而

产生偏，前控制对所测干扰应，控制及时. 但根据特定扰动设置的前馈控制只能克服定扰

30

湖南大学学报（自然科学版”2019 年

动对被控变量的影响，无法处理其他扰动的影响， 因此在实际工业控制过程中单独使用前馈控制很 难达到控制要求.为了克服其他扰动对被控变量的 影响，多采用前馈+反馈控制方式.采用前馈+反馈控 制方法，在PID反馈控制中引入前馈控制量，在一 定程度上实现对干扰的及时克服，其控制结构如图 11所示.

图11前馈+反馈控制原理

Fig.11 Principle of feedforward + feedback control

在工程实际应用过程中，为了获得较快的控制 响应常采用基于map的前馈控制:在给定输入情况 下，等到系统达到稳态后，记录此时的系统输出，通 过标定可以得到系统

的控制输入输出的map.系统泵排量控制

中以

为系统输入，泵排量为系统输出，系统被 为

系

统.根据式(10)

泵目标排量下对应前馈值为-! + 7.5

21.21! 0

(11)

I 21.21

\"0

基于AMESim软件平台搭建的前馈+反馈控制 模型的 如图5所示

的输

入控制

如图12所示，其中，前馈控制输入值如

式（11)所示，反馈控制中 KP=0.01，KI=0.083，KD=0.

图12前馈+反馈输入控制模块

Fig.12 Input control module of feedforward + feedback

基于前馈+反馈控制模型分别输入斜坡目标泵 排量及

目标泵排量，其控制

如图13所示.

0.5

_證

1 2 3

时间J

(a)

输入泵排量响应

时J

(5)斜坡输入响应误差

_I

霞

-0.Q +二

,....1臼你:泵排量

扣....-0.

U —一实际]泵排量

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

时间J

(c)阶跃输入泵排量响应

I麗

-0.-0.

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

时

J

(2)阶跃输入响应误差

图13前馈\"反馈控制效果

Fig.13 Effect of feedforward + feedback control

采用前馈+反馈控制方法对泵排量进行调节实 现了较为理的控制 其控制 采用反

馈控制很 . 输入排量了在响应泵排量方 时 较大，其余时刻误差很* 输入控制 在 时 泵排 量方

时

较

，稳定后

基

，基 于

的前馈控制对泵排量的波动进行了

的

.

为了验证前馈+反馈控制对动态输入的响应效

果，输入

目标泵排量，其控制

如图14所示.

第*期

曾小华等:液压混动系统泵排量控制研究

31

_霞

o

-0.1

0.5

1.0

1.5

时间/s

图14正弦输入响应效果

Fig.14 Effect of sine input response

由图中控制效果可知，前馈8反馈控制在动态 输入下跟随效果较差，经过试验探究知随着控制信 号频率的增大，其控制效果越来越差.3.3三步法控制

针对前馈8反馈控制动态输入响应跟随效果差 的问题，提出泵排量的三步法控制.三步法控制率包 括三部分，各部分控制目的明确，具有层次鲜明、推 导方便的优点.作为一种非

控制方法，三步法在

非

、 控制 的时也

工程技术人员接.三步控制原 图

15 .括稳态控制、

前馈

反馈控制三

部分.

参考前馈

稳态控制

^ 反馈控制被控对象

图15三步法控制结构

Fig.15 Structure of three-step control

本文研究泵排量控制时，以占空比信号为系统 输入，泵排量为系统输， 10)，为

，

三步的提

为 非线中非

控制

实应

间的 ，由三步

控制具有

、

目的

晰的优，将其应 的排量控制，控制

率过程下：

1)在三步法控制率设计过程中认为工程实际 中 的

map的前馈控制其

态控制，为 =ap由 过程中

在给输入下 态 的输入输

.

其

应 实时

时 前 态的 量 ， 时

确

态.

三步控

制率中其作为

控制率的态控制部分，由此

可 排量控制中，

时有! ? 21.21! -7.5 ! ! 0! ? 21.21! 8 7.5

!\"0

12

态控制的控制率为! + 7.5

21.21

! 0

!s :

13

!-7.5 21.21

\"0

式中为稳态目标排量.

2

由

目

部、，

入

的

的控制，为 动态前馈”，控制反映了期望 动态时， 应的调节作.在态控制的础

上，假 时的控制组成为！ ？ ！s + !f，

控制

率

应

中，则

21.21 (!s+!f)+7.5?21.21 !s+7.5+21.21!/??!+!!

(14)

为确定！，令！s ? !!，其中为目标排量变化 量，则参考动态前馈动态控制率为：

!/? A/3/21.21 (15)

3)为保证 输出达目期望，时提高系统对确

的鲁棒，在上述控制率的础 上入反馈控制率！e进行调节.最终的控制率由稳 态控制、

前馈

反馈控制三部分组成：

! ? !s 8 !f 8 !e

(16)

AMESim软件平台搭建的三步控制模

型的机械和液压阀组部分图5

，搭建的输入

控制模块图16 ，其中，态控制输入

式 (13

，参考前馈控制输入

（15

，反

馈控制中 KP ? 0.01，KI ? 0.083，KD ? 0.

0

图16三步法输入控制模块

Fig.16 Input control module of three-step

32

湖南大学学报（自然科学版S2019 年

将三步法控制应用于本系统中的变量泵排量 控制，分别输入斜坡目标泵排量及阶跃目标泵排 量，其控制效果如图17所示.

0.5

1 2 3

时间/s

(a)斜坡输入泵排量响应

1 2 3 4 5

时间/s

(/)斜坡输入响应误差

_0 霞

-02. -0.

目标泵排量 4

实际泵排量

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

时间/s

(c)阶跃输入泵排量响应

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

时间/s

(1)阶跃输入响应误差

图17三步法控制效果

Fig.17 Effect of three-step control

由图17结果可知，由于三步法控制率中包含 的稳态控制及反馈控制，使其能够达到前馈?反馈 的控制效果.同时，由于三步法中包含动态前馈控 制，对目标控制量的变化能够进行更有效的补偿， 从而使系统更快地跟随控制目标.在正弦目标排量 输入下，前馈?反馈与三步法控制算法效果如图18 所示.当目标控制量有较变化时，动态前馈控制使 三步法控制

前馈？反馈更的控制效果，泵

排量跟随误差 由0.337 0.217,幅

35.5%，显示出三步法控制对动态输入的

跟随

效果.

_霞

0 0.5 1.01.5

时间/s

(a)泵排量跟随效果对比

时间/s

(/)跟随误差对比

图18不同控制方法效果对比

Fig.18 Comparison of different control methods

4结论

本文在深入研究变量泵系统结构和工作原理 的

，基于

量控制对变量泵泵控系统进行 分

，

实

正于

AMESim搭建的变量泵模型中占空比信号和变量泵

排量的

系，使其更 实际.基于泵控系统仿

PID反馈控制、前馈?反馈控制及

三步法控制 同控制算法的控制效果，结果表

明，三步法控制在动态响应及快稳

于

PID反馈控制和前馈?反馈控制.

研究于泵控系统的

和变量泵压力流量

的化分，实

行系统的控制. 的泵排量控制方法同 用于所有

包含斜 变量泵的 系统，对闭式液压系

统的

应用有的

.

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