1.1　本書編寫的目的與意義

液壓傳動以其傳動平穩、調速方便、功率質量比大、控制特性好等優點,在工程領域得到了廣泛的應用,在某些領域中甚至占有壓倒性的優勢。例如,國外現在生產的工程機械大約95%都采用了液壓傳動。目前,液壓傳動已成為機械傳動領域中重要的傳動形式之一,液壓傳動系統的動態性能對整個機械系統的性能有直接影響[1?4]。尤其是液壓傳動系統的能量利用率即傳動效率并不高,例如挖掘機能量利用率一般不超過30%,如此多的能量損失不僅造成了很大的浪費,也對設備的可靠性和工作性能產生較大影響。

當前,能源短缺已成為全球性問題,節能減排成為各國面臨的一項緊迫課題,在我國尤為嚴重。為提高能量的利用率和液壓傳動工作效率,人們進行了大量的探索和研究,提出了基于能量回收與重新利用的二次調節靜液傳動系統。該系統可大大提高液壓傳動系統的工作效率[5]。到目前為止,國內外學者、專家所研究的二次調節靜液傳動系統,基本上都是壓力耦聯的靜液傳動系統,而對非恒壓網絡流量耦聯二次調節系統的工作機理和性能等的研究尚處于初級階段,特別是對非恒壓網絡二次調節系統能量轉換儲存的關鍵技術,如能量轉換元件、儲能裝置及其控制技術、節能特性和應用系統性能等問題的研究還不夠成熟,限制了二次調節系統的推廣應用。

目前所用的二次元件、液壓變壓器大都是斜盤式軸向柱塞式二次元件、液壓變壓器,這種柱塞式二次元件、液壓變壓器結構復雜、制造成本高、價格昂貴,同時內泄漏大、效率低、噪聲大,并且工作壓力高(一般在30~40MPa之間)最高壓力可達45MPa,對液壓系統和液壓元件的要求高,因而其應用受到了一定的限制,這也是目前柱塞式二次元件、液壓變壓器沒有得到廣泛應用的原因。葉片式二次元件、液壓變壓器就是在這種背景下提出來的,葉片式二次元件、液壓變壓器包括單作用葉片式二次元件、液壓變壓器和雙作用葉片式二次元件、液壓變壓器[6,7]。單作用葉片式二次元件、液壓變壓器的工作壓力較低,一般在10MPa以下;與單作用葉片式二次元件、液壓變壓器相比,雙作用葉片式二次元件、液壓變壓器的工作壓力高且范圍大,適合在10~25MPa的中壓和中高壓范圍內工作,可見葉片式二次元件、液壓變壓器擴大了二次元件、液壓變壓器的種類和應用范圍。與柱塞式二次元件、液壓變壓器相比,葉片式二次元件、液壓變壓器的流量脈動小,壓力波動小,能夠實現準確控制;同時具有結構簡單、制造成本低、內泄漏小、噪聲低等優點,特別適合于小型客車、出租車傳動系統,以及車輛制動、碰撞實驗臺、抽油機、小型礦井提升機、挖掘機上的應用[8]。因此,對葉片式二次元件與液壓變壓器的研究,可解決二次元件與液壓變壓器品種單一和應用范圍小的問題。

工作在恒壓網絡中的壓力耦聯二次調節靜液傳動系統,系統工作壓力變化范圍小,從而限制了系統制動動能和重力勢量的回收、轉換儲存和重新利用。所以,研究人員提出了兩個解決方法:一是讓二次調節系統在非恒壓網絡中工作,從而增大了液壓系統的工作壓力范圍;另一個是在液壓系統中采用液壓變壓器對工作壓力進行無級調節[5]。然而,在非恒壓網絡中,二次調節系統通常不配置液壓泵,沒有恒壓油源,負載變化對液壓蓄能器的充油壓力影響很大。例如,運行工況復雜多變的公交汽車,不同工況下其具有的動能不同,于是回收、轉換儲存的制動動能多少不同,液壓蓄能器中液壓油的壓力就有高有低,而液壓蓄能器充油后液壓油的壓力越高,其能量的利用效果就越好;反之則越差。目前,在用的二次調節系統中,蓄能器通常直接連接在系統的主油路,工作過程中不對液壓蓄能器的充油和放油過程進行控制,在能量的重新利用過程中,儲存在蓄能器中的高壓油就會同時釋放出來。但在運行過程中,公交汽車的乘載質量和行駛速度不斷變化,工況轉換頻繁,當乘載人員質量小或行駛速度較低時,公交汽車在啟動、加速、運行時消耗功率就少。如果不對二次調節系統儲存在蓄能器中高壓油的釋放過程進行控制,許多能量就會白白地浪費掉了。針對這一狀況,筆者提出了一種二次調節系統工作在非恒壓網絡中的蓄釋能控制方法,并設計了新型蓄釋能裝置。新型蓄釋能裝置由2個及2個以上的蓄能回路構成,每個蓄能回路都是可控的。在能量回收過程中,根據負載所具有的動能、重力能的多少控制一個或多個蓄能回路依次工作。在能量重新利用時,根據公交汽車運行的不同工況,同時控制一個或多個蓄能回路釋放高壓油,保證工作時液壓蓄能器中液壓油具有較高的壓力,目的是提高液壓蓄能器中能量的再利用率和利用效果。對非恒壓網絡中二次調節系統的理論基礎與關鍵技術進行深入研究,有利于擴大二次調節系統在工程領域上的廣泛應用。

二次調節靜液傳動系統受自身特性和所用介質等因素的影響,使系統既具有滯環、死區、庫倫摩擦等非線性特征,同時還存在油液體積彈性模量、系統阻尼、油液黏度等參數對油溫、油壓、閥開口流量的變化比較敏感等缺點,因此,對二次調節系統的控制,控制器需要具有較高穩定性和魯棒性。采用常規的控制策略,例如PID、模糊控制、神經網絡控制等方法,控制效果很難令人滿意,因此必須引入新的控制策略及新型智能控制器。基于Hamiltonian泛函法的H_∞控制和將神經網絡、模糊控制與專家控制相結合的智能復合控制,可根據二次調節系統狀態不同和對控制過程在不同時間的不同要求,采用相應控制策略和模式的智能控制方法,能同時兼顧對控制系統動態、靜態等多種性能指標的要求,達到理想的控制效果。因此,針對二次調節系統的時滯、時變、非線性等不確定因素,采用基于Hamiltonian泛函法的H_∞控制或智能復合控制,能夠有效地解決系統的非線性問題。

在非恒壓網絡中將二次調節系統應用到公交客車混合動力傳動系統中,研究傳動系統的性能,探索公交客車制動能量和重力能的回收、轉換儲存和重新利用規律,提出混合動力公交客車制動動能和重力能回收、轉換儲存與重新利用的控制方式、控制算法與控制技術。本書的研究可基本形成非恒壓網絡中二次調節系統的理論與技術體系,對開發自主知識產權的葉片式二次元件、葉片式液壓變壓器及其產業化,和二次調節系統在工業工程領域中的廣泛應用具有很高的理論研究意義和實際應用價值。

本書是在國家自然科學基金項目“飽和非線性時滯系統基于Hamilton方法的有限時間控制研究”(61773015)、山東省自然科學基金項目“非恒壓網絡中二次調節靜液傳動系統的理論基礎及相關技術研究”(ZR2011EEM032)、“一類非線性時滯系統基于能量的有限時間穩定分析、控制與應用”(ZR2014FM033)、山東省科技發展計劃項目“非恒壓網絡中二次調節靜液傳動關鍵技術開發”(2013GGB01119)、山東交通學院攀登計劃科研創新團隊“高端裝備與智能控制”(SDJTUC1805)的科研成果的總結和支持下進行的,主要對非恒壓網絡二次調節靜液傳動系統的理論、關鍵技術及應用性能進行了深入的理論和實驗研究。