现代液压动力装置：从电子控制到智能化

探讨了电控提升阀的优点和特点。

博士。 E. Goenechea，布赫液压公司，瑞士

本文发表于 2010 年卢塞恩 ELEVCON 国际垂直运输技术大会，首次发表于 A. Lustig 编辑的 IAEE 书籍《电梯技术 18》。经国际电梯工程师协会 IAEE（网站：www.elevcon.com）许可重印。本文为原版重印，未经 ELEVATOR WORLD 编辑。

关键词：液压阀、电子控制、自学习、状态监测

摘要

2009 年 1 月，布赫液压推出了新型电子控制提升阀“iValve”。 字母“i”代表“智能”，因为该阀门不仅像其前身 LRV-XNUMX 那样采用电子控制。 iValve 还提供了一些重要的智能功能，例如通过其称为“iTeach”的自学能力实现的自我调节和状态监测。 这些功能是使用符合机电一体化产品最高标准的研发策略、工具和能力开发的。 下面将描述电子控制的优点和特点以及新功能的影响。 实验结果显示了开发的学习算法的强大功能。

1。 简介

任何液压油以及每个液压动力装置都受多种物理特性的影响。 例如，液压油的粘度随着温度的升高而降低。 这意味着油变得更稀薄，它被加热得越多。 例如，通常使用的矿物油 HLP46 的粘度在 500°C 时可为约 2 cSt，在 20°C 时可为 60 cSt。

另一个例子可以是动力装置的泵。 这通常是螺杆泵。 由于几何公差，这些泵会发生泄漏。 这意味着泵的容积排量取决于压力以及上述粘度。

液压系统有大量或多或少重要的特性，这些特性取决于压力、温度、介质老化、部件磨损、过滤器状况等各种参数。

遗憾的是，这些关系通常被称为液压系统的缺点。 如果是简单的机械阀门，它们确实是。 在下文中，将展示使用智能电子控制阀可以轻松处理这些影响，并且客户除了可以精确着陆、驾驶舒适和尽可能节省能源的液压系统之外别无他法。 可以说很多优点。 本文将重点介绍那些源自紧凑、精确和可靠的驾驶曲线的因素——能源效率和精确着陆。

2. 机械控制阀

让我们假设有一部电梯在两层楼之间行驶。 为了对系统进行参数化，技术人员驾驶空车和相对冷的油。 行程受以下过程影响（图 1）。

首先，电梯静止在较低的位置。 电机打开，阀门发出信号以全速向上驱动。 阀门的控制活塞将从其空闲位置（100% 循环）移动到驱动位置（0% 循环）。 控制活塞的速度决定了汽车的加速度和抖动。 它通常受液压低通的影响，并通过钻一个可调节的孔来调节。 汽车的速度现在由几个参数定义，如压力、粘度、泵的泄漏等等，如前所述。

图 1. 机械控制阀的驱动曲线

当汽车通过与上级有一定距离的开关时，信号从“全速”变为“慢速”。 这会导致阀门通过打开大部分体积流量的循环来将汽车减速到低速。 减速度以及确切的慢速取决于指定的参数。 低速意味着汽车以全速的 10% 行驶，而泵的 90% 的容积排量抵抗气缸压力输送并直接返回油箱。

这种情况一直保持到汽车通过下一个道岔。 现在机柜向阀门发出“停止”信号。 一些机械阀会突然停止，而另一些则具有机械装置来实现所谓的软停止。 从停止信号到最终静止的距离再次取决于众所周知的参数。

图 2. iValve

技术人员已将机械阀参数化。 他已经多次调整了 10 个或更多的向上和向下驱动的螺钉。 车还是空的。 油比较热。 他一定考虑到了两件事。 一方面，电梯可以在比他现在调整的温度更低的温度下使用。 在这种情况下，泵的排量会更高，减速时间会更长。 因此，它需要更长的时间才能停止。 技术人员必须调整足够长的慢速时间以补偿这种影响，否则升降机将越过着陆位置并不得不收回。 另一方面，如果汽车满载和/或机油很热，全速将明显变慢。 通过所选择的调整，汽车将在更短的时间内减速，并且需要以低速行驶很长一段距离，这会浪费大量能量——这些能量会使机油更加升温。 显然，加速和减速对粘度的依赖性以及液压控制的简单性会导致诸如急动和振动等舒适性问题。

3. 电控阀

最大程度地减少由液压动力装置的命名特性引起的能量损失的最有力手段是保证快速启动、高加速和减速以及短的慢速阶段，不受负载和温度的影响。

这可以使用电子控制来实现。 让我们假设有一个阀门能够上下调节任何体积流量。 除此之外，还有一个体积流量传感器，用于测量流经阀门的调节流量。 使用这些组件，您可以设计一个系统，以比机械阀门更复杂的方式控制汽车运动。 例如，您可以设计一条行驶曲线，以确保在最大加速度和减速度下的抖动和振动最小。 驱动曲线显示体积流量（分别为汽车速度）作为时间的函数。 而像减速开始和软停止这样的特征点是由轿厢在井道内的位置触发的。

技术人员可以将减速点设置得更接近停止位置，因为电梯可以更快地减速而不会产生恼人的影响。 除此之外，汽车将保持相同的减速度，不受汽车负载或油温的影响。 因此技术人员可以将慢速相位调整得很短。 在此行程阶段浪费的能量可以显着减少。 一旦他安装了停止信号开关，他就会调整减速，以便汽车在到达软停止开关之前不久达到低速。 此外，从软停止信号到停止位置的行程与轿厢负载和温度非常无关。 在 Bucher Hydraulics LRV-3 的情况下，一旦调整，它就会变化大约 +/- 1 毫米。

图 3. 电控阀的驱动曲线

4. 智能阀门

上述这些质量标准对于挑剔的客户来说很常见。 使用电子控制阀可以实现 +/- 3 毫米的停止精度和 0.5 秒到 1 秒之间的慢速阶段，因为它已经销售了几十年。

4.1 智能教学

智能阀门应该最大限度地提高电子阀门的系统特性。 比较图 1 和图 3，您会发现，电子阀通过显着缩短平均低速行程，可节省高达 30% 的液压升降机平均行程所需的能量。 在这个阶段，大部分可避免的能量损失都会受到影响。 为此，所有操作点的高速都保持恒定。 如前所述，该装置的体积排量是汽车负载和油粘度等参数的函数。 因此，选择的速度必须是装载车可能的最慢速度和最低粘度。 这意味着在空车和/或冷油的情况下向上行驶时，一定比例的泵体积排量会从未使用的情况下流出。 智能阀门结束了这种情况。 它在液压系统的所有工作点将高速速度控制到泵的容积排量的最大值。 但汽车仍应在将能耗低速阶段降至最低的行驶曲线上减速。 这是通过其“iTeach”的一个方面实现的——能力。 iTeach 是一组自学算法，使 iValve 能够了解连接的液压系统并适应其行为。 在系统高速速度的情况下，iTeach 能够实现，当加速汽车的速度达到其最大值时，这取决于油粘度、汽车负载、电机转速等命名参数。 该算法将达到的速度作为温度和系统压力的函数来学习。 经过一些行程后，它能够以越来越高的精度直接达到系统的最高速度。 使用这种算法，iValve 能够使用马达和泵产生的所有液压动力。 但是向上的全速现在将是命名参数的函数。 如果汽车使用相同的行驶曲线参数化从不同的速度减速，它将覆盖不同的距离。 为了避免这种情况并为所有操作点实现最小的慢速阶段，有必要采用实际速度的驱动曲线。

图 4. 智能阀门的驱动曲线

要使这成为可能，需要第二个 iTeach 容量。 如果汽车以一定的高速行驶，则存在技术人员已知并在手册中命名的最小减速行程。 阀门出厂设置为该减速，以避免它通过。 如果轴没有最大限度地构造，汽车将减速太快，并且必须以比必要的时间更长的慢速行驶。 此时 iTeach 将学习减速开关和软停止开关之间的真实几何距离。

下次小车高速行驶并给出减速信号时，iTeach会实时计算必要的减速曲线，以达到最小的慢速阶段的软停止位置。 为此，它将使用减速开关和软停止开关之间的学习距离以及来自高速优化的实际速度。

由于这些智能功能，阀门将使汽车以电机和泵启用的最高速度行驶，并且它将按照最佳行驶曲线以最小的慢速阶段减速，并以最小的距离停在地板上——独立于汽车负载、机油和室温或其他参数，如系统使用年限等等（图 4）。

4.2 状态监测

将智能集成到电子控制阀中，可以减轻技术人员的负担，例如参数化、调整、重新调整或优化等工作。 但综合智能可以负担的更多。 通过状态监测的方法，可以观察和分析液压系统的状态，评估甚至预测过滤器、介质等单个元件的状态。

这些功能将在 iValve 发布的第二步中开发。 与选定的合作伙伴合作，将从 iValve 驱动的液压升降装置收集数据，以实现下文所述。

为了实现 iTeach 算法的智能特性，电控阀在液压侧已经配备了体积位移传感器、压力传感器和热传感器。 除此之外，它还具有电子方面的灵敏度，因为它可以控制流向比例磁体的电流。

该传感器包收集了大量信息，并将其馈送到位于
在阀门中。 该模型表示连接的阀门和液压系统。 它可以类似于被监控系统的仿真模型来表示，并实现系统参数是否漂移或变化。

最后，可以从模型中得出有关阀门或系统单个元件状态的结论。 当需要清洗过滤器或更换机油时，可以给出警告和建议。

5.实验结果

第四章所述的算法已在诺伊海姆的布赫液压公司（Bucher Hydraulics）的测试升降机上进行了验证。iValve 250L 原型机连接到由 250 升/分钟螺杆泵和相应异步电机驱动的 2:1 柱塞缸驱动升降机的液压系统中。阀门控制器被 LabVIEW 控制的数据采集板（DAQ-Board）所取代。测试在 iValve 的运行参数范围内进行。温度范围：2°C - 60°C；静压范围：12 bar - 60 bar。

得益于位置测量系统，所有开关点都可以数字化设置，驾驶室的位置可以通过毫米来控制。

下面显示了示例性的两个学习过程。 在第一个示例中，电梯在 250 bar 的静压下以 0.6 l/min (30 m/sec) 的最大速度向上移动。 减速距离设定为 0.8 m。 慢速为 20 l/min，软停止距离选择为 20 mm。 这个软停止距离比较长，被选择用来分析最坏的情况。 软停止距离通常设置为 10 毫米。 在图 5 中，着陆位置的误差与执行行程的数量相对应。 出厂设置是一个非常快的停止。 因此，电梯将停止太短，它会在正确的停止位置之前保持 8 毫米。 在第 3 次行程之后，学习算法低于 +/- 3 毫米的目标误差。

图 5. 在软停止距离 20mm 处学习着陆精度

图 6 给出了另一个示例。在这种情况下，汽车向上行驶。 静载荷为 12 bar。 高速为 250 l/min，低速为 20 l/min。 减速距离为 0.8 m。 减速预设非常高。 这样电梯在第一次行驶时减速太快，必须低速行驶一段时间，直到到达软停止开关。 在第一次行驶后，算法学习了减速距离，在第二次行驶中，它已经达到了 0.7 秒慢速行驶的目标设置。

图 6. 学习慢速行驶时间设置为 0.7 秒

6。 结论

液压升降机由控制柜给出的多个信号触发。 这些信号由轴中开关点的几何位置定义。 在这些点之间，汽车应该以一定的速度、加速度和低加加速度加速、减速、行驶和静止。 在机械阀中，这些特性取决于温度、汽车负载等等。 因此，必须将机械阀调整到较长且耗能的慢速阶段，并且着陆精度仍然较低。

电子控制阀与操作点非常独立。 因此，它可以调整得更接近最佳行驶曲线，节省能源，着陆非常精确，驾驶舒适。 即使电子控制阀的用户界面比机械阀的抽象螺丝舒适得多，这些调整仍然必须进行。

智能阀能够分析升降机的液压系统并进行自我调节。 机械安装升降机后，智能阀门将以安全的出厂设置驱动。 几次行驶后，它将了解连接电梯系统的真实特征，并自行调整到最佳驾驶曲线。