题目：基于多级恒压网络切换的工程机械液压系统混合控制

工程机械液压系统的能量效率问题一直广受关注，近年来，新型液压技术的发展为高效节能型工程机械液压系统提出了多种解决方案，其中，德国亚琛工业大学流体传动与控制研究所(IFAS, RWTH Aachen)，着眼于工程机械系统的整体能量效率优化问题展开研究，将燃油系统的优化纳入液压系统设计过程，提出了一套新型的系统方案STEAM (Steigerung der Energieeffizienz in der Arbeitshydraulik mobiler Maschinen)。首先，为保证发动机负载力矩稳定在制动油耗率较低的区域内，液压系统采用定量泵为蓄能器充压形成恒压网络；然后，针对负载压力与流量需求多变的特点，液压回路采用基于多级恒压网络、独立负载控制以及单边回油节流调速的拓扑结构，通过在多种工作模式间切换，可实现能量回收与再生，可针对单泵源驱动下的多个执行机构系统同时降低系统功率匹配损失。然而，在STEAM系统中，液压缸速度控制是一个连续过程，工作模式的决策性逻辑切换则具有离散性，离散的模式切换将引起连续状态量突变，如液压缸流量、速度、加速度等，从而影响到工程机械的可操纵性。因此，模式切换型液压系统的混合控制问题仍是其实际推广应用中亟待解决的技术难题。本课题以此为出发点，分析了STEAM系统的混合特性，重点研究基于多级恒压网络切换的工程机械液压系统的混合控制问题，主要完成了如下各部分工作：

第一，完成了混合系统属性及控制需求分析。首先对比分析模式切换型液压系统中的A型自发式与B型受控式两个典型案例，即泵控非对称缸与风力发电机电静液传动装置，明确模式切换型液压系统的混合特性；随后详细介绍STEAM系统的工作方式与特点，建立了相应的混合自动机数学模型，阐明离散模式切换逻辑控制与连续速度控制是STEAM系统混合控制的两个主要任务。

第二，完成了离散模式切换逻辑控制算法设计。在声明切换条件涉及到的关键参数和变量的基础上，阐述了效率优先的标准模式切换逻辑的控制流程及其数学表达形式。考虑到可能存在的模式干扰和频繁切换等问题，从能量效率与控制性能折衷的角度出发，提出基于Mealy状态机的多约束模式切换逻辑，并详细描述了控制逻辑的状态机模型与算法实现。

第三，开展了执行机构运动连续速度控制研究。重点讨论了离散模式切换引起的执行机构加速度、速度突变等问题，针对不理想的连续特性，从硬件优化设计与速度闭环控制两个方面展开，提出了一系列改善调速特性的方案，并对液压-机械式压力补偿以及干扰解耦补偿方法进行搭建多学科联合仿真模型，仿真验证和分析。

最后，完成了STEAM混合控制系统的快速控制样机开发。以基于工业以太网EtherCAT的Beckhoff自动化系统以及STEAM系统的原理样机为硬件基础，利用开源EtherLab工具包和MATLAB的RTW功能，将混合控制算法快速高效地移植到试验台控制平台，完成系统功能测试与算法迭代优化，并为后续在Volvo EW180D挖掘机上的验证性工作奠定了基础。