全電控挖掘機個性化操作控制策略的研究

摘要：針對不同區域、不同工況、不同使用者對使用情況的差異，提出一套全電控挖掘機的個性化操作的控制方案，詳細介紹了先導比例閥的控制策略，試驗證明本方案及控制策略能滿足全電控挖掘機在實際工作中使用者對個性化操作使用的要求。

關鍵詞：全電控挖掘機;個性化操作;控制策略

中圖分類號：TH134 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0224-02

0 ?引言

挖掘機使用工況復雜，不同區域、不同工況、不同操作手的使用習慣差異較大，傳統的液控系統的挖掘機的整機動作之間的關系控制基本上都是通過更換不同規格的邏輯閥來實現，通常同一款機器的操作性能很難滿足多位操作手的使用需求。在全電控液壓挖掘機上，整機所有動作均有控制系統控制，這樣就為個性化操作的控制提供了可能。本文詳細介紹了全電控挖掘機個性化操作的控制方案、先導信號的采集、先導比例閥電流的控制策略及實際控制效果的分析。

1 ?全電控挖掘機系統簡介

全電子控制挖掘機系統包含4大組件：①帶分控的電磁閥的主泵;②電控先導手柄和電腳踏;③閥蓋端集成比例電磁閥的電控主閥;④滿足控制性能要求的電子控制器[1]。

全電控挖掘機系統的特點就是操作手所有的操作意圖都是通過電手柄傳輸給控制器，控制器再根據電手柄傳輸的信號的大小來對應操作角度的大小，從而對相應的對先導比例閥和電控泵進行控制。本文所述的控制方法適用于搭載全電控系統的挖掘機。

2 ?整機個性化操作控制方案

本方案屬于人機交互的一種，因此需要在儀表設置專門的界面便于用戶的設置，通過設別出不同工況下用戶的使用習慣整合出如表1的優先關系。

本方案采用的電手柄為電壓信號輸入，電手柄的輸出的電壓大小和供電電壓成百分比關系，因此在采集輸出的電壓大小時需要同時對比當前供電電壓，并且該手柄在同一角度對應的輸出電壓是有2.5-3%的誤差的，所以為了保證動作的連續還需要設置一定的閾值，防止動作的不連貫。這種電手柄好處在于性能可靠，技術成熟但為了提高系統的安全性，防止由于線路的故障導致整機動作的異常，造成安全事故，需要對輸出電壓值上下邊界進行限制。

全電控挖掘機的工作原理為控制器接收到電手柄的有效信號后，通過插值等方式計算出對應動作的先導比例閥的電流，從通過控制先導壓力的大小來控制閥芯開口的大小，達到控制流向工作裝置的流量大小的目的。由此可見工作裝置的動作與否和動作速度的快慢在主泵輸出流量一定的情況下由先導電磁比例閥的電流大小來決定，電流越大，比例閥產生的先導壓力越大，閥芯開口越大，流量越大，動作速度越快，反之則速度越慢，因此動作的優先關系可以通過限制對應動作的比例閥電流的大小來實現。本方案選擇的電磁比例閥的特性如下，死區電流約為 150mA，有效電流區間在 325-750mA 之間，整個電流有效區的特性基本上是線性的，這樣的好處在于整個動作的可控性強，操作舒適。

通過以上分析，得出個性化操作的控制方案，如下： 控制器采集儀表的信號，得出用戶想要的對應的動作的優先度，根據優先度插值得出對應比例閥的電流限制值;與此同時，控制器采集手柄信號，通過濾波、閾值和幅值比較、線性插值方式等一系列的判斷和運算得出當前的用戶的操作，根據當前操作通過一系列運算得出在不進行優先控制的時候的比例閥電流值，再與當前設定的優先等級計算的被優先控制的比例閥電流值進行比較計算得出最終應該輸出給比例閥的電流值，通過 PID 控制調節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，達到限制對應動作速度的目的。

3 ?電手柄信號的采集

由以上控制方案和電手柄特性分析可知，電手柄信號的采集與分析是整個控制策略實施的前提和基礎，若手柄的電信號采集出現偏差，不僅會影響該控制方案，也有可能會造成動作誤判，造成危害。所以必須采用濾波的措施對噪聲信號進行濾除，濾波方式主要有兩種：數字濾波和模擬濾波兩種，數字濾波是用軟件算法實現的，不需要增加硬件設備，可以根據信號的類型采用不同的濾波算法和參數，考慮到手柄的雜波主要由整機振動和人手的不自覺的抖動引起的，具有一定的周期性和偶然性，所以本文針對性的采用以下兩種數字濾波方法。

3.1 滑動平均濾波 ? 滑動平均濾波的樣本數是隨著采樣的過程在時刻變化的，采用先進先出的原則，即把n個采樣數據看成一個隊列，隊列的長度固定為n，每進行一次新的采樣，把采樣結果放入隊尾，而扔掉原來隊首的一次數據，在計算濾波值時再把隊列中的n個數據進行算術平均得到新的濾波值[2]。

滑動平均濾波的特點突出，即對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，能夠有效抑制由于整機振動引起的手柄信號的變化，但是缺點是對于人手的不自覺的抖動引起的偶發干擾效果較差，因此需要引入另外一種數字濾波方式。

3.2 中位值濾波 ? 中位值濾波是指在某一采樣時刻 （采樣點）， 對某一被測參數連續采樣n次，然后把n次采樣值按大小排隊，取中間值作為本次采樣值[2]。

中位值濾波法的主要好處在于能夠濾除偶發干擾，這對由于人手的抖動引起的手柄信號的噪聲干擾效果明顯。

結合以上兩種濾波方式，能夠有效地抑制雜波引起的電手柄信號失真的問題，保證電手柄信號的真實、穩定、可靠。

4 ?個性化操作功能控制策略

控制程序流程圖如圖1所示。

控制器首先采集電手柄的信號和儀表發送的個性化操作的信息，并且依據手柄的開度信息計算出所有比例閥電流I1和根據儀表發送的優先度的信息計算出對應被優先動作的比例閥的最大電流Ilim;若當前操作手操作的動作有符合控制器接收到的需要進行優先控制的動作時，對比I1和Ilim，當I1<Ilim時，輸出給對應動作的比例閥的電流I=I1，否則I=Ilim。

5 ?先導比例閥電流控制策略

對于先導比例閥的電流的控制采用斜坡+限幅增量式PID。

斜坡控制的原理實際上就是取得理論計算的目標電流It后，對比前一次輸出的電流Ip，并且設定上升步長k1和下降步長k2。當It>Ip+k1時，實際目標電流I=Ip+k1，否則I=It;當It>Ip-k2時，實際目標電流I=It，否則I=Ip+k2，本系統中k1=4，k2=7。這樣做的目的是防止動作突變時，計算得到的目標電流突變過大，造成調節時間過長，動作沖擊、延遲等現象，同時加上也有助于動作的轉換的平穩。

增量式 PID 結合限幅的方式對最終傳遞給比例閥的電流進行控制，其算法如式（1）、式（2）：

式中，？駐表示增量;ek表示第k次比例閥實際目標電流值;ek-1表示第 k-1次比例閥實際目標電流值;ek-2表示第k-2次比例閥實際目標電流值; Kp表示比例項系數，本系統取1.0;Ki表示積分項系數，本系統取0.4;Kd表示微分項系數，本系統取-0.7;？準表示限幅量，本系統取50。

采用增量式 PID 控制好處在于能夠提高比例閥電流的穩定時間，電流能夠較快速的達到想要得到的目標電流，但是缺點是會使得電流上升或者下降過于快速，閥芯的開口的快速的變化，甚至調節過程中閥芯開口發生較大的變化，引起主控閥的流量產生急劇變化，導致動作的沖擊和不連貫，為了避免這種現象的發生，對計算得到值進行限幅，保證輸出給比例閥的電流不至于產生較大的變化，始終保持在合理的區間內。

6 ?實際控制效果分析

在實際測試時，以不同工況下要求最多的回轉+舉升動臂為例進行說明;在整機上測試不同舉升動臂優先度下回轉+舉升動臂時，動臂舉到最高時的時間，以時間的長短評判動臂優先度的大小，如圖2所示。舉升動臂優先度最低的工況整個動作耗時5.16s，時間比較久，但是回轉的速度很快，能夠滿足高臺裝車的需要;舉升動臂優先度最高的工況動臂舉升到最高耗時3.89s，時間很短，相較于舉升動臂優先度最低的工況，時間縮短了24.6%，但是回轉速度很慢，從實際觀察中發現，回轉角度低于45度，滿足用戶對于底臺裝車和挖溝的需要;舉升動臂優先度適中的動作時間為4.76s，滿足平臺裝車的需要。所以通過該方案能夠滿足不同工況下對整機操控性的要求。

7 ?結語

本文詳細介紹了全電控挖掘機的個性化操作的控制方案、電手柄信號的采集、個性化操作控制策略、先導比例閥電流控制策略等，并且已在柳工挖掘機上進行實車測試驗證，經過試驗證明該方法能滿足不同操作習慣、不同工況下使用的操作手對于挖掘機在實際工作中的使用。

參考文獻：

[1]韓紹斌.全電控正流量挖掘機節能技術研究[D].吉林大學碩士學位論文，2017.

[2]江志紅.深入淺出數字信號處理[M].北京：北京航空航天 大學出版社，2012.

[3]王志偉，馬文宇，等.輪式挖掘機行駛速度智能控制的研究[J].建筑機械化，2015，36（01）：41-43.

作者簡介：董必成（1989-），男，安徽六安人，工程師，碩士研究生，研究方向為工程機械電子控制系統。