负负载工况在液压系统中广泛存在,由于需要主动增加回油腔的工作压力以抵消负负载作用力,系统在节能性和平稳性上存在矛盾。综合考虑节能和设备的复杂程度,本课题选择开式变量泵回油节流调速系统作为研究对象。在当前的电液控制研究中,先进控制技术在电液伺服系统上的应用日渐成熟,然而相关研究的控制目标很少涉及系统供油压力。本课题将先进电液控制技术应用到变量泵回油节流调速系统,构建兼顾系统压力和调速需求的控制目标,提出同时实现平稳调速和节能的控制方案。根据调速需求,本文将系统的工作状况分为两种工作模式。第一种模式是流量跟随式,在这种工作模式中,变量泵作开环控制,决定设备的平均运行速度;回油节流口模拟平衡阀,控制器实时调节节流口实现速度匹配和节能。第二种模式是压力速度独立控制式,与负载敏感系统类似,变量泵根据压力反馈执行实时控制,回油节流口则执行速度控制。本课题所采用的基准进油腔工作压力是3bar,远远低于现在工业应用中负载敏感系统的能量损耗和平衡阀的进油腔最低工作压力(12～20bar)。本论文共六章,每章内容摘要如下:第一章,概述负负载工况下的常用液压系统,简述各类系统的主要缺点和原因。继而从节能角度出发,指出负负载工况下的三条主要节能途径:使用平衡阀、负载口独立控制和变量泵进油流量匹配。概述了三条途径相关研究的发展状况和主要问题,从调速手段、控制结构和节能机理三个角度阐述典型研究的特点。进一步地,简要概括当前的电液系统运动控制技术现状。最后,介绍本课题的研究内容。第二章,研究变量泵回油节流调速系统的基本特性。首先探讨在给定速度需求和外部负载的情况下,控制量和状态之间的定量关系。根据负载和速度需求的关系将工况分为正负载,负负载以及不完全负负载三种情况,并给出节能静态控制律,并通过实验说明静态方法无法有效节能的原因。随后,构建系统动力学模型和元件控制特性的数学表达形式,分析了模型不确定性的分布情况。基于此提出控制任务的考虑要素,其中速度控制需求目标被分成两类,一类是跟踪目标参考信号,另一类是与供应流量相匹配。根据模型分析,为了能够产生期望的回油流量并实现有效的模型补偿控制,设计了阀口流量特性测试方法,并通过实验验证测试所得的流量特性可以用于流量控制。然后,设计了弹性模量和容腔体积的测试方法,根据不同容腔体积下的压力上升速率,计算初始容腔体积和弹性模量。为了便于读者复现工作,介绍了所设计的实验系统,包含受控运动部分和加载部分。第三章,针对流量跟随模式,提出了流量跟随式的节能调速控制方法。定义了“流量跟随器”的变量概念,采用名义速度误差和压力误差进行线性组合。利用流量跟随器和进油腔压力动态的关系,可以证明速度误差和压力误差会伴随流量跟随器的收敛而收敛。构建了一个高增益干扰观测器来估算设备负载,获得了真实负载的二阶滤波值。将流量跟随器作为系统输出,采用输出反馈线性化,构建流量跟随器的二阶状态微分方程,设计包含模型补偿项、负载抑制项和鲁棒项的控制律。实验结果表明,控制器能够将流量估算误差按比例转化为压力稳态误差,成功实现速度的流量跟随。并且控制方法能够有效抑制时变负载引入的速度波动,同时保持进油腔压力在目标工作点附近小幅波动,大幅降低系统能耗。第四章,提出了压力速度独立式的控制方法。进油腔压力控制器基于控制模型构建,采用前馈加PI的算法来补偿速度和变量泵控制误差对容腔压缩体积的影响。对于触发容腔吸空的特定情况,利用吸空阶段的供油总量等同于容腔扩张体积这一特征进行控制修正。采用反演控制法构建速度控制器,在速度的虚拟控制律设计环节增加速度积分项来避免流量特性误差引起的稳态偏差。针对泵的供应流量误差较大而难以用模型估计进油腔压力动态的问题,将进油腔油液作用力与外负载看作一个整体外干扰,构建干扰观测器并估计整体外干扰的微分。实验证明,本章节构建的控制器能够有效完成速度跟踪、负载干扰抑制和节能三条目标。第五章,针对不完全负负载工况,提出了兼顾阀口控制抗饱和能力和节能的指标函数,并给出指标函数极值条件的求解方法,为系统提供合适的进油腔压力工作点。在压力速度独立控制模式中,根据负载观测器评估的负载,基于节能抗饱和指标函数计算该负载条件下的最佳进油腔工作压力,并修正进油腔压力控制律,实验证明抗饱和修正能够有效应对不完全负负载工况。最后从理论和实验上说明流量跟随模式下的主动抗饱和是不可取的。第六章,归纳总结本论文的主要工作,比较两种控制方案的优缺点。阐述了本文研究的主要创新点,并对负负载节能调速的应用研究进行了展望讨论。