一种负载敏感的叉车负载口独立控制系统及方法与流程

1.本发明涉及运输车辆控制领域，尤其是涉及一种负载敏感的叉车负载口独立控制系统及方法。


背景技术：

2.叉车在现代物流及仓储配送中发挥着重要作用，而液压系统作为叉车功能实现的执行系统，其性能优劣对叉车的工作性能有决定性影响。
3.叉车液压系统主要由门架升降、门架倾斜及货叉侧移等子系统组成，通过控制各个子系统液压缸(即液压缸)伸缩实现指定动作。目前，叉车液压系统多采用单泵供油而多液压缸同时工作的负载敏感控制系统，即根据泵出口压力和负载压力之间的压力裕度，通过监测压力和流量自适应调节泵的流量，以减少旁路节流损失。但在负载惯性相差较大的条件下，容易出现流量饱和现象，即各液压缸所需流量之和大于泵的最大输出流量，导致流量优先供给负载较小的液压缸，大负载液压缸则因流量供给不足而减速甚至停止工作。此外，工况变化时单一控制策略下不同工作点负载敏感系统不能同时满足控制性能和节能性能要求。因此，设计出既能保证任意工况下各液压缸工作需求，又能同时提高节能特性和控制性能的叉车液压系统和控制方法尤为重要。
4.现代叉车多采用单泵供油而多液压缸同时工作的负载敏感控制系统，在负载惯性相差较大的条件下，单一控制策略下不同工作点负载敏感系统的流量和压力匹配不能同时满足控制性能和节能性能要求。
5.叉车工况复杂多变，在负载惯性相差较大的条件下容易出现流量饱和现象，即各液压缸所需流量之和大于泵的最大输出流量，导致流量优先供给负载较小的液压缸，大负载液压缸则因流量供给不足而减速甚至停止工作。
6.负载敏感多路阀阀芯耦合联动、液压系统非线性问题、液压油特性动态变化以及负载外部干扰导致的液压缸控制精度降低问题。
7.目前针对叉车液压负载敏感控制系统现有技术如下：(1)以中国专利201410365226.1为例，通过优化多路阀结构来提高负载敏感系统的工作稳定性和降低能量损失，但多路阀存在机械联动现象，只能控制进出油口的一个油口，控制精度和能量利用率还有提升空间。(2)以赵君卫的《多液压缸负载敏感系统分流控制的研究》为例，通过研究各液压缸流量分配算法来提高负载敏感系统各液压缸的工作可靠性，但所采用的控制算法受系统非线性的影响较大，控制算法的设计上还可以进一步优化。


技术实现要素：

8.本发明是为了克服现有技术不能同时满足叉车控制性能和节能性能要求的问题，提供一种负载敏感的叉车负载口独立控制系统及方法，以保障任意工况下叉车的工作可靠性，同时提高叉车液压系统的节能特性和控制特性。
9.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
10.一种负载敏感的叉车负载口独立控制系统，其特征是，包括门架升降液压缸、操纵杆、门架倾斜液压缸、负载敏感泵、调节器、ecu控制器和货叉侧移液压缸；
11.还包括升降阀组，被配置为用于控制门架升降液压缸的无杆腔和有杆腔内液压油的流量、压力和流速；
12.还包括倾斜阀组,被配置为用于控制门架倾斜液压缸的无杆腔和有杆腔内液压油的流量、压力和流速；
13.还包括侧移阀组，被配置为用于控制货叉侧移液压缸的无杆腔和有杆腔内液压油的流量、压力和流速；
14.其中操纵杆连接ecu控制器，门架升降液压缸连接升降阀组、门架倾斜液压缸连接倾斜阀组，货叉侧移液压缸连接侧移阀组，升降阀组、倾斜阀组和侧移阀组并联至负载敏感泵，负载敏感泵连接调节器，调节器连接ecu控制器。
15.进一步地，所述升降阀组，倾斜阀组及侧移阀组均使用三位三通电液比例阀；阀体上配置有阀芯位置传感器；所有三位三通电液比例阀之间互相独立，根据系统的需求由控制器输出电信号直接控制阀口开度和方向，门架升降液压缸、门架倾斜液压缸及货叉侧移液压缸带有位移传感器，被配置为用于检测活塞杆位置并将位置信息传回ecu控制器。
16.进一步地，所述升降阀组包括分别与门架升降液压缸的无杆腔和有杆腔连接的门架升降液压缸无杆腔控制阀和门架升降液压缸有杆腔控制阀，所述倾斜阀组包括分别与门架倾斜液压缸的无杆腔和有杆腔连接的门架倾斜液压缸无杆腔控制阀和门架倾斜液压缸有杆腔控制阀，所述侧移阀组包括分别与货叉侧移液压缸的无杆腔和有杆腔连接的货叉侧移液压缸无杆腔控制阀和货叉侧移液压缸有杆腔控制阀。
17.进一步地，还包括多个压力传感器分别为第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器，第五压力传感器和第六压力传感器以及泵出口压力传感器，其中门架升降液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过第一压力传感器、第二压力传感器与ecu控制器连接，门架倾斜液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过第三压力传感器、第四压力传感器与ecu控制器连接，货叉侧移液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过第五压力传感器、第六压力传感器与ecu控制器连接，其中升降阀组，倾斜阀组，侧移阀组并联连接泵出口压力传感器，泵出口压力传感器连接ecu控制器连接，且泵出口压力传感器与负载敏感泵为并联关系。
18.一种负载敏感的叉车负载口独立控制方法，使用上述系统，其特征是，包括以下步骤：
19.步骤1：输入理想位置操纵指令，ecu控制器判断各液压缸负载方向和运动方向，计算理想驱动力f
di
，i＝1，2，3，1代表升降阀组、2代表倾斜阀组、3代表侧移阀组，以此为依据判断各液压缸最优工作模式；所述最优工作模式包括：f
di
方向与液压缸活塞杆伸出方向一致时，无杆腔为速度控制，有杆腔为压力控制以保持较低的压力值；f
di
方向与液压缸活塞杆伸出方向相反时，无杆腔为压力控制以保持较低的压力值，有杆腔为速度控制；f
di
为零时，关闭阀组；
20.步骤2：各液压缸的压力和位置传感器输出数据至ecu控制器，根据理想驱动力f
di
采用反步自适应鲁棒位置跟踪控制算法分别确定无杆腔速度控制的控制律、有杆腔速度控制的控制律和速度控制理想流量，以及无杆腔压力控制的控制律、有杆腔压力控制的控制
律和压力控制理想流量，同时根据所述步骤1各液压缸的最优工作模式输出各液压缸的理想控制流量包括速度控制理想流量和压力控制理想流量；
21.步骤3：基于步骤2输出的各液压缸两腔理想控制流量，输出控制信号u
p
调节负载敏感泵的排量，实现流量的主要控制；输出升降阀组、倾斜阀组、侧移阀组的控制信号，调节各阀组阀口开度，实现各液压缸两腔流量的精确控制；
22.步骤4：判断实际流量是否满足要求，满足则完成控制；反之各液压缸反馈压力传感器和位移传感器值，重复步骤2和步骤3，直至实现各液压缸流量的与理想控制流量的匹配，同时保证系统压力与负载压力差值维持在设定值，实现电液负载敏感的功能。
23.进一步地，所述步骤4判断实际流量是否满足要求的具体方法为根据阀口两端压差及给定各电液比例阀的电压，通过标定好的比例阀压力流量特性曲线，实时计算各液压缸实际流量，若实际流量与理想控制流量的差值的绝对值小于预设误差值，则满足控制要求。
24.因此，本发明具有如下有益效果：(1)本发明采用两个三位三通电液比例阀替换传统系统中的多路阀，简化系统结构、减少阀件使用成本，同时增加液压缸控制的自由度，为更符合实际工况的控制策略提供更好的硬件基础，提高了控制性能；(2)本发明一种负载敏感的叉车负载口独立控制技术，减少传统多液压缸负载敏感系统中由于低压液压缸端阀口压差过大引起的能量损失，提高能量利用率；(3)采用反步自适应鲁棒控制算法能有效缓解液压系统非线性和不确定性带来控制精度低的问题；联合泵阀复合控制，对每个液压缸的两个腔室的流量和压力进行准确控制，满足任意工况下各液压缸的流量需求。
附图说明
25.图1是本发明的控制系统连接图。
26.图2是本发明的控制方法程序图。
27.图中：1、门架升降液压缸，2、操纵杆，3、门架倾斜液压缸，4、泵出口压力传感器，5、负载敏感泵，6、调节器，7、ecu控制器，8、货叉侧移液压缸，
28.1.1、门架升降液压缸无杆腔控制阀，1.2、门架升降液压缸有杆腔控制阀，3.1、门架倾斜液压缸无杆腔控制阀，3.1、门架倾斜液压缸有杆腔控制阀，8.1、货叉侧移液压缸无杆腔控制阀，8.1、货叉侧移液压缸有杆腔控制阀，4.1、第一压力传感器，4.2、第二压力传感器，4.3、第三压力传感器，4.4、第四压力传感器，4.5、第五压力传感器，4.6、第六压力传感器。
具体实施方式
29.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
30.如图1、图2所示的实施例中，
31.一种负载敏感的叉车负载口独立控制系统，包括门架升降液压缸1、操纵杆2、门架倾斜液压缸3、负载敏感泵5、调节器6、ecu控制器7和货叉侧移液压缸8，还包括升降阀组，倾斜阀组，侧移阀组，分别被配置为用于控制门架升降液压缸1、门架倾斜液压缸3、货叉侧移液压缸8的无杆腔和有杆腔内液压油的流量、压力和流速；门架升降液压缸1、门架倾斜液压缸3及货叉侧移液压缸8带有位移传感器，被配置为用于检测活塞杆位置x1、x2、x3并将位置
信息传回ecu控制器7。其中操纵杆连接ecu控制器7，门架升降液压缸1连接升降阀组、门架倾斜液压缸3连接倾斜阀组，货叉侧移液压缸8连接侧移阀组，升降阀组、倾斜阀组和侧移阀组并联至负载敏感泵5，负载敏感泵5连接调节器6，调节器6连接ecu控制器7。
32.上述升降阀组，倾斜阀组及侧移阀组均使用三位三通电液比例阀；阀体上配置有阀芯位置传感器；所有三位三通电液比例阀之间互相独立，根据系统的需求由控制器输出电信号直接控制阀口开度和方向。所述升降阀组包括分别与门架升降液压缸1的无杆腔和有杆腔连接的门架升降液压缸无杆腔控制阀1.1和门架升降液压缸有杆腔控制阀1.2，所述倾斜阀组包括分别与门架倾斜液压缸3的无杆腔和有杆腔连接的门架倾斜液压缸无杆腔控制阀3.1和门架倾斜液压缸有杆腔控制阀3.2，所述侧移阀组包括分别与货叉侧移液压缸8的无杆腔和有杆腔连接的货叉侧移液压缸无杆腔控制阀8.1和货叉侧移液压缸有杆腔控制阀8.2。
33.上述负载敏感的叉车负载口独立控制系统还包括多个压力传感器分别为第一压力传感器4.1、第二压力传感器4.2、第三压力传感器4.3、第四压力传感器4.4，第五压力传感器4.5和第六压力传感器4.6以及泵出口压力传感器4，其中门架升降液压缸1的有杆腔和无杆腔分别通过第一压力传感器4.1、第二压力传感器4.2与ecu控制器7连接，门架倾斜液压缸3的无杆腔和有杆腔分别通过第三压力传感器4.3、第四压力传感器4.4与ecu控制器7连接，货叉侧移液压缸8的无杆腔和有杆腔分别通过第五压力传感器4.5、第六压力传感器4.6与ecu控制器连接7，其中升降阀组，倾斜阀组，侧移阀组并联连接泵出口压力传感器4，泵出口压力传感器4连接ecu控制器7连接，且泵出口压力传感器4与负载敏感泵5为并联关系。
34.上述系统的基本操作过程为：所述操纵杆2由人为操纵后通过can总线输出控制信号至ecu控制器7；所述多个压力传感器监测各液压缸有杆腔和无杆腔两腔的压力，阀芯位置传感器监测阀芯位置并通过can总线传回ecu控制器7；所述多个压力传感器检测负载敏感泵5出口的压力，并通过can总线传到ecu控制器7；ecu控制器7根据控制算法输出控制指令，所述调节器6接收控制指令调节负载敏感泵5的压力和流量，各阀组接收控制指令调节阀口开度和方向。
35.一种负载敏感的叉车负载口独立控制方法，使用上述系统，包括以下步骤：
36.步骤1：输入理想位置操纵指令，ecu控制器判断各液压缸负载方向和运动方向，计算理想驱动力f
di
，i＝1，2，3，1代表升降阀组、2代表倾斜阀组、3代表侧移阀组，以此为依据判断各液压缸最优工作模式；所述最优工作模式包括：f
di
方向与液压缸活塞杆伸出方向一致时，无杆腔为速度控制，有杆腔为压力控制以保持较低的压力值；f
di
方向与液压缸活塞杆伸出方向相反时，无杆腔为压力控制以保持较低的压力值，有杆腔为速度控制；f
di
为零时，关闭阀组；
37.步骤2：各液压缸的压力和位置传感器输出数据至ecu控制器，根据理想驱动力f
di
采用反步自适应鲁棒位置跟踪控制算法分别确定无杆腔速度控制的控制律l
s，i1
及其理想控制流量q
sd,i1
；有杆腔速度控制的控制律l
s，i2
及其理想控制流量q
sd,i2
，以及无杆腔压力控制的控制律l
p，i1
及其理想控制流量q
pd,i1
、有杆腔压力控制的控制律l
p，i2
和理想控制流量q
pd,i2
，同时根据所述步骤1各液压缸的最优工作模式输出各液压缸的理想控制流量q
d,ij
，包括速度控制理想流量q
sd，ij
和压力控制理想流量q
pd.ij
；
38.步骤3：基于步骤2输出的各液压缸两腔理想控制流量，输出控制信号u
p
调节负载敏感泵的排量，实现流量的主要控制；输出升降阀组、倾斜阀组、侧移阀组的控制信号，调节各阀组阀口开度，实现各液压缸两腔流量的精确控制；
39.步骤4：判断实际流量是否满足要求，满足则完成控制；反之各液压缸反馈压力传感器和位移传感器值，重复步骤2和步骤3，直至实现各液压缸流量的与理想控制流量的匹配，同时保证系统压力与负载压力差值维持在设定值，实现电液负载敏感的功能。
40.所述步骤4判断实际流量是否满足要求的具体方法为根据阀口两端压差及给定各电液比例阀的电压，通过标定好的比例阀压力流量特性曲线，实时计算各液压缸实际流量q
r,ij
，若∣q
r,ij-q
d,ij
∣≤z，z为预设误差值，则满足控制要求。
41.上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。