基于AMESim的水下节能液压系统仿真分析

郭 浩，刘 刚，李文娟

(江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003)

引言

液压驱动具有压力自适应及功率密度最大化等特点[1-2]，使其成为水下装备重要驱动系统，如“蛟龙”号，“鲲龙500”等采用了液压系统驱动机械手、舵、推进系统等各种关键设备。水下工作环境恶劣，对装备可靠性要求高，故目前液压驱动均采用高可靠性的比例阀控液压系统[3-6]。但随着水下装备的重载、绿色化发展，阀控液压系统无功能耗过大问题日益突出。

液压系统高无功能耗，不但会增大系统功耗，而且引起的介质发热会降低系统可靠性及稳定性，一直是液压技术研究热点[7]。目前液压系统节能研究可分为：

(1)节能元器件研究：LI Zhenhe等[8]研究的压力自平衡节能液压泵组，用于负载敏感液压系统，可以根据负载自动调节液压泵输出；BREND Z[9]研究的新型节能背压阀，通过减小系统工作压力降低了系统能耗；

(2)系统优化：WANG Weiping等[10]研制的节能型电液非对称液压缸位置控制系统，实现了输出反馈非线性节能控制；马艳斌等[11]提出变转速定量泵-变量泵结合的闭式泵控系统，通过控制变量泵排量来匹配液压缸两腔不对称流量，以提高系统能量使用效率；TONG Zheming等[12]总结了泵阀协控电液系统节能技术，对负载口对立控制、共压导轨和混合动力源等节能技术发展进行了探讨；

(3)能量回收：张杰等[13]研究了采用变排量液压泵/马达来吸收和释放电梯运行能量的方法，能够最大限度实现电梯能量回收利用；聂波等[14]对电动叉车电液提升装置能量回收系统进行了设计分析，研究的具有2套升降机构的能量回收系统，可降低系统能量损耗67.2%。相对于陆地节能液压技术的广泛研究，水下液压节能研究并不多，如曹学鹏[15]开展了深海节能型集成液压源研究，采用的电液比例变量泵根据负载输出压力和流量，提高了液压源能耗效率。

随着水下装备技术不断发展，高可靠水下节能液压系统需求日益急迫。本研究针对水下工作环境特点，通过数值分析方法，开展基于定量泵的高可靠水下节能液压系统研究，以降低系统能耗，提高水下装备可靠性及稳定性。

1 水下节能液压系统构成

水下装备驱动机械手、舵、推进系统等装置的液压系统主要为位置控制系统。典型水下液压位置控制系统原理如图1所示，主要包括电机驱动的液压泵、液压控制阀和执行机构，封闭液压源配有压力补偿器，实现液压系统的压力补偿。

图1 典型水下液压位置控制系统原理图

基于定量泵的阀控液压系统具有的构成简单、控制性能优异特点使其成为目前水下液压系统的主流，但由于定量泵恒功率输出及比例阀节流，其能量利用效率较低。其他如变量泵、负载敏感等节能液压系统，元器件/系统较为复杂，很难适应水下恶劣环境长期作业要求。基于定量泵的变频恒压控制系统(其控制原理及阀控系统控制原理分别如图2、图3所示)，通过变频电机控制定量泵输出流量，由定量泵直接控制执行机构运动。图2及图3表明，变频恒压系统的定量泵输出随负载变化，且其控制阀只调整介质流向，故而从液压泵功率匹配和阀节流损耗两方面进行了能耗优化。

图2 变频恒压控制原理

图3 比例阀控控制原理

2 水下节能液压系统仿真

根据能量守恒，能量损耗的水下液压系统稳态流动能量方程为：

(1)

由式(1)可得水下液压系统能量损耗方程：

(2)

式中，u—— 系统输入电压

精装修的施工周期管理、质量要求等作为精细化管理的重要组成部分，与精装修的施工工序顺利开展存在较大关系。部分管理人员由于没有意识到精细化管理的重要性，导致其没有将质量要求与相关规范作为基础对施工质量进行控制，也没有进行有效的成本控制，使精装修工程施工质量无法获得保障，还会浪费施工成本。

i—— 系统输入电流

q1—— 电机发热量

q2—— 泵发热量

q3—— 管道发热量

q4—— 阀发热量

p—— 执行机构工作压力

Ep—— 功率匹配能量损耗

j—— 执行机构数量

2.1 仿真模型

基于AMESim建立水下位置控制系统仿真模型，建模前有如下假设：

(1)液压系统工作时，工作介质稳态流动；

(2)外界负载恒定，忽略海流等扰动对系统的影响。

图4为水下变频恒压位置控制系统仿真模型，主要包括变频电机、定量泵、溢流阀、单向阀、换向阀、执行机构、负载和PID控制器。执行机构的位置反馈输出至PID控制器，由PID控制器控制电机转速调节定量泵输出流量，实现执行机构的位置控制。

图4 变频恒压位置控制系统仿真模型

水下比例位置控制系统仿真模型如图5所示，主要包括电机、定量泵、溢流阀、单向阀、三位四通比例换向阀、执行机构、负载和PID控制器。执行机构的位置反馈输出至PID控制器，由PID控制器控制比例阀的开度，实现执行机构的位置控制。

表1为液压系统主要仿真参数，其对象为水下液压机械手[16-17]。

表1 水下液压位置控制系统主要仿真参数

2.2 PID控制器设计[18-20]

水下液压系统采用PID控制器模型为：

(3)

式中,kp—— 比例增益

ki—— 积分增益

kd—— 微分增益

按照先比例、后积分、再微分的整定方法，通过系统动态过程仿真进行液压系统控制器设计，整定得到的PID参数分别见表2和表3。

表2 变频恒压系统PID控制器

表3 比例阀控系统PID控制器

图6为采用该控制器的变频恒压系统阶跃响应仿真结果，其中阶跃信号分别为0.01，0.04，0.05 m，液压缸位置响应的上升时间最大0.38 s，无稳态误差及超调，系统稳定。

图6 变频恒压系统阶跃响应

图7为采用上述控制器的比例阀控系统阶跃响应仿真结果，阶跃信号同样分别为0.01，0.04，0.05 m，液压缸位置响应的上升时间最大0.13 s，无稳态误差及超调，系统稳定。

图7 比例阀控系统阶跃响应

2.3 节能仿真分析

基于上述设计的控制器，仿真分析两类系统能耗特性，主要仿真参数可见表1，执行机构行程为0.04 m。

表4及图8为陆地工作环境仿真结果，此时液压系统无压力补偿，系统工作压力为8 MPa。

表4显示，比例阀控系统最大能量损耗明显高于变频恒压系统，约为其4倍。图8显示比例阀控系统整个工作过程中，液压泵均稳定输出13 kW左右的功率，而液压缸在0.01 s左右达到行程位置后，并没有能量消耗，多余能量均从溢流阀损耗，导致系统功率匹配能耗损失较大。而变频恒压系统，在液压缸到达行程位置后，泵不再输出能量，无功能量损耗显著降低。无论是瞬时功率还是整个工作过程的能量消耗，变频恒压系统均远低于阀控系统。

表4 陆地环境液压系统能耗特性仿真结果 W

图8 陆地环境液压系统瞬时功率仿真结果

200 m水深条件仿真结果如表5及图9，此时经过压力补偿后的系统压力为10 MPa，液压缸背压2 MPa，液压缸工作压力仍为8 MPa。

从表5可以看出，与在陆地环境工作时相比，两类液压系统的能量损耗都有增加，但比例阀控系统能耗增加远高于变频恒压系统。而图9显示，比例阀控系统液压泵稳定输出20 kW左右的功率，大于在陆地环境工作时的功率输出，其原因在于，由于系统压力增大，在相同输出流量条件下，泵输出能量也大大增加。因此随着工作水深增加，变频恒压系统节能效果增大。

表5 200 m水深液压系统能耗特性仿真结果 W

图9 200 m水深液压系统瞬时功率仿真结果

3 结论

本研究通过对基于定量泵的水下液压位置控制系统进行数值分析，开展了水下节能液压系统仿真研究，结果显示：

(1)比例阀控系统能量消耗远大于变频恒压系统，其主要原因在于泵的恒定功率输出使系统功率匹配效率很低；

(2)随着工作深度增加，液压系统能耗增大，但比例阀控系统能量损耗增加明显大于变频恒压系统。

研究表明，与现有水下阀控液压系统相比，基于定量泵的变频恒压系统，在不增加系统复杂性的同时，能有效提高能量使用效率，可降低水下装备能量消耗，提高其可靠性及稳定性。