基于AMESim的水下節能液壓系統仿真分析

郭 浩，劉 剛，李文娟

(江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003)

引言

液壓驅動具有壓力自適應及功率密度最大化等特點[1-2]，使其成為水下裝備重要驅動系統，如“蛟龍”號，“鯤龍500”等采用了液壓系統驅動機械手、舵、推進系統等各種關鍵設備。水下工作環境惡劣，對裝備可靠性要求高，故目前液壓驅動均采用高可靠性的比例閥控液壓系統[3-6]。但隨著水下裝備的重載、綠色化發展，閥控液壓系統無功能耗過大問題日益突出。

液壓系統高無功能耗，不但會增大系統功耗，而且引起的介質發熱會降低系統可靠性及穩定性，一直是液壓技術研究熱點[7]。目前液壓系統節能研究可分為：

(1)節能元器件研究：LI Zhenhe等[8]研究的壓力自平衡節能液壓泵組，用于負載敏感液壓系統，可以根據負載自動調節液壓泵輸出；BREND Z[9]研究的新型節能背壓閥，通過減小系統工作壓力降低了系統能耗；

(2)系統優化：WANG Weiping等[10]研制的節能型電液非對稱液壓缸位置控制系統，實現了輸出反饋非線性節能控制；馬艷斌等[11]提出變轉速定量泵-變量泵結合的閉式泵控系統，通過控制變量泵排量來匹配液壓缸兩腔不對稱流量，以提高系統能量使用效率；TONG Zheming等[12]總結了泵閥協控電液系統節能技術，對負載口對立控制、共壓導軌和混合動力源等節能技術發展進行了探討；

(3)能量回收：張杰等[13]研究了采用變排量液壓泵/馬達來吸收和釋放電梯運行能量的方法，能夠最大限度實現電梯能量回收利用；聶波等[14]對電動叉車電液提升裝置能量回收系統進行了設計分析，研究的具有2套升降機構的能量回收系統，可降低系統能量損耗67.2%。相對于陸地節能液壓技術的廣泛研究，水下液壓節能研究并不多，如曹學鵬[15]開展了深海節能型集成液壓源研究，采用的電液比例變量泵根據負載輸出壓力和流量，提高了液壓源能耗效率。

隨著水下裝備技術不斷發展，高可靠水下節能液壓系統需求日益急迫。本研究針對水下工作環境特點，通過數值分析方法，開展基于定量泵的高可靠水下節能液壓系統研究，以降低系統能耗，提高水下裝備可靠性及穩定性。

1 水下節能液壓系統構成

水下裝備驅動機械手、舵、推進系統等裝置的液壓系統主要為位置控制系統。典型水下液壓位置控制系統原理如圖1所示，主要包括電機驅動的液壓泵、液壓控制閥和執行機構，封閉液壓源配有壓力補償器，實現液壓系統的壓力補償。

圖1 典型水下液壓位置控制系統原理圖

基于定量泵的閥控液壓系統具有的構成簡單、控制性能優異特點使其成為目前水下液壓系統的主流，但由于定量泵恒功率輸出及比例閥節流，其能量利用效率較低。其他如變量泵、負載敏感等節能液壓系統，元器件/系統較為復雜，很難適應水下惡劣環境長期作業要求?；诙勘玫淖冾l恒壓控制系統(其控制原理及閥控系統控制原理分別如圖2、圖3所示)，通過變頻電機控制定量泵輸出流量，由定量泵直接控制執行機構運動。圖2及圖3表明，變頻恒壓系統的定量泵輸出隨負載變化，且其控制閥只調整介質流向，故而從液壓泵功率匹配和閥節流損耗兩方面進行了能耗優化。

圖2 變頻恒壓控制原理

圖3 比例閥控控制原理

2 水下節能液壓系統仿真

根據能量守恒，能量損耗的水下液壓系統穩態流動能量方程為：

(1)

由式(1)可得水下液壓系統能量損耗方程：

(2)

式中，u—— 系統輸入電壓

精裝修的施工周期管理、質量要求等作為精細化管理的重要組成部分，與精裝修的施工工序順利開展存在較大關系。部分管理人員由于沒有意識到精細化管理的重要性，導致其沒有將質量要求與相關規范作為基礎對施工質量進行控制，也沒有進行有效的成本控制，使精裝修工程施工質量無法獲得保障，還會浪費施工成本。

i—— 系統輸入電流

q1—— 電機發熱量

q2—— 泵發熱量

q3—— 管道發熱量

q4—— 閥發熱量

p—— 執行機構工作壓力

Ep—— 功率匹配能量損耗

j—— 執行機構數量

2.1 仿真模型

基于AMESim建立水下位置控制系統仿真模型，建模前有如下假設：

(1)液壓系統工作時，工作介質穩態流動；

(2)外界負載恒定，忽略海流等擾動對系統的影響。

圖4為水下變頻恒壓位置控制系統仿真模型，主要包括變頻電機、定量泵、溢流閥、單向閥、換向閥、執行機構、負載和PID控制器。執行機構的位置反饋輸出至PID控制器，由PID控制器控制電機轉速調節定量泵輸出流量，實現執行機構的位置控制。

圖4 變頻恒壓位置控制系統仿真模型

水下比例位置控制系統仿真模型如圖5所示，主要包括電機、定量泵、溢流閥、單向閥、三位四通比例換向閥、執行機構、負載和PID控制器。執行機構的位置反饋輸出至PID控制器，由PID控制器控制比例閥的開度，實現執行機構的位置控制。

表1為液壓系統主要仿真參數，其對象為水下液壓機械手[16-17]。

表1 水下液壓位置控制系統主要仿真參數

2.2 PID控制器設計[18-20]

水下液壓系統采用PID控制器模型為：

(3)

式中,kp—— 比例增益

ki—— 積分增益

kd—— 微分增益

按照先比例、后積分、再微分的整定方法，通過系統動態過程仿真進行液壓系統控制器設計，整定得到的PID參數分別見表2和表3。

表2 變頻恒壓系統PID控制器

表3 比例閥控系統PID控制器

圖6為采用該控制器的變頻恒壓系統階躍響應仿真結果，其中階躍信號分別為0.01，0.04，0.05 m，液壓缸位置響應的上升時間最大0.38 s，無穩態誤差及超調，系統穩定。

圖6 變頻恒壓系統階躍響應

圖7為采用上述控制器的比例閥控系統階躍響應仿真結果，階躍信號同樣分別為0.01，0.04，0.05 m，液壓缸位置響應的上升時間最大0.13 s，無穩態誤差及超調，系統穩定。

圖7 比例閥控系統階躍響應

2.3 節能仿真分析

基于上述設計的控制器，仿真分析兩類系統能耗特性，主要仿真參數可見表1，執行機構行程為0.04 m。

表4及圖8為陸地工作環境仿真結果，此時液壓系統無壓力補償，系統工作壓力為8 MPa。

表4顯示，比例閥控系統最大能量損耗明顯高于變頻恒壓系統，約為其4倍。圖8顯示比例閥控系統整個工作過程中，液壓泵均穩定輸出13 kW左右的功率，而液壓缸在0.01 s左右達到行程位置后，并沒有能量消耗，多余能量均從溢流閥損耗，導致系統功率匹配能耗損失較大。而變頻恒壓系統，在液壓缸到達行程位置后，泵不再輸出能量，無功能量損耗顯著降低。無論是瞬時功率還是整個工作過程的能量消耗，變頻恒壓系統均遠低于閥控系統。

表4 陸地環境液壓系統能耗特性仿真結果 W

圖8 陸地環境液壓系統瞬時功率仿真結果

200 m水深條件仿真結果如表5及圖9，此時經過壓力補償后的系統壓力為10 MPa，液壓缸背壓2 MPa，液壓缸工作壓力仍為8 MPa。

從表5可以看出，與在陸地環境工作時相比，兩類液壓系統的能量損耗都有增加，但比例閥控系統能耗增加遠高于變頻恒壓系統。而圖9顯示，比例閥控系統液壓泵穩定輸出20 kW左右的功率，大于在陸地環境工作時的功率輸出，其原因在于，由于系統壓力增大，在相同輸出流量條件下，泵輸出能量也大大增加。因此隨著工作水深增加，變頻恒壓系統節能效果增大。

表5 200 m水深液壓系統能耗特性仿真結果 W

圖9 200 m水深液壓系統瞬時功率仿真結果

3 結論

本研究通過對基于定量泵的水下液壓位置控制系統進行數值分析，開展了水下節能液壓系統仿真研究，結果顯示：

(1)比例閥控系統能量消耗遠大于變頻恒壓系統，其主要原因在于泵的恒定功率輸出使系統功率匹配效率很低；

(2)隨著工作深度增加，液壓系統能耗增大，但比例閥控系統能量損耗增加明顯大于變頻恒壓系統。

研究表明，與現有水下閥控液壓系統相比，基于定量泵的變頻恒壓系統，在不增加系統復雜性的同時，能有效提高能量使用效率，可降低水下裝備能量消耗，提高其可靠性及穩定性。