液压驱动工业机械中的二氧化碳足迹减排：基于受控压力供应的可持续管理策略的应用 Paolo Righettini, Roberto Strada, Filippo Cortinovis, Jasmine Santinelli, Federico Tabaldi

《Machines》：CO2 Footprint Reduction in Hydraulically Driven Industrial Machinery: Applications of a Sustainability-Conscious Management Strategy Based on a Controlled Pressure Supply Paolo Righettini, Roberto Strada, Filippo Cortinovis, Jasmine Santinelli and Federico Tabaldi

　　摘要 能源效率和可持续性是现代工业机械和工厂设计与管理中的核心问题。这些问题在联合国的可持续发展目标9（SDG9）“工业、创新和基础设施”中得到了体现和强化，该目标将效率和优化能源使用视为可持续生产系统的关键特征。随着工业机械工程向能源可持续性方向转型，人们的关注自然转向了执行器，因为这些组件在执行功能时不可避免地会浪费掉它们吸收的大量能源。虽然液压驱动系统特别适合重型应用，但由于其固有特性以及仍然普遍存在的过时工业实践，它们的能源转换效率较低。因此，这种驱动技术在减少能源浪费和提高环境可持续性方面有很大的改进空间。本文研究了作者提出的一种新的管理和控制方法，该方法能够大幅且系统地降低液压执行器的能耗。该方法可以轻松地应用于现有工厂，其基础是一种非传统的、非侵入式的连续控制电液阀（CCEV）的部署，该阀门根据瞬时负载需求来调节供应压力。通过对具有不同数量级工艺参数的多个工业过程的模拟，本文证明了这种创新的CCEV用于供应压力调节的方法是一种有效且广泛适用的解决方案，有助于依赖液压伺服轴的生产系统节省能源并减少二氧化碳足迹。

1. 引言
在当代工业机械和工厂的设计与管理指南中，追求能源可持续性（即最小化能源消耗和减少二氧化碳足迹）起着根本性作用。联合国可持续发展目标9（SDG9）“工业、创新和基础设施”强调了这一点[1]，该目标认为高效和优化的能源使用是可持续生产系统的基石。这一趋势也得到了不断增长的科学文献的支持，这些文献中经常讨论可持续性和能源效率在不同系统设计中的重要性。在系统层面，参考文献[2]探讨了面向生产工厂可持续性的设计方法，而[3]则回顾了蜂窝制造系统中的可持续性概念；[4]研究了基于模型的系统工程在智能可持续工厂中的应用。其他论文关注整个生产系统中特定组件的能源效率和可持续性；例如，参考文献[5]探讨了可重构机器的可持续性，而[6]则关注机器人系统的能源效率。参考文献[7]考虑了机电系统的设计，[8]则专门研究了线性机电执行器。在较新的研究中，参考文献[9]分析了工业4.0与循环经济之间的相互作用以实现可持续性，而[10]则探讨了工业5.0与可持续性之间的联系。

在工业系统中，执行器是从主要能源源吸收能量以实现机器或工厂设计的具体功能的主要设备。因此，所吸收的能量被用于生产产品或更一般地说，用于执行集成生产过程中的特定操作；在这种情况下，能源浪费主要是由于执行器的能源转换效率不佳所致。特别是在使用液压执行器的情况下，能源损失问题尤为突出。实际上，液压伺服轴的运动控制本质上是耗能的，因为它基于对驱动执行器的加压流体的有意节流以及将其部分重新导向非加压储液器的过程。这些损失的幅度通常远大于泄漏[11]以及液压回路中各个组件之间的分布式或局部压力降所导致的不可避免的耗散。因此，为了提高液压驱动系统的可持续性，改进的管理和控制方法至关重要。

文献中有很多关于减少液压执行器能源浪费的方法，但大多数方法仅针对特定应用场景，不具有普遍适用性，无法在所有类型的系统中实施；一些特定方法的例子包括[12]，其中研究了直接驱动液压单元在工业重载提升系统中的应用；参考文献[13,14]提出了针对液压压机的能源效率解决方案。许多其他作者也研究了工业压机领域：参考文献[15]提出了使用多级压力系统进行精细冲裁压机，而[16]详细介绍了基于计量阀的配置和伺服泵控制，以减少大型成型压机中的能源浪费。在[17]中，提出了一种由多个电机泵和增压器-蓄能器组成的系统用于锻造压机；而在[18]中，利用工业物联网对液压压机进行能源审计，从而获取用于控制变频驱动的数据。参考文献[19]提出了一个机电-液压模型，用于评估不同组件的能源消耗；最后，参考文献[20]描述了压机及其相关液压回路的特定重新配置，以减少能源损失。其他研究关注液压驱动的地面车辆：参考文献[21]提出了一项关于移动机器中旋转和差动线性液压执行器位移控制的开创性工作，并在[22,23]中继续进行了相同的研究；参考文献[24,25]回顾了用于液压挖掘机节能的主要技术。此外，参考文献[26,27]也研究了挖掘机；[26]分析了此类车辆的动力系统和能源管理策略，而[27]提出了使用电液系统进行能源回收。文献中还考虑了其他全地形车辆，例如[28,29,30]；[28,29]提出了基于特定节能控制器或新型再生配置的节能解决方案；[30]介绍了一种液压压裂车辆，并开发了功率消耗模型以预测动力元件的效率。其他文献还涉及其他类型的应用，例如[31]比较了典型多阀配置与电液驱动在能源消耗方面的差异；[32]讨论了使用两级压力系统来提高机器人系统的能源效率；[33]利用操作器的冗余自由度来优化能源消耗。其他更一般性的工作包括[34]，它回顾了不同行业的能源效率创新，以及[35]，它提出了一种新的电路配置以在电液执行器中节能，但没有具体指明应用场景。因此，大多数回顾的科学文献关注的是为特定应用场景设计的解决方案，而没有考虑其在广泛液压系统中的适用性。此外，这些解决方案的实施通常需要对现有系统进行大规模修改，从而对系统配置产生重大影响。

在此背景下，本文的作者提出了一种新的系统方法论，其可行性已在之前的论文[36]中进行了研究；其实验验证的设置也在研究中[37]。所提出的方法基于根据作用负载估计系统所需的供应压力，并采用了一种创新的、非传统的连续控制电液阀（CCEV），该术语涵盖了伺服阀、伺服-比例阀和比例阀。与通常用于比例方向控制的液压执行器的CCEV不同，这种额外的阀门用于压力控制系统，通过按需排放多余的流量来保证适当的时变供应压力。类似的压力调节技术也可以在[38,39]中找到，其中使用控制阀来改变液压执行器对半主动摩擦阻尼器施加的力。而在所提出的方法论中，压力调节不是用于力控制，而是通过减少流向储液器的压力降并将执行器控制阀的操作点移向低耗能状态来减少能源浪费。

在[36]中，基于阀的控制技术强调了使用伺服阀以最大化压力控制的响应性；而在本文中，也评估了功能等效阀门的使用：尽管它们的特性不同，但其他类型的CCEV也被证明能够在实现高能源节约方面发挥类似的作用。实际上，虽然伺服阀能保证更高的控制带宽，但伺服-比例阀和比例阀通常具有更宽的尺寸范围，便于在更大的工厂中应用。

本文是对一篇题为“新的管理策略，显著减少液压执行器对二氧化碳足迹的影响”[40]的论文的修订和扩展版本，该论文于2025年6月9日至12日在意大利Villa San Giovanni举行的I4SDG 2025会议上发表。本文研究了所提出的供应压力控制方法在具有不同数量级工艺参数的模拟工业应用案例中的应用。在所有这些案例中，连续控制电液阀作为压力控制装置的新颖用途被证明是一种可扩展且非常有效的解决方案，可以显著降低液压伺服轴系统的能源消耗，从而大幅减少碳足迹。值得注意的是，所提出的解决方案可以轻松地应用于现有液压工厂，除了在供应线上安装一个适当尺寸的额外CCEV外，无需进行任何其他更改。

2. 方法
本文研究的液压驱动机械的核心子系统是液压驱动单元，它由线性执行器和相关的CCEV组成，用于运动控制。控制阀位于执行器和液压电源系统之间；后者传统上采用恒流量恒压力（CFCP）配置，依赖于固定排量的泵和恒速电机。在这种配置中，供应压力和流量是恒定的，因此提供了不可调节的液压功率生成，从而导致最大的能源需求。实际上，在这种配置下，泵出口的流量和压力必须分别高于负载所需的峰值。第一个要求主要是运动学的，与工作周期中需要达到的峰值速度密切相关。第二个要求是动态的，取决于执行器需要克服的负载类型。因此，在整个工作周期中，吸收的功率（在某些部分显著更高）超过了瞬时所需的功率。为了大幅缓解这个问题，作者[36]引入了受控液压电源（CHPS）来调整提供给执行器的功率。

如图1所示，所提出的CHPS实现之一依赖于一个CCEV，该CCEV通过排放固定排量和固定速度泵单元提供的多余流量来调节供应压力。该图特别用黑色标出了以下液压元件：

图1. 包括用于压力调节的连续控制电液阀的液压系统示意图。执行器，包括其A室和B室、位置x及其速度；作用在活塞上的机械负载；执行器控制阀；压力控制阀；一个手动调节的泄压阀，用于保证安全；恒速原动机和固定排量泵。液压回路中相关节点还标示了储液罐的压力、A室的压力、B室的压力以及泵出口的压力。所需的传感器和算法组件用青色表示，包括：运动设定点生成器；运动控制器，用于确定执行器CCEV的开启；压力控制器，用于确定压力CCEV的开启；液压效率优化器（HEO），用于生成压力设定点；液压执行器负载估计器（HALE），用于向HEO提供机械负载的估计值。这种特定的CHPS实现方案是对现有采用传统CFCP配置的工厂进行修改最少且成本最低的方案，因为它不需要对电机-泵功能组进行任何改动。使用CCEV来控制供应压力相比其他可能的解决方案还有一个额外的优势，即能够实现带宽（取决于具体的阀门类型），通常超过例如变量排量泵的带宽；这一特性使其适用于具有显著动态负载条件的应用。压力调节是通过一个控制回路来实现的，该回路通过将测量的供应压力与适当的设定点进行比较来决定泄压CCEV的开启。这样的设定点是根据执行器的动态模型[41,42,43,44]、负载需求以及在不影响运动控制性能的前提下最小化能源消耗的要求来生成的。不失一般性地，以双杆直线执行器为例，为了定义供应压力设定点，采用了以下执行单元的物理模型：(1) (2) (3) 方程(1)表示活塞的机械平衡；其中表示管线压力，即压力与之间的差值；A是活塞的有效面积，而表示作用在缸体上的机械负载，包括所有力（外部力、惯性和耗散力）。方程(2)表示活塞速度与管线体积流量之间的关系，虽然主要受面积A的影响，但也涉及泄漏系数和管线压力。最后，方程(3)描述了执行器CCEV的液压行为：是其瞬时标准化开度（在范围内变化，如果为负值则连接A室和储液罐），K是其特性系数（可从制造商的数据表中获得），表示供应压力。重新排列方程(3)并使用(1)，供应压力可以表示为：(4) 其中右侧的第一项，在假设阀门通道对称的情况下，代表执行器控制阀的总压降。从方程(4)可以看出，通过最大化可以实现双重好处：首先，执行器控制阀的压降减小；其次，也减小了。因此，通过泄压CCEV发送到储液罐的任何过量流量所浪费的能量也减少了。在非停留阶段，等式成立；将其代入(4)中可以看出，当机械负载具有驱动作用时（即对于），存在负的风险。更紧迫的风险是在填充室中产生吸力，其压力由于位置控制阀通道的压降而低于。更详细地说，假设和阀门通道对称，可以推导出以下方程：(5) (6) (7) 在方程(5)中，压力等于零，这与未加压的储液罐一致。然后要求，得到以下不等式：(8) (9) 对于情况，应用对称推理可以得到与(8)相同的结果；相反，在这种替代条件下得到的不等式类似于(9)。因此，为了考虑这两种情况，可以写出：(10) 可以很容易地看出，对于，(8)和(10)都是显然满足的，因此，无论和的值如何，亚大气压都不是风险。相反，对于，对(10)进行代数运算可以得到：(11) 为了避免填充室中的吸力，因此应该同时执行(11)和(8)。根据上述关系，和没有唯一解；相反，这两个量应该使用(4)、(8)和(11)正确地相互关联，并与机械负载相关联。如[36]中概念化的那样，正确定义压力设定点的策略涉及两个算法模块，这些模块通常有多种可能的实现方式：液压执行器负载估计器（HALE），它提供(或等效地提供)的估计值；以及液压效率优化器（HEO），它通过选择参考阀门开度来确定合适的供应压力设定点。为了确保对模型和负载不确定性的鲁棒性，执行器阀门的开度不是在开环中控制的；然而，由于跟踪，实际值可以预期与大致相似。本工作中提出的直接HEO实现将的绝对值定义为：(12) 在(12)中，A与设定点速度的绝对值之间的乘积提供了管线体积流量模量的有用估计。至关重要的是，正常数应该足够高，以确保显著的能源节省，同时仍然远离1，以为位置控制回路提供无饱和度的操作余量。考虑到活塞在静态情况下也是运动的，所提出的HEO实现定义的压力设定点是：(13) 其中是一个小的正常数，用于提高对负载和压力设定点跟踪不确定性的鲁棒性。为了完整性，包括静态情况，的符号由HEO算法定义为：(14) 如前所述，HALE模块也有几种可能的实现方式。在重复的工业循环中，或等效地可以从现有数据中估计；其他可能性是基于测量的在线估计或合适的参数化数学模型。在以下讨论中，假设机械负载表现为：(15) 其中是一个已知的外部负载，如果适当的话包括重力作用，m和分别是活塞的总质量和加速度，c是粘性摩擦系数。因此，在假设质量和摩擦参数已经确定的情况下，HALE估计器很简单：(16) 在不失一般性的情况下，这种简单的实现已用于以下部分中呈现的模拟。更完整的实现将包括在线或离线的质量、摩擦和外部负载识别策略，或者直接基于执行器腔室内压力测量的方法。在线算法的优点是可以适应非周期性条件；虽然它们的实现需要仔细评估计算成本，但依赖于直接压力测量的选择表明可以实现相对较低的复杂性和与实时要求的良好兼容性。通过位置控制回路可以保证对HALE模块输出的不准确性和压力跟踪误差的鲁棒性，这也是该架构的重要组成部分。特别是，如果与负载需求不匹配，位置控制回路将调整执行器阀门的开度，其值将偏离；为了减少这种调整的饱和可能性，可以增加的值并减小；这进一步提高了鲁棒性，但代价是降低了能源效率。3. 结果为了评估基于连续控制电液阀的压力调节的可行性，对实际工业案例进行了模拟；考虑的应用特别涉及执行以下操作的液压压力机：锻造；自冲铆接；热冲压。使用MathWorks Simscape进行了数值模拟，从而在比用于计算的更复杂的数值模型上测试了所提出的策略。特别是，考虑了在定义压力设定点期间被忽略的以下效应：执行器腔室内流体的可压缩性；控制阀的有限带宽；以及由于阀门压降引起的流体膨胀效应。管道效应被忽略了，但在有关工厂配置的更详细信息可用的情况下可以在模拟中考虑。执行器的位置和供应压力分别由比例-微分（PD）调节器和比例（P）调节器控制。控制器参数是根据每种情况的动态特性经验性地调整的，以避免过于激进的增益，这些增益倾向于在系统运动中引起振荡。报告的结果包括：已经描述的、、、和；实际位置x和设定点；流向执行器填充室的流量（在没有可压缩性效应的情况下与一致）和设定点；执行器CCEV和泄压CCEV的开启；输入的液压能量、通过执行器控制阀浪费的能量，以及通过泄压CCEV损失的能量。3.1. 锻造压力机应用案例所考虑的锻造应用案例涉及一台120吨的锻造压力机；相关的作业循环来自[45,46]，在图2中以锻造力（即作用在执行器上的外力）和上模位移的形式表示，上模由活塞直接驱动。图2. 锻造作业循环：作用在工件上的锻造力和上模位移。如图所示，作业循环由七个阶段组成：快速下降：上模迅速向待加工的坯料移动；减速：上模接近坯料；压制：锻造操作发生；卸载：锻造负载减小；快速返回：上模迅速返回到初始位置；缓慢返回：上模在接近初始位置时减速；等待：上模保持静止，等待下一个循环。液压回路的主要组件包括：用于运动控制的四通比例阀（Bosch-Rexroth 4WRLD35E11500，额定流量1500/）；用于压力控制的四通比例阀（Bosch-Rexroth 4WRLD35E11500，额定流量1500/）；双作用双杆液压执行器（Bosch-Rexroth CGH3MT4/320/220/1250，活塞直径320，杆直径220，行程1250）。两个控制阀的带宽是根据制造商的数据表估计的，并设置为5。模拟结果在图3、图4和图5中报告；图3显示了HALE和HEO模块的输出，即机械负载估计和参考供应压力。图3. 锻造应用案例：(a) 估计的机械负载力；(b) 参考供应压力。图4. 锻造应用案例：压力和运动控制；(a) 供应压力和供应流量设定点（，）和实际值（，）；(b) 位置和速度设定点（，）和实际值（x，）。图5. 锻造应用案例：控制阀开启和液压能量；(a) 执行器（）和压力（）控制阀的开启；(b) 输入（）和通过压力（）和执行器（）控制阀浪费的液压能量。机械负载的估计还包括重力、惯性作用和粘性作用；对于这个应用案例，它是根据方程(16)计算的，其中所有系统参数都被假定为已知。应该注意的是，如果的方向与执行器伸展的方向一致，即朝向待加工的工件，则的符号被认为是正的。图3b显示了根据方程(13)计算的参考供应压力，其表现出强烈的变化行为和高峰值。图4和图5报告了当分配了运动设定点和压力设定点时系统的实际行为。图4a显示，除了当减压CCEV阀达到其开启饱和状态时（如图5a所示），供应压力和供应流量的设定值被非常精确地跟随。如图4b所示，位置和速度设定值也被高精度地跟随，尽管速度响应中存在一些小的波动。例如，在大约7.5秒时，当负载达到其最大值时，就会发生这种波动，这可能是由于在仿真中考虑了流体的可压缩性。图5a描绘了执行器控制阀的开启情况，其中标签（1）-（7）表示不同的工作循环阶段；在此过程中没有发生饱和现象，当活塞移动时，它的工作状态与方程（12）中选择的值相对应。此外，考虑到减压CCEV阀的开启图，图5a还显示，在工作循环的第一阶段（“快速下降”），压力控制阀几乎处于关闭状态，因为只需要排放非常少量的流量，而执行器阀则接近于某个设定值以确保向执行器提供适当的流量。在第二阶段（“减速”），减压CCEV阀饱和，因为速度非常低，因此必须排放由泵单元产生的大量流量。在这一阶段，执行器控制阀的开启量很小，以确保能够正确跟踪低速参考值。在第三阶段（“加压”），由于执行器速度较低，执行器控制阀的开启量也较小，但减压CCEV阀几乎处于关闭状态，因为需要产生较高的工作力。在第四阶段（“卸载”），执行器处于静止状态，因此其控制阀的开启值为零；相反，减压CCEV阀饱和，因为整个泵的流量都必须通过它排放。在第五阶段（“快速返回”），执行器控制阀有负的开度以适当的速度反向运动，而减压CCEV阀的开度较小，因为执行器几乎需要所有的流量。在第六阶段（“缓慢返回”），执行器控制阀的开度明显减小，而减压CCEV阀的开度增大，以允许排放多余的流量。最后，在第七阶段（“等待”），所需的速度和力都为零，因此执行器控制阀关闭，减压CCEV阀完全打开以排放所有泵的流量。图5b显示了总液压输入能量（）以及通过执行器控制阀（）或减压CCEV阀（）浪费的能量（）的图表。该图表表明，能量（）占（）的很大一部分；这是因为在工作循环的相当大一部分时间内，执行器所需的流量非常低或为零；这导致泵的流量全部或几乎全部通过减压CCEV阀排放。此外，实际供应压力始终高于大气压力，即减压CCEV阀上的压力降永远不会为零。另外，在“加压”阶段，当执行器流量非常低时，供应压力必须同时达到较高值；这导致由于在高压力降下排放大量流量而产生较高的能量浪费。

3.2 自冲铆接应用案例
自冲铆接是一种用于连接金属板材堆叠的过程；铆钉在冲头的驱动下穿透顶层板材，扩展到底层板材并将其夹紧在一起，从而形成接头[47,48]。该工艺广泛应用于汽车行业，包括不同的阶段；整个工作循环如图6所示，图6同时展示了冲头的位移和作用在铆钉上的载荷力。值得注意的是，铆接过程的载荷力和循环时间比之前分析的应用案例低两个数量级。铆接过程的不同阶段包括：
图6. 铆接工作循环：冲头位移和作用在铆钉上的力。
接近：冲头以高速度接近铆钉，并在接触之前减速；
穿透：冲头与铆钉接触，载荷力开始增加；在此阶段，冲头速度也增加；
扩展：冲头速度减小并在该阶段保持恒定，而载荷力则近似线性增加，直到达到铆钉夹紧的最大值；
返回：在此阶段，冲头以高速度返回到初始位置；载荷力为零；
等待：系统等待下一个工作循环。
由于在这种情况下的力显著低于锻造工作循环的力，因此用于进行仿真的液压回路的主要组件也相应地进行了缩小；这些组件包括：
- 一个用于运动控制的四通伺服阀（Bosch-Rexroth 4WS2EM62X15系列，15 / 标称流量）；
- 一个用于压力控制的四通伺服阀（Bosch-Rexroth 4WS2EM62X20系列 20 / 标称流量）；
- 一个液压执行器（Bosch-Rexroth CGH2MT4/80/50/100，双作用双杆缸，活塞直径80毫米，杆直径50毫米，行程100毫米）。
两个伺服阀的带宽设置为100，与制造商的数据一致。图7、图8和图9展示了仿真结果；图7特别显示了机械载荷估计值和参考供应压力的图表，即HALE和HEO模块的输出。对于铆接应用案例，机械载荷估计值还包括重量、惯性和粘性力，并根据方程（16）进行评估，假设所有系统参数都是已知的。如果力朝向要铆接的部件，则认为其为正值。图7b显示了参考供应压力的变化情况，其变化反映了所需速度和估计载荷力（或等效地所需流量和供应压力）的变化。这些量根据方程（13）有助于定义参考供应压力；例如，在某个范围内，参考供应压力再现了估计载荷力的行为，而在工作循环开始时和结束期间，其形状与速度图非常相似。图8显示了供应压力、流向执行器的流量、活塞位置和速度的仿真结果。特别是图8a展示了供应压力和供应流量的设定值和实际值；图表的比较显示设定值和实际值之间有很好的匹配。在需要非常小值的时间范围内，例如在大约7.5秒时，实际压力会更高，因为减压伺服阀达到饱和状态，即其最大开度，在这种情况下压力降超过了设定值。关于供应流量，在0.6秒到0.8秒之间存在较小的误差；这种行为可能是由于执行器伺服阀的开度逐渐增加，以及减压伺服阀的开度相应减小，如图9a所示，其中标签（1）-（5）表示不同的工作循环阶段；这种行为可以归因于控制系统的性能。图8b展示了活塞位置和速度；设定值和实际值之间的比较在这种情况下也有很好的对应关系。在0.6秒到0.8秒之间，速度的差异较小；这种匹配行为可以归因于控制系统的性能。这种速度误差在任何情况下都不会影响铆接过程，因为它发生在返回阶段。图9a展示了伺服阀的无量纲开度；特别是，在速度非常小的时间范围内，执行器伺服阀的开度约为0.75，这对应于方程（12）中用于计算供应压力设定值的值。关于减压伺服阀的开度，当执行器速度非常低时，它会饱和；由于负载流量也较低，因此需要通过减压伺服阀排放的泵流量较大。这种情况既发生在第一阶段（“接近”）的开始和结束，也发生在中间阶段。在第三阶段（“扩展”），活塞速度保持恒定，而供应压力设定值增加，导致执行器伺服阀开度增加，减压伺服阀开度减小。在第四阶段（“返回”），阀的开度突然变化，这与供应压力设定值和活塞速度的增加同时发生，大约在0.35秒时。在第五阶段（“加压”），活塞速度保持恒定，而设定供应压力增加，导致伺服阀开度增加。在第六阶段（“卸载”），执行器速度较低，因此执行器伺服阀的开度减小，而减压伺服阀的开度增加；一方面是因为速度增加，从而负载流量增加；另一方面是因为供应压力设定值增加。实际上，执行器伺服阀的大开度保证了活塞速度，而减压伺服阀的小开度允许所需的供应压力并限制了排放的流量。第五阶段是等待阶段，此时减压伺服阀饱和，执行器伺服阀关闭，因为活塞保持静止，整个泵的流量都通过减压伺服阀排放。最后，图9b展示了总液压输入能量（）以及通过执行器伺服阀（）和减压伺服阀（）浪费的能量（）的图表。在这种情况下，能量（）占（）的很大一部分；与之前的案例不同，通过执行器伺服阀浪费的能量也相当大。这是因为在工作循环的大部分时间内，活塞都在运动。

3.3 热冲压应用案例
热冲压是一种广泛应用于汽车、航空航天和工业设备制造领域的成形技术。整个成形过程由不同的主要顺序步骤组成[49]，这些步骤可以根据特定模具的形状来成形金属板材。图10展示了冲压工作循环；值得注意的是，这种应用案例的特点是峰值力显著高于之前分析的案例，并且必须持续较长时间，大约为30秒。图10. 热冲压工作循环：上模位移和作用在工件上的热冲压力。工作周期由六个阶段组成：

1. **加载**：模具完全打开，同时未成形的金属板被装载到模具中。
2. **成形**：在此阶段，冲头迅速接近金属板；一旦接触，成形操作就开始进行。
3. **淬火**：保持力在最大值不变，模具保持关闭状态；在此阶段，成形部件被硬化。
4. **等待**：模具保持关闭状态，几乎不施加任何力；压力机等待卸载操作开始。
5. **快速返回**：冲头迅速回到初始位置，模具打开。
6. **卸载**：在此阶段，压力机完全打开，等待取出成形部件。

由于工作周期的特点，用于仿真的液压组件的尺寸比用于铆接和锻造应用的组件要大。这些组件包括：
- 一个用于运动控制的四通比例阀（Bosch-Rexroth 4WRLE35，额定流量为1500升/分钟）；
- 一个用于压力控制的四通比例阀（Bosch-Rexroth 4WRLE35，额定流量为1500升/分钟）；
- 三个并联工作的双作用双杆液压执行器（Bosch Rexroth CGH3MT4/320/220/750，活塞直径320毫米，杆直径220毫米，行程750毫米）。

由于这些组件的尺寸较大，两个控制阀的带宽估计为7赫兹。仿真结果如图11、图12和图13所示。HALE模块提供的估计机械负载力在图11a中表示。对于这个应用案例，该力是根据公式（16）计算的，假设负载条件完全已知。因此，图形的形状是由外部力、惯性和粘性力的贡献共同作用的结果；同样，如果力的方向朝向要成形的部件，则力的符号为正。HEO模块提供的供给压力设定值在图11b中显示。

**热冲压应用案例：**
- （a）估计的机械负载力；
- （b）参考供给压力。

**图12. 热冲压应用案例：压力和运动控制**
- （a）供给压力和供给流量设定值（, ）以及实际值（, ）；
- （b）位置和速度设定值（, ）以及实际值（x, ）。

**图13. 热冲压应用案例：控制阀开度和液压能量**
- （a）执行器控制阀（）和溢流比例阀（）的开度；
- （b）输入（）以及通过压力（）和执行器（）控制阀的浪费的液压能量。

通过公式（13）计算得出，可以清楚地看到负载压力和流量的贡献。这也可以通过与图11a和图12b的比较来观察到。从HALE和HEO模块的输出以及所需的活塞运动出发，仿真得出了图12a和图12b所示的结果。两幅图都显示，供给压力和供给流量的设定值被高精度地跟随；例外情况出现在工作周期开始和结束时的供给压力阶段，此时活塞速度为零，导致整个泵的输出通过溢流比例阀排出。此外，由于估计的负载力也为零，压力设定值等于大气压力；因此，压力控制系统会完全打开溢流比例阀（见图13a，其中标签（1）–（6）表示不同的工作周期阶段）以满足这些条件。然而，当达到饱和状态时，由于完全打开的阀门不可避免地会产生压力损失，供给压力不会跟随设定值。相反，当活塞开始移动时，图12a显示供给压力下降，因为流向执行器的流量增加，因此需要排出的泵流量减少；这种情况在大约11秒和42秒时短暂发生。

**图13a中比例阀开度的分析**可以进一步说明这一点。每当活塞速度为零时，执行器控制阀保持关闭，以防止向执行器本身供应流量。相反，当活塞移动时，阀门在某个值（对应于公式（12）中的值）时打开。关于溢流比例阀，当整个泵流量需要排出时，它会饱和，因为活塞处于静止状态且供给压力设定值等于大气压力。在大约11秒和42秒时，由于活塞开始移动，需要流量，因此溢流比例阀的开度减小；同时供给压力设定值增加。在11秒时，由于工作力和惯性力的作用，供给压力增加；而在42秒时，增加仅由惯性作用引起。

**讨论**：
在本节中，讨论了仿真结果，特别指出了与传统CFCP方法相比所实现的能量节省。根据这种传统方法，液压电源是不可调节的：供给压力和泵流量是固定的。对于每个应用案例，选择的固定泵流量和恒定供给压力略高于最大工作周期的要求。它们的值分别为：
- **锻造**：泵流量 = 1150升/分钟，供给压力 = [单位未提供]巴，相应的液压输入能量 = 10,350千焦/周期；
- **自冲铆接**：泵流量 = 15.95升/分钟，供给压力 = [单位未提供]巴，相应的液压输入能量 = 18.37千焦/周期；
- **热冲压**：泵流量 = 4545.2升/分钟，供给压力 = [单位未提供]巴，相应的液压输入能量 = 124.99兆焦/周期。

恒定的流量供给压力导致CFCP架构所需的能量输入远高于所提出方法；由于输入能量的过剩，其他条件相同的情况下，预计位置控制会更加有效。为了比较传统方法和新的提出方法，采用的指标涉及能耗和运动控制性能。通过计算百分比来评估节能效果。表1的前四行总结了不同应用案例的循环时间、输入能量和相关的能量节省情况。表格显示每种应用案例都实现了显著的能量节省，最大节省率为87.7%。表1的第五行突出了每年通过采用所提出的节能方法可以在之前按照CFCP架构配置的工厂中避免的排放量。这个估计基于每年250个工作日，每天两个八小时班次。为了将能量转换为等效的质量，假设了一个排放因子[单位未提供]；该值来自2025年意大利环境保护与研究机构（ISPRA）的报告[50]，指的是2024年欧盟国家总电力生产相关的排放平均值。

**表1. 结果总结**：
- 表1的第6至9行报告了使用所提出的方法或传统CFCP架构获得的RMS误差和峰值误差——以总活塞位移的百分比表示。在这方面，CFCP配置获得了更好的结果，尽管在所有情况下RMS误差都没有超过0.3%，峰值误差保持在0.8%以下。如前所述，通过减小参数[单位未提供]，这种性能差距可以在相对意义上减小；在绝对意义上，更好的调谐或运动控制系统架构的改进可以带来更好的结果。

**图14**总结了CFCP架构与所提出架构之间的能量比较。CFCP的能耗作为分母；每个直方图中的第一个条形表示参考值[单位未提供]；第二个条形表示采用所提出架构时消耗的总能量；第三和第四个条形表示通过溢流CCEV（）和执行器控制阀（）损失的能量。第五个条形以相对值表示机械负载直接使用的能量[单位未提供]。如前所述，与CFCP配置相比，实现了显著的能量节省；对于锻造和热冲压案例，剩余的能量损失主要发生在压力控制阀上；而在自冲铆接过程中，损失几乎平均分配在两个阀门上。这种定性差异是由于在铆接工作周期中，活塞几乎始终在运动，而其他两个周期则显示长时间的停留阶段和缓慢的运动。

**结论**：
本文提出了一种基于通过连续控制电液阀控制供给压力的液压执行器管理策略。通过这种方式控制电源可以显著节省能量；此外，所提出的技术可以轻松应用于目前依赖于传统且更耗能的架构的现有工厂；实际上，所需的少量修改影响最小，主要涉及在泵下游和朝向储液器的位置添加一个CCEV。

尽管概念简单，但任何实际的电路修改都必须解决额外的实际问题，特别是与现有工厂配置相关的问题。这些问题包括全面选择满足所需带宽的阀门，并且通常适合特定操作条件，确定新安装设备的最佳物理位置，以及将压力调节回路与现有的控制硬件和软件有效集成。

通过热冲压、自冲铆接和锻造等实际案例研究的仿真展示了这种解决方案的优势。这三个应用涵盖了广泛的力范围；这证明了所提出方法对于不同类型的工作周期的有效性。在能耗方面，仿真结果与使用传统恒定流量恒定压力架构获得的结果进行了比较；比较显示，使用CCEV进行供给压力控制可以实现显著的能量节省。因此，使用连续控制电液阀管理供给压力是一种非常有效的解决方案，可以在液压驱动系统中实现显著的能量节省。作为未来的工作，作者正在建立一个专用测试台，以实验性地研究所提出架构的动态性能，以控制液压电源并验证新的管理和控制策略。