全液壓推土機直線行駛控制方法研究

JI Xiao-yan,ZHAO Cheng-long,KONG Yan-jun

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

推土機在工程建設中發揮著重要的作用，隨著控制技術的發展，全液壓推土機銷量所占比重逐年增加，其在操控性，靈活性和操控舒適度上有著傳統推土機無法比擬的優勢。目前傳統的機械式推土機由于采用機械齒輪等對稱結構，其跑偏量容易控制。而全液壓推土機多采用雙泵雙馬達兩側獨立式控制，受限于電磁閥等元件的不一致性、管路布置的差異以及液壓元件的磨損情況，在不進行控制的情況下會出現跑偏的情況，進而對操控性能和作業性能產生不良影響。

本文主要對全液壓推土機跑偏的原因進行分析，并提出全液壓推土機的糾偏思路和控制策略，同時給出3種具體的實現算法，在山推DH17全液壓推土機上進行試驗，并對測試效果進行分析。

1 跑偏原因分析

1）液壓元件及電磁閥不一致性 全液壓推土機一般采用雙泵雙馬達兩側獨立式液壓系統，雖然左右兩側液壓系統采用同一規格型號的液壓元件及電磁閥，但由于制造精度、材料性能等細微差別，其特性往往很難達到完全一致。通常大多數電磁閥電阻存在±5%的偏差，電阻的差異對其起始控制電流和終止控制電流也會產生影響。兩側獨立液壓系統液壓馬達布置雖然對稱，但從液壓泵到液壓馬達的液壓管路可能長短不一，在一定程度上也會導致動作響應時間不同。上述問題的存在導致在沒有糾偏控制的情況下，車輛會出現跑偏現象。

2）長時間的磨損 液壓元件長時間工作必然會產生一定的磨損，同時履帶等底盤零部件由于長時間工作，其漲緊程度、磨損情況會出現不一致，也會對系統的直線性產生一定的影響。

3）外部條件的不一致 在全液壓推土機作業過程中，由于車輛的高低起伏及土壤的附著條件可能不同，在一定程度上也會造成兩側履帶附著力的不一致，從而導致直線行駛跑偏現象的發生，因此在實際直線性能測試驗證中，往往會對場地的平整性有一定的要求。

對作業質量要求比較高的機械，其跑偏量會有更為嚴格的標準，如攤鋪機在高等級公路攤鋪作業，多會配置如激光或超聲波引導系統來控制直線行走的跑偏量。而對于推土機等絕大多數工況來說，沒有嚴格的直線性要求，且目前國內尚未出臺相應的行業標準，根據行業及實際作業經驗，一般情況下直線行駛50m偏差小于0.5m即滿足作業需求。

2 幾種控制思路及其優劣對比

在控制思路和控制策略上，由于被控對象、控制系統以及所采集數據的處理方法不同，會產生不同的控制思路，下面就上述不同因素的控制方法進行介紹，并對其優缺點進行簡要分析。

2.1 被控對象不同

按照控制對象可以分為泵單獨控制和泵與馬達同時控制兩種方式，其優劣對比如表1所示，其中低速時是指僅有泵電流參與控制，高速時指泵和馬達電流均參與控制。

表1 泵單獨控制與泵和馬達同時控制對比

2.2 被控系統不同

按照兩側液壓系統選擇的不同可以分為單側糾偏、雙側糾偏以及混合糾偏3種方式，其優劣對比如表2所示。

表2 單側、雙側及混合糾偏對比

2.3 數據時效性不同

由于液壓系統屬于有阻尼系統，從調整電流給定到液壓系統電磁閥到控制器再次采集到給定電流產生的反饋速度會有一定的時間差，根據部分機型測試的結果時間延遲一般會有30～60ms，因此根據根據采集數據的時效性可以分為實時控制和累加控制，其優劣對比如表3所示，其中實時控制往往也會選擇幾個控制周期進行調整次，從而避免由于系統本身響應的延時產生超調現象；而累加糾偏控制方式則是根據一段時間左、右兩側速度偏差的累加趨勢進行調整。

表3 實時糾偏與累加糾偏對比

3 控制算法的研究

為了保證推土機直線行駛時兩側馬達速度的一致性，一般全液壓推土機下線之初首先進行泵和馬達電流參數的標定，其中電流參數標定主要包括泵起始電流、泵最大電流、馬達起始電流和馬達最大電流4個參數，而在行走過程采用直線行駛糾偏控制的方法。控制方法的關鍵均采用通過速度參數反饋求差值，進而進行電流參數調整的方式，控制基本模型如圖1所示，其中常用的控制算法主要包括PID控制，查表法、小量逼近法等控制等。

圖1 糾偏控制模型

以泵電流雙側糾偏控制方式為例，其基本控制流程如圖2所示。

3.1 PID控制算法

PID算法是目前控制領域應用最為廣泛的控制策略之一，具有算法簡單、魯棒性好、控制可靠的特點。常規的PID控制系統原理框圖如圖3所示。

該系統由模擬PID控制器和被控對象組成。其中r(t)是給定值，即本系統中的左右馬達速度允許跑偏誤差e，c(t)是系統的實際輸出值,即左右馬達實際速度偏值，給定值與實際輸出值構成控制偏差

e(t)作為PID控制的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規律為

式中Kp——控制器的比例系數；

Ti——控制器的積分時間，也稱積分系數；

Td——控制器的微分時間，也稱微分系數。

圖2 泵電流雙側糾編法控制流程圖

圖3 PID控制系統原理圖

3.2 查表法

查表法主要是通過將設定數值進行調用，即根據控制偏差e(t)直接通過查表的方式進行控制調節量的選取，該方式調節量的選擇可根據經驗數據等方式實現，以表4為例。結合中間數據可通過二分法等進行計算。

表4 查表法參數設定表

3.3 小量逼近法

該算法主要是控制器每一掃描周期，系統調整一個較小的量值，如0.5mA,快速側的泵電流減少一個量值，同時慢速側的泵電流增加一個相同的量值，通過一段時間的運算達到兩側速度的平衡。這一方法的關鍵是量值的選取。如果量值過大，調節過程中會出現振蕩的現象；如果量值過小，可能出現無法及時消除速度偏差，導致實時性較差。以左側速度較右側快為例，該算法采用的公式如下

3.4 單側糾偏控制方法

實時檢測左右馬達兩側的轉速，設定跟隨左側的轉速，右側快減電流，右側慢加電流的方式，來減小兩側馬達轉速差。采用實時糾偏，只在直線行走的過程中才進行糾偏，轉向時不進行糾偏。控制流程如圖4所示。

圖4 單側糾偏法控制流程圖

4 試 驗

通過上述控制算法和被控對象等組合可衍生出多種控制方式，本試驗采用上述的單側泵控制實時糾偏的PID控制方式，采用50m測試場地，并對場地進行必要的平整，車體左側放樣標準直線，其中偏差數據采用引導輪中心與驅動輪中心處下方履帶偏差求平均值的方式。

樣機發動機轉速設定2 000r/h，分別就3km/h、6km/h、10km/h 3個不同檔位進行兩側數據測試，測試數據如表5所示，同時左右兩側馬達轉速及調整電流通過CAN總線儀進行實時采集，所采集部分對應曲線如圖5所示。

表5 樣機PID控制方法試驗數據

圖5 CAN總線儀實時采集數據

5 結 語

通過上述測試試驗數據及實時采集圖像可以可以得出，通過單側泵控制實時糾偏的PID控制方式最大偏差為360mm,可以滿足推土機直線行駛自動糾偏的作業要求。

本文通過對推土機直線行駛控制方法進行了較為深入的研究，并對各種不同的方法給出了優劣勢的對比，并對部分算法進行實際測試驗證。同時在試驗驗證方面上采用人工最終結果測量和工具實時數據采集相結合的方式，實現了較為全面的效果分析。

在實際應用過程中，根據推土機直線性精度的不同要求，根據各家廠商經驗的不同，往往會采用不同的控制方法和算法。建議控制算法選取的原則是在滿足直線性要求的情況下，首先采用相對簡單的控制算法，便于問題的分析和處理。本方法的提出，實現了在推土機等產品上的應用，同時可推廣應用到如攤鋪機等其他全液壓履帶式工程機械。

[參考文獻]

[1]王 欣，熊逸群.全液壓推土機控制系統關鍵技術研究[J].筑路機械與施工機械化，2006，(10)：47-49.

[2]焦生杰，龍水根.全液壓推土機研究現狀與發展趨勢[J].筑路機械與施工機械化，2006，(6)：1-4.

[3]王 欣，焦生杰.全液壓推土機實驗研究[J].筑路機械與施工機械化，2006，(6)：5-8.

[4]易小剛，焦生杰.全液壓推土機關鍵技術參數研究[J].中國公路學報，2004，(2)：119—123.