王安麟+田光偉+李曉田

摘 要：針對傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)多路閥結(jié)構(gòu)與整機(jī)性能間的耦合、液壓控制系統(tǒng)精度低帶來的整機(jī)控制不匹配問題，為實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)多路閥簡單化設(shè)計和整機(jī)控制系統(tǒng)自適應(yīng)變化，提出面對液壓挖掘機(jī)電控多路閥的控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法.界定操縱電手柄輸出為0-1數(shù)字信號，考慮整機(jī)多路閥結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計液壓挖掘機(jī)電控多路閥的變參數(shù)一階控制系統(tǒng)，提出綜合系統(tǒng)沖擊、能量利用率、跟隨性三項(xiàng)指標(biāo)作為參數(shù)整定的評價算法.通過設(shè)計電手柄控制器液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺三者銜接的半物理仿真平臺進(jìn)行試驗(yàn)，分析結(jié)果表明：控制系統(tǒng)有效，且控制器響應(yīng)的一階控制系統(tǒng)參數(shù)T、K可基于整機(jī)性能整定得出；時間常數(shù)T可由電控多路閥閥芯固有頻率和閥芯開度決定，與閥芯阻尼比相關(guān)度較小.

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；液壓挖掘機(jī)；數(shù)字化平臺；性能；時間常數(shù)

中圖分類號：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）10-0052-10

Abstract：Aimingat on the coupling between the multi-valve structure of the conventional hydraulic excavator and the machine performance，the no-matching problem of machine control generated by the low precision of hydraulic control system， a parameter turning method of control system based on electronically controlled multi-valve of hydraulic excavator was proposed to achieve simplified design of hydraulic excavator multi-valve and adaptive change of the machine control systems. The output of electrical control handles was defined as 0-1 digital signal. Considering the structural characteristics of the multi-valve，the first-order control system of variable parameters for electronically controlled multi-valve of the hydraulic excavator is designed. An evaluating algorithm of parameter tuning was put forward， combining the system shock，energy efficiency，and the following performance. By designing hardware-in-Loop simulation， which is formed of the electrical control handles， controller， performance digital platform of hydraulic excavator， it shows that the control systems are effective， and the parameter T and K of the first-order control system，which the controller responds to，can base on the machine performance to be tuned. It is also found that time constant T can be determined by the natural frequency of multi-valve spool and the valve opening，and has smaller correlation with the spool-valve damping ratio. The design method of the hydraulic excavator provides good application value for the machine multi-valve design，which is associated with the design of control and operation.

Key words：control systems； hydraulic excavator； digital platform； performance； time constant

液壓挖掘機(jī)在土方建筑機(jī)械中扮演著一個至關(guān)重要的角色，其高效作業(yè)有助于快速、節(jié)能地完成施工計劃[1].然而，液壓挖掘機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜惡劣、載荷波動劇烈，且多路閥閥芯結(jié)構(gòu)與其性能存在很大關(guān)聯(lián)，設(shè)計復(fù)雜.另外，液壓控制系統(tǒng)精度低也是影響液壓挖掘機(jī)整機(jī)控制性能的一個直觀因素.經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員通過控制手柄可以實(shí)現(xiàn)較為理想的作業(yè)，但是人為因素大，操作強(qiáng)度高，操作人員容易疲勞.因此，簡化多路閥結(jié)構(gòu)，并從設(shè)計制造到應(yīng)用全過程，設(shè)計整機(jī)性能高、操作便捷的液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)與控制策略將具有重要意義.

目前國內(nèi)外對液壓挖掘機(jī)的研究很多，其中主要包括有先進(jìn)控制策略[2-3]、混合動力[4]，以及對傳統(tǒng)元件的再設(shè)計[5].但這些研究尚存在的缺陷在于：基于發(fā)動機(jī)泵負(fù)載之間的功率匹配未考慮操作人員在操作手柄開啟或關(guān)閉過程中由多路閥帶來的動態(tài)性能影響.同時，隨著電子計算機(jī)技術(shù)和信息控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代挖掘機(jī)先導(dǎo)控制系統(tǒng)可以由電、磁等形式來完成相應(yīng)動作，避免受先導(dǎo)管路阻力的影響，提高響應(yīng)速度和控制精度.文獻(xiàn)[6-7]研究液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制技術(shù)時，設(shè)計采用電手柄控制多路閥，即由電手柄產(chǎn)生信號，通過比例放大器和系統(tǒng)回路，產(chǎn)生電磁力或液壓先導(dǎo)力作用于多路閥閥芯.其研究結(jié)果表明：采用電控技術(shù)和合適的控制策略，可以達(dá)到節(jié)能的效果.但是從操作人員發(fā)出操作指令到作用于整機(jī)過程，其中缺少優(yōu)化環(huán)節(jié)，且控制指令是模擬信號，操作量需要人掌控，必然增加了操作強(qiáng)度.因此，有必要根據(jù)液壓挖掘機(jī)整機(jī)模型特性開展控制響應(yīng)過程對系統(tǒng)性能影響的研究.

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本文用電磁比例多路閥替換傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的液控多路閥，提出面對液壓挖掘機(jī)電控多路閥的控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法.研究液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)、電控多路閥特征、整機(jī)系統(tǒng)三者之間的影響關(guān)系，期望在一定程度上為提高整機(jī)性能、以及設(shè)計模型與電控系統(tǒng)之間的自適應(yīng)性提供依據(jù).

1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化仿真

平臺

本研究主要分析液壓挖掘機(jī)工作臂和旋轉(zhuǎn)部分工作特性，鏟斗內(nèi)可以加載土壤，不考慮加載挖掘力影響.為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分析仿真，通過VB編程搭建液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺.

液壓挖掘機(jī)的工作過程呈現(xiàn)循環(huán)往復(fù)周期性特點(diǎn)，其一個工作循環(huán)的主要工況構(gòu)成為：挖掘工況 、滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況、空斗返回工況.但是不論哪種工況，分解開來主要是由液壓挖掘機(jī)4個執(zhí)行元件來完成，即鏟斗、斗桿、動臂、回轉(zhuǎn).其每一執(zhí)行元件動作都是由一個發(fā)動機(jī)、泵、管道、多路閥、執(zhí)行元件組成的系統(tǒng)回路，不同的是多路閥結(jié)構(gòu)和數(shù)量.鑒于多路主閥是實(shí)際整機(jī)工作過程中的核心元件，整機(jī)動態(tài)特性和靜態(tài)特性影響多路主閥性能與結(jié)構(gòu)[8-9].所以在本研究中，以20 t液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)為例，將原液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)的液控多路閥用電磁比例多路閥代替，閥芯驅(qū)動力為電磁力，改變輸入電流大小，從而控制多路閥開度和流量.下面就單動作鏟斗工況下鏟斗主閥結(jié)構(gòu)和流量建模進(jìn)行探究，其他工況下主閥分析建模類似于單動作鏟斗工況，在此不作闡述.

鏟斗主閥結(jié)構(gòu)和內(nèi)部液壓油路建模如圖1所示，每個閥口看作為一個節(jié)流閥.

所以，在構(gòu)建液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺中，通過試驗(yàn)標(biāo)定出閥口壓降Δp0和對應(yīng)流量Q0后，閥口流量可直接由閥口兩端的壓降和閥芯位移得出，避免流量系數(shù)Cd、開口面積f難以確定的問題，簡化了數(shù)字化平臺上構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的多路閥的過程.另外，已知鏟斗油缸的大、小腔面積，根據(jù)閥口流量Q得到鏟斗油缸的壓力變化曲線.

根據(jù)上述分析，建立其他工況下多路閥數(shù)字化模型.同時，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，建立液壓挖掘機(jī)整機(jī)系統(tǒng)其他部分，如機(jī)械部分、傳動部分，最終得到液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺，如圖2所示.

本平臺是在和國內(nèi)某公司產(chǎn)學(xué)研合作下完成，為驗(yàn)證平臺的正確性，利用AMESim軟件建立同樣的機(jī)械模型對比，其仿真模型圖見文獻(xiàn)[10]，仿真如圖3所示液壓挖掘機(jī)某一挖掘復(fù)合工況，所得對比結(jié)果如圖4所示.

文獻(xiàn)[11]和圖4可以表明，利用鍵合圖理論所構(gòu)建的液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺和AMESim結(jié)果具有一致性，實(shí)現(xiàn)了液壓挖掘機(jī)機(jī)電液大系統(tǒng)的一體化解析、優(yōu)化、仿真.誤差主要來源于AMESim模型中關(guān)節(jié)之間假定是剛性接觸，而在本研究中的關(guān)節(jié)之間采用的是一個彈簧阻尼系統(tǒng).

2 電控多路閥的控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)液壓挖掘機(jī)整機(jī)控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計液壓挖掘機(jī)電手柄控制系統(tǒng)，其電手柄輸出0-1指令信號，具體控制過程如圖5所示.

當(dāng)操作人員操作電手柄時，液壓挖掘機(jī)控制器得到操作者需要操作某一執(zhí)行元件的信號.理論上，液壓挖掘機(jī)從開始位置到理想響應(yīng)位置需要一個時間過程，但是時間T對系統(tǒng)的性能有一定的影響.若T過小，將會對系統(tǒng)執(zhí)行元件造成沖擊；而T過大，系統(tǒng)達(dá)到理想響應(yīng)時間過程過長，影響作業(yè)效率.另一方面，時間T對系統(tǒng)執(zhí)行元件獲能也存在影響.因此，擬設(shè)計一階液壓挖掘機(jī)控制器，其控制函數(shù)G（s）為：

式中：T0，K分別為控制系統(tǒng)時間常數(shù)和穩(wěn)態(tài)值.

鑒于控制器輸出響應(yīng)信號直接作用于整機(jī)電控多路閥，且多路閥為整機(jī)核心元件，故本研究主要探討液壓挖掘機(jī)電控多路閥特征與控制系統(tǒng)的關(guān)系.液壓挖掘機(jī)控制器在得到操作人員操作指令后，結(jié)合當(dāng)前液壓挖掘機(jī)電控多路閥特征，合理優(yōu)化時間常數(shù)T0，使之合理過渡達(dá)到穩(wěn)態(tài)值K，從而使系統(tǒng)性能較優(yōu).另一方面，為降低操作人員勞動強(qiáng)度，所設(shè)計的控制系統(tǒng)從兩個方面出發(fā)考慮：一是穩(wěn)態(tài)值K設(shè)置為多路閥閥芯開度x0；二是手柄輸入為0-1數(shù)字指令信號，即1代表某執(zhí)行元件動作，0代表液壓挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)不動作.此時，操作人員只需要發(fā)送操作指令即可，而不需要操縱控制量.而控制系統(tǒng)的時間常數(shù)T0可由控制器根據(jù)后續(xù)評價指標(biāo)整定得到.

根據(jù)單位一階信號特征[12]，系統(tǒng)過渡響應(yīng)時間一般取T=4T0，即時間常數(shù)T0和系統(tǒng)響應(yīng)時間T成比例關(guān)系.為形象直觀化，后續(xù)論述控制系統(tǒng)的時間常數(shù)采用響應(yīng)時間T表征，所得結(jié)果實(shí)質(zhì)上只取1/4大小.

3 電控多路閥系統(tǒng)的設(shè)計評價

在液壓整機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)沖擊、能量利用率、跟隨性常作為評價指標(biāo)，所以在本研究中，綜合選取上述3個系統(tǒng)響應(yīng)量作為液壓挖掘機(jī)性能評價指標(biāo)，結(jié)合整機(jī)電控多路閥特性進(jìn)行半物理仿真分析，整定得到控制器控制系統(tǒng)的時間常數(shù)T.

3.1 系統(tǒng)沖擊

液壓挖掘機(jī)主要有4個執(zhí)行油缸和1個旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，為了簡化分析，在本研究中探討的是時間常數(shù)T變化時的單動作工況.設(shè)系統(tǒng)沖擊量PT1（t），PT2（t）分別表示當(dāng)控制響應(yīng)時間常數(shù)為T時，執(zhí)行油缸大、小腔的壓力隨時間t的變化曲線，或液壓馬達(dá)進(jìn)、出口的壓力隨時間t的變化曲線.

基于上述液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺，設(shè)定液壓挖掘機(jī)初始狀態(tài)相同，然后在某一范圍內(nèi)改變控制系統(tǒng)響應(yīng)時間常數(shù)T進(jìn)行仿真，比較壓力在相鄰時間常數(shù)T和相鄰運(yùn)行時間t的變化率，即可分別表示為PT1（t）T，PT2（t）T，PT1（t）t和PT2（t）t.

3.2 能量利用率

在液壓挖掘機(jī)中，首先是發(fā)動機(jī)帶動泵工作，將能量從機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能形式，經(jīng)過液壓系統(tǒng)中的泵、管道、控制閥，最終到達(dá)執(zhí)行元件，能量又從液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能形式.整個過程將會存在能量損耗，如泵的機(jī)械效率、容積效率、管道阻尼剛度效率、閥口效應(yīng).

定義：A，B，C和D分別表示單動作鏟斗工況、單動作斗桿工況、單動作動臂工況、單動作回轉(zhuǎn)工況.則液壓挖掘機(jī)在單動作鏟斗、斗桿、動臂、回轉(zhuǎn)工況下，控制響應(yīng)時間參數(shù)為T時的鏟斗缸、斗桿缸、動臂缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)的獲能百分比可分別表示為ηTA，ηTB，ηTC和ηTD，單位為百分比.

3.3 跟隨性

控制響應(yīng)時間常數(shù)T決定整機(jī)多路閥從開啟到工作、或工作到關(guān)閉過程持續(xù)的時長以及特性，整機(jī)油缸活塞位移或者旋轉(zhuǎn)馬達(dá)角度也存在差異.在本研究中，設(shè)定相同的作業(yè)時間，控制器改變響應(yīng)時間常數(shù)T，若對位移量或角度影響較大，則顯然不滿足操作目標(biāo)要求，即“跟隨性”差.

仿真試驗(yàn)中，設(shè)STA（t），STB（t），STC（t）和θTD（t）分別表示液壓挖掘機(jī)在單動作鏟斗、斗桿、動臂、回轉(zhuǎn)工況下，當(dāng)控制響應(yīng)時間常數(shù)為T時，相應(yīng)執(zhí)行油缸活塞位移隨時間t變化曲線，或液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)角度隨時間t變化曲線，然后比較位移或角度在相鄰時間常數(shù)T的變化率.

3.4 評價算法

綜合上述3個性能評價指標(biāo)來確定響應(yīng)時間常數(shù)T，顯然其是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題.具體評價算法步驟如下：

步驟1 針對某一工況，設(shè)置時間常數(shù)T變化區(qū)間[Ti，Tj]；

步驟2 利用數(shù)字化平臺，生成系統(tǒng)評價指標(biāo)響應(yīng)曲線；

步驟3 基于跟隨性指標(biāo)，以STi（t）或θTi（t）曲線為基準(zhǔn)，求得在最大位移誤差為δ下時的時間常數(shù)T區(qū)間為[Ti，Tg]（注：仿真試驗(yàn)中設(shè)定δ=5%）；

步驟4 基于系統(tǒng)沖擊指標(biāo)，在t上求得PT1（t），PT2（t）峰值分別為{PT1（t1），PT1（t2），…}，{PT2（t1），PT2（t2），…}；然后對上述峰值曲線求取拐點(diǎn){T1，T2，T3，…}；

步驟5 基于能量利用率的原則，根據(jù)步驟3所得區(qū)間和步驟4所確定時間參數(shù)點(diǎn)附近，求取ηT最大點(diǎn)Tk，即Tk為液壓挖掘機(jī)最優(yōu)控制響應(yīng)時間常數(shù).

4 電控多路閥控制系統(tǒng)的仿真與其參

數(shù)整定

4.1 仿真參數(shù)設(shè)定

根據(jù)上述分析，基于液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺搭建半物理仿真試驗(yàn)平臺，對某一型號液壓挖掘機(jī)進(jìn)行仿真分析，其有關(guān)主要參數(shù)如表1所示.且設(shè)定仿真時間為18 s，發(fā)動機(jī)設(shè)定工作在H檔，整機(jī)為負(fù)流量控制系統(tǒng).

仿真試驗(yàn)分A，B，C和D 4種工況.電控多路閥閥口壓降受閥芯結(jié)構(gòu)、閥口開度等因素決定，在數(shù)字化平臺上仿真試驗(yàn)設(shè)定如表2所示.滑閥閥芯固有頻率為40 Hz，閥芯阻尼比為1，閥芯開度x0為1 cm.

4.2 仿真結(jié)果

當(dāng)操作人員操作電手柄，向控制器發(fā)出指令信號后，控制器根據(jù)電控多路閥特性確定響應(yīng)時間常數(shù)T.其仿真設(shè)定工況如圖6所示，即設(shè)定工作時間持續(xù)3 s，響應(yīng)時間Ti（i取1，2，3，4）由液壓挖掘機(jī)控制器調(diào)節(jié)控制.

本文中探究T1，T2，T3和T4變化一致時的控制系統(tǒng)，其仿真系統(tǒng)原理圖如圖7所示.結(jié)合第2節(jié)分析，考慮T在[0.05，2.00]范圍內(nèi)變化，且每次仿真時間常數(shù)T的增量ΔT為0.05 s，按如下試驗(yàn)步驟進(jìn)行仿真：

步驟1 初始化.包括仿真工況設(shè)定、整機(jī)模型狀態(tài)和電控多路閥參數(shù)，使得當(dāng)操作電手柄發(fā)出0-1信號時，控制器可根據(jù)初始化條件識別A，B，C，D電控多路閥控制系統(tǒng).

步驟2 控制器控制參數(shù)設(shè)定.設(shè)定電控多路閥控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)時間常數(shù)T為0.05 s，穩(wěn)定值K為閥芯開度x0

步驟3 啟動仿真.完成該次仿真，并記錄保存各評價指標(biāo)的結(jié)果.

步驟4 更新控制環(huán)節(jié)參數(shù).即改變時間參數(shù)T為0.05+n×ΔT，其n為仿真次數(shù).

步驟5 仿真判定.保持仿真工況設(shè)定不變，初始化整機(jī)模型，若T不大于2 s，則返回步驟3，繼續(xù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)；若T大于2 s，則終止仿真試驗(yàn).

步驟6 基于上述多次仿真試驗(yàn)得到的結(jié)果，按給定評價算法，可整定得到A，B，C，D電控多路閥控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制響應(yīng)時間常數(shù)Tk.

其仿真結(jié)果如圖8～11所示，根據(jù)評價算法計算得出A，B，C，D 4種工況下的時間常數(shù)最優(yōu)值分別為1.05 s，0.95 s，0.9 s，0.95 s.對比圖8～11可以看出：A工況下，當(dāng)T=1.05 s時，鏟斗缸獲能百分比最高，此時鏟斗缸大、小腔壓力變化較優(yōu)，而鏟斗活塞位移相對T變化不大，跟隨性滿足要求.同理于B工況下，當(dāng)T=0.95 s時，液壓挖掘機(jī)性能最優(yōu).C工況下，動臂缸獲能百分比、動臂缸大腔壓力變化、以及動臂活塞位移相對T變化都不大，但在T=0.9 s時，動臂缸小腔壓力變化較優(yōu).而對于D工況下，回轉(zhuǎn)角度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)獲能隨T的增大而增大，為保證跟隨性，T取0.95 s較優(yōu).

改變多路閥閥芯主要參數(shù)，即閥芯開度、阻尼比，以及固有頻率，再次仿真分析，可得到此時系統(tǒng)對應(yīng)的整機(jī)最優(yōu)響應(yīng)時間常數(shù)如表3～表5所示.

由表3～表5仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：整機(jī)系統(tǒng)中的電控多路閥其閥芯阻尼比與控制器響應(yīng)時間常數(shù)相關(guān)度較小，主要是閥芯開度和閥芯固有頻率會影響控制器響應(yīng)時間常數(shù)確定；另一方面，改變閥芯開度和閥芯固有頻率，控制器輸出響應(yīng)時間常數(shù)呈規(guī)律性變化.

因此，面向液壓挖掘機(jī)電控多路閥的控制系統(tǒng)可以在一定程度上解決液壓挖掘機(jī)從整機(jī)機(jī)械設(shè)計到電控系統(tǒng)設(shè)計過程中的參數(shù)整定問題，弱化多路閥與整機(jī)性能的耦合，改善操作人員操作強(qiáng)度，提高整機(jī)匹配性能.

5 結(jié) 論

1）針對當(dāng)前液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)存在操作強(qiáng)度大、多路閥結(jié)構(gòu)耦合等問題，實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)多路閥簡單化設(shè)計和整機(jī)控制系統(tǒng)自適應(yīng)變化，本研究采用電手柄與電磁比例多路閥，提出了面向液壓挖掘機(jī)電控多路閥的控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法.并利用基于液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能表達(dá)的數(shù)字化平臺搭建的半物理仿真試驗(yàn)證明了該方法的可行性.

2）本研究設(shè)計的控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)主要是控制器輸出一階信號的時間常數(shù)T和穩(wěn)態(tài)值K，其評價方法綜合包括系統(tǒng)沖擊、能量利用率、跟隨性.設(shè)定K等于電磁比例多路換向閥閥芯開度x0，時間常數(shù)T面向液壓挖掘機(jī)電控多路閥特性（即：閥芯固有頻率、阻尼比、閥芯開度）整定得到.仿真結(jié)果表明：時間常數(shù)T可主要由多路閥閥芯開度和閥芯固有頻率確定，且在不同工況下呈現(xiàn)規(guī)律性變化；而閥芯阻尼比與其相關(guān)度較小.

3）本文以電控多路閥液壓挖掘機(jī)的整機(jī)控制性能為研究對象，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)多路閥設(shè)計、電控操作、整機(jī)性能三者之間的一體化匹配，其研究方法與思想對同類問題具有借鑒性.

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