液壓混合動力挖掘機能量再生控制研究

于安才，姜繼海

(1.哈爾濱工業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.浙江大學 流體傳動及控制國家重點實驗室，浙江 杭州310027)

近年來，隨著世界范圍內工業技術的發展，能源短缺和環境污染問題日趨嚴重.挖掘機耗油高、排放差，其節能和減排問題不容忽視.節能研究有助于降低系統的發熱，提高系統設備的可靠性和工作壽命，降低系統的裝機功率，從而在一定程度上節約設備的制造和維護成本［1-2］.根據儲能裝置的不同，混合動力分為電動混合動力方式和液壓混合動力方式.電動混合動力采用蓄電池、超級電容及燃料電池作為能量存儲單元;液壓混合動力采用液壓蓄能器來存儲能量［3-4］.近年來，液壓混合動力技術在汽車領域受到了廣泛地關注，美國EPA、伊頓公司及德國的力士樂公司都對液壓混合動力車輛進行了深入的研究.鑒于其在動力性能和燃油經濟性方面的優越表現，工程機械領域也逐漸引入液壓混合動力技術.目前國內對液壓混合動力工程機械的研究較少［5-8］.

本文將液壓混合動力系統以并聯方式配置到挖掘機中，平均發動機的輸出轉矩，保證發動機工作于最佳燃油工作點或工作區，再生動臂及回轉裝置的慣性能以提高挖掘機的作業效率.根據挖掘機作業特點，合理選擇關鍵元件的設計參數.針對回收能量的不同，設計液壓泵/馬達轉矩控制方式和轉速控制方式，采用智能PID控制方法有效抑制液壓系統的參數攝動和系統不確定性，提高整機的控制性能.

1 液壓混合動力挖掘機配置方式

挖掘機典型作業工況包括:挖掘、鏟斗提升并旋轉90度、放鏟并返回起始位置.典型作業工況下，發動機的輸出轉矩變化如圖1［9］所示.可見發動機的輸出轉矩波動大，并且具有周期特點，因此采用并聯式的方式可平均發動機的輸出轉矩，可有效地降低發動機的油耗，降低尾氣排放.同樣，回轉裝置及動臂往復運動頻繁，可回收能量多.

圖1 發動機輸出轉矩Fig.1 The output of engine torque

液壓混合動力挖掘機(見圖2)由發動機、變量泵、定量馬達、液壓泵/馬達、液壓蓄能器、減速器、減壓閥等構成.發動機驅動變量泵為其他執行機構提供油源，液壓泵/馬達通過變量泵以并聯方式配置在發動機一側，通過回轉液壓泵/馬達和減速機來驅動回轉裝置.液壓蓄能器置于液壓泵/馬達、回轉液壓泵/馬達及液壓變量泵之間，吸收發動機多余功率、回轉裝置的慣性能和動臂處的重物勢能.通過減壓閥為液壓泵/馬達的變量機構(變量油缸和電液伺服閥)提供穩定的控制油源.動臂下降時，換向閥2開通，控制器調整液壓變量泵排量控制動臂下降速度，同時將重物勢能轉化為液壓能存儲于蓄能器中;回轉時，并聯在發動機一側的液壓泵馬達工作于泵工況，為回轉裝置提供穩定的動力油源，工作于泵工況，在安全制動回轉裝置的同時，將回轉慣性能轉換為液壓能存儲于液壓蓄能器中;非通過控制回轉驅動液壓泵/馬達的排量來適應駕駛員對回轉速度的要求及負荷的變化;回轉制動時，換向閥1關閉，換向閥2開通，驅動液壓泵/馬達工作于回轉工況時，并聯在發動機一側的液壓泵/馬達根據整機的負荷情況，吸收和補償發動機的輸出功率與負荷功率的差值，達到負荷平均化的目的，保證發動機工作于最佳燃油工作點或工作區.

圖2 并聯式液壓混合動力挖掘機原理Fig.2 Schematic diagram of parallel hydraulic hybrid excavator

泵/馬達排量按原回轉馬達的排量選擇，液壓蓄能器的容積設定應以系統單次循環可回收的最大能量為準:

式中:E為可回收的總能量，p1為液壓蓄能器最低工作壓力，V1為液壓蓄能器內氣體在最低壓力下的體積，n為氣體的多變過程指數，V為蓄能器容積，ωh為制動前回轉裝置最高轉速，Jh為轉動慣量.mb為工作裝置總質量，Y為重心變化高度，Ef為發動機多余能量.

2 能量回收控制方式

并聯式液壓混合動力挖掘機的能量回收裝置包括:主泵一側的液壓泵/馬達、回轉裝置液壓泵/馬達和動臂油缸處的液壓變量泵.由于能量回收裝置回收的能量及連接方式的不同，其能量控制方式也各異.

2.1 驅動液壓泵/馬達轉矩控制

液壓泵/馬達通過主泵與發動機連接，其轉速與發動機轉速相同，因此采用轉矩控制方式.中央控制器根據手柄的幅度、速度以及加速度計算系統所需轉矩，發動機輸出轉矩恒定，兩者的差值為液壓泵/馬達的目標輸出轉矩 Tp/m.Tp/m為正值，液壓泵/馬達提供輔助轉矩;Tp/m為負值，液壓泵/馬達吸收發動機多余轉矩.液壓泵/馬達的轉矩由系統壓力和斜盤傾角決定.在恒壓系統中，由于壓力恒定，因此，液壓泵/馬達的斜盤擺角與轉矩是線性關系，所以可以利用斜盤擺角來實現轉矩控制.液壓泵/馬達的高動態響應可以實現轉矩的開環控制，但由于受到粘性摩擦轉矩、壓力波動等因素的影響，其開環控制須修正.在非恒壓系統中，壓力變化明顯，開環控制不能滿足轉矩控制要求.因此可利用變量油缸處位移傳感器的位移信號近似計算斜盤傾角，通過與系統壓力傳感器處的壓力信號相乘，得出液壓泵/馬達的輸出轉矩，通過實際轉矩值與期望轉矩值的偏差來控制變量機構，進而控制泵/馬達輸出轉矩.液壓泵/馬達轉矩控制原理如圖3所示.

圖3 液壓泵/馬達轉矩控制原理Fig.3 Schematic diagram of hydraulic pump/motor torque control

2.2 回轉液壓泵/馬達轉速控制

在驅動和制動過程中，中央控制器根據回轉驅動手柄的幅度、速度以及加速度計算轉速，對回轉液壓泵/馬達進行轉速控制，直接控制回轉速度.控制系統通過實際轉速信號與期望的轉速信號的偏差信號來控制伺服閥、變量油缸動作，改變液壓泵/馬達排量，直到轉速等于期望值.控制器的輸出應當近似地與液壓轉矩和負載轉矩的差值成比例.變量控制油缸和伺服閥組成的系統具有典型的積分環節和延遲環節.通過斜盤擺角(控制油缸活塞位移)的反饋所形成的內部閉環控制系統，可以將系統的積分特性轉變為比例延遲特性，從而改善轉速控制系統的穩定性和動態特性.

針對液壓挖掘機回轉裝置的非線性和不確定性等因素，對液壓泵/馬達采用智能PID控制方法進行分段變結構控制，從而達到理想的控制效果.

基本思想是通過設置最大誤差閾值em1及最小誤差閾值 em2將系統偏差 e(k )分為大、中、小3 檔［10］.

規則1若 e(k) ＞ em1，則 u(k)= ± umax，說明偏差過大，相應的控制量應最大.

規則2若e(k)·△e(k)＞0或△e(k)=0，e(k)≠0說明誤差朝絕對值增大方向變化或誤差為某常值.

當em1＞ e(k) ＞em2，說明誤差也較大，可考慮由控制器實施較強的控制作用，以達到扭轉誤差絕對值朝小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值.

當e(k )＜em2，說明盡管誤差朝絕對值增大的方向變化，但誤差絕對值本身并不是很大，可考慮控制器實施一般的控制作用，扭轉誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，則

規則3若e(k)·△e(k)＜0說明輸出正趨近給定值或者已達到平衡狀態，可考慮控制器減少控制量或控制器輸出不變.

其中:umax為最大控制量，M、N為可調系數.0＜N＜1，M ＞ 1;k0、k1、k2為系數，k0=kp+ki+kd，k1=(kp+2kd)，k2=kd，kp、ki、kd分別為比例系數、積分系數和微分系數.顯然智能PID算法在本質上是非線性的，規則1、4使系統具有快速性和穩定性，規則2、3則使PID調節具有變參數調節的自適應特性.

3 仿真研究

以圖2所描述的液壓混合動力挖掘機為仿真對象，研究該系統控制方式的有效性.回轉系統的狀態方程［11］為

為了比較PID和智能PID控制，以圖1所描述系統為仿真對象，分別采用PID控制方法和智能PID控制方法對其進行了仿真研究，其仿真結果見圖5.從圖中可以看出采用智能PID控制顯著地提高了系統的響應速度，降低了超調量，縮短了穩定時間，從而改善了系統的控制性能.

圖4 簡化后系統傳遞函數方框圖Fig.4 Transfer function diagram of the system

圖5 液驅混合動力系統的速度控制性能曲線Fig.5 Speed control curves of the hydraulic hybrid system

4 試驗研究

比較2種不同的控制算法對于系統節能效果的影響［12］，搭建了液壓混合動力挖掘機模擬試驗臺，根據相似原理，模擬挖掘機回轉裝置進行制動動能回收轉速控制試驗研究.圖6是驅動液壓泵/馬達主動吸收發動機多余能量的轉矩控制試驗曲線，圖7是單閉環PID轉速控制下空斗回轉機構制動試驗曲線，圖8是采用雙閉環智能PID轉速控制下空斗回轉裝置制動試驗曲線，滿斗工況下，不同控制方法下回轉制動的節能效果對比如圖9所示.

圖6 轉矩控制主動充壓試驗曲線Fig.6 Active filling pressure test curve of torque control

圖7 空斗單閉環PID轉速控制Fig.7 Signal-loop em pty bucket PID speed control

圖8 空斗雙閉環PID轉速控制Fig.8 Dual loop empty bucket PID speed control

圖9 不同控制方法對滿斗回轉制動性能的影響Fig.9 The effect of different control methods on the full bucket rotary braking performance

液壓泵/馬達的轉矩由系統壓力和斜盤傾角決定.壓力變化小時，采用開環控制+轉矩補償的方式即可滿足控制要求.但由于液壓混合動力系統壓力幅度大，必須進行閉環控制，采用雙閉環PID轉矩控制方式，液壓泵/馬達的響應速度快，控制精度高，可有效地吸收發動機的多余能量，為其他作業工況提供輔助能量.

由模擬試驗結果可知:采用單閉環PID轉速控制，系統響應稍慢，制動過程持續時間長，制動能回收率低(空斗28.64%，滿斗53.27%);采用雙閉環智能PID轉速控制，系統響應快，制動平穩，制動過程持續時間短，制動能回收率高(空斗41.03%，滿斗60.93%).

5 結束語

將液壓混合動力技術以并聯方式引入挖掘機的系統中，使整車結構緊湊，提高挖掘機的驅動和制動性能.利用液壓泵/馬達可工作于四象限的特點，主動吸收發動機的多余能量來平均發動機功率，保證發動機工作于最佳燃油工作點或工作區，回收和再利用挖掘機動臂及回轉裝置的慣性能，從而減少發熱量提高挖掘機的作業效率.針對混合動力系統的參數攝動和不確定性，采用智能PID控制理論設計了系統的控制器.仿真及模擬試驗結果表明，與發動機并聯的驅動液壓泵/馬達轉矩控制可有效平均發動機多余能量，為其他作業工況提供輔助能量，回轉液壓泵/馬達轉速控制可高效回收回轉裝置制動動能.液壓混合動力挖掘機具有傳統挖掘機的動力性能，系統響應快，在實現能量高效回收的同時，提高了挖掘機的操控性能.

［1］張彥廷，王慶豐，肖清.混合動力液壓挖掘機液壓馬達能量回收的仿真及試驗［J］.機械工程學報，2007，438:218-223.ZHANG Yanting，WANG Qingfeng，XIAO Qing.Simulation and experimental research on energy regeneration with hydraulic motor for hybrid drive excavator［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，438:218-223.

［2］王慶豐，張彥廷，肖清.混合動力工程機械節能效果評價及液壓系統節能的仿真研究［J］.機械工程學報，2005，41(12):135-139.WANG Qingfeng，ZHANG Yanting，XIAO Qing.Evaluation for energy saving effect and simulation research on energy saving of hydraulic system in hybrid construction machinery［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2005，41(12):135-139.

［3］魏英俊.新型液壓驅動混合動力運動型多用途車的研究［J］.中國機械工程，2006，17(15):1645-1648.WEIYingjun.Study on a new type of hydraulic sport utility vehicle［J］.China Mechanical Engineering，2006，17(15):1645-1648.

［4］KEPNERRP.Hydraulic power assist—a demonstration of hydraulic hybrid vehicle regenerative braking in a road vehicle application［C］.International Truck and Bus Meeting，Chicago，USA，2002.

［5］YU Ancai，JIANG Jihai.Research on the regenerative braking control strategy for secondary regulation hydrostatic transmission excavators［C］//IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.Changchun，China，2009.

［6］夏禾，張楠.車輛與結構動力相互作用［M］.北京:科學出版社，2005:337-338.

［7］姜繼海，于安才，沈偉.基于CPR網絡的全液壓混合動力挖掘機［J］.液壓與氣動，2010，9:44-48.JIANG Jihai，YU Ancai，SHENWei.The review of full hydraulic hybrid excavator based on common pressure rail network［J］.Hydraulic and Pneumatic，2010，9:44-48.

［8］SUN Hui.Multi-objective optimization for hydraulic hybrid vehicle based on adaptive simulated annealing genetic algorithm［J］.Engineering Applications of Artificial Intelligence，2010，23(1):23-27.

［9］HE Qinghua，HAO Peng.Study on load identification and power matchine of excavator［C］//International Conference on Advances in Construction Machinery and Vechicle Engineering，Shanghai，China，2007.

［10］姜繼海，韓永剛，王德海.二次調節靜液驅動系統的智能PID控制［J］.哈爾濱工業大學學報，1998，2:36-38.JIANG Jihai，HAN Yonggang，WANG Dehai.The intelligent PID control in hydrostatic drive system with secondary regulation［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，1998，2:36-38.

［11］BORGHESANI C，CHAIT Y，YANIV O.Quantitative feedback theory toolbox user manual［M］.New York:The Math Works Inc，1994.

［12］TANNURIEA，PESCECP.Comparing two different control algorithms applied to dynamic positioning of a pipeline launching barge［C］//Proceedings of the 10th Mediterranean Conference on Control and Automation.Lisbon，Portugal，2002.