Energy Efficient Control of a Speed and Displacement Variable Hydraulic Pump
Author
Mortensen, Jesper
Term
4. term
Education
Publication year
2020
Submitted on
2020-07-01
Pages
73
Abstract
Denne afhandling udvikler og tester reguleringsalgoritmer til en pumpe, hvor både motorens hastighed og pumpens slagvolumen (deplacement) kan varieres. Testbænken har to styresignaler: induktionsmotorens hastighed og et signal til pumpens styreventil, der indstiller svingpladens vinkel. En eksisterende pumpemodel er forbedret med en overtryksventil på udgangen, justeret modelkompleksitet (antal dynamiske ordener) og parametre fundet ved optimering. Modellen medtager effekttab i motor, pumpe og styreenhed. To mål styrer arbejdet: 1) Pumpen skal følge en ønsket trykreference, og 2) de samlede effekttab i de væsentligste komponenter skal minimeres for at øge energieffektiviteten. Fordi systemet er stærkt ulineært, anvendes ulineær regulering, især sliding mode control (SMC), en robust metode der kan håndtere modelusikkerheder ved at skifte mellem enkle styrelove. Under en stationær antagelse kortlægges, hvordan tryk og virkningsgrad afhænger af de to indgange ved en given udgangseffekt. Analysen viser, at systemet typisk er mest effektivt, når svingpladen er vinklet helt ud (maksimalt deplacement). Årsagen er, at styreenheden ellers må strupe interne flow, som er nødvendige for dens funktion, men som samtidig giver effekttab. Som reference bygges en simpel styring, der efterligner en konventionel løsning med konstant motorfrekvens og variabelt deplacement. Med 16 lastforløb (varierende last og trykreferencer) opnås eksperimentelt en rodfirkvadreret middelværdi (RMS) af trykfejlen på 5,2 bar og en gennemsnitlig effektivitet på 49,5%. Reguleringsudviklingen sker i to trin. Først en SISO-tilgang (Single-Input Single-Output), hvor en lineær regulator, assisteret af en ulineær forstyrrelsesobservatør (estimerer og kompenserer uforstyrrede påvirkninger), styrer udgangstrykket via rotorhastigheden. Samtidig vælges styreventilsignalet fra en opslagstabel, der peger på den mest energieffektive indstilling baseret på den stationære effektivitetsskortlægning. Metoden simulerer godt, men tabellen er knyttet til modellen og ønskes undgået. Derfor udvides i trin to til en MIMO-tilgang (Multi-Input Multi-Output), der bevarer den ulineære trykregulering og tilføjer en regulering af effekttab. Også her anvendes en lineær regulator med ulineær forstyrrelsesobservatør. Løsningen viser gode resultater i simulering og giver eksperimentelt en RMS-trykfejl på 1,9 bar og en gennemsnitlig effektivitet på 61,0% på tværs af alle 16 lastforløb. Der observeres mindre udfordringer, bl.a. små oscillationer i kontrolsignaler ved konstant reference og mulige problemer med overophedning af induktionsmotoren; disse overlades til fremtidigt arbejde. Samlet set vurderes den udviklede regulering at have betydeligt potentiale for industriel anvendelse.
This thesis develops and evaluates control algorithms for a pump where both the motor speed and the pump displacement can be varied. The test bench has two control inputs: the speed of an induction motor and a signal to the pump’s control valve that sets the swash plate angle. An existing pump model is enhanced by adding a relief valve at the outlet, adjusting model order (dynamic complexity), and optimizing parameters. The model accounts for power losses in the motor, pump, and control unit. Two objectives guide the work: 1) make the pump track a desired pressure setpoint, and 2) minimize total power losses in the main components to increase energy efficiency. Because the system is strongly nonlinear, the solution uses nonlinear control, in particular sliding mode control (SMC), a robust technique that can handle model uncertainties by switching between simple control laws. Assuming steady-state, the study maps how pressure and efficiency depend on the two inputs for a given output power. The analysis shows that the system is generally most efficient when the swash plate is fully stroked (maximum displacement). The reason is that otherwise the control unit must throttle internal flows needed for its operation, which creates power losses. As a baseline for comparison, a simple controller is built to mimic a conventional constant-frequency, variable-displacement pump. Using 16 load trajectories (varying loads and pressure references), experiments yield a root-mean-square (RMS) pressure error of 5.2 bar and an average efficiency of 49.5%. Controller development proceeds in two steps. First, a SISO approach (Single-Input Single-Output) uses a linear regulator assisted by a nonlinear disturbance observer (which estimates and compensates unmeasured disturbances) to control outlet pressure via rotor speed. In parallel, a lookup table selects the most energy-efficient valve signal based on the steady-state efficiency map. This performs well in simulation, but the table is model-specific and therefore undesirable. Second, a MIMO approach (Multi-Input Multi-Output) is adopted, reusing the nonlinear pressure control and adding a controller to reduce power losses. This also uses a linear regulator with a nonlinear disturbance observer. The solution performs well in simulation and, experimentally across all 16 load trajectories, achieves an RMS pressure error of 1.9 bar and an average efficiency of 61.0%. Some challenges remain, including small oscillations in the control signal under constant setpoints and potential overheating of the induction motor; these are left for future work. Overall, the developed control shows substantial potential for industrial application.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents