一种基于压力测量、温度补偿的蓄能器供水流量控制方法
技术领域
本发明提供一种蓄能器供水流量控制方法，具体涉及一种基于压力测量、温度补偿的蓄能器供水流量控制方法，属于分析及测量控制技术领域。
背景技术
液压系统具有体积小、重量轻，刚度大、响应快，承载能力大，易于实现安全保护的优点，因此在航空航天领域应用广泛。对于实际液压系统，应用中经常安装气囊式蓄能器，利用蓄能器供能。
当液压系统使用蓄能器供能时，为满足系统使用要求，一般需要对蓄能器提供的流量和压力进行控制，以提供给定压力的流量。常规的方法是使用压力传感器采集压力信号，利用流量传感器采集得到流量信号。若考虑温度影响，还需要温度传感器采集温度信号。根据采集的信号，选择不同大小的固定节流口，控制流量。这样液压系统集成时，系统元件较多，排列布置不方便，占地空间多，且质量相对较大，有时难以满足对质量把控的要求。而且，由于元件较多，系统庞杂，系统可靠性降低。流量的控制依赖于不同大小的固定节流口，这样也无法根据使用需求无级调节节流口的大小。
使用蓄能器供能时，由于蓄能器本身工作的特点，流量与其压力相关，可以通过检测压力换算出流量的大小。若考虑温度影响，则流量换算时加入温度修正。这样相较于传统的方法，可以不使用流量传感器测量流量，直接根据压力传感器和温度传感器采集的温度和压力换算得到流量，零件减少，系统得到了简化，质量更小，排列布置方便，且零件少提高了可靠性。本发明提出一种基于压力测量、温度补偿的蓄能器供水流量控制方法，为液压系统控制提供基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于压力测量、温度补偿的蓄能器供水流量控制方法，以解决现有的蓄能器供水流量控制过程中，使用流量传感器检测流量信号，使得系统元件多、质量大，使用固定节流口而无法根据压力变化无级调节节流口大小的问题。通过测量蓄能器出口管路内流体压力和温度，根据蓄能器工作原理，得出蓄能器出口流量，避免了使用流量传感器及其配套设备，减少零件数量，减轻重量，提高可靠性。使用比例节流阀替换固定节流口，系统可以根据压力变化调节比例节流阀开度，无级调节节流口面积大小。
本发明所涉及的技术方案和具体实施过程如下：
本发明提供一种基于压力测量、温度补偿的蓄能器供水流量控制系统，包括蓄能器、温度传感器、压力传感器、阀块、比例节流阀。
蓄能器、比例节流阀、温度传感器、压力传感器安装于阀块上面，阀块内部管路连通蓄能器，所述的管路经过比例节流阀与阀块出口连通，温度和压力传感器置于靠近蓄能器出口的阀块内部管路中。所述的阀块内部开有管路，阀块上开有螺纹孔，螺纹孔向内与阀块内部管路相连通，向外与蓄能器、比例节流阀、压力和温度传感器及其他液压元件相连。
其中，所述的比例节流阀是电磁线圈式比例节流阀。
其中，所述的温度传感器是电阻式温度传感器。
其中，所述的蓄能器是皮囊式蓄能器。
本发明提供一种基于压力测量、温度补偿的蓄能器供水流量控制方法，具体如下：
蓄能器、比例节流阀、温度传感器、压力传感器安装于阀块上面，阀块内部管路连通蓄能器，管路经过比例节流阀与阀块出口连通，温度和压力传感器置于靠近蓄能器出口的阀块内部管路中。本发明中，控制流量的比例节流阀位于蓄能器与阀块外部接口之间，可以认为蓄能器出口压力等于蓄能器内液压油的压力，也就等于蓄能器内气囊气体压力。蓄能器供水流量与其气囊体积变化率相关，气囊体积又与气囊压力相关联。故可以通过测量蓄能器出口压力得到流出的流量。另外，考虑温度对蓄能器的影响，在建立流量换算的数学模型时加入温度补偿。
蓄能器气囊数学模型为：
这样根据测得的压力和温度可以得出流量Q。通过换算得到的流量Q与流量期望E，依据控制逻辑调节比例节流阀的开度，控制流量。
本发明的有益效果为：
(1)本发明在控制蓄能器供水流量中，获取当前流量信号时，避免了使用流量传感器，减少了零件数目，可以削减成本，同时使得零件的排列布置更加方便，布置更为紧凑。零件的减少，使得整体质量可以得到降低。
(2)本发明省去流量传感器，减少零件，提升了系统可靠性。不使用流量传感器，避免了使用流量传感器时，由于流量变化冲击而损坏流量传感器导致流量控制失；流量传感器的去除，同时也省去了流量传感器相关的电路。
(3)流量传感器检测频率较低，而温度和压力传感器检测频率很高。本发明依据蓄能器工作原理，使用压力传感器和温度传感器检测流量，检测频率得到很大提升，可以实时获取流量大小。
(4)比例节流阀替换固定节流口，可以根据压力变化调节比例节流阀开度，无级调节节流口的面积大小，使得流量调节更准确。通过节流口的流量大小与节流口的大小、节流口两端压差有关。蓄能器供能时，压力随着使用逐渐下降，使用一组不同大小的固定节流口调节流量，会使得流量调节不准确。用比例节流阀替换固定节流口，可以随着压力变化无级调节节流口的大小，使得流量调节更准确。
附图说明
图1为本发明实施例阀块三维示意图。
图2为本发明实施例系统示意图。
图3为发明实施例的三维示意图。
图4为流量控制过程示意图。
上述各图中的各标记意义如下：
1、皮囊式蓄能器；2、温度传感器；3、压力传感器；4、比例节流阀；5、接口元件；6、蓄能器充水口；7、阀块；8、堵孔元件
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、通孔
A、B、小孔
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1、2、3所示，一种基于压力测量、温度补偿的蓄能器供水流量控制系统，包括皮囊式蓄能器1、温度传感器2、压力传感器3、阀块7、比例节流阀4。
阀块7是本发明自行设计的元件，温度传感器、压力传感器、蓄能器、比例节流阀是常规的技术元件。
本发明的阀块如图1所示。阀块内部有管路，阀块表面开有通孔，通孔与阀块内部管路相连通，通孔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ攻有螺纹。皮囊式蓄能器、温度传感器、压力传感器以及堵孔接口元件通过通孔的螺纹安装在阀块上面。其中通孔Ⅰ安装蓄能器，通孔Ⅱ安装温度传感器，通孔Ⅲ安装压力传感器。通孔Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ安装有堵孔元件8，防止液体从这三个通孔流出。通孔Ⅷ安装有接口元件5用于连接其他液压元件。通孔Ⅳ由两个小孔A和B组成，两小孔分别与两端的内部管路连接，两小孔用于安装比例节流阀。系统工作时，液体从皮囊式蓄能器中流出，经通孔Ⅰ进入阀块内部管路中，然后沿着内部管路流经温度传感器、压力传感器，之后由小孔A流入比例节流阀，当比例节流阀开启，液体从小孔B中流出，进入另一端的阀块内部管路中，最终从孔Ⅷ的接口元件流出阀块，进入其他外界设备。
本发明使用的比例节流阀是电磁线圈式比例节流阀，通过控制比例节流阀的输入电压，控制比例节流阀的开口面积。
本发明使用的压力传感器工作原理是液压力直接作用在传感器的膜片上,使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻发生变化,利用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。
本发明使用的温度传感器是电阻式温度传感器，温度的改变引起电阻值的变化，利用电子线路检测这一变化，并转化为一个与温度对应的标准信号。
本发明涉及供水蓄能器是皮囊式蓄能器。此类蓄能器由油液部分和带有气密封件的气体部分组成，位于皮囊周围的油液与油液回路接通。当压力升高时油液进入蓄能器，气体被压缩，这时相当于给蓄能器充能；当管路压力下降时压缩空气膨胀，将油液压入回路，此时可作为供水装置。
如示意图1、2所示，皮囊式蓄能器1中的液压油经过管路，流经管路后端的一比例节流阀4，最终供给外接设备5。压力传感器3及温度传感器2，两者采集从蓄能器中流出的流体的压力和温度信号。蓄能器出口流量的控制取决于比例节流阀4的的开度。如图3所示，根据蓄能器工作原理，由蓄能器出口管路中流体的温度和压力换算出当前流量，将当前流量大小和期望流量作为控制输入，按照控制逻辑调节比例节流阀开度，控制节流口的面积，进而控制蓄能器的流量。
当前流量的确定：本发明中，控制流量的比例节流阀位于蓄能器与阀块外部接口之间，可以近似认为蓄能器出口压力等于蓄能器内液压油的压力，蓄能器出口压力也就等于蓄能器内气囊压力。蓄能器供水流量与其气囊体积变化率相关，气囊体积又与气囊压力相关联。故可以通过测量蓄能器出口压力得到流出的流量。考虑到温度对系统的影响，故在建立流量数学模型时加入温度补偿，以补偿温度对流量的影响。下面是蓄能器出口流量Q的数学模型的建立：
对于皮囊式蓄能器，蓄能器由油液部分和带有气密封件的气体部分组成，位于气囊周围的油液与油液回路接通。当压力升高时油液进入蓄能器，气体被压缩，直到系统管路压力不再上升；当管路压力下降时压缩空气膨胀，将油液压入回路，从而减缓管路压力的下降。蓄能器气囊体积的变化率等于进出蓄能器的流量。忽略油液的弹性模量，将蓄能器气囊中的气体视为理想气体(忽略气体粘性)，可建立蓄能器气囊的数学模型为：
其中P为皮囊式蓄能器中气体的压力(同时也等于其中液压油的压力)，V为蓄能器气囊中气体的体积，n是理想气体的绝热指数，T是蓄能器液压油(气囊中气体)的温度，R为理想气体常数。
对式①两边求导，得
将式②代入式①可以得到
根据压力传感器和温度传感器采集得到的压力和温度信号，可以得出当前流量值Q。根据得出的流量Q，将其与流量期望值E做为输入，利用PID或其他控制算法调节比例节流阀的开度，调节节流口面积大小，控制蓄能器出口的流量。
