本发明涉及液压传动与控制技术领域，尤其涉及一种电液流量匹配的负载口独立控制系统。
背景技术：
以负载敏感系统为代表的传统工程机械液压控制系统，其各执行器的进出口一般由一个单阀芯式比例阀进行机液式控制。一方面，该系统虽然具有易于操作、鲁棒性强等优点，但也使得系统只能工作在普通模式下，无法根据负载工况特点灵活的配置能耗更优的液压回路。另一方面，执行器进、出口的节流面积通过阀体内一根阀芯的位移来耦合调节，使得进油阀口达到目标开度的同时，无法让出油阀口开度尽可能的大，导致背腔压力过大，为了克服此多余的背腔压力，不得不提高系统压力以提高执行器的进油腔压力。因此，作为多执行器流量分配单元的控制阀存在进口压力损失、出口压力损失、势能损失等，导致能量效率低。为了降低能耗，常将电液负载敏感泵控方法与负载口独立阀控方法相结合。采用负载口独立阀控方法可以打破进、出阀口耦合调节的约束，使系统可以根据执行器不同工况模式，切换至能耗更优的液压回路，并且可以增加系统的控制自由度，可实现系统的多目标控制。另一方面，电液负载敏感泵控方法采用设定压力裕度的闭环控制方式。该压力裕度设定通常有两种方式：其一为定压力裕度，其二为变压力裕度；定压力裕度值通常考虑摩擦以及沿程压力损失等，并出于安全性考虑，一般为1.4mpa-2mpa；而与定压力裕度电液负载敏感泵控方式不同的是，变压力裕度可根据实际工况在线调整，从而一定程度上降低了进口压力损失，但是仍然无法设定为最理想的最小值。
因此，为了克服已有电液负载敏感负载口独立控制系统节能特性难以进一步提升的不足，本发明基于电液流量匹配开环泵控方式结合负载口独立控制在能耗降低方面突出的优势，提出一种电液流量匹配的负载口独立控制系统。该系统实际压力裕度可由沿程管路、阀口压力损失自动决定，因此可避免压力裕度设定过高导致的进口压力损失，从而进一步降低能耗。
技术实现要素：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电液流量匹配的负载口独立控制系统，包括电控变量泵1、油箱2、安全阀3、负载口独立控制阀组4、执行机构5、控制器6、压力传感器7、控制手柄8、控制手柄9、单向阀10。
本发明中所述电控变量泵1的出油口和所述安全阀3的进油口均与单向阀10的进油口通过管路相连，单向阀10的出油口和负载口独立控制阀组4的进油口p通过管路相连接，所述电控变量泵1的吸油口、负载口独立控制阀组4的回油口t和安全阀3的出油口均与油箱2通过管路相连接；所述负载口独立控制阀组4的第一工作油口a1与液压执行器51的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第二工作油口b1与液压执行器51的有杆腔油口b通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第三工作油口a2与液压执行器52的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第四工作油口b2与液压执行器52的有杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第五工作油口a3与液压执行器53的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第六工作油口b3与液压执行器53的有杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第七工作油口a4与第八工作油口b4分别与液压马达54的两腔通过管路相连接。
所述电控变量泵1和负载口独立控制阀组4通过电气电路与控制器6相连接，所述压力传感器7通过电气电路与控制器6相连通，所述控制手柄8和9通过电气电路与控制器6相连通。
所述负载口独立控制阀组4的组数与执行机构5的液压执行器的个数相等。所述负载口独立控制阀组4包括4组，分别为负载口独立控制阀41、负载口独立控制阀42、负载口独立控制阀43、负载口独立控制阀44；所述执行机构5包括4个，分别为液压执行器51、液压执行器52、液压执行器53、液压马达54。
所述负载口独立控制阀41含有第一溢流阀4111、第二溢流阀4112、第一比例方向阀4121、第二比例方向阀4122、压力传感器4131、压力传感器4132。所述第一比例方向阀4121包括进油口p1、回油口t1，出油口a1，所述第二比例方向阀4122包括进油口p2、回油口t2，出油口a2，其中所述第一比例方向阀4121的进油口p1和第二比例方向阀4122的进油口p2相连并和负载口独立控制阀41的进油口p连接，所述第一比例方向阀4121的出油口a1、压力传感器4131的进油口及第一溢流阀4111的进油口均与负载口独立控制阀41的第一工作油口a1相连接，所述第二比例方向阀4122的出油口a2、压力传感器4132的进油口及第二溢流阀4112的进油口均与负载口独立控制阀41的第二工作油口b1相连接，所述第一比例方向阀4121和第二比例方向阀4122的回油口t1、t2相互连接，并和负载口独立控制阀41的回油口t相连接。
所述负载口独立控制阀42、负载口独立控制阀43和负载口独立控制阀44的结构同上述负载口独立控制阀41的结构相同。
所述电液流量匹配的负载口独立控制系统能够驱动执行机构在四负载象限下工作。负载根据速度与压力的方向分为四个象限，其中负载正方向为压力负载的方向，速度正方向为活塞伸出的方向。当负载方向与速度方向相反时为阻抗负载；当负载方向与速度方向相同时为超越负载。根据负载特性不同，系统包含七种工作模式。在普通模式下，系统可工作在阻抗伸出、阻抗缩回、超越伸出、超越缩回四种模式下；在高压再生伸出模式下，液压执行器进出口同时连通泵高压油路，形成差动连接，此时液压执行器可以以较小的流量、较高的压力驱动轻载执行器；在低压缩回再生模式以及低压伸出再生模式下，液压执行器进出口同时连通低压回油路，形成差动连接，此时液压执行器通过超越负载驱动执行器运动，无需泵提供流量。
所述电液流量匹配的负载口独立控制系统中的电控变量泵通过电子调节的方式实现电液流量匹配控制。所述电液流量匹配控制为开环控制方式，实际的压力裕度由沿程管路、阀口压力损失自动决定。
所述电控变量泵和负载口独立控制阀均通过控制器进行控制。所述控制器包括泵控制器和阀控制器。所述泵控制器根据所有执行器目标流量信号，通过斜盘摆角反馈调节泵的排量。所述阀控制器分为流量控制和压力控制，所述流量控制无压力补偿阀，而是采用基于阀口流量特性的电子式压力补偿控制使得阀口流量独立于负载压力变化，即非机械式的压力补偿；压力控制则为基于pid调节器的背腔压力闭环控制。
所述电液流量匹配的负载口独立控制系统中负载口独立控制阀根据负载工况的不同对进出口阀配置不同的控制方式。当液压执行器处于阻抗负载工况时，进口阀采用流量控制，出口阀则为压力控制以降低背腔压力，而当液压执行器处于超越负载工况时，进口阀采用压力控制防止发生气穴，出口阀则为流量控制防止执行器失速。
本发明具有的有益效果是：
(1)可实现多种节能液压回路：除了普通工作模式的液压回路外，不仅可以通过两腔同时连接高压供油路的差动连接方式，实现流量再生，还能通过两腔同时连接低压回油路的差动连接方式，回收利用超越负载的能量驱动执行器，有效降低能源消耗。
(2)减少节流损失：负载口独立控制系统进出口可以独立控制，因此可以通过增大进/出口阀阀口开度，以减小进/出口节流损失；电液流量匹配控制可以使得系统获得克服沿程管路损失和阀口压力损失的系统最低压力裕度，进一步降低进口压力损失。
(3)实现流量精确匹配：通过电液流量匹配，使系统可以准确地分配相应的流量给到对应的执行机构。
附图说明
图1是本发明电液流量匹配的负载口独立控制系统的系统原理图。
图2是本发明的负载口独立控制阀原理图。
图3是本发明的阻抗伸出负载的液压原理图。
图4是本发明的阻抗缩回负载的液压原理图。
图5是本发明的超越伸出负载的液压原理图。
图6是本发明的超越缩回负载的液压原理图。
图7是本发明的低压缩回再生模式的液压原理图。
图8是本发明的低压伸出再生模式的液压原理图。
图9是本发明的高压再生模式的液压原理图。
图10是本发明泵控制的原理图。
图11是本发明阀控制的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照图1，本发明的电液流量匹配的负载口独立控制系统，包括电控变量泵1、油箱2、安全阀3、负载口独立控制阀41-44、液压执行器51-53、液压马达54、控制器6、压力传感器7、控制手柄8、控制手柄9、单向阀10。其中电控变量泵1的出油口和所述安全阀3的进油口均与单向阀10的进油口通过管路相连，单向阀10的出油口和负载口独立控制阀组4的进油口p通过管路相连接，所述电控变量泵1的吸油口、负载口独立控制阀组4的回油口t和安全阀3的出油口均与油箱2通过管路相连接；所述负载口独立控制阀组4的第一工作油口a1与液压执行器51的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第二工作油口b1与液压执行器51的有杆腔油口b通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第三工作油口a2与液压执行器52的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第四工作油口b2与液压执行器52的有杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第五工作油口a3与液压执行器53的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第六工作油口b3与液压执行器53的有杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组4的第七工作油口a4与第八工作油口b4分别与液压马达54的两腔通过管路相连接。
所述电控变量泵1和负载口独立控制阀组4通过电气电路与控制器6相连接，所述压力传感器7通过电气电路与控制器6相连通，所述控制手柄8和9通过电气电路与控制器6相连通。
所述负载口独立控制阀组4的组数与执行机构5的液压执行器的个数相等。所述负载口独立控制阀组4包括4组，分别为负载口独立控制阀41、负载口独立控制阀42、负载口独立控制阀43、负载口独立控制阀44；所述执行机构5，包括4个，分别为液压执行器51、液压执行器52、液压执行器53、液压马达54。
参照图2，所述负载口独立控制阀41含有第一溢流阀4111、第二溢流阀4112、第一比例方向阀4121、第二比例方向阀4122、压力传感器4131、压力传感器4132。所述第一比例方向阀4121包括进油口p1、回油口t1，出油口a1，所述第二比例方向阀4122包括进油口p2、回油口t2，出油口a2，其中所述第一比例方向阀4121的进油口p1和第二比例方向阀4122的进油口p2相连并和负载口独立控制阀41的进油口p连接，所述第一比例方向阀4121的出油口a1、压力传感器4131的进油口及第一溢流阀4111的进油口均与负载口独立控制阀41的第一工作油口a1相连接，所述第二比例方向阀4122的出油口a2、压力传感器4132的进油口及第二溢流阀4112的进油口均与负载口独立控制阀41的第二工作油口b1相连接，所述第一比例方向阀4121和第二比例方向阀4122的回油口t1、t2相互连接，并和负载口独立控制阀41的回油口t相连接。所述第一溢流阀4111、第二溢流阀4112对液压执行器51起保护作用。
以下七种工作模式的说明均以负载口独立控制阀41和液压执行器51为例。
参照图3，所述负载口独立控制阀41的第一比例方向阀4121左位得电，第二比例方向阀4122右位得电，液压执行器51无杆腔连通泵高压油，有杆腔连通低压回油路，液压执行器51活塞杆伸出，推动负载。此时，第一比例方向阀4121采用流量控制控制执行器的速度，而第二比例方向阀4122则采用压力控制以降低背压，泵则采用流量匹配控制，控制系统流量和压力的供应。
参照图4，所述第一比例方向阀4121右位得电，第二比例方向阀4122左位得电，液压执行器51无杆腔连通低压回油路，有杆腔连通泵高压油，液压执行器51活塞杆缩回，拉动负载。此时，第一比例方向阀4121采用压力控制以降低背压，而第二比例方向阀4122则采用流量控制控制执行器的速度，泵则采用流量匹配控制，控制系统流量和压力的供应。
参照图5，所述第一比例方向阀4121左位得电，第二比例方向阀4122右位得电，液压执行器51无杆腔连通泵高压油，有杆腔连通低压回油路，在超越负载作用下，液压执行器51活塞杆伸出。此时，第一比例方向阀4121采用压力控制，而第二比例方向阀4122则采用流量控制控制执行器速度防止失速，泵则采用流量匹配控制，控制系统流量和压力的供应。
参照图6，所述第一比例方向阀4121右位得电，第二比例方向阀4122左位得电，液压执行器51无杆腔连通低压回油路，有杆腔连通泵高压油，在超越负载作用下，液压执行器51活塞杆缩回。此时，第一比例方向阀4121采用流量控制控制执行器的速度防止失速，而第二比例方向阀4122则采用压力控制，泵则采用流量匹配控制，控制系统流量和压力的供应。
参照图7，所述第一比例方向阀4121和第二比例方向阀4122均右位得电，液压执行器51无杆腔和有杆腔同时连通低压回油路，超越负载驱动液压执行器51活塞杆缩回，此时油液靠负载作用于执行器产生的压力从液压执行器的无杆腔流向有杆腔，进行能量回收，而泵无需向该执行器提供流量，消除了该执行器能量损失。此时，第一比例方向阀4121采用流量控制控制执行器的速度，而第二比例方向阀4122则采用压力控制且阀口全开，以消除低压侧压力损失，避免低压容腔产生气穴。
参照图8，所述第一比例方向阀4121和第二比例方向阀4122均右位得电，液压执行器51无杆腔和有杆腔同时连通低压回油路，超越负载驱动液压执行器51活塞杆伸出，此时油液靠负载作用于执行器产生的压力从液压执行器的有杆腔流向无杆腔，进行能量回收，而无需泵提供流量，消除了该执行器能量损失。此时，第一比例方向阀4121采用压力控制且阀口全开，以消除低压侧压力损失，避免低压容腔产生气穴。，而第二比例方向阀4122则采用流量控制控制执行器的速度。
参照图9，所述第一比例方向阀4121和第二比例方向阀4122均左位得电，液压执行器51无杆腔和有杆腔同时连通泵高压油，液压执行器51处于差动连接，油液从液压执行器无杆腔再生至有杆腔，而泵只需供应液压执行器两腔流量之差值的少量流量，减少了系统能耗。此时，第一比例方向阀4121采用流量控制控制执行器的速度，而第二比例方向阀4122采用压力控制以降低背压，泵则采用流量匹配控制，控制系统流量和压力的供应。对于拥有多个执行器的工程机械来说，在达到负载工况的条件下，一般对轻载执行器才会切换至高压再生模式。
参照图10，所述控制器6包含的泵控制器为流量匹配控制，根据所有执行器目标流量信号计算目标排量信号，进而通过斜盘摆角反馈调节泵的排量。泵排量(斜盘摆角)、电机转速、供油压力、及斜盘摆角之间的关系可由式(1)给出：
式中qs，ref为各液压执行器所需流量总和，vp为电控变量泵的额定排量，nm为电机转速，cp为泵泄漏系数，ps为泵出口压力，θs，ref为目标斜盘摆角，θs，max为最大斜盘摆角。
参照图11，所述控制器6包含的阀控制器分为流量控制和压力控制，所述流量控制无压力补偿阀，而是采用基于阀口流量特性的电子式压力补偿控制使得阀口流量独立于负载压力变化，即非机械式的压力补偿；压力控制则为基于pid调节器的背腔压力闭环控制。所述基于阀口流量特性的电子式压力补偿控制是根据阀口两侧压力差及给定比例阀的电压，通过离线测量的比例阀的压力-流量特性曲线，在线计算实际流量，与目标流量值比较后，再由pid控制器调整阀口开度以减小两者的偏差，阀控信号可由式(2)给出：
式中qe＝qref-qact，为实际流量与目标流量的差值。目标流量qref，为控制手柄发出的指令信号与液压执行器工作面积之积；阀口实际流量qact，可由阀口两端压力差δp、阀控制电压u1,通过离线测量的控制阀压力-流量特性曲线在线计算得出，计算公式(3)如下：
式中cq为流量系数，av为阀口节流面积，ρ为油液密度。
所述压力控制为基于pid调节器的背腔压力闭环控制，阀控信号u2可由式(4)给出：
式中δpb(t)＝pb，ref-pb，为参考压力与实际背腔压力的差值。
1.电液流量匹配的负载口独立控制系统，其特征在于，包括：
电控变量泵(1)用于为系统提供所需的流量；
油箱(2)用于储存系统所需液压油；
安全阀(3)用于保证系统的安全性；
负载口独立控制阀组(4)用于改变系统液压回路，使执行器可在阻抗伸出、阻抗缩回、超越伸出、超越缩回、低压伸出再生、低压缩回再生、高压再生七种模式中选择能量最优的工作模式进行工作；
执行机构(5)包括液压执行器(51)、液压执行器(52)、液压执行器(53)、液压马达(54)；
控制器(6)用于为系统提供控制信号。
压力传感器(7)用于测量泵出口压力；
控制手柄(8)和(9)用于控制执行机构的动作；
单向阀(10)起止回作用，防止泵的损坏。
2.根据权利要求1所述的电液流量匹配的负载口独立控制系统，其特征在于，所述电控变量泵(1)的出油口和所述安全阀(3)的进油口均与单向阀(10)的进油口通过管路相连，单向阀(10)的出油口和负载口独立控制阀组(4)的进油口p通过管路相连接，所述电控变量泵(1)的吸油口、负载口独立控制阀组(4)的回油口t和安全阀(3)的出油口均与油箱(2)通过管路相连接；所述负载口独立控制阀组(4)的第一工作油口a1与液压执行器(51)的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组(4)的第二工作油口b1与液压执行器(51)的有杆腔油口b通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组(4)的第三工作油口a2与液压执行器(52)的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组(4)的第四工作油口b2与液压执行器(52)的有杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组(4)的第五工作油口a3与液压执行器(53)的无杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组(4)的第六工作油口b3与液压执行器(53)的有杆腔通过管路相连接，所述负载口独立控制阀组(4)的第七工作油口a4与第八工作油口b4分别与液压马达(54)的两腔通过管路相连接。
所述电控变量泵(1)和负载口独立控制阀组(4)通过电气电路与控制器(6)相连接，所述压力传感器(7)通过电气电路与控制器(6)相连通，所述控制手柄(8)和(9)通过电气电路与控制器(6)相连通。
3.根据权利要求2所述的电液流量匹配的负载口独立控制系统，其特征在于，负载口独立控制阀(41)含有第一溢流阀(4111)、第二溢流阀(4112)、第一比例方向阀(4121)、第二比例方向阀(4122)、压力传感器(4131)、压力传感器(4132)。所述第一比例方向阀(4121)包括进油口p1、回油口t1，出油口a1，所述第二比例方向阀(4122)包括进油口p2、回油口t2，出油口a2，其中所述第一比例方向阀(4121)的进油口p1和第二比例方向阀(4122)的进油口p2相连并和负载口独立控制阀(41)的进油口p连接，所述第一比例方向阀(4121)的出油口a1、压力传感器(4131)的进油口及第一溢流阀(4111)的进油口均与负载口独立控制阀(41)的第一工作油口a1相连接，所述第二比例方向阀(4122)的出油口a2、压力传感器(4132)的进油口及第二溢流阀(4112)的进油口均与负载口独立控制阀(41)的第二工作油口b1相连接，所述第一比例方向阀(4121)和第二比例方向阀(4122)的回油口t1、t2相互连接，并和负载口独立控制阀(41)的回油口t相连接。所述负载口独立控制阀(42)、负载口独立控制阀(43)和负载口独立控制阀(44)的结构同负载口独立控制阀(41)的结构相同。
4.根据权利要求1至3所述的电液流量匹配的负载口独立控制系统，其特征在于，系统可根据负载特性不同，选择不同的工作模式。在普通模式下，系统可工作在阻抗伸出、阻抗缩回、超越伸出、超越缩回四种模式下；在高压再生伸出模式下，液压执行器进出口同时连通泵高压油路，形成差动连接，此时液压执行器可以以较小的流量、较高的压力驱动轻载执行器；在低压缩回再生模式以及低压伸出再生模式下，液压执行器进出口同时连通低压回油路，形成差动连接，此时液压执行器通过超越负载驱动执行器运动，无需泵提供流量。
所述七种工作模式具体工作方法为：
阻抗伸出模式：所述负载口独立控制阀(41)的第一比例方向阀(4121)左位得电，第二比例方向阀(4122)右位得电，液压执行器(51)无杆腔连通泵高压油，有杆腔连通低压回油路，液压执行器(51)活塞杆伸出，推动负载。
阻抗缩回模式：所述第一比例方向阀(4121)右位得电，第二比例方向阀(4122)左位得电，液压执行器(51)无杆腔连通低压回油路，有杆腔连通泵高压油，液压执行器(51)活塞杆缩回，拉动负载。
超越伸出模式：所述第一比例方向阀(4121)左位得电，第二比例方向阀(4122)右位得电，液压执行器(51)无杆腔连通泵高压油，有杆腔连通低压回油路，在超越负载作用下，液压执行器(51)活塞杆伸出。
超越缩回模式：所述第一比例方向阀(4121)右位得电，第二比例方向阀(4122)左位得电，液压执行器(51)无杆腔连通低压回油路，有杆腔连通泵高压油，在超越负载作用下，液压执行器(51)活塞杆缩回。
低压伸出再生模式：所述第一比例方向阀(4121)和第二比例方向阀(4122)均右位得电，液压执行器(51)无杆腔和有杆腔同时连通低压回油路，超越负载驱动液压执行器(51)活塞杆缩回，此时油液靠负载作用于执行器产生的压力从液压执行器的无杆腔流向有杆腔，进行能量回收，而泵无需向该执行器提供流量。
低压缩回再生模式：所述第一比例方向阀(4121)和第二比例方向阀(4122)均右位得电，液压执行器(51)无杆腔和有杆腔同时连通低压回油路，超越负载驱动液压执行器(51)活塞杆伸出，此时油液靠负载作用于执行器产生的压力从液压执行器的有杆腔流向无杆腔，进行能量回收，而泵无需向该执行器提供流量。
高压再生模式：所述第一比例方向阀(4121)和第二比例方向阀(4122)均左位得电，液压执行器(51)无杆腔和有杆腔同时连通泵高压油，液压执行器(51)处于差动连接，油液从液压执行器无杆腔再生至有杆腔，而泵只需供应液压执行器两腔流量之差值的少量流量。对于多执行器的液压机械臂而言，在达到负载工况的条件下，一般对轻载执行器才会切换至高压再生模式。
5.根据权利要求1至3所述的电液流量匹配的负载口独立控制系统，其特征在于，所述电控变量泵通过电子调节的方式实现电液流量匹配控制，电液流量匹配控制为开环控制方式，实际的压力裕度由液压管路、阀口压力损失自动决定。
6.根据权利要求1至3所述的电液流量匹配的负载口独立控制系统，其特征在于，所述电控变量泵和负载口独立控制阀均通过控制器进行控制。所述控制器包括泵控制器和阀控制器。所述泵控制器为流量匹配控制，根据所有执行器目标流量信号计算目标排量信号，进而通过斜盘摆角反馈调节泵的排量。所述阀控制器分为流量控制和压力控制，所述流量控制无压力补偿阀，而是采用基于阀口流量特性的电子式压力补偿控制使得阀口流量独立于负载压力变化；压力控制则为基于pid调节器的背腔压力闭环控制。
7.根据权利要求1至3所述的电液流量匹配的负载口独立控制系统，其特征在于，负载口独立控制阀可根据负载工况的不同对进出口阀配置不同的控制方式。当液压执行器处于阻抗负载工况时，进口阀采用流量控制，出口阀则为压力控制以降低背腔压力，而当液压执行器处于超越负载工况时，进口阀采用压力控制防止发生气穴，出口阀则为流量控制防止执行器失速。
技术总结