專利名稱：用于電操作的液壓放大器的閉環(huán)手動控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如用于控制多種用途的伺服馬達和閥的電子控制 的液壓放大器，例如控制用于水電渦輪機和發(fā)電機系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器分配閥。
背景技術(shù)：
液壓放大器在應用于控制操作水電渦輪機的伺服馬達時典型地是 電子控制的。這些液壓放大器可以促動調(diào)整流過水電系統(tǒng)的管道內(nèi)的水 的流量的伺服馬達。液壓放大器由計算機控制系統(tǒng)電子控制?？刂葡到y(tǒng) 產(chǎn)生促動液壓放大器的電信號，液壓放大器又液壓地移動調(diào)整水閥的伺 服馬達。
液壓放大器的故障能使得調(diào)節(jié)器分配閥及其相關(guān)的水渦輪機失去 功能。電子控制系統(tǒng)有時經(jīng)歷導致對一個和多個液壓放大器不正確地控 制的故障。對于關(guān)鍵過程，現(xiàn)有的電子控制的液壓放大器利用了冗余電 子控制系統(tǒng)或缺乏正的機械控制能力的開環(huán)機械方法。電子控制的液壓 放大器并非典型地預備有從被放大器控制的伺服馬達的主輸出級到導 級的機械內(nèi)部反饋控制(內(nèi)環(huán)反饋)。長期存在對能作為替代運行模式 而無電子控制運行的電子控制的液壓放大器的需求。

發(fā)明內(nèi)容
開發(fā)了手動操縱的閉環(huán)伺服馬達控制器作為對電子控制的液壓放 大器控制器的冗余控制器，例如備用機械控制器。備用機械控制器允許 將控制從電子液壓放大器轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩涌烧{(diào)整機械控制器。例如手動可調(diào) 整設(shè)定點的控制的輸入和來自伺服馬達的反饋輸入被機械備用控制器 使用來調(diào)整到伺服馬達的液壓流體流。被控制的輸入與機械多級反饋系 統(tǒng)一起提供了對機械控制器輸出狀態(tài)的定位和控制。
開發(fā)了例如機械導閥的機械控制器以用于液壓控制的系統(tǒng)，控制器
包括包括內(nèi)室、液壓流體輸入口和液壓流體輸出口的閥殼體，其中液 壓流體輸出口可連接到液壓控制的系統(tǒng)；安裝在內(nèi)室內(nèi)的襯套，襯套具
有可移動為與液壓流體輸入口和輸出口對齊和不對齊的襯套口以允許 當襯套口與液壓流體輸入口和輸出口對齊時液壓流體流過閥；聯(lián)接以基
于液壓控制的系統(tǒng)的第 一運行條件在內(nèi)室內(nèi)移動襯套的襯套促動器；在
襯套內(nèi)可滑動地安裝的導閥，導閥具有當處于襯套內(nèi)的第一位置時允許 液壓流體流過襯套且當導閥處于襯套內(nèi)的第二位置時阻止液壓流體流
動的流動通道；聯(lián)接以基于誤差信號在第一位置和第二位置之間移動導 閥的導閥促動器，誤差信號在設(shè)定點和液壓控制的系統(tǒng)的第二運行條件 的比較中生成。
開發(fā)了用于液壓地控制伺服馬達以控制水閥的機械控制器，控制器 包括包括內(nèi)室、液壓流體輸入口和液壓流體輸出口的閥殼體，其中液 壓流體輸出口可連4姿到液壓控制的系統(tǒng)的液壓流體輸入口 ；可滑動;也安 裝在內(nèi)室內(nèi)的襯套，襯套具有可移動為與液壓流體輸入口和輸出口對齊 和不對齊的襯套輸入口和襯套輸出口以允許當襯套輸入口和襯套輸出 口與液壓流體輸入口和輸出口對齊時液壓流體流過閥；聯(lián)接以基于液壓 控制的系統(tǒng)的第一運行條件在內(nèi)室內(nèi)移動襯套的襯套杠桿臂；在襯套內(nèi) 可滑動地安裝的導閥，導閥具有當與襯套輸入口和輸出口對齊時允許液 壓流體流過襯套且當流動通道移動出與襯套輸入口和輸出口對齊時降 低通過襯套的流動的流動通道；和聯(lián)接以基于誤差信號移動導閥的導閥 杠桿臂，誤差信號通過在設(shè)定點和液壓控制的系統(tǒng)的第二運行條件之間 平衡導閥杠桿臂而生成。
開發(fā)了用于控制液壓控制的系統(tǒng)的方法，包括使用電子控制的液 壓放大器將液壓流體施加到液壓控制的系統(tǒng)；將控制從電子控制的液壓 放大器切換到機械控制的液壓閥控制器；建立用于機械控制的液壓閥控 制器的希望的設(shè)定點；確定希望的設(shè)定點和液壓控制的系統(tǒng)的實際運行 條件之間的誤差信號；和將誤差信號施加到調(diào)整到液壓控制的系統(tǒng)的液 壓流體流以降低誤差的機械控制的液壓閥控制器。
方法可以進 一 步包括施加反饋條件到機械控制的液壓閥控制器以 提供對液壓流體流的次級調(diào)整，其中反饋條件代表了不同于用于確定誤 差信號的實際運行條件的液壓控制的系統(tǒng)的運行條件。方法可以包括對 控制水閥的伺服馬達的控制，且希望的設(shè)定點是確定了水閥的運行位置 的伺服馬達的位移。方法可以進一步包括將反饋條件施加到機械控制的 液壓閥控制器以提供對液壓流體流的次級調(diào)整，其中反饋條件代表了液
壓放大器主閥芯的位移。另外，方法可以包括關(guān)閉到機械控制的液壓閥 的液壓流體流且激活電子控制的液壓放大器。方法建立了閉環(huán)反饋控 制，其中誤差信號與來自閥殼體的輸出口的液壓流體流相關(guān)。


圖1是作為電子控制的液壓放大器的冗余系統(tǒng)的機械控制器的示意圖。
具體實施例方式
開發(fā)了方法和系統(tǒng)以將電子控制的液壓放大器的伺服馬達控制轉(zhuǎn)
變?yōu)闄C械控制器。機械控制器包括例如手動導閥(pilot valve)的比 例促動器和機械內(nèi)部反4貴，以提供用于伺服馬達的機械定位回路。機械 控制器提供了機械控制方法，在電子控制的液壓放大器故障的情況下， 機械控制方法自動初始化(由計算機控制器初始化)。
圖1是用作電子控制的導閥12的冗余控制器的機械控制的導閥10 的示意圖。導閥10和12都可以用于控制例如主級的液壓放大器15，液 壓放大器15促動伺服馬達14或其他液壓系統(tǒng)。伺服馬達14可以控制 用于例如渴輪機的水電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器分配閥，其通過大流量的油，例如 每分鐘10QQ加侖。
伺服馬達14的運行位置由主級液壓放大器15控制。放大器15通 過施加經(jīng)由流體管道16到伺JI良馬達的輸入的例如油流的液壓流體來控 制伺服馬達14。由主級液壓放大器15施加到伺服馬達14的液壓流體流 的量確定了對于伺服馬達的運行設(shè)定。導閥10、 12將例如伺服馬達位 移54和位移速度13的反饋信號轉(zhuǎn)換為對于伺服馬達的液壓控制的調(diào) 整。實際上，反饋信號被放大以控制伺服馬達14。取決于電子控制的導 級12被激活還是機械控制的導閥IO被激活，反饋信號可以是電信號或 機械信號。
在正常運行期間，電子控制的導閥12促動液壓放大器主級15和伺 服馬達14，且機械導閥IO不運行。例如電子計算機的控制器18操作電 子地控制的導閥18。通過關(guān)閉/人油源20到扭4戒導閥10的輸入22的液 壓流體流動^吏才幾械導閥不運4亍。如果且當控制器18確定應以枳4成導閥 IO替代電子控制的導閥12時，將加壓的液壓流體源20施加到機械導閥10的輸入22。例如，閥24可以被控制器18促動以將油壓施加到機械 導閥10。類似地，閥25可以被切換以改變控制為從電子控制的導閥12 到機械導閥10，其中控制用于到液壓放大器主級15的液壓流體流。
如果電子控制的導閥12被確定故障，在預先確定的范圍外運行或離 線以用于維護或替代，則控制器18可以切換到機械地機械導閥10。當 電子控制的導閥12再次運行時，控制器激活導閥12且關(guān)閉到機械導閥 10的液壓流體流。在電子控制的導閥12和機械控制的導閥IO之間的轉(zhuǎn) 變是平穩(wěn)且非復雜的，因為轉(zhuǎn)變涉及將液壓流體壓力施加到液壓放大器 主級15且切換電子導閥12的開/閉的切換閥25。當此閥10停用時，經(jīng) 由閥24關(guān)閉油源2 0到機械地機械導閥10。
機械控制的導閥10調(diào)節(jié)了從源2 0到液壓放大器主級15的液壓流 體流。機械導閥包括閥殼體27,殼體27包括液壓油輸入口 22和油輸出 口 26。液壓油輸出口 26通過液壓管線16連4妄到液壓i文大器主級15。
閥殼體27可以是包括圓柱形內(nèi)室28的金屬圓柱體。內(nèi)室28包括 液壓流體排泄口 3Q以排放滲入到室的下部區(qū)域內(nèi)的油。室28的上端打 開以接收例如套筒的圓柱形襯套32和例如活塞的導閥34。
襯套32可以是具有下部基部的空心圓柱形套筒，下部基部除小的 排泄處外封閉，以允許一些液壓流體滲入到室的下部區(qū)域內(nèi)且提供對螺 旋彈簧36的潤滑。襯套32在閥殼體的室28內(nèi)上下滑動。螺旋彈簧將 襯套32在閥殼體內(nèi)向上偏置。襯套32的頂部可樞轉(zhuǎn)地連接到杠桿臂 38,杠桿臂38將襯套定位在閥殼體27的室28內(nèi)。襯套在室內(nèi)的位置 由杠桿臂38確定，杠桿臂38響應于液壓放大器主閥芯(spool)的移 動。
襯套32包括側(cè)輸入口 40和側(cè)輸出口 42。這些口在室28內(nèi)與襯套 一起上下滑動。當襯套輸出口 42未被柱塞接合區(qū)45覆蓋時，液壓流體 流過閥。當油流過輸出口 26時，液壓放大器主閥芯將處于運動中。當 柱塞4妻合區(qū)45和襯套輸出口 42對齊時，油將不流動且液壓》丈大器主閥 芯將靜止。
導閥34在襯套32內(nèi)可上下移動。導閥調(diào)節(jié)了流過襯套的液壓流體 且因此調(diào)節(jié)了流過閥24的液壓流體。導閥可以是通過閥殼體的液壓流 體的流量的主要確定件。導閥具有頸縮區(qū)域44,流動通過口或調(diào)節(jié)了從 襯套的輸入口 40到輸出口 42的液壓流體流的其他流動通道特征。當導
閥的頸縮區(qū)域與襯套的輸入口 40/輸出口 42對齊時，液壓流體可以流過 襯套。當導閥的頸縮區(qū)域44不對齊且導閥的控制接合區(qū)45與襯套的輸 出口 42對齊時，阻止液壓流體通過一十套(且因此通過閥24)的流動。 流過襯套的液壓流體的流量可以通過在套筒內(nèi)移動導閥而調(diào)整。當導閥 的頸縮區(qū)域移動為與襯套的輸入/輸出口對齊時，流過套筒的液壓流體 的可能的流量增加。頸縮區(qū)域可以成形為使得當導閥相對于襯套移動 時，液壓流體流的流量逐漸改變。
導閥34在室28內(nèi)的位置由促動器杠桿臂46控制。例如套筒的襯 套在室內(nèi)的位置由杠桿臂38確定。導閥在襯套內(nèi)的相對位置取決于杠 桿臂38、 46。
在一個實施例中，例如促動器的導閥杠桿臂46的移動初始化了通 過閥的液壓流體流量的改變。作為響應，例如促動器的用于襯套的杠桿 臂38將恢復村套輸出口 42和導闊^妄合區(qū)45之間的對齊關(guān)系，從而抑 制液壓放大器主閥芯的移動。此機械地建立的液壓放大器的恢復(反 饋)允許機械控制器以修正動作響應于不處于平衡中的輸入或輸出關(guān) 系。
流過閥的液壓流體流量取決于4于套32和導閥34相對于^皮此的位置 和襯套在閥殼體的室28內(nèi)的相對位置。閥在襯套內(nèi)的位置可以主導地 影響流過閥的液壓流體。襯套在室內(nèi)的位置可以對液壓流體流起不^艮主 導地影響。
例如浮動杠桿的杠桿臂46基于希望的設(shè)定點48和伺服馬達14的 實際位置50之間的相對關(guān)系將導閥定位在閥室28內(nèi)。伺服馬達的位置 確定了水閥15的位置。希望的伺服馬達運行位置可以是希望的最終伺 服馬達位置(與希望的閥15位置相關(guān))。希望的設(shè)定點可以通過手動 控制設(shè)備52手動地輸入或可以通過控制器18自動地設(shè)定。伺服馬達的 實際位置可以是代表了實際伺服馬達位置的反饋信號54,例如斜坡信 號。希望的設(shè)定點48和實際的最終伺服馬達位置之間的差異反應在杠 桿臂46的位置中且作為誤差信號56應用，該誤差信號56確定了導閥 34在室28內(nèi)的位置。取決于誤差信號56的值，導閥12被定位以通過 調(diào)整來自閥(口 26)的液壓流體流來移動液壓放大器主級15的主閥芯。
來自液壓放大器15的主閥芯的機械位置反饋信號58，例如主閥芯 位移速度反饋13操縱了維持了液壓放大器主級的穩(wěn)定運行的內(nèi)環(huán)反 饋。反饋信號58可以導致襯套32移動以降低到液壓放大器主級15的 液壓流體流。反饋信號58促動了用于導閥襯套(套筒)的杠桿38。
機械放大器IO可以是仿效了電子控制的導閥12的控制功能的一些 的比例促動器。機械控制的放大器IO通過設(shè)定手動設(shè)定點48、 52來控 制。機械控制的導閥12可以用于提供正常地由電子控制的導閥12提供 的控制功能，例如關(guān)閉保護和控制，和從正?？刂?電子控制的導閥12) 到手動控制(機械控制的導閥10)的監(jiān)測和切換方法的整合。從電子控 制導閥12到機械導閥10的轉(zhuǎn)變包括切換聯(lián)接油源20、導閥和液壓放大 器主鄉(xiāng)及15的液壓閥24、 25。
機械控制的放大器10可以提供不干涉電子控制的液壓放大器或 使其復雜化的手動控制回路的實施；實施用于基于例如電子控制的液壓
間切換的^制特征的靈活性；可能在正常控制模式和手動控制模式中都 使用的多種關(guān)閉控制的實施；和當無動力可獲得時通過使用真正的機械 手動解決方法的伺服馬達控制功能的操作。
雖然本發(fā)明結(jié)合了目前被考慮為最實際和優(yōu)選的實施例描述，但需 要理解的是本發(fā)明不限制于所披露的實施例，而相反意圖于覆蓋在附帶 的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的多種修改和等價布置。
權(quán)利要求
1.一種用于液壓控制的系統(tǒng)的機械控制器(10)，該控制器包括包括內(nèi)室(28)、液壓流體輸入口(22)和液壓流體輸出口(26)的閥殼體(27)，其中液壓流體輸出口可連接到液壓控制的系統(tǒng)(14、15)；安裝在內(nèi)室內(nèi)的襯套(32)，襯套具有可移動為與導閥(34)的控制接合區(qū)(44)對齊和不對齊的襯套口(40、42)，以控制流過閥的液壓流體；聯(lián)接以基于液壓控制的系統(tǒng)的第一運行條件(13、58)在內(nèi)室內(nèi)移動襯套的襯套促動器(38)；導閥(34)在襯套內(nèi)可滑動地安裝，導閥具有當處于襯套內(nèi)的第一位置時允許液壓流體流過襯套且當導閥處于襯套內(nèi)的第二位置時阻止液壓流體流動的流動通道(44)；和聯(lián)接以基于誤差信號(56)在第一位置和第二位置之間移動導閥的導閥促動器(46)，誤差信號在設(shè)定點(48)和液壓控制的系統(tǒng)的第二運行條件(54)的比較中生成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械控制器，其中液壓控制的系統(tǒng)是控 制水閥的伺服馬達(14)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的機械控制器，其中第一運行條件(54) 是應用于控制水閥的伺服馬達的位移且第二運行條件(13、 58)是伺服 馬達的位移率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械控制器，其中液壓流體源(20)可 連接閥殼體的液壓流體輸入口 ( 2 2 )且通過施加加壓液壓流體到液壓流 體輸入口來激活(24)控制器(10)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械控制器，其中設(shè)定點(48)是手動 (52)建立的設(shè)定點。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械控制器，其中機械控制器(10)是 機械液壓放大器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械控制器，是閉環(huán)反饋控制器，其中 誤差信號(56)與來自閥殼體的輸出口的液壓流體流相關(guān)。
8. —種用于控制液壓控制的系統(tǒng)(15、 14)的方法，其包括 使用電子控制的液壓放大器(12 )將液壓流體(16 )施加到液壓控 制的系統(tǒng)；將控制從電子控制的液壓放大器切換(24、 25)到機械控制的液壓 閥控制器(10);建立用于機械控制的液壓閥控制器的希望的設(shè)定點(48、 52);確定希望的設(shè)定點和液壓控制的系統(tǒng)的實際運行條件(54)之間的 誤差信號(56);和將誤差信號施加(34)到機械控制的液壓閥控制器，其調(diào)整到液壓 控制的系統(tǒng)的液壓流體流以降低誤差。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括施加反饋條件(13、5 8 )到機械控制的液壓閥控制器，以提供對液壓流體流的次級調(diào)整，其 中反饋條件允許液壓控制的系統(tǒng)對不處于平衡的輸入或輸出條件的修 正動作。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中液壓控制的系統(tǒng)是控制水閥 的伺服馬達(14)且希望的設(shè)定點(48)是確定了水閥的運行位置的伺 服馬達的位移。
全文摘要
液壓控制的系統(tǒng)的機械控制器包括包含內(nèi)室、液壓流體輸入口和液壓流體輸出口的閥殼體，其中液壓流體輸出口可連接到液壓控制的系統(tǒng)；安裝在內(nèi)室內(nèi)的襯套，其具有可移動為與導閥的控制接合區(qū)對齊和不對齊的襯套口以控制流過閥的液壓流體；聯(lián)接以基于液壓控制的系統(tǒng)的第一運行條件在內(nèi)室內(nèi)移動襯套的襯套促動器；導閥在襯套內(nèi)可滑動地安裝，導閥具有當處于襯套內(nèi)的第一位置時允許液壓流體流過襯套且當導閥處于襯套內(nèi)的第二位置時阻止液壓流體流動的流動通道，和聯(lián)接以基于誤差信號在第一位置和第二位置之間移動導閥的導閥促動器，誤差信號在設(shè)定點和液壓控制的系統(tǒng)的第二運行條件的比較中生成。
文檔編號F15B9/08GK101173690SQ20071018515
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日
發(fā)明者D·A·沃納 申請人:通用電氣公司