工程機械液壓系統動力匹配與其控制技術分析

李棟

(西安航空職業技術學院, 西安 710089)

0 引言

工程機械液壓系統動力匹配和控制技術屬于較為典型的機電一體化技術，此種技術能夠實現PLC控制技術、液壓系統和發送機的相互連接，使三者能夠成為一個整體。在進行作業的過程中，能夠為機械提供可靠且穩定的性能。對于大部分需要連續作業大型機械，此種機電一體化能夠更好的幫助操作人員，有效節約操作時間，并且還能夠有效降低操作過程中出現失誤的機率，那么此種技術就被廣泛使用到工程機械液壓系統中。基于此，本文就利用此種技術的發展，對工程機械液壓系統控制技術的設計進行了全面的研究。

1 工程機械液壓系統動力匹配技術

1.1 定量泵

目前我國大型工程機械的發展都是通過小型的機械進行過渡的，并且小型的機械定量泵設計都是根據系統最大的工作流量及壓力乘積實現計算，之后轉化成為的最大輸出功率小于發動機凈功率。此種定量泵設計的原理能夠降低功率使用系數，所以不能夠有效滿足大型機械工作需求。

1.2 單泵恒功率控制

單泵恒功率控制技術的主要優勢就是使用兩個彈簧彈力實現設計，對變量泵輸出流量進行控制，在系統壓力到達設置的第一個彈簧力的時候，降低變量泵排量，直到系統能夠克服第二個彈簧力，以此使變量泵變量曲線為曲線變化，此種控制設計能夠促使變量曲線中工作流量及壓力乘積離散值和常數相互接近，從而能夠充分使用發動機功率，以此保證發動機不能夠因為過載熄火導致作業出現中斷。

1.3 雙泵及多泵恒功率控制

雙泵及多泵恒功率控制系統中能夠實現發動機功率的合理分配，但是此也是泵技術中的難點及核心內容。傳統雙泵及多泵恒功率的控制技術具有多種發展形勢，包括分功率控制、總功率控制及其他控制。其一，分功率控制。在實現分功率控制的過程中，要根據其中所有泵關聯操作的執行機構實際功率實現，在進行設計的過程中，要能夠實現其中泵的變量機構都能夠獨立，從而能夠有效保證每個泵都能夠實現工作量的預先設置。但是因為發動機功率為恒定，所以在多泵出現不必要工作的時候，就會導致發動機功率的浪費，因為大型機械具有較大的發動機功率，那么就要禁止此種浪費情況的出現。其二，總功率控制。總功率控制和分功率控制并不相同，因為前者使用的變量機構只有一個，此種控制技術雖然能夠有效滿足其中泵的功率需求，但是還具有主泵輸出大流量對熱量轉換的問題，以此導致大流量消失。其三，其他控制。在之后研發的交叉傳感控制技術與負反饋交叉傳感技術無法解決是否使用主泵功率或者是發動機功率，因為交叉傳感技術及工程機械相互結合在我國并不成熟，就會提高此種技術的復雜程度，降低了其控制效果，并且還具有較高的成本，無法實現有效的推廣。

2 工程機械原動力的工作特點

現代傳統動力匹配及控制技術不管是使用哪種方式，只要是實現系統的改進，就能夠提高系統能量，但是如果發動機和泵無法保持良好匹配，那么就會降低系統能量使用率及能量效率，從而無法使發動機滿足系統工作需求，以此也就降低了系統的工作效率，并且能量具有較大的損耗，提高了環保節能的效果，尤其是多泵的工作。所以，就要實現全新動力匹配及控制技術的研究，使用現代最為先進的機電一體化技術，實現電氣系統的設計改造。

工程機械的原動力大部分都是電機和發動機，本文重點對發動機進行討論。泵和發動機無法實現良好匹配的主要原因包括3點：其一，一般的液壓系統都是多泵同時工作，其中主要包括輔助工作及主工作，輔助工作在不斷的變化，其工作速度、壓力都是不斷的變化。在傳統設計過程中，為了使發動機不超載，就要將輔助工作功率使用值設置成為最大值。但是此種方法會使主工作功率在功率使用值中占據較多的時間并且不飽和，因為主工作回路功率使用率和系統具有密切的聯系，所以其就導致了泵和發動機無法良好匹配。其二，在液壓系統工作的過程中，工作壓力和負載具有密切的聯系，并且工程機械都是在惡劣環境中工作，所以具有較大的壓力沖擊和波動，以此導致系統的功率也不斷的波動，動態不穩定，所以系統功率使用值就要對此不穩定的狀態進行全面的考慮，以此也就導致泵和發動機無法保持良好匹配；其三，通過發動機全負載特性曲線中進行分析可以看出來，不同的油門位置中發動機調速特點也不同，包括發動機的輸出扭矩，如圖1所示。

圖1 發動機的工作特點

在使用傳統方法的過程中會根據發動機最大的輸出功率實現匹配，這個時候的機器就是在極端工作情況中，以此就會導致發動機熄火，如果根據發動機工作油門較小的情況中，就會降低整車工作效率。以此就可以看出來，導致發動機和泵無法良好匹配的因素較多，就以要想實現控制系統及動力匹配的過程中，就要全面結合發動機的輸出特性。

在掌握泵和發動機無法實現匹配的原因之后，就要提出相應的解決方案。在部分比較復雜的液壓系統中，一般都是使用多泵朝著工作回路實現供油，在此工作回路中的輔助工作回路實際使用功率比較小，這也是系統需要的，所以就不需要控制工作回路功率使用值，所以我們要以輔助工作回路實際使用值變化對工作回路輸出功率進行改變，以此實現主工作回路、輔助工作回路和發動機實際輸出功率實現最佳的匹配，通過以下公式表示：

Nf(x)+Nz(y)=kN

其中Nf(x)表示x個輔助的工作回路在工作過程中所消耗的值總和；Nz(y)表示y個主工作回路可以使用的功率總和；N表示發動機的最大輸出功率；k表示發動機的功率儲備系數。

通過以上公式可以推導出：

Nz(y)=kN-Nf(x)

通過以上公式可以看出來，主工作回路可以使用的功率和和發動機可以使用的最大輸出功率、輔助工作回路的功率消耗值具有密切的聯系，在功率和出現變化的時候，就要求祝工作回路可使用的功率值出現變化，以此實現泵和發動機之間的相互匹配。對于液壓系統本身結構因素導致的泵和發動機無法實現良好匹配問題就能夠有效的解決，因為在確定主工作回路輸出功率之后，即便是主回路工作壓力或者工作流量出現變化，那么就要對恒功率控制的問題進行有效解決即可。在恒功率控制方面，已經具有多種解決方案，比如計算機控制、機械控制等。

3 液壓系統的控制設計

在液壓系統控制系統設計過程中，要合理選擇PID控制參數，在選擇PID控制參數的過程中，具有多種方法，比如臨界比例度、試湊法、擴充臨界比例度等。在PID參數選擇過程中較為復雜，所以要經過不斷調整，才能夠得到滿意的結果。首先，要先對比例系數Kp進行確定，之后對積分時間常數進行確定，時間常數要為當前值的150%-180%，然后實現微積分時間常數的確定，微積分時間常數為0，最后進行系統空載及帶載的聯調。然后，進行液壓系統的控制設計。

3.1 控制系統的硬件

其一，實現控制器的設計。液壓系統的控制核心就是控制器，其不僅能夠實現模擬量的邏輯控制，還能夠實現系統開關量的控制，比如數據的運算、處理等內容，在微處理器處理之后，實現模擬量及開關量的輸出，從而控制電磁閥和電機，以此使系統中的功能能夠有效實現。控制器主要包括輸入/輸出、CPU、電源模塊，CPU能夠實現系統部位狀態的有效檢測，實現程序的讀取及邏輯控制等多種內容，存儲器主要包括RAM存儲器和用戶存儲器。輸入/輸入主要包括多種模塊構成。控制器的結構構成，如圖2所示。

圖2 控制器的結構構成

其二，控制器的實現。控制器能夠根據不同占空比脈寬調制信號實現處理，之后實現比例電磁鐵的輸出，還能夠通過軟件編程改變脈寬調制比例的電磁鐵輸出端，以此使信息能夠有效滿足比例閥斬波頻率需求，從而實現系統控制性能和穩定性的進一步提高。并且，控制器中具有光電隔離器，能夠隔離CPU輸出及輸入信號，以此避免其信號受到干擾。為了能夠避免外圍電路信號到微處理器中融入，系統也能夠通過光電耦合器實現隔離。使用預處理實現模擬量輸入處理，此方法能夠實現模擬量輸入信號的增加，以此實現模擬量輸入模塊的參數處理，從而有效控制模擬量。

3.2 液壓系統軟件的算法

本節實現系統的實驗，通過PID控制算法進行實現，根據算法連續系統的控制作為基礎，使其能夠實現數字化，之后將其寫成為離散方式方程，之后實現控制程序設計，以下為PID算法的輸入及輸出關系：

其中Kp屬于比例系數，T1屬于積分時間常數，TD屬于微分時間常數，uo屬于0時間的調節器輸出。 比例環節的主要目的就是能夠實現控制系統偏差信號的及時反映，如果在實驗過程中出現問題，那么控制器就能夠在短時間內迅速的反映，通過控制功能降低偏差。基于系統穩定，提高KP的值，從而降低穩態誤差，以此有效提高系統控制精度。積分的主要目的就是降低靜差，并且還能夠有效提高系統誤差度。如果T1越小，那么積分的強度就會越大，但是如果其太小，就會導致系統不穩定。

4 系統的實驗

本文所研究的液壓系統具有較多的參數，這些參數關系非線性的特點較為提出，從而無法通過計算方式獲得，那么在系統使用之前就要進行調試。首先，為了避免超速，就要收集發動機轉速、傳感器信號，從而對轉速具體的范圍進行預先的設置，使油泵工作能夠保證在一定的范圍中；其次，實現發動機轉速的現場收集，之后實現線性化的處理，最后將結果對存儲器進行傳送；之后，實現PID參數的設置，然后對最大作業的功率發動機預設值是否合理進行測試；最后，實現壓力超載模式、發動機低轉速時候的工作限制進行有效的測試。

以發動機油門拉桿的位置為基礎實現準線性模型及仿真模型的制作，之后利用實驗的數據與仿真結果數據進行對比，從而對發動機響應特性及轉速預測精度進行驗證，從而得到發動機模型的設計是否合理。在進行實驗的過程中，首先使動臂提高到極限位置，之后將控制手柄松開，從而使系統能夠保持處于空載的狀態中，這個時候的泵負載為30，然后對發動機轉速進行調節為2030，這個時候的泵減壓閥電流為450，液壓泵輸出流量為30，之后將操作動臂到極限位置提高，從而得到負載扭矩。圖3為發動機的轉速仿真，此模型較為可靠,如圖3所示。

圖3 發動機的轉速仿真

5 總結

液壓系統技術及控制技術屬于現代工程機械核心的技術，其能夠有效節約能源，并且實現機械作業效率的進一步提高。現代我國的主要工作就是創新工程機械液壓系統的動力匹配及控制技術瓶頸，加強企業和工程機械研究中心的相互合作，從而實現機電一體化開發及系統設計的智能化及自動化。