性能與效率分析…

6.2.1 負載感測系統之負載感測控制

本實驗的目的，在實現負載感測系統之負載感測控制，並分為兩種 不同型式：變轉速負載感測控制及變排量負載感測控制。

6.2.1.1 負載感測系統之變轉速負載感測控制

本實驗的目的，在實現變轉速負載感測系統的節能控制，藉負載感 測控制器使變轉速定排量泵之供油壓力能隨負載感測液壓缸之負載感測 壓力作即時調節，使其差Δ

P 維持定值，控制系統方塊圖如圖

6.2.1 所 示。

而閥控液壓缸系統為開迴路控制系統，將負載感測泵(load-sensing pump)的供油壓力(P_S)以及負載感測缸的負載感測壓力(P_LS)回授至負載感 測控制器(Load-sensing controller)。負載感測控制器會根據 P_S與

P

_LS間的 相對關係，調整負載感測泵之轉速，以改變供油給壓力(P_S)。目的是希 望供油壓力(P_S)能隨著負載感測缸的負載感測壓力(P_LS)的變化而調整，

使得兩者間的差值(Δ

P)保持一預設的常數，亦即希望

const P

P

P

= _S − _LS =

∆ (6.2.1)

ARC energy-saving contorller

Frequency Converter

Constant displancment

pump Load sensing

cylinder Load sensing

valve

Electro-Hydraulic Load-sensing System With Variable Rotational Speed Pump

Pset

Load-sensing pressure

Hydraulic Valve-controller System

^FdExternal disturbance Force

AC induced motor

圖6.2.1：變轉速負載感測控制系統之方塊圖

本實驗取樣頻率為 200Hz，油溫變化約 30℃〜40℃之間，最大供油 壓力為 160bar，所預設的目標壓差( )為 20bar。ARC 之變轉速負載

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) load-sensing pressure of cylinder(PLs) Ps-PLs

圖6.2.2：變轉速負載感測控制實驗結果 預設目標壓差(∆

P

_set)＝20bar

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) load-sensing pressure of cylinder(PLs) Ps-PLs

External disturbance force

圖6.2.3：變轉速負載感測控制實驗結果預設 外界干擾壓力＝1500kgf(3.5〜5.5 秒)

6.2.1.2 負載感測系統之變排量負載感測控制實驗

本實驗與上節所不同處，即將供油壓力的控制換由變排量做調節，

以達成節能控制的目的，對本文使用之 ARC 控制法，變轉速與變排量 的控制器的設計，其最大的不同處，只在於一些參數與增益的差別，所 以，只需要將上節中設計之控制器，做些調整與改變，即可適用於變排 量泵的控制。控制系統方塊圖如圖6.2.4 所示。

ARC energy-saving contorller

Servo valve Pump

Load sensing cylinder Load sensing

valve

Electro-Hydraulic Load-sensing System With Variable Displacement Pump

Pset

∆

∆P PLS

PS LS

S P

P P= −

∆

Load-sensing pressure

Hydraulic Valve-controller System

^FdExternal disturbance Force

PS

us

uL

e

xL

Electronic Hydraulic

Cylinder

圖6.2.4：變排量負載感測控制系統之方塊圖

本實驗上的設定，取樣頻率為 200Hz，油溫變化約 30℃〜40℃之 間，最大供油壓力設為 160bar，負載控制之增益 ，調節增

益Γ 。

2

25

1_s

=

_{p s}

=

p

k

k

T p =[1.6×10⁻⁵,8.5×10⁻⁹]

圖 6.2.5 所示為閥控液壓缸系統定值輸入，無外界干擾力時之實驗 結果。約 0.6 秒時，變排量泵供給壓力(Ps)與負載感測壓力(PLS)的差值，

以可維持 20bar 的差值，達到負載感測控制器設計的目的。比較變轉速 系統，本系統的設計在壓差控制的反應上十分快速。

圖 6.2.6 所示，預設的目標壓差( )為 20bar，在負載感測缸前進 行程 3.5 到 5.5 秒之間，對負載感測缸加入一外界干擾力約 1500kgf。當 負載端遇到外界干擾使得負載感測缸之負載感測壓力(P

P

set

∆

LS)急速上升，負 載感測控制器也隨時及時調整負載感測泵的供給壓力(P_s)，因此兩者間 的壓差(

∆ P

)仍然可以維持定值約 20bar 左右。此實驗證實了此變轉速負 載感測控制器的強健性。

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) load-sensing pressure of cylinder(PLs) Ps-PLs

圖6.2.5：變排量負載感測控制實驗結果 預設目標壓差(∆

P

_set)＝20bar

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) load-sensing pressure of cylinder(PLs) Ps-PLs

External disturbance force

圖6.2.6：變排量負載感測控制實驗結果預設 外界干擾壓力＝1500kgf(3.5〜5.5 秒) 6.2.2 整合軌跡控制與節能控制之實驗

本實驗目的，是整合負載感測系統之節能控制與閥控液壓缸系統之 軌跡控制，並於實際機台實現(圖 2.1.1)。換句話說，即是在負載感測控 制器作用下，設計閥控液壓系統之軌跡控制器，同時對負載感測缸

（Load-sensing cylinder）進行軌跡控制與負載感測系統進行供油壓力的 控制。

一般而言，軌跡之規劃須有以下幾點要求：

(1) 軌跡的位置、速度、加速度曲線須為連續性曲線，因不連續的 曲線會造成運動體在軌跡運動過程中的震動，發生危險。

(2) 軌跡的位置、速度、加速度曲線的初始值與最終值必須為零。

因 此 本 實 驗 中 ， 閥 控 液 壓 系 統 選 取 的 運 動 軌 跡 為 等 速 修 正 曲 線(圖 6.2.7)。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

200 400 600

position(mm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 20 40 60

velocity(mm/sec)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-50 0 50

time(sec) acceleration(mm/sec2 )

圖6.2.7：等速度修正曲線

本研究實驗進行，將分以下步驟進行：

1) 於變轉速負載感測控制器作用下，設計閥控液壓缸系統的控制器，進 行軌跡控制，並比較變轉速定供油壓力控制實驗。

2) 於變排量負載感測控制器作用下，設計閥控液壓缸系統的控制器，進 行軌跡控制，並比較變排量定供油壓力控制實驗。

3) 並比較在軌跡控制下，傳統無節能控制之洩載閥設定最大供油壓力系 統實驗。

6.2.2.1 整合軌跡控制與變轉速節能控制之實驗

本節即是藉由控制三相交流感應馬達之轉速變化，而對供油壓力進 行控制，並整合軌跡之伺服控制，以了解其性能變化。在供油壓力控制 方面，主要有兩種：(i)變轉速負載感測控制，與(ii)變轉速定供油壓力控

制。 使二者間的壓力差維持一定值。相較於使用洩載閥(Relief valve)調節定 量泵的傳統液壓系統，此負載感測系統能達到節能的目的。

ARC energy-saving contorller

Load sensing pump Load sensing

cylinder Load sensing

valve

Frequency Converter

AC induced motor

Electro-Hydraulic Load-sensing System With Variable Roational Speed Pump Pset

Load-sensing pressure

Hydraulic Valve-controller System

PS

Hydraulic ARC path

contorller

set e xL_,

圖6.2.8：整合軌跡控制與變轉速負載感測控制之方塊圖

本實驗取樣頻率取 200Hz，油溫變化約 30℃〜40℃之間，最大供油 壓力設為 160bar，ARC 控制器之控制增益設定如下：軌跡控制之增益

，調節增益Γ ；負載控制之增益

k

，

圖 6.2.9 是預設壓差( )為 30bar 時，整合軌跡控制與負載感測控 制的實驗結果。由實驗結果可知，負載感測缸的移動軌跡與所規劃的目 標軌跡相當契合。至於供油壓力(P

P

set

∆

s)與負載感測壓力(P_LS) 間的關係，軌 跡行程起始端與結尾端，由於負載感測閥口大小趨近零使得供油壓力趨 近最高供油壓力，而無法控制壓差外，多數區間的壓差控制都能維持約 30bar 左右。圖 6.2.10 為圖 6.2.9 實驗之參數估測值及控制輸入。圖 6.2.11 是預設壓差(∆ )為 25bar 時的實驗結果，與圖 6.2.9 相較，伺服 軌跡運動性能並無太大差異，但是在壓力控制上，因要求較低的壓差，

油壓缸剛開始使動時，設計軌跡慢閥口小供壓足而馬達急速減速，而當 閥口較大失壓快時馬達加速度卻不夠快，是以有壓力補償不足的現象，

原因是本系統 AC 三相馬達自身慣性大反應慢，在有突然大幅度壓力落 差時，會有供油壓力補償速度不及的現象。解決方式，可選擇反應較佳 的系統，此外，實驗中亦知，調整馬達之初始轉速與泵之斜盤角度亦有 助益，但效果有限。

P

set

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

100 200 300 400 500

position(mm)

time(sec) Target

Position of load-sensing cylinder

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-15 -10 -5 0 5 10 15

error(mm)

time(sec) Tracking error

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) Load-sensing pressure of cylinder(PLs) Ps-PLs

Pset

圖6.2.9：整合軌跡控制與變轉速負載感測控制實驗結果 設定壓差30bar

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

0.1 0.2 0.3

θ¹

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-0.2 0 0.2 0.4

θ2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-2 0 2 4 6 8

time(sec) (a)

(b)

(c) Control input(Vt)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0.5

θp1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0.05 0.1

θ^p2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5

10 Control input(Vt)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1200 1400

time(sec) (d)

(e)

(f)

(g) Rotation rate(rpm)

圖 6.2.10：整合軌跡控制與變轉速負載感測控制之參數估測變化 (a)(b)為軌跡估測參數；(d)(e)為負載感測估測參數

(c)為軌跡控制輸入；(f)為負載感測輸入；(g)轉速變化

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

100 200 300 400 500

position(mm)

time(sec) Target

Position of load-sensing cylinder

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-15 -10 -5 0 5 10 15

error(mm)

time(sec) Tracking error

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) Load-sensing pressure of cylinder(PLs) Ps-PLs

Pset

圖6.2.11：整合軌跡控制與變轉速負載感測控制實驗結果 設定壓差25bar

6.2.2.1.2 整合軌跡控制與變轉速定供油壓力控制之實驗

為能比較負載感測控制的節能效益，故本實驗設計整合定供油壓力 控制與閥控液壓缸軌跡控制系統，進行分析比較。直接改變 6.2.2.1 節設 計的變轉速負載感測控制器使用來控制負載感測系統的供油壓力(P_S)，

使 供 油 壓 力 在 閥 控 液 壓 缸 作 軌 跡 運 動 時 ， 能 保 持 一 定 的 壓 力 值(P_S

=const)。圖 6.2.12 之控制方塊圖法設計，與圖 6.2.8 比較，唯一的不同

是將供給壓力直接回授至控制系統，不需轉換成壓差值，而直接進行定 供油壓力控制。

ARC energy-Saving contorller

Load sensing pump Load sensing

cylinder Load sensing

valve

Frequency Converter

AC induced motor

Electro-Hydraulic Load-sensing System With Variable Rotational Speed Pump

Pset P^S

Load-sensing pressure

Hydraulic Valve-controller System

PS

us

uL

e

xL

Electronic

Hydraulic ARC path

contorller

set e xL_,

圖6.2.12：整合軌跡控制與變轉速定供油壓力控制之方塊圖

圖 6.2.13 是整合軌跡控制與變轉速定供油壓力控制的實驗結果，其 預設的供油壓力( )為 150bar。由圖可知，負載感測缸的軌跡控制相當 完美，且供油壓力也維持 150bar 左右，代表兩組控制器的設計的相當成 功。圖 6.2.14 為設定壓力 140bar 之結果，由圖可見，因本系統馬達的慣 性與反應慢的關係，欲控制大幅度壓差時，其定壓控制效果並不佳。

P

set

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

100 200 300 400 500

position(mm)

time(sec) Target

Position of load-sensing cylinder

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-15 -10 -5 0 5 10 15

error(mm)

time(sec) Tracking error

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) Load-sensing pressure of cylinder(PLs) Pset

圖 6.2.13：整合軌跡控制與變轉速定供油壓力控制的實驗結果 定供油壓力150bar

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

100 200 300 400 500

position(mm)

time(sec) Target

Position of load-sensing cylinder

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-15 -10 -5 0 5 10 15

error(mm)

time(sec) Tracking error

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

pressure(bar)

time(sec) Supply pressure(Ps) Load-sensing pressure of cylinder(PLs) Pset

圖 6.2.14：整合軌跡控制與變轉速定供油壓力控制的實驗結果 定供油壓力140bar

6.2.2.2 整合軌跡控制與變排量節能控制之實驗

本節即是藉由控制變排量泵之斜盤角度變化，而對供油壓力進行控 制，並整合軌跡控制，以了解其性能變化。在供油壓力控制方面，主要 有兩種：(i) 變排量負載感測控制，與(ii) 變排量定供油壓力控制。與 6.2.2.1 節變轉速負載感測系統所不同處，即在於供油壓力的變化改由變 量泵之斜盤角度的改變作控制。

6.2.2.2.1 整合軌跡控制與變排量負載感測控制之實驗

對本實驗與上節所不同處，即將變轉速負載感測控制換為變排量負 載感測控制，故直接引用 5.1.2 節所設計之 ARC 負載桿測控制器。至 於，軌跡控制與控制流程上，與上節相同即可。圖 6.2.15 為整合軌跡控 制與變排量負載感測控制的方塊圖。

ARC energy-saving contorller

Load sensing pump Load sensing

cylinder Load sensing

valve

Servo valve Cylinder

Electro-Hydraulic Load-sensing System With Variable Displacement Pump

Pset

∆

∆P PLS

PS set

Ls

s P P

P

P= − =∆

∆

Supply pressure Load-sensing

pressure

Hydraulic Valve-controller System

PS

us

uL

e

xL

Electronic

Hydraulic ARC path

contorller

set e xL_,

圖 6.2.15：整合軌跡控制與變排量負載感測控制之方塊圖

本實驗上的設定，取樣頻率為 200Hz，油溫變化約 30℃〜40℃之

間，最大供油壓力設為160bar，ARC 控制器之控制增益設定如下：軌跡 控 制之增益 ， 調節 增益Γ ；負 載控制 之增益

，調節增益 。

3 23

2

1_s =

k

_s =

k

_s =

k

p = Γ

]T

1 . 0 , 12

=[ ]T

10⁻⁹

2

25

1_s

=

_{p s}

=

p

k

k

[1.6×10⁻⁵,8.5×

圖6.2.16 為預設壓差( )為 30bar 時，整合軌跡控制與變排量負載 感測控制的實驗結果。由實驗結果可知，負載感測缸的移動軌跡與所規 劃的目標軌跡亦相當契合。至於供油壓力(P

P

set

∆

S)與負載感測壓力(P_LS) 間的 關係，軌跡行程起始端與結尾端，亦因負載感測閥口大小趨近零使得供 油壓力趨近最高供油壓力，而無法控制壓差外，與變轉速系節能統相 較，更快的壓差控制可維持約 30bar 左右。圖 6.2.17 為圖 6.2.16 實驗之

S)與負載感測壓力(P_LS) 間的 關係，軌跡行程起始端與結尾端，亦因負載感測閥口大小趨近零使得供 油壓力趨近最高供油壓力，而無法控制壓差外，與變轉速系節能統相 較，更快的壓差控制可維持約 30bar 左右。圖 6.2.17 為圖 6.2.16 實驗之

在文檔中 閥控液壓系統節能控制與伺服控制之整合研究---以電液負載感測系統實現(III) (頁 149-0)