1.1　本书编写的目的与意义

液压传动以其传动平稳、调速方便、功率质量比大、控制特性好等优点,在工程领域得到了广泛的应用,在某些领域中甚至占有压倒性的优势。例如,国外现在生产的工程机械大约95%都采用了液压传动。目前,液压传动已成为机械传动领域中重要的传动形式之一,液压传动系统的动态性能对整个机械系统的性能有直接影响[1⁃4]。尤其是液压传动系统的能量利用率即传动效率并不高,例如挖掘机能量利用率一般不超过30%,如此多的能量损失不仅造成了很大的浪费,也对设备的可靠性和工作性能产生较大影响。

当前,能源短缺已成为全球性问题,节能减排成为各国面临的一项紧迫课题,在我国尤为严重。为提高能量的利用率和液压传动工作效率,人们进行了大量的探索和研究,提出了基于能量回收与重新利用的二次调节静液传动系统。该系统可大大提高液压传动系统的工作效率[5]。到目前为止,国内外学者、专家所研究的二次调节静液传动系统,基本上都是压力耦联的静液传动系统,而对非恒压网络流量耦联二次调节系统的工作机理和性能等的研究尚处于初级阶段,特别是对非恒压网络二次调节系统能量转换储存的关键技术,如能量转换元件、储能装置及其控制技术、节能特性和应用系统性能等问题的研究还不够成熟,限制了二次调节系统的推广应用。

目前所用的二次元件、液压变压器大都是斜盘式轴向柱塞式二次元件、液压变压器,这种柱塞式二次元件、液压变压器结构复杂、制造成本高、价格昂贵,同时内泄漏大、效率低、噪声大,并且工作压力高(一般在30~40MPa之间)最高压力可达45MPa,对液压系统和液压元件的要求高,因而其应用受到了一定的限制,这也是目前柱塞式二次元件、液压变压器没有得到广泛应用的原因。叶片式二次元件、液压变压器就是在这种背景下提出来的,叶片式二次元件、液压变压器包括单作用叶片式二次元件、液压变压器和双作用叶片式二次元件、液压变压器[6,7]。单作用叶片式二次元件、液压变压器的工作压力较低,一般在10MPa以下;与单作用叶片式二次元件、液压变压器相比,双作用叶片式二次元件、液压变压器的工作压力高且范围大,适合在10~25MPa的中压和中高压范围内工作,可见叶片式二次元件、液压变压器扩大了二次元件、液压变压器的种类和应用范围。与柱塞式二次元件、液压变压器相比,叶片式二次元件、液压变压器的流量脉动小,压力波动小,能够实现准确控制;同时具有结构简单、制造成本低、内泄漏小、噪声低等优点,特别适合于小型客车、出租车传动系统,以及车辆制动、碰撞实验台、抽油机、小型矿井提升机、挖掘机上的应用[8]。因此,对叶片式二次元件与液压变压器的研究,可解决二次元件与液压变压器品种单一和应用范围小的问题。

工作在恒压网络中的压力耦联二次调节静液传动系统,系统工作压力变化范围小,从而限制了系统制动动能和重力势量的回收、转换储存和重新利用。所以,研究人员提出了两个解决方法:一是让二次调节系统在非恒压网络中工作,从而增大了液压系统的工作压力范围;另一个是在液压系统中采用液压变压器对工作压力进行无级调节[5]。然而,在非恒压网络中,二次调节系统通常不配置液压泵,没有恒压油源,负载变化对液压蓄能器的充油压力影响很大。例如,运行工况复杂多变的公交汽车,不同工况下其具有的动能不同,于是回收、转换储存的制动动能多少不同,液压蓄能器中液压油的压力就有高有低,而液压蓄能器充油后液压油的压力越高,其能量的利用效果就越好;反之则越差。目前,在用的二次调节系统中,蓄能器通常直接连接在系统的主油路,工作过程中不对液压蓄能器的充油和放油过程进行控制,在能量的重新利用过程中,储存在蓄能器中的高压油就会同时释放出来。但在运行过程中,公交汽车的乘载质量和行驶速度不断变化,工况转换频繁,当乘载人员质量小或行驶速度较低时,公交汽车在启动、加速、运行时消耗功率就少。如果不对二次调节系统储存在蓄能器中高压油的释放过程进行控制,许多能量就会白白地浪费掉了。针对这一状况,笔者提出了一种二次调节系统工作在非恒压网络中的蓄释能控制方法,并设计了新型蓄释能装置。新型蓄释能装置由2个及2个以上的蓄能回路构成,每个蓄能回路都是可控的。在能量回收过程中,根据负载所具有的动能、重力能的多少控制一个或多个蓄能回路依次工作。在能量重新利用时,根据公交汽车运行的不同工况,同时控制一个或多个蓄能回路释放高压油,保证工作时液压蓄能器中液压油具有较高的压力,目的是提高液压蓄能器中能量的再利用率和利用效果。对非恒压网络中二次调节系统的理论基础与关键技术进行深入研究,有利于扩大二次调节系统在工程领域上的广泛应用。

二次调节静液传动系统受自身特性和所用介质等因素的影响,使系统既具有滞环、死区、库伦摩擦等非线性特征,同时还存在油液体积弹性模量、系统阻尼、油液黏度等参数对油温、油压、阀开口流量的变化比较敏感等缺点,因此,对二次调节系统的控制,控制器需要具有较高稳定性和鲁棒性。采用常规的控制策略,例如PID、模糊控制、神经网络控制等方法,控制效果很难令人满意,因此必须引入新的控制策略及新型智能控制器。基于Hamiltonian泛函法的H_∞控制和将神经网络、模糊控制与专家控制相结合的智能复合控制,可根据二次调节系统状态不同和对控制过程在不同时间的不同要求,采用相应控制策略和模式的智能控制方法,能同时兼顾对控制系统动态、静态等多种性能指标的要求,达到理想的控制效果。因此,针对二次调节系统的时滞、时变、非线性等不确定因素,采用基于Hamiltonian泛函法的H_∞控制或智能复合控制,能够有效地解决系统的非线性问题。

在非恒压网络中将二次调节系统应用到公交客车混合动力传动系统中,研究传动系统的性能,探索公交客车制动能量和重力能的回收、转换储存和重新利用规律,提出混合动力公交客车制动动能和重力能回收、转换储存与重新利用的控制方式、控制算法与控制技术。本书的研究可基本形成非恒压网络中二次调节系统的理论与技术体系,对开发自主知识产权的叶片式二次元件、叶片式液压变压器及其产业化,和二次调节系统在工业工程领域中的广泛应用具有很高的理论研究意义和实际应用价值。

本书是在国家自然科学基金项目“饱和非线性时滞系统基于Hamilton方法的有限时间控制研究”(61773015)、山东省自然科学基金项目“非恒压网络中二次调节静液传动系统的理论基础及相关技术研究”(ZR2011EEM032)、“一类非线性时滞系统基于能量的有限时间稳定分析、控制与应用”(ZR2014FM033)、山东省科技发展计划项目“非恒压网络中二次调节静液传动关键技术开发”(2013GGB01119)、山东交通学院攀登计划科研创新团队“高端装备与智能控制”(SDJTUC1805)的科研成果的总结和支持下进行的,主要对非恒压网络二次调节静液传动系统的理论、关键技术及应用性能进行了深入的理论和实验研究。