電液比例挖掘機閉環控制技術思考

曹東輝，師建鵬，石向星，王澤鋒，訚順寬

(三一重機有限公司，江蘇 蘇州 215300)

引言

隨著我國經濟實力的提高和國家基礎建設需求的飛速增長，工程機械行業得到了迅速發展。液壓挖掘機作為功能典型、結構復雜、適應性高的工程機械之一，廣泛應用于基礎設施建設、礦山開采、國防建設、水利工程等多個領域。經過數十年的發展，我國已成為世界上最大的挖掘機生產國和消費國，目前全國挖掘機保有量約150萬臺，2019年國內挖掘機銷量超過20萬臺。

現有的挖掘機大多采用液控系統的開環控制方式，操作者通過手柄開環控制各執行器的運行速度，通過操作者目測或經驗實現閉環控制，操作難度大，作業效率低，對操作者的經驗依賴性強。隨著施工作業質量要求的不斷提高、人工成本的迅速上升、自動化和智能化的發展趨勢以及國家發展計劃“中國制造 2025”的鼓勵，目前的人工開環操作方式已難以滿足更多的施工作業要求和智能化的發展趨勢[1]。

實現挖掘機的智能化目標較為長遠，目前差距還很大，只能循序漸進。首先必須實現的是挖掘機工作裝置的閉環控制。由于挖掘機工況惡劣，沖擊振動大，長久以來，位移傳感器和角度傳感器的可靠性無法滿足要求，限制了挖掘機閉環控制的發展。隨著傾角傳感器性能的提高，實現挖掘機閉環控制成為可能，越來越多的企業和高校投入到挖掘機的閉環控制的研究中。

雖然電液比例閉環控制的理論已相當成熟并且已經有很多工程應用，但卻仍未在挖掘機上得到應用。因此，針對電液比例挖掘機閉環控制的問題，從挖掘機的工況特點及與其他行業的不同點出發，結合挖掘機電液控制系統的特性，深入分析挖掘機閉環控制的難點和原因，介紹目前挖掘機閉環控制相關技術的發展現狀，最后闡述挖掘機未來的發展趨勢。

1 挖掘機的工況特點

挖掘機作為典型的土方機械，相對于其他行業，有以下幾個顯著的特點。

1.1 工作環境惡劣，工作強度大

相對于機床、汽車等行業，挖掘機的工作環境惡劣，建筑工地、露天礦山、隧道、高溫極寒等場地，還包括一些危險環境作業，如地震、塌方、山體滑坡、化工爆炸等。挖掘機每天的工作時長一般在16 h以上，作業過程中，會產生大幅高頻的振動和沖擊，同時會產生巨大的噪聲和塵土，液壓節流也會產生大量的熱量，使機器溫度升高。惡劣的工作環境和超高的工作強度，對操作人員的承受能力、機器本身的穩定性以及元器件的可靠性都提出了更高的要求。

1.2 工況復雜，精細化施工增多

挖掘機的工況較為復雜多變，負載可能為礦石、沙土、散料、凍土，作業任務包括不同回轉角度的裝車、甩方、挖溝、平地、修坡等。隨著工程作業質量要求的不斷提高，精細化施工作業越來越多，如修建機場、高速路、水下河床整平等工程，作業面積大，要求精度高，對操作人員的經驗和熟練度有了更高的要求。

1.3 操作難度大，對經驗依賴性強

挖掘機具有2個雙十字操作手柄和2個可前后行走的腳踏，整機具有6個相互獨立的自由度，存在12種單動作和714種復合動作。對于平地、修坡等難度較大的工況，通常需要有豐富操作經驗的操作手才能完成。表1所示為不同水平操作手可完成工作及培養時間。

表1 不同水平操作手可完成工作及所需培養時間

由于挖掘機特有的工況特點，使得挖掘機自動控制的需求愈加強烈，同時也使得挖掘機的閉環控制相對于其他行業具有更高的要求，更大的難度和挑戰。

2 挖掘機系統分析

2.1 挖掘機電液控制系統分析

挖掘機是一種典型的單動力源多執行器控制系統。復合動作時，單個液壓泵需要同時給多個執行器提供液壓油，不同執行器之間存在復雜的流量耦合關系。復合動作時，不同執行器的流量分配比例由各腔的壓力以及主閥的開口關系共同決定。圖1所示為挖掘機電液控制系統組成原理。

圖1 挖掘機電液控制系統組成原理

圖2所示為挖掘機復雜的流量耦合關系。對于液控多路閥，設置多個液控優先閥，調節復合動作時兩執行器的流量分配，以盡可能滿足典型工況時復合動作的協調性。對于電液多路閥，取消了優先閥，通過控制閥口的開度實現流量分配，改變1個閥芯的開度不只會改變當前執行器的速度，同時會影響其他執行器的流量。因此，整個系統不僅僅是3個閥控液壓缸系統的疊加，而是存在復雜的流量耦合關系。

圖2 挖掘機復雜的流量耦合關系

2.2 工作裝置運動學分析

挖掘機作業時，動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸和回轉馬達各自繞關節轉動，挖掘機可視為四自由度串聯機器人，其位姿由各個連桿之間的角度共同決定。圖3所示為工作裝置連桿坐標系簡圖。

圖3 工作裝置連桿坐標系簡圖

鏟斗齒尖的坐標位置為O4[x4,y4,z4]，坐標系Oi[xi,yi,zi]與坐標系Oi-1[xi-1,yi-1,zi-1]的坐標變換為：

(1)

故基坐標到鏟斗齒尖的坐標轉換0T11T22T33T4為

(2)

其中

si=sinθi;sij=sin(θi+θj);sijk=sin(θi+θj+θk)

ci=cosθi;cij=cos(θi+θj);cijk=cos(θi+θj+θk)

假設坐標系O4內鏟斗齒尖的位置坐標為[0,0,0,1]，則可得到鏟斗齒尖在坐標系O0內的坐標：

(3)

因在挖掘過程中回轉關節保持不變，則鏟斗位姿向量為[x,y,z,φ]T，因此可得到關節空間到位姿空間的映射為：

(4)

因此，挖掘機是一個具有多執行器動態流量耦合和多體動力學耦合和的系統，會在一定程度上影響各執行器的控制性能。圖4所示為電液比例挖掘機閉環控制系統原理。

圖4 電液比例挖掘機閉環控制系統原理

2.3 強非線性

目前的挖掘機廣泛采用的是成本低、可靠性高的多路比例換向閥，為了保證挖掘機在手柄微調時的精細化作業和正常操作時的快速作業，閥口通常設計為不同形式的非線性特性，且受液壓系統的飽和、泄漏、摩擦力、溫度變化及液動力等因素的影響，挖掘機電液控制系統具有強的非線性特性。圖5所示為川崎KMX32NA多路閥閥芯非線性開口特性,開口面積A，閥芯位移x。

圖5 川崎KMX32NA多路閥閥芯非線性開口特性

3 挖掘機閉環控制關鍵技術及難點

對于挖掘機這種強非線性、強耦合性、參數不確定、負載復雜多變的系統，若要實現電液閉環控制并將其推廣應用，需要克服幾個關鍵技術難點。

3.1 軌跡跟蹤控制算法

目前針對挖掘機軌跡控制算法的研究，主要涉及PID算法、非線性控制算法和智能控制算法[6-11]。

1) PID算法

PID是發展最早而且應用最廣的控制策略之一，算法簡單，易于實現，魯棒性好，可靠性高。在線性系統、參數變化小、負載干擾小的電液伺服系統中得到了廣泛的應用。但是，挖掘機電液比例控制系統具有復雜非線性、負載干擾強烈、時變不確定性的特點，僅采用常規的PID控制算法難以達到較好的動態響應和控制精度。

2) 非線性控制算法

非線性控制方法對于非線性、參數變化及外部不確定擾動的系統具有較好的控制性能，已經廣泛應用于液壓控制系統領域。用于機器關節運動控制較為典型的有滑?？刂评碚摚ㄟ^滑模面的定義以及滑膜控制器的設計，使得系統從初始狀態逐漸收斂于滑模面，并在控制項的作用下不再離開。為改善系統參數不確定性的影響，可結合自適應控制算法，通過在線學習的方式更新不確定參數的估計值，不斷調整控制規律，保證系統的控制誤差漸進收斂。還可以結合魯棒性控制，以提高系統的瞬態響應速度以及存在外干擾時的魯棒性，并通過設計自適應控制項以保證穩態誤差漸進收斂。雖然非線性控制方法的控制效果較好，但是需要提前測定系統及相關原件的特性，并對無法測定的參數進行離線或在線辨識，測定時間長，耗時耗力?？刂葡到y本身與控制器設計過程均較為復雜，難以滿足挖掘機控制的實時性要求，且控制系統可靠性無法保障，較難在實際的產品中得到廣泛應用。

3) 智能控制算法

目前應用于機器關節運動控制的智能算法主要有模糊控制和神經網絡控制算法。模糊控制算法的重點在于模糊系統的建立，可以避免推導和建立精確的數學模型，對于簡單的非線性電液控制系統，可通過模糊控制系統實現較好的結果。但是，對于挖掘機電液控制如此復雜多變的系統，模糊規則的建立難度非常大，很難找到可靠的建模依據并制定合理且全面的模糊規則，控制效果很難達到理想的狀態。

神經網絡方法是模擬人體神經元的學習過程，常用于模式識別或模型預測中，可避免數學模型和控制規則的建立。但是神經網絡需要大量的數據進行離線或在線學習，對神經網絡模型進行訓練，若訓練數據量少，則模型的準確性不足，若想提高模型準確性，必須使用大量的數據進行訓練，龐大的計算量又無法滿足挖掘機電液控制的實時性要求。此外，神經網絡本身具有穩定性不足的缺點，即使訓練的次數再多，神經網絡也無法保證每次輸出指令的正確性，錯誤的指令可能導致事故的發生，這對于挖掘機這種容錯性特別低的系統而言是不可行的。

3.2 液壓元件的性能

1) 主閥的響應性及控制精度

多路閥作為液壓挖掘機的核心控制元件，對整個機器的工作性能有著至關重要的作用。市場上現有的挖掘機采用的多為成本低廉的液控多路閥，響應速度慢，控制精度低，難以滿足閉環控制時的響應要求。在一些研究中，通過對控制算法的研究，得到了較好的軌跡跟蹤結果，但試驗時多采用響應速度快，控制精度高的比例閥或伺服閥，這種閥的成本較高，在工程實際中難以得到廣泛的應用。表2所示為不同控制閥的特性及成本對比。

表2 不同控制閥的特性及成本對比

如何解決主閥的響應性和成本之間的矛盾，是實現挖掘機閉環控制并推廣應用的難點之一。一方面，可以通過改善閥的結構或研究控制算法等方式，提高多路閥的響應性和控制精度；另一方面可以研究如何降低比例閥或伺服閥的成本，達到可以工程應用的程度。

2) 先導減壓閥的滯環特性

挖掘機現有的先導減壓閥存在較明顯的滯環特性，造成滯環的主要因素是閥芯在運動過程中，閥芯與閥體間摩擦方向變化，而使得作用在閥芯上的合力發生變化產生。圖6所示為先導減壓閥的滯環特性,輸入電壓Ui，輸出壓力po。

圖6 先導減壓閥滯環特性

先導減壓閥作為信號的輸入級，滯環所帶來的影響會在控制元件和執行元件被放大，增加了系統的非線性特性，降低系統操作穩定性和重復性，使得閉環控制特性和精度受到影響。因此，若要實現電液比例挖掘機閉環控制，必須采用有效的方法減弱減壓閥的滯環特性，或開發相應的補償控制算法補償滯環所帶來的影響。

3.3 負載特性的影響

挖掘機進行挖掘時，可分為鏟斗挖掘、斗桿挖掘和復合挖掘，無論哪種工況，鏟斗都會受到復雜且時變的挖掘阻力，并且挖掘阻力因土壤類型、地形、溫度、挖掘姿態等有較大的差異[12]。挖掘機的外載荷是一種典型的隨機載荷，但也具備一定的分布規律，可通過統計計數的方法，統計分析后得到載荷大小與頻數之間關系的載荷譜。但載荷譜的獲取需要極大的統計數據量，耗費巨大的時間、人力和物力，難度較大。目前的研究中，大多采用空載工況或者理想負載工況開展研究，由于負載特性對控制特性的干擾和影響作用很大，故難以充分驗證控制系統的穩定性和抗負載干擾性能，需研發相應的控制算法對負載進行自適應或者減小負載的影響。

4 相關技術發展現狀

目前，國外的卡特、小松公司，國內的三一重機、徐工、浙江大學、哈爾濱工業大學、中南大學、太原理工大學等均對挖掘機的閉環控制開展研究。

浙江大學設計了一種基于滑模變結構的挖掘機器人電液伺服控制系統，并制定了抗流量飽和控制策略，通過仿真和試驗的方式對不同控制策略的軌跡跟蹤結果進行了研究[13]。圖7所示為抗流量飽和流量匹配控制框圖。

圖7 抗流量飽和流量匹配控制框圖

哈爾濱工業大學采用模糊PID和模糊自適應控制策略，如圖8所示，在模擬負載的環境下，通過仿真和試驗對挖掘機工作裝置運動軌跡的控制方法進行研究[14]。

圖8 模型參考自適應控制系統結構框圖

中南大學運用多種尋優算法對設定的挖掘任務依次進行任務分解、路徑規劃和軌跡規劃，生成工作裝置各關節運動所對應的軌跡序列。并運用多變量PID神經網絡(MPIDNN)解耦控制算法較好的解決了挖掘機液壓系統中存在的非線性和強耦合問題，實現了自主挖掘軌跡的跟蹤控制[15]。圖9所示為基于多變量PID神經網絡的自主挖掘控制系統。

圖9 基于多變量PID神經網絡的自主挖掘控制系統

太原理工大學基于負載口獨立控制系統，采用泵閥協同與速度位置復合控制策略，通過仿真設計控制器參數，控制工作裝置和回轉機構實現軌跡跟蹤控制，并在試驗樣機上進行了試驗研究[16-17]。

圖10 負載口獨立系統速度位置復合控制策略圖

這些高校對挖掘機閉環軌跡控制開展了相關研究并取得了一定的成果，但是以上研究大多仍處于試驗樣機階段，未能很好的解決挖掘機實際負載問題，且未研制出較為成型的產品。

目前，推出過成型產品的有國內外的幾家大型挖掘機主機廠。

日本小松公司早在2013年德國慕尼黑展會上展示了首款智能挖掘機PC210LCi-10，以ICT中的IMC(Intelligent Machine Control)技術為核心，配備了GNSS天線，IMU+(慣性測量單元)，行程感應缸和控制器等，GNSS用于確定機器的坐標和高程、動臂、斗桿和鏟斗液壓缸內部的行程傳感器，用于精確測量液壓缸行程以及速度，IMU+能夠檢測挖機的姿勢，保證坡道工作更加精確。

2017年3月的美國拉斯維加斯國際工程機械展上，小松基于PC210LCi-10的技術，又開發了新一代的PC210LCi-11智能挖掘機、36 t級的PC360LCi-11和48 t 級的PC490LCi-11，走在了智能化挖掘機技術的前沿。

圖11 小松首款智能挖掘機PC210LCi-10

圖12 2017年拉展小松PC360LCi-11挖掘機

2017年北京BASIC展會，美國卡特彼勒公司推出新一代的CAT320和CAT323智能機，標配和2D坡度控制系統，能夠幫助操作手快速、精準地實現坡度作業目標，幫助引導整平作業，包括：深度、坡度、平距等施工指標。標準的2D坡度控制系統，可以根據客戶需求輕松升級為高級2D坡度控制系統或3D坡度控制系統。

圖13 卡特彼勒CAT323智能挖掘機

國內對挖掘機閉環控制研發比較典型的是三一重機有限公司。三一重機與中航工業集團西安飛行自動控制研究所合作開發的SY365智能挖掘機，采用了飛行自控所自主研制的直接驅動閥技術(Direct Drive Valve，DDV)，實現閥芯位移閉環控制，大大地提高了主閥的響應速度和控制精度，構成挖掘機作業軌跡雙閉環控制系統，并結合粒子群優化算法，解決了挖掘機非線性、強耦合和遲滯等問題[18]，控制精度達到厘米級。圖14所示為基于DDV技術的挖掘機雙閉環控制原理。2018年上海Bauma展會上，該SY365智能機展示了遠程遙控、自主路徑、自主挖溝、一鍵平地等功能，獲得了行業內的廣泛關注。

圖14 基于DDV技術的挖掘機雙閉環控制原理

圖15 2018年上海Bauma展會三一展示SY365智能機

5 發展趨勢

總之，目前的人工開環控制方式的液壓挖掘機已無法適應行業的發展趨勢和市場的需求，實現挖掘機的閉環控制是必然趨勢。挖掘機的閉環控制會經歷不同的發展階段。

(1) 人工輔助閉環控制：通過操作員設置目標軌跡，比如較為典型的平地軌跡、斜坡軌跡等，駕駛員通過操作單個手柄，控制動臂、斗桿、鏟斗同時運動，使鏟斗齒尖按照設定軌跡，達到一鍵平地、一鍵修坡的功能。目前卡特、小松、三一重機等公司都已在展會上展示其研發成果；

(2) 半自動學習閉環控制：通過不斷記錄復合動作的軌跡，如90°裝車、甩方等，結合學習算法，針對不同工況自主生成相應的目標軌跡，駕駛員通過簡單操作，即可控制動臂、斗桿、鏟斗和回轉裝置按照目標軌跡運行，達到一鍵裝車，一鍵甩方的功能。對于重復性高的工況，該模式可實現更高的工作效率和工作質量；

(3) 完全自主閉環控制：此階段需要結合其他設備，如攝像頭、無人機等，實時監測地形地貌及挖掘變化情況，并進行在線軌跡規劃運算，將生成的目標軌跡傳輸至挖掘機，控制挖掘機實現自主挖掘，達到無人化的完全自主閉環控制。

6 結論

隨著各行業自動化和智能化的不斷發展，挖掘機的智能化是必然趨勢。而實現挖掘機的閉環控制并推廣應用是目前行業的難題，也是實現智能挖掘機的必經之路和必要前提。一方面，需針對挖掘機強非線性、強耦合性、參數不確定、負載復雜多變等特性，加強對軌跡控制算法的研究和應用。另一方面，需加大對主閥、先導閥、傳感器等核心部件的研發和投入，改善其可靠性、響應、精度等特性，同時降低產品成本，才能得到更廣泛的工程應用，為挖掘機閉環控制提供硬件基礎。