輪式挖掘機行駛速度智能控制的研究

王志偉，馬文宇，趙明輝，孫金泉，蔡登勝

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

輪式挖掘機行駛速度智能控制的研究

王志偉，馬文宇，趙明輝，孫金泉，蔡登勝

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

針對油門踏板在輪式挖掘機上的應用，提出了一套可靠的輪式挖掘機行駛速度的控制方案，詳細介紹了油門踏板信號的采集及其對行走比例閥電流的控制策略。試驗證明本方案及控制策略能滿足輪式挖掘機在實際工作中的應用。

輪式挖掘機；行駛速度；控制策略；油門踏板；PID

在輪式挖掘機上，油門踏板作為一個核心部件參與整車行駛速度的控制，油門踏板踩下量越大則行駛速度越快。本文詳細介紹了輪式挖掘機行駛速度的控制方案、油門踏板信號的采集、油門踏板信號對比例閥電流的控制策略及實際控制效果的分析。

1 整車行駛速度控制方案

本方案采用的油門踏板為雙電位器型，其特性如下圖所示，油門踏板信號1與油門踏板信號2兩路電位器輸出電壓在每個位置都不相同，但是兩者各自的斜率卻是基本固定，油門踏板信號2的電壓是油門踏板信號1的一半，因此可根據(jù)其差值來判斷油門踏板輸出電壓是否正確。這種雙電位器設計有效提高了油門踏板的可靠性，因為如果其中一路油門踏板信號發(fā)生故障，另一路油門踏板信號可接替從而保證油門踏板正常工作[1]。

圖1 油門踏板特性

在液壓系統(tǒng)上，輪式挖掘機行駛速度的大小通過比例閥來控制主控閥的流量，從而控制行駛速度。在同樣的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，給比例閥的電流越大，則比例閥產(chǎn)生的壓力越大，推動主控閥閥桿的力越大，主控閥開口越大，則流量越大，整車車速越快。本方案選擇的比例閥特性如圖2所示：比例閥的死區(qū)電流約為250mA，在250～400mA之間比例閥產(chǎn)生的壓力值慢速增加，400mA以上時比例閥產(chǎn)生的壓力值能較快增加，此特性為整車的平緩啟動及停車提供了保障。

圖2 比例閥特性

控制方案如圖3，控制器采集油門踏板的電壓信號將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，對數(shù)字量進行濾波處理后再將其值通過差值計算轉(zhuǎn)化為目標電流值，通過PID控制器調(diào)節(jié)比例閥電流值來控制比例閥的出口壓力，從而控制主控閥的流量，達到控制輪式挖掘機行駛速度的目的[2]。

圖3 控制方案

2 油門踏板信號的采集

由控制方案可知，油門踏板的信號是控制輪式挖掘機行駛的基礎，所以對于油門踏板信號的采集是至關重要的。如果不能有效濾除其他噪音對油門踏板信號的干擾，則整車速度的控制會受到影響。所以針對油門踏板信號的采集使用了如下兩種濾波技術(shù)。

2.1 算術(shù)均值濾波

算術(shù)均值濾波是指將采樣得到的一組數(shù)據(jù)求和后除以樣本數(shù)。其中加權(quán)均值濾波指在求和之前對采樣數(shù)組中的每一個值賦予權(quán)重系數(shù)αi，加權(quán)均值濾波計算公式為

對于算術(shù)均值濾波，上式中的αi取1。算術(shù)均值濾波不能有效排除干擾，而是將干擾分散，使采集得到的數(shù)據(jù)變化變得平滑。

2.2 中位值濾波

中位值濾波指將一組數(shù)據(jù)隊列的中位值作為濾波結(jié)果輸出值的濾波方法[3]。其算法如下：對連續(xù)采樣采集到的一組數(shù)據(jù)x1,x2,…，xn,按照從大到小（或者從小到大）的次序進行排列，排列后的數(shù)據(jù)依次為y1,y2,…，yn。若樣本個數(shù)m為奇數(shù)，則中位值濾波結(jié)果為

若樣本個數(shù)m為偶數(shù)，則中位值濾波結(jié)果為

中位值濾波能去掉采樣數(shù)值中的極大值和極小值，對整車上的偶發(fā)干擾具有良好的濾波效果，從而保證油門踏板信號的真實、穩(wěn)定、可靠。

3 比例閥電流的控制策略

對于比例閥電流的控制采用限幅增量式PID進行控制，其算法如式（1）

式中，Δ表示增量；ek表示第k次油門踏板信號采樣值對應的目標電流值；ek-1表示第k-1次油門踏板信號采樣值對應的目標電流值；ek-2表示第k-2次油門踏板信號采樣值對應的目標電流值；Kp表示比例項系數(shù)，本系統(tǒng)取2.2；Ki表示積分項系數(shù)，本系統(tǒng)取0.1；Kd表示微分項系數(shù)，本系統(tǒng)取-0.7；φ表示限幅量，本系統(tǒng)取200。

采用增量式PID控制能夠提高比例閥電流的穩(wěn)定時間，但是會使得電流上升或者下降過于快速，引起主控閥的流量產(chǎn)生急劇變化，導致輪式挖掘機在行駛過程中產(chǎn)生“卡頓”，嚴重影響操作感受及整車壽命。為了避免這種現(xiàn)象，需要對經(jīng)過PID運算得出來的增量Δ進行限幅，保證增量Δ在合理的區(qū)間內(nèi)，從而保證整車行駛的平順性。

另外，對于輪式挖掘機的行駛要求踩下油門踏板后，整車能立即動起來，松開油門踏板后，為了減小沖擊，機器需要緩慢停下來，所以對于踩下油門踏板和松開油門踏板后，比例閥的電流響應時間應不相同。當踩下油門踏板后，減小電流的調(diào)整時間，使比例閥的電流能迅速上升；當松開油門踏板后，延長電流的調(diào)整時間，使比例閥的電流能緩慢降下來。

4 程序流程圖(圖4)

5 實際控制效果分析

在整車測試時采集比例閥電流與油門踏板信號對應關系曲線如圖5、圖6所示。圖5為帶限幅PID調(diào)節(jié)，此方法能保證當踩下油門踏板后，比例閥的電流能迅速上升，從而保證輪式挖掘機能立即開始行走；當松開油門踏板后，比例閥的電流能緩慢勻速的下降，從而能保證輪式挖掘機無沖擊勻速緩慢停下來。圖6為無限幅PID調(diào)節(jié)，此方法能保證當踩下油門踏板后，比例閥的電流能迅速上升，從而保證輪式挖掘機能立即開始行走，但是當松開油門踏板后，電流下降的速度過快，導致主控閥的流量產(chǎn)生急劇變化，使得整車出現(xiàn)“卡頓”及較大沖擊。所以帶限幅PID調(diào)節(jié)方法能滿足輪式挖掘機在實際中的應用。

圖4 程序流程圖

圖5 帶限幅PID調(diào)節(jié)

圖6 不帶限幅PID調(diào)節(jié)

6 結(jié) 語

本文詳細介紹了整車行駛速度的控制方案、油門踏板信號的采集、油門踏板信號對比例閥電流的控制策略，并且已在柳工輪式挖掘機上實際應用，經(jīng)過試驗證明該方法能滿足輪式挖掘機在實際工作中的應用。

[1]祝柯卿，胡建文，冒曉建，等.電控柴油機雙電位器油門踏板控制器策略的研究[J].柴油機，2012，34(4)：15-17.

[2]徐小東.WYL20B輪式挖掘機的功率優(yōu)化控制系統(tǒng)[J].工程機械，2001，(6)：22-23.

[3]蔡登勝，羅 維，趙明輝.發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的檢測及數(shù)字濾波方法[J].工程機械，2012，(11)：20-24.

（編輯 吳學松）

Research on speed intelligent control of wheel excavator

WANG Zhi-wei, MA Wen-yu, ZHAO Ming-hui, SUN Jin-quan, CAI Deng-sheng

TU621

B

1001-1366(2015)01-0041-03

2014-10-30