基于轉(zhuǎn)速控制的液壓挖掘機(jī)全局功率匹配方案

蒙文德， 王揚(yáng)敬， 郭福力， 周夏南， 李雪梅

（1.桂林市華力重工機(jī)械有限責(zé)任公司， 廣西　桂林　541002；2.桂林電子科技大學(xué)， 廣西　桂林　541004）

引言

現(xiàn)有的液壓挖掘機(jī)電子節(jié)能控制技術(shù)主要針對以下幾個部分：發(fā)動機(jī)與液壓泵的功率匹配控制[1]、液壓泵的流量控制[2]以及負(fù)載與動力系統(tǒng)的匹配控制[3]。液壓挖掘機(jī)的工作方式是一個循環(huán)反復(fù)的過程，包括從挖掘作業(yè)—滿斗提升—帶載回轉(zhuǎn)—卸載作業(yè)—空載回轉(zhuǎn)—挖掘作業(yè)，各個步驟相互依存、相互制約。而獨(dú)立研究每一個環(huán)節(jié)的功率匹配，一定會產(chǎn)生部件與部件之間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。如：常見的局部功率匹配策略中，液壓泵的排量既是發(fā)動機(jī)—液壓泵功率匹配的控制變量，又是液壓泵—負(fù)載的功率匹配的控制變量，二者之間必定會產(chǎn)生矛盾，不可能達(dá)到絕對的功率匹配[4]。

本文把液壓挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)—液壓泵—負(fù)載作為一個整體來考慮，提出一種基于全局功率匹配的控制策略。這個控制策略主要包括三個方面的控制：一是負(fù)載自識別控制；二是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制；三是液壓泵的轉(zhuǎn)矩控制。在負(fù)載自識別控制中，同時采集液壓泵的輸出壓力和三大油缸（即動臂缸、斗桿缸及鏟斗缸）的角度信號，經(jīng)過軟件處理，辨別出液壓挖掘機(jī)工作狀態(tài)；在發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中；在重載模式下，采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)調(diào)速控制方法；在經(jīng)濟(jì)模式下，采用區(qū)間過渡功率匹配法，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速向高效運(yùn)轉(zhuǎn)匹配點(diǎn)移動，擴(kuò)大功率匹配范圍；在液壓泵的轉(zhuǎn)矩控制中，利用壓力傳感器反饋的液壓泵輸出壓力與設(shè)定壓力作比較，一旦出現(xiàn)壓力偏差，意味液壓泵的吸收轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，功率匹配不合理，則通過帶有位移檢測功能的電液比例控制換向閥調(diào)整變量泵的斜盤傾角，改變泵的流量，實(shí)現(xiàn)變量泵的恒轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。基于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)PID協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　基于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)PID協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)框圖

1　轉(zhuǎn)速感應(yīng)調(diào)速控制

在重載模式下，以增大單位時間內(nèi)最大挖掘能力和最大作業(yè)量為控制目標(biāo)。一旦將發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)設(shè)定在發(fā)動機(jī)的外特性曲線之上，由于發(fā)動機(jī)的工況復(fù)雜多變，其動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性將會急劇惡化，這樣并不能使發(fā)動機(jī)輸出最大功率。因此，本文將發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)設(shè)定在發(fā)動機(jī)的調(diào)速特性曲線與外特性曲線的連接附近，在重載模式下，發(fā)動機(jī)—液壓泵的功率匹配采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制。轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制具體做法：通過選擇合適的功率模式，設(shè)定發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速（即為最佳匹配轉(zhuǎn)速）；利用轉(zhuǎn)速傳感器反饋得到發(fā)動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相減，得到轉(zhuǎn)速差；將轉(zhuǎn)速偏差以電壓偏差信號傳送控制器，經(jīng)過控制器內(nèi)部修正后發(fā)送信號給步進(jìn)電機(jī)，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖，調(diào)節(jié)油門開口，使實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速一致，實(shí)現(xiàn)了恒功率控制。

2　區(qū)間過渡功率匹配

在經(jīng)濟(jì)模式下，首先是提高系統(tǒng)的作業(yè)速度，其次是提高燃油的利用率。傳統(tǒng)的點(diǎn)位匹配方式是固定幾個功率輸出點(diǎn)（如85%，80%功率輸出），不能動態(tài)地與發(fā)動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速相匹配，節(jié)能效果不理想，效率低下。在經(jīng)濟(jì)模式下，采用區(qū)間過渡功率匹配法，滿足了發(fā)動機(jī)—液壓泵的動態(tài)功率匹配要求[5]。

3　利用區(qū)間過渡法實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)-液壓泵的功率匹配

在實(shí)際發(fā)動機(jī)-液壓泵的功率匹配中，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速由原先匹配點(diǎn)B開始向經(jīng)濟(jì)匹配點(diǎn)E點(diǎn)逐步移動。經(jīng)過推算，存在如下等式：

式中：Ql為負(fù)載所需總流量，qpB為變量泵在原先匹配點(diǎn)B的最大輸出排量，qpE為變量泵在經(jīng)濟(jì)匹配點(diǎn)E的最大輸出排量，nB、nE—發(fā)動機(jī)在B、E點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)速。

假設(shè)發(fā)動機(jī)工作在E點(diǎn)時，變量泵的最大輸出排量為 qpmax，當(dāng) qpmaxnE＜Q1=qpB·nB時，說明發(fā)動機(jī)工作在E點(diǎn)時變量泵的輸出排量達(dá)不到負(fù)載功率要求，需要重新提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即將工作點(diǎn)E沿著曲線ge向更加經(jīng)濟(jì)的匹配點(diǎn)過渡移動[6]。當(dāng)qpmaxnD=Q1=qpB·nB時，說明此時D點(diǎn)為新的最佳功率匹配點(diǎn)，匹配點(diǎn)動態(tài)移動結(jié)束，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)—液壓泵的功率匹配圖2所示。

圖2　發(fā)動機(jī)功率特性圖

4　仿真及結(jié)果分析

當(dāng)負(fù)載扭矩作用于發(fā)動機(jī)上時，發(fā)動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化，通過檢測發(fā)動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速相減，得到轉(zhuǎn)速偏差；經(jīng)二次型性能指標(biāo)單神經(jīng)PID控制器的處理后發(fā)送信號給油門控制器，由油門控制器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送調(diào)整信號，步進(jìn)電機(jī)帶動油門開度執(zhí)行器，調(diào)節(jié)油門開口，確保實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速一致，實(shí)現(xiàn)恒功率控制。

由圖3所示，在負(fù)載突變的情況下，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速由1 661 r/min瞬間降到1 540 r/min,在控制器的作用下，增大油門控制器的開口，使轉(zhuǎn)速回升到原來轉(zhuǎn)速。圖3中實(shí)線是采用二次型性能指標(biāo)單神經(jīng)元PID算法的控制器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線，調(diào)節(jié)時間為1.2 s;虛線是采用常規(guī)單神經(jīng)元PID算法的控制器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線，調(diào)節(jié)時間為1.6 s。由此可知，相比于傳統(tǒng)的單神經(jīng)元PID算法的控制器而言，采用基于二次型性能指標(biāo)學(xué)習(xí)算法的單神經(jīng)元PID控制器調(diào)節(jié)迅速，調(diào)速時間是前者的75%，且整個調(diào)節(jié)過程沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

圖3　仿真結(jié)果比較圖

針對液壓挖掘機(jī)的最大損失：發(fā)動機(jī)—液壓泵—負(fù)載的功率不匹配，提出了基于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩閉環(huán)協(xié)調(diào)控制的全局控制策略。在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中仿真結(jié)果表明：在調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的功率和液壓泵的功率過程中，采用基于二次型性能指標(biāo)學(xué)習(xí)算法的單神經(jīng)元PID控制器比采用常規(guī)單神經(jīng)元PID控制器調(diào)節(jié)速度更快，超調(diào)量更少，控制效果更好。

[1]周萍，孫躍東.挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)—變量泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)匹配的研究[J]，工程機(jī)械，2000（7）：7-9；54.

[2]張鐵，朱明才.工程建設(shè)機(jī)械機(jī)電液一體化[M].北京：石油大學(xué)出版社，2001.

[3]姜友山.全液壓推土機(jī)整機(jī)性能參數(shù)匹配技術(shù)研究[D].山東：山東理工大學(xué)，2010.

[4]李延偉.基于負(fù)載識別的挖掘機(jī)功率控制系統(tǒng)研究[D].湖南:中南大學(xué)，2006.

[5]馮麗.液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)仿真分析[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2005.

[6]崔丹.液壓挖掘機(jī)工作裝置的建模與仿真分析[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2008.