1.3.3　能量转换储存控制技术的研究现状

自H.W.Nikolaus首次提出二次调节静液传动的概念后,德国的W.Backé与H.Murrenhoff从1980年开始对二次调节静液传动的控制技术进行研究,采用单杆活塞的变量油缸对二次元件进行转速控制[55]。1981年H.W.Nikolaus研究了二次元件的变量油缸采用双杆活塞进行转速控制的二次调节静液传动系统,二次元件转速的反馈元件采用测速泵。然而测速泵的最小感知转速值较高,当检测转速低于最小感知转速时就无法完成信号的检测与反馈,所以采用双杆活塞进行转速控制系统的调速范围较小,最低转速也较高[56]。自1981年德国国防大学静液传动和控制试验室开始对二次调节静液传动的控制技术进行研究,他们发明了液压先导控制系统,该系统有机液力反馈调速系统和机液位移反馈调速系统两种调节方式 [57]。随着研究的深入,1986年人们开始将电液伺服控制技术应用到二次调节静液传动系统的控制中,设计了转速、转角电液伺服控制系统。在电液伺服控制系统中,二次元件的检测与反馈元件采用测速电机[58,59],与测速泵的最小感知转速相比,测速电机的最小感知转速要小很多,因此,电液伺服调速系统的调速范围远远大于机液伺服调速系统的调速范围。此外,从能量消耗方面看,用测速电机测量转速所消耗的功率远远小于用测速泵测量转速所消耗的功率,大大提高了系统的工作效率。

随着研究的深入,国外学者对其他控制技术也进行了大量研究,例如单反馈和双反馈电液转速伺服控制系统。为了提高二次调节静液传动系统的控制性能,1987年F.Metzner提出了混合转角数字模拟控制系统,采用数字PID控制对斜盘轴向柱塞式二次元件的转角、转速、转矩和功率等主要技术性能参数进行控制[60,61]。1993年,W.Backé和Ch.Koegl分别研究了二次调节静液传动系统的转速、转矩控制及系统主要参数的解耦问题[62]。1994年,R.Kodak对具有高动态特性的电液伺服转矩控制的二次调节静液传动系统进行了研究[63]。瑞典的Linköping大学对斜盘轴向柱塞式液压变压器的控制策略、控制方法等问题进行了许多探索研究,提出了2种具有典型作用的控制方法:一是反馈信号采用负载流量和转速来对液压变压器的进行流量控制,该控制方法能够快速补偿液压变压器输出转矩的波动;另一种方法是在高压油源和负载之间连接管线,通过旁路节流的办法,达到抑制液压变压器低速运行时的转矩波动[64]。在液压变压器高速运行时,仍然采用第一种方法的控制策略。需要指出的是,还需要试验进一步验证这两种方法的控制效果。

国内专家学者对二次调节静液传动系统的控制策略和控制方法进行了大量研究。从1989年开始,哈尔滨工业大学的谢卓伟对二次调节静液传动的工作原理及其机液、电液伺服控制的调速特性进行了理论探索研究,提出了应用变结构PID算法进行二次元件的转速控制,并进行系列相关的试验研究,取得了较好的控制效果[65,66]。此后,蒋晓夏对二次元件和传动系统的数学模型进行了简化,设计了采用微型计算机伺服控制系统,并引入了全数字自适应控制算法 [67]。1991年,浙江大学的金力民、路甬祥、吴根茂等根据二次调节静液传动系统的数学模型,采用非线性补偿算法,较好地解决了二次调节静液传动系统的低速滞环问题[68]。1995年,哈尔滨工业大学的姜继海采用智能PID控制方法对二次调节静液传动系统的转速控制和转角控制进行了研究,并取得了较好的控制效果[69]。1997年,哈尔滨工业大学的田联房首次使用国产液压、电气元件,自主设计制作了第一台二次调节静液传动扭矩伺服加载实验台,对系统的控制性能从时域和频域两个方面进行了分析,并进行了转速、扭矩的解耦控制研究[70,71]。1999年,战兴群在重力负载和恒转矩负载条件下研究了二次调节静液传动系统的静态调速特性,建立了二次调节静液传动扭矩伺服加载实验台的数学模型,采用神经优化的T⁃S模糊模型控制方法,深入研究了二次调节静液传动扭矩伺服加载系统性能,并取得了较好的研究成果[72]。从2001年开始,哈尔滨工业大学的刘宇辉、孙兴义、姜继海等分别研究了二次调节静液传动系统的转角控制、转速双闭环控制、转矩控制和功率控制等。2008年,刘海昌、C.N. Okoye、姜继海探讨了基于GFRF的流量耦联二次调节静液传动系统的频域非线性H_∞控制,分析研究了二次调节静液传动系统的非线性鲁棒控制问题[73]。2010年以来,哈尔滨工业大学的刘涛、姜继海等将自适应模糊滑模控制应用到二次调节静液传动系统中,提出一种带有摩擦力矩补偿的自适应模糊滑模控制方案和控制策略,有效削弱控制信号中的高频颤振现象,提高了二次调节静液传动系统的稳态误差,增强了系统控制的鲁棒性[74]。燕山大学的李国友、周巧玲、张广路等在二次调节转速系统中,采用自适应神经模糊PID控制算法,系统动态响应快、超调量小、过渡时间短,能够较好地抑制干扰, 具有良好的动态特性和稳定性[75]。汤迎红将模糊解耦控制应用到二次调节伺服加载系统中,设计了模糊控制器,实现了二次调节静液传动系统转速与转矩的高精度控制[76]。

此外,在非线性系统的研究领域中, Hamilton系统代表着一类重要的非线性系统。其中的广义Hamilton系统,既与系统外部环境进行能量交换,又有能量耗散,同时还产生能量的较为广泛开放的一类非线性系统。在一定条件下,广义Hamilton系统的Hamilton函数H(x)可以构成非线性系统的广义能量,可以直接作为非线性系统的一个Lyapunov函数,它在实际应用系统的稳定性分析和镇定控制方面起着非常重要的作用。正是因为广义Hamilton系统具有上述优点,在非线性系统的稳定性分析、镇定控制、鲁棒控制等问题的研究中,使其深受重视和关注,得到了越来越多的应用,取得了很好的控制效果[77⁃80]。目前,Hamilton泛函法已成为解决某些非线性系统控制问题的一个重要方法[81,82]。而二次调节静液传动系统也是一类时滞、时变的非线性系统,因此,将Hamilton方法应用到二次调节静液传动系统成为当前重要的研究方向之一。