基于負(fù)載前饋?zhàn)兣趴刂频谋每伛R達(dá)系統(tǒng)仿真研究＊

劉志文，關(guān)中原

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)城南學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

在一些移動(dòng)車(chē)輛中，例如工程移動(dòng)車(chē)輛通常由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行走輪，用電控系統(tǒng)進(jìn)行控制，并借助液壓系統(tǒng)對(duì)行走輪進(jìn)行制動(dòng)[1]。現(xiàn)有機(jī)電液系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行走輪的驅(qū)動(dòng)閉合回路中，利用液壓泵與液壓馬達(dá)作為液壓驅(qū)動(dòng)回路中的動(dòng)力元件與執(zhí)行元件，利用踏板、制動(dòng)鉗作為液壓制動(dòng)回路的控制元件與執(zhí)行元件，但當(dāng)再制動(dòng)時(shí)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)回路中馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低，而泵的輸出量不變，使得工作管路壓力驟然增大，驅(qū)動(dòng)裝置將承受很大沖擊[2-5]。

為解決現(xiàn)有機(jī)電液系統(tǒng)中由于制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)回路液壓油壓力出現(xiàn)驟然上升而導(dǎo)致液壓元件損壞的問(wèn)題，擬提出一種基于負(fù)載前饋控制的實(shí)時(shí)變排液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以獲得更高的靈敏性、安全性和效率。

1 泵控馬達(dá)系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型

變量泵-變量馬達(dá)串聯(lián)系統(tǒng)如圖1 所示，給予變量泵一定轉(zhuǎn)速wp，外界施加于系統(tǒng)的負(fù)載為T(mén)m，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變量泵排量Vp以及變量馬達(dá)排量Vm，來(lái)得到預(yù)期的系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)特性。

圖1 泵控馬達(dá)串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 變量泵流量方程

變量泵流量方程為：

式（1）中：ωp為變量泵轉(zhuǎn)速，rad/s；Cip為變量泵內(nèi)泄漏系數(shù)；Ph為變量泵高壓腔壓力，Pa；Pl為變量泵低壓腔壓力；Cep為變量泵外泄漏系數(shù)；Vp為變量泵排量，Pa；γ為變量泵斜盤(pán)傾斜角。

1.2 變量馬達(dá)流量方程

變量馬達(dá)流量方程為：

式（2）中：ωm為變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速，rad/s；Cim為變量馬達(dá)內(nèi)泄漏系數(shù)；Cem為變量馬達(dá)外泄漏系數(shù)；Vm為變量馬達(dá)排量；α為變量泵斜盤(pán)傾斜角。

1.3 流量連續(xù)方程

變量泵-變量馬達(dá)系統(tǒng)高壓腔管內(nèi)的流量連續(xù)性方程為：

1.4 變量馬達(dá)力矩平衡方程

在不考慮負(fù)載彈簧剛度的情況下，有：

式（3）中：Jm為變量馬達(dá)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm為變量馬達(dá)側(cè)粘性阻尼系數(shù)；Tm為變量馬達(dá)端負(fù)載力矩。

2 泵控馬達(dá)負(fù)載前饋控制仿真

為解決液壓驅(qū)動(dòng)車(chē)輛因制動(dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力驟升產(chǎn)生沖擊的問(wèn)題，提出基于負(fù)載前饋控制的控制方法[6-8]，用以輔助車(chē)輛的制動(dòng)，同時(shí)削減壓力的沖擊或?qū)⑵浔３衷谝欢ǚ秶鷥?nèi)。

2.1 前饋控制律

擬提出一種控制方案，即當(dāng)制動(dòng)力矩產(chǎn)生時(shí)，結(jié)合前面的排量調(diào)節(jié)特性，使泵排量減小、馬達(dá)排量增大，調(diào)節(jié)量則采用基于負(fù)載力矩的比例調(diào)節(jié)來(lái)得到：

式（4）中：γd、αd為泵和馬達(dá)斜盤(pán)的基礎(chǔ)調(diào)節(jié)量；K1、K2為前饋增益。

2.2 仿真分析

基于Simulink 對(duì)前述非線性模型進(jìn)行前饋控制仿真，仿真參數(shù)如表1 所示，仿真模型如圖2 所示，采用2 種負(fù)載激勵(lì)方式，分別模擬不同的制動(dòng)模式，得到如圖3 所示的仿真結(jié)果。

表1 仿真參數(shù)

圖2 Simulink 負(fù)載前饋仿真模型

圖3 負(fù)載前饋控制系統(tǒng)響應(yīng)圖

采用負(fù)載前饋控制下的系統(tǒng)壓力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速在一定程度下被削減，其中采用泵單通道前饋控制的模式后，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速有明顯的回彈效應(yīng)，這是由泵自身的輸出特性決定的[9]。采用雙通道的負(fù)載前饋控制策略可以明顯改善系統(tǒng)壓力的響應(yīng)特性，使系統(tǒng)壓力不隨負(fù)載（制動(dòng)力矩）的加入而驟升，且保持在一定范圍內(nèi)，同時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對(duì)于其他控制策略它的下降速度提升了23.6%，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速最低，這和駕駛員的制動(dòng)意圖是相吻合的，在抑制壓力驟升的同時(shí)提升制動(dòng)性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于負(fù)載前饋控制的泵控馬達(dá)系統(tǒng)的速度以及壓力的控制方法，以解決因負(fù)載介入而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力驟升的問(wèn)題，同時(shí)輔助制動(dòng)，加快馬達(dá)轉(zhuǎn)速的下降。經(jīng)過(guò)Simulink 仿真表明，通過(guò)負(fù)載前饋增益來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整變量泵和變量馬達(dá)的排量，可使系統(tǒng)壓力保持在一定范圍內(nèi)，有效抑制其增長(zhǎng)，同時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速加速下降，可以很好地與駕駛員的制動(dòng)意圖相吻合。