最优控制理论在液压站节能上的研究与应用

    摘 要 4300 mm 宽厚板中液压站按照原始设计的泵体数量与实际产量下需要的压力和流量
存在优化的空间，根据最优控制理论，分别在检修期间和生产期间使用一键式节能模式和
主泵优化控制，对液压站节能具有非常重要的意义。在

18 台套液压站的基础上，优化后的

方案相比原始设计节约电能

349.72 万 kWh，减少电费支出 248.3 万元。 

　　关键词

 最优控制理论；液压站；改造方案 

　　

4300 mm 宽厚板生产线原始设计年产量 180 万吨，但是由于钢铁经济形势不景气，为

了降本增效，节约环保，现在在年产量

40 万吨的基础上进行优化控制，本文将在液压站的

冗余式设置上深挖潜增效益，利用最优控制理论和鲁棒特性对系统进行分析和研究，查找
出泵体的短时停机和生产两种状态下的主泵的最佳数量，从而得以将液压站的耗能在保证
设备稳定性和安全性的基础上，最大化的减少耗能降低成本。

 

　　

1 概论 

　　宽厚板生产线液压站共有近

20 余套，总装机容量 12171 kW，运行容量 8611 kW。在

“三待”期间，往往因工艺需要不停主泵，而经过观察，仅使用 1 台主泵即可满足现场使用
的压力要求，但是经常是工作中的主泵全部在运转，导致多余的油泵在空转，使电能白白
浪费，由于

“三待”的时间，短至 1 h，长的可达 10 h，每小时消耗电能达 86110 kWh，如果

每年的

“三待”时间超过 300 h，则会导致 2583300 kWh 的电能浪费。 

　　另外经过观察，液压站的运行主泵数量相对于当前的生产节奏具备被优化的空间。

 

　　

2 最优控制理论 

　　最优控制理论，是现代控制理论的一个主要分支，着重于研究使控制系统的性能指标
实现最优化的基本条件和综合方法。

 

　　基于梯度的优化算法是目前常用的确定阀流量的方法，其中目标函数对于控制变量的
梯度的求取主要采用摄动法和伴随法。摄动法执行简单且精度高，但计算成本随控制变量数
量（泵体数与最佳流量）增大而迅速增加，从而限制其在实际中的应用。根据改进的伴随算
法，避免了计算伴随方程的系数矩阵。应用伴随法可以高效地计算目标函数对于控制变量的
梯度。利用摄动法计算的梯度值来验证伴随法梯度计算的正确性。

 

　　根据最优控制理论，结合液压站功能，得出在两种情况下的泵体数量，并进行验证。

 

　　

3 主要改造方案和技术要点 

　　宽厚板液压系统采用的主泵为恒压变量泵，根据

“液压系统压力由负载决定，而由恒压

泵加于限定

”的基本原则，即在开始阶段要求低压快速前进，而后转为慢速靠近，最后停止

不动并保压，恒压变量泵是在达到泵平身的设定压力后才开始变量，此时流量下降成陡线
下降

.恒功率变量泵是几乎全压力阶段都在变量，基本保证输出的功率恒定在一定范围内，

但是在泵设定的功率范围内，压力上升，流量是全流量输出，当超过这个压力，流量开始
下降，以保证输出功率恒定。恒压变量泵的压力流量曲线如图

1。 

　　

3.1 方案设计 

　　根据液压系统的液压锁，及停电保持零位原则，所实施的液压站一键式改造项目满足
现场设备及人员的安全要素。以双边剪液压站说明选取主泵数量的设计原则。

 

　　一旦一键式节能后，只留一台泵运行。在这期间，设备所有动作停止，液压缸也处于停
止运动状态。所有控制阀阀芯处于停止时的位置，以保持液压缸此时的停止状态。此时，阀
台以后的管路到液压缸内的液压油一直保持在内，既不进油也不回油。保留一台泵运行的目
的是为了补充所有阀台中有内泄功能要求的控制阀能保持在静止状态的性能要求。而控制阀
的内泄流量都非常小，一台泵完全能够满足。另外，液压站每台泵的压力都为

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