[科普中國]-自動(dòng)分配

自動(dòng)分配，即按一定的標(biāo)準(zhǔn)用機(jī)械、電器等裝置直接操作的。

例如：自動(dòng)分配系統(tǒng)、自動(dòng)分配技術(shù)等等。

銑刨機(jī)功率自動(dòng)分配根據(jù)銑刨機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，分析了銑刨機(jī)功率自動(dòng)分配的原理，給出了功率自動(dòng)分配的2種控制方式，得出了功率自動(dòng)分配控制方案框圖，并提出了其控制器的選擇方案。1

銑刨機(jī)功率自動(dòng)分配原理銑刨機(jī)作為一種非牽引機(jī)械，在作業(yè)中，銑刨轉(zhuǎn)子除在車輛牽引系統(tǒng)帶動(dòng)下前進(jìn)外，主要依靠自身傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)來完成各種動(dòng)作進(jìn)行作業(yè)，銑刨轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)消耗著車輛的主要功率，牽引功率反在其次。作業(yè)工況下牽引系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間為部分功率匹配，是一種多系統(tǒng)工作機(jī)械，車輛的牽引負(fù)荷較小，因而對(duì)車輛的牽引性能、地面條件的約束等問題考慮較少。要保證銑刨機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)足夠的功率分配是首要條件。而在運(yùn)輸工況，為了提高車輛運(yùn)輸工況的行駛能力，使銑刨機(jī)行走液壓傳動(dòng)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)之間也按全功率匹配，這樣在作業(yè)工況可以按實(shí)際吸收的部分功率進(jìn)行參數(shù)控制。因此合理有效地分配發(fā)動(dòng)機(jī)功率不僅可以保證作業(yè)質(zhì)量要求，而且對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率進(jìn)而提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)生產(chǎn)率有著重要的意義。1

功率自動(dòng)分配的2種控制方式銑刨機(jī)行走驅(qū)動(dòng)都為靜液壓驅(qū)動(dòng)，采用變量泵和變量馬達(dá)組成閉式系統(tǒng)，控制器根據(jù)傳感器所測(cè)的系統(tǒng)參數(shù)通過內(nèi)部程序來控制變量泵和變量馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)行走速度 (行走速度減小會(huì)使工作裝置負(fù)荷降低，行走速度即工作裝置進(jìn)給量的微小變化會(huì)引起工作裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)荷的很大變化，工作裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往占有發(fā)動(dòng)機(jī)大部分功率，因而行走速度的微小變化會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)以及整個(gè)多系統(tǒng)車輛的功率利用得到良好控制，而行走速度的微小變化并不會(huì)引起作業(yè)質(zhì)量的明顯變化)，達(dá)到各系統(tǒng)功率之和與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率一致的目的。利用行走速度調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分配，可以通過以下2種方式：

(1) 電液控制方式- 過程控制方式

在行走系統(tǒng)和銑刨轂系統(tǒng)液壓泵與馬達(dá)之間管路中分別安裝壓力和流量傳感器，連續(xù)檢測(cè)兩系統(tǒng)的工作壓力和流量。這種控制方式適用于全液壓銑刨機(jī)(行走驅(qū)動(dòng)和銑刨轂驅(qū)動(dòng)都為液壓驅(qū)動(dòng))。

(2) 轉(zhuǎn)速控制方式

這種控制方式是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為信號(hào)控制行走速度，達(dá)到功率自動(dòng)分配目的。通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化可以反映外界負(fù)荷的變化，當(dāng)銑刨轂負(fù)荷增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)各系統(tǒng)扭矩之和大于發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩增大；當(dāng)銑刨轂負(fù)荷降低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)各系統(tǒng)扭矩之和小于發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩。

控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，輸出控制電流控制行走液壓泵排量的變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制電流減小，行走泵排量減小以降低行走速度v，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速相等為止；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制電流增大，行走泵排量增大以提高行走速度v，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速相等為止。這種控制方式不僅適合于全液壓銑刨機(jī)，也適合于銑刨轂為機(jī)械傳動(dòng)方式的銑刨機(jī)。這種控制方式只需要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制方便，而且為了提高傳動(dòng)效率，現(xiàn)代銑刨機(jī)銑刨轂驅(qū)動(dòng)大多采用機(jī)械傳動(dòng)。因此，轉(zhuǎn)速控制方式是普遍采用的一種方式。1

功率自動(dòng)分配控制方案通常采用轉(zhuǎn)速控制方式實(shí)現(xiàn)功率自動(dòng)分配，僅討論此種以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為信號(hào)的控制方案。功率自動(dòng)分配是一種恒功率控制，對(duì)于銑刨機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率主要用于銑刨和行走。

在銑刨作業(yè)過程中，瀝青路面材料的性質(zhì)及其密實(shí)程度是不確定的，銑刀的參數(shù)隨著銑刨作業(yè)的進(jìn)行在不斷變化，銑刨厚度也在變化，只有銑刨寬度為確定值。從式可以看出，當(dāng)銑刨阻力的變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)銑刨機(jī)行走速度使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速。

當(dāng)然，為了更精確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行分配，可以考慮對(duì)輔助系統(tǒng)進(jìn)行功率分配。如風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)冷卻量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在冷卻量不大的情況下，通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速使風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)所消耗的功率下降，而將該部分富裕的功率分配給行走系統(tǒng)和銑刨轂系統(tǒng)。

根據(jù)功率自動(dòng)分配的原理，在控制系統(tǒng)中，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為設(shè)定值，行走速度作為被控量。在銑刨作業(yè)過程中，當(dāng)銑刨轂阻力或風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)改變，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，經(jīng)過計(jì)算輸出PWM控制比例閥從而使行走變量泵的斜盤擺角即排量發(fā)生變化，以調(diào)節(jié)行駛速度，使得發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在額定工況。1

負(fù)荷功率自動(dòng)分配的獨(dú)立直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制不同DG單元根據(jù)各自最大輸出功率由最大功率跟蹤控制(MPPT)切換為帶有電壓前饋補(bǔ)償?shù)南麓箍刂颇Ｊ椒€(wěn)定母線電壓和自動(dòng)分配負(fù)荷功率，并考慮各單元的輸出阻抗來提高分配精度。最后利用Matlab/Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的控制策略在不同運(yùn)行模式下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明所提出的控制策略可協(xié)調(diào)不同模式下獨(dú)立直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率自動(dòng)分配。2

負(fù)荷功率波動(dòng)主要仿真分析了獨(dú)立直流微電網(wǎng)中負(fù)荷功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。仿真開始時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率來確保負(fù)荷的正常供電。1.0s時(shí)負(fù)荷功率由3.5kW降至約1.0kW，從負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)迅速調(diào)整輸出功率，吸收約1.5kW功率來平衡系統(tǒng)功率供需。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電模式之間切換速度快，負(fù)荷供電功率波動(dòng)小。

負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)直流微電網(wǎng)的母線電壓可看出，負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)，母線電壓迅速響應(yīng)，電壓穩(wěn)定在380V，波動(dòng)小。采用提出的自適應(yīng)下垂協(xié)調(diào)不同儲(chǔ)能單元運(yùn)行時(shí)，SOC不同的儲(chǔ)能單元充放電功率不同SOC較大的儲(chǔ)能單元充電功率小放電功率大，SOC較小的儲(chǔ)能單元放電功率小充電功率大，通過負(fù)荷功率自動(dòng)分配可快速均衡不同儲(chǔ)能單元的SOC，有利于避免儲(chǔ)能系統(tǒng)的過充和過放，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配為采用傳統(tǒng)下垂控制協(xié)調(diào)多組儲(chǔ)能單元運(yùn)行時(shí)的輸出功率，可看出，不同儲(chǔ)能單元始終平均分擔(dān)負(fù)荷功率，不利于均衡儲(chǔ)能單元的SOC。2

儲(chǔ)能系統(tǒng)退出運(yùn)行當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率超過其最大允許功率或滿充時(shí)，DG切換至下垂控制根據(jù)負(fù)荷功率需求自動(dòng)調(diào)整發(fā)電功率來確保該特殊情況下重要負(fù)荷的電壓穩(wěn)定。此后，當(dāng)某組DG系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)，所采用的控制策略可迅速調(diào)整正常運(yùn)行的DG單元的發(fā)電功率來確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。主要仿真分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)退出運(yùn)行后，DG穩(wěn)壓時(shí)負(fù)荷功率波動(dòng)和部分DG單元故障對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

根據(jù)DG系統(tǒng)部分故障時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性，1.0s時(shí)負(fù)荷功率減小，DG系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷功率自動(dòng)調(diào)整發(fā)電功率，在2.0s時(shí)一組DG單元退出運(yùn)行，此后正常運(yùn)行的DG單元迅速調(diào)整發(fā)電功率來保證重要負(fù)荷的正常供電。

DG部分故障時(shí)直流母線電壓為負(fù)荷功率波動(dòng)和DG2單元故障時(shí)的母線電壓，對(duì)比采用電壓前饋補(bǔ)償控制時(shí)和未采用電壓前饋補(bǔ)償控制時(shí)可看出，采用電壓前饋補(bǔ)償控制時(shí)，母線電壓響應(yīng)速度快，波動(dòng)小，電壓穩(wěn)定在380V，而未采用該前饋補(bǔ)償控制時(shí)，擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，電壓波動(dòng)比較大，可看出，采用的電壓前饋補(bǔ)償控制可控制母線電壓穩(wěn)定。

DGs負(fù)荷功率分配為不同DG單元之間的負(fù)荷功率分配，從DGs 負(fù)荷功率分配可看出，0~2.0s時(shí)DG系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)荷功率自動(dòng)調(diào)整發(fā)電功率，且不同DG單元可根據(jù)其最大功率自動(dòng)分配負(fù)荷功率。2.0s時(shí)DG2單元故障，此后正常運(yùn)行的DG單元迅速調(diào)整發(fā)電功率來確保重要負(fù)荷的正常供電。值得注意的是，若此時(shí)仍無法滿足負(fù)荷的正常供電，可根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行切負(fù)荷操作以后采取該控制。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所