1 引言
节能一直是液压技术的主要研究方向之一。节能型液压回路包括压力适应型回路、流量适应型回路和功率适应型回路，其中功率适应型液压回路采用流量控制阀与变量泵组成，应用容积调速的方式，使液压泵输出的压力和流量与负载所需的压力和流量相适应，达到液压泵的输出功率与负载功率的匹配，减少能量损失，提高系统的节能效果。这种功率适应回路中变量泵的结构复杂，泵的调节机构要依靠控制油进行变量调节，因此调节精度和反应速度都受到调节机构性能的影响。本文将液压技术与变频技术结合，构成一种结构简单的功率适应型液压回路，利用变频控制技术，控制电机的转速，使定量泵实现变量泵的功能，达到功率匹配与节能的目的。
2 功率适应型液压系统的变频控制
2．1 功率适应型液压系统功率匹配控制原理
功率适应型液压系统原理图如图1所示，该系统主要由液压泵、液压控制元件、执行元件、信号检测元件和泵的变量机构组成。功率适应型回路属闭环控制，在工作过程中可适时检测负载流量和负载压力，并将检测的信号反馈给液压泵的变量调节机构，通过泵的变量调节机构的动作，控制、调节泵的输出压力与流量并使之与负载压力和负载所需流量相适应，实现液压泵的输出功率与负载功率的匹配。
图1 功率适应型液压系统原理框图
2．2 功率适应型液压回路的变频控制
2．2．1 变频调速功率适应型液压回路控制原理
变频调速功率适应型液压系统由液压系统和电控系统两部分组成，如图2所示。
图2 变频调速功率适应型液压回路控制原理图
液压系统主要由液压执行元件、液压泵和流量检测元件组成。一般可采用固定节流口作为流量检测元件，液压执行元件所需流量由流量检测元件检测。流量检测元件的压力流量方程为：
液压泵的流量方程为：
qp=nVη (2)
电机转速为：
n=60f／z (3)
式中KL — 节流系数
A— 节流口过流面积
△p— 节流口前后压差
m— 由节流口形状和结构决定的指数
n— 电动机转速
V—液压泵的排量，定量泵中为定值
η— 容积效率
qp—— 液压泵的输出流量
f— 电源频率
z— 磁极对数
由式(1)、(2)、(3)，节流口压差△p可表示为：
式中k =60vηv／(zKLA )
当液压泵的排量 一定时，调节电机的转速n，可以调节泵的输出流量q；当固定节流口结构一定时，节流系数KL ，节流口过流面积A 和指数m均为常数。当通过节流口的流量一定时，节流口的压差也一定，因此利用节流口两端压差信号却检测节流口的通过流量q，将对系统的流量检测转换成压差检测，通过压差变化来反应流量的变化，实现检测信号的采集。而泵的输出压力取决于负载，泵的输出压力与负载压力相适应，实现系统压力匹配。
电控系统主要包括PLC控制器、压差传感器和变频器。压差传感器在工作过程中适时采集节流口前后压差信号，并将其转换为电信号，反馈输入到A／D转换器，经A／D转换器转换为数字信号后输入带有PID运算功能的PLC控制器，与PLC的设定压差进行比较(设定压差对应某一设定流量)，PLC输出量通过D／A转换后控制变频器的输出频率，改变电机的转速，使泵的输出流量等于设定的流量，实现系统的流量匹配。
2．2．2 功率适应型液压回路变频调速的工作过程
1)流量匹配过程
变频调速功率适应型液压系统属闭环系统。PID模块中的设定值根据执行元件的速度要求设定。压差传感器输出的电信号经数模转换后作为PID的输入信号。
系统工作时，根据执行元件的速度要求，调节设定PLC的输入信号。当泵的输出流量大于负载所需流量q1 时，节流口两端的压力差卸增大，压差传感器采集到变化后的压差信号，信号经数模转换后反馈给PLC控制器，PLC通过内置PID模块与设定的流量值即压差值△p 进行比较、计算，输出信号给变频器，变频器输出频率减小，电机转速减小，使泵的输出流量减小，直到qp≈q1 ，节流口两端的压差值回到设定的值，调节过程结束。同理，当泵的输出流量qp小于负载所需流量q1，时，节流口两端的压差△p减小，PLC控制器输出信号使变频器输出频率增大，电机转速增大，泵的输出流量增大，直到节流口两端压差等于设定值，调节过程结束。通过变频调速，使液压泵输出流量始终和液压系统负载所需流量相适应。
2)压力匹配过程
液压传动的特点之一是液压泵的排油压力取决于负载，因此当负载压力变化时，泵的输出压力应发生相应变化，而液压泵的输出压力P。为
PP=p1+△p (5)
式中P1，为负载压力。
但是当负载增大时，泵的输出压力相应增大，使泵的内部泄漏量增大，泵的输出流量qp 下降，使得节流口进出口压差△p下降，压差传感器采集到压力变化信号并反馈到PLC，PLC控制电机转速，使泵的转速增加，流量增加，补偿泵的泄漏流量，因此压力匹配过程中伴随有流量泄漏和泄漏流量的自动补偿过程。
3 PLC控制方案设计
从功率适应型液压回路变频调速的过程可以看出，液压系统的控制过程是采样信号值与设定值进行比较并利用比较偏差值对系统进行控制的过程，这个控制过程是闭环负反馈控制。在系统控制过程中为了减小超调量，较快地达到系统的稳定值(即设定值)，我们用带有PID控制模块的PLC，采用PID控制方式对系统进行控制。PID控制规律为：
式中 Kp—比例系数
T1—积分时间常数
Td— 微分时间常数
在PLC控制过程中，其输入信号值为压差传感器采集的节流口两端的压差值，这个压差信号值与一定的流量值相对应，使系统对流量信号的检测通过对压差信号的检测来实现。压差传感器采集的压差信号为模拟量，所以在进行PID运算前压差信号要经过模数转换再反馈到PLC控制器。PLC控制器调用PID控制指令，将反馈的压差值与设定压差值(根据执行元件速度要求设定)进行比较，根据比较的差值e(t)按照PID的控制规则计算控制量 u(t)，并输出控制量。控制量 u(t)需要经过D／A转换器将数字量 u(t)转换为0～5(10)V或4—20 mA的模拟信号才能控制变频器的频率，实现系统的变频调速。PLC的控制流程如图3所示。
图3 PLC控制程序流程图
如图3所示，经过第一次变频器调速，液压泵的输出流量向系统设定流量变化，流量的改变使节流口两端的压差发生相应的变化，当到达PID的下一个运算周期时，此时的压差值再次与设定值进行比较，并通过PID运算输出控制量，以控制变频器，改变电机转速，使液压泵的实际输出流量朝着更加接近系统设定流量的方向变化，以使泵的实际输出流量值无限的接近设定流量值。系统就是通过这样的循环控制使液压系统实现了流量的适应，最终实现液压泵的输出功率与负载功率的匹配。
4 结束语
本功率适应型液压系统采用了变频技术和现代工业控制技术，用定量泵代替原功率适应型液压系统中的变量泵，用电气元件直接控制定量泵，简化了调节机构和系统回路，可减少系统的能量损失，提高系统的节能效果；同时电气控制系统采用压差传感器实现压差信号的采集和转换，利用PLC控制器实现控制参量的输入、比较及泵电机转速的变频调节控制，只要通过PLC控制器的控制就可以适时的改变泵的转速，实现流量的调节，从而提高了系统的自动化水平、减少机械调节噪声；由于采用了电信号作为媒介，实现测量信号的反馈与调节，从而可提高泵变量系统的信号反馈精度、调节控制精度和反应速度。
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