王安麟,田光偉,李曉田

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

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面向液壓挖掘機電控多路閥的控制系統(tǒng)參數(shù)整定

王安麟*,田光偉,李曉田

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

針對傳統(tǒng)液壓挖掘機多路閥結(jié)構(gòu)與整機性能間的耦合、液壓控制系統(tǒng)精度低帶來的整機控制不匹配問題，為實現(xiàn)液壓挖掘機多路閥簡單化設(shè)計和整機控制系統(tǒng)自適應(yīng)變化，提出面對液壓挖掘機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，考慮整機多路閥結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計液壓挖掘機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、跟隨性三項指標作為參數(shù)整定的評價算法.通過設(shè)計電手柄-控制器-液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化平臺三者銜接的半物理仿真平臺進行試驗，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.

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

液壓挖掘機在土方建筑機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整機控制性能的一個直觀因素.經(jīng)驗豐富的操作人員通過控制手柄可以實現(xiàn)較為理想的作業(yè)，但是人為因素大，操作強度高，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)計整機性能高、操作便捷的液壓挖掘機系統(tǒng)與控制策略將具有重要意義.目前國內(nèi)外對液壓挖掘機的研究很多，其中主要包括有先進控制策略[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-泵-負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，隨著電子計算機技術(shù)和信息控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代挖掘機先導(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[6-7]研究液壓挖掘機節(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，必然增加了操作強度.因此，有必要根據(jù)液壓挖掘機整機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.研究液壓挖掘機控制系統(tǒng)的控制參數(shù)、電控多路閥特征、整機系統(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 液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化仿真平臺

本研究主要分析液壓挖掘機工作臂和旋轉(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.為了實現(xiàn)數(shù)字化分析仿真，通過VB編程搭建液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化平臺.

液壓挖掘機的工作過程呈現(xiàn)循環(huán)往復(fù)周期性特點，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、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.鑒于多路主閥是實際整機工作過程中的核心元件，整機動態(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液壓挖掘機系統(tǒng)為例，將原液壓挖掘機系統(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.

圖1 鏟斗主閥建模示意圖

根據(jù)節(jié)流口處的壓力-流量方程，可以得出多路閥各閥口處的流量方程，如QP-A表示為式(1)，其他各閥口處的流量方程同理：

(1)式中:QP-A為P口到A口的液壓油流量； PP為多路閥P口壓力；PA為多路閥A口壓力；Cd為流量系數(shù)；ρ為液壓油密度；f為相應(yīng)閥口間的開口面積.

基于上述分析，將節(jié)流閥閥口兩端的壓差定義為閥口壓降Δp0，Bar；同時標定壓降對應(yīng)的流量為Q0，L/min；f0為相應(yīng)閥口全開時的開口面積；x0為閥芯開度.則有：

(2)

理論上，流量系數(shù)Cd由節(jié)流口形狀、流體狀態(tài)、流體性質(zhì)等因素決定，開口面積f與閥芯形狀有關(guān)，一般難以確定，需由試驗得出.

當(dāng)鏟斗主閥為滑閥時，開口面積Q與閥芯開度成正比.則由式(2)可推導(dǎo)出閥口位移變化時的流量Q與壓降之間的關(guān)系為

(3)

所以，在構(gòu)建液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化平臺中，通過試驗標定出閥口壓降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[7]，建立液壓挖掘機整機系統(tǒng)其他部分，如機械部分、傳動部分，最終得到液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化平臺，如圖2所示.

圖2 液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化平臺

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

圖3 仿真的動作工況

寬度/m

文獻[11]和圖4可以表明，利用鍵合圖理論所構(gòu)建的液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化平臺和AMESim結(jié)果具有一致性，實現(xiàn)了液壓挖掘機機電液大系統(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)液壓挖掘機整機控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計液壓挖掘機電手柄控制系統(tǒng)，其電手柄輸出0-1指令信號，具體控制過程如圖5所示.

圖5 面向液壓挖掘機電控多路閥的控制系統(tǒng)

當(dāng)操作人員操作電手柄時，液壓挖掘機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)計一階液壓挖掘機控制器，其控制函數(shù)G(s)為：

(4)

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電控多路閥，且多路閥為整機核心元件，故本研究主要探討液壓挖掘機電控多路閥特征與控制系統(tǒng)的關(guān)系.液壓挖掘機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代表液壓挖掘機工作機構(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

在液壓整機系統(tǒng)中，系統(tǒng)沖擊、能量利用率、跟隨性常作為評價指標，所以在本研究中，綜合選取上述3個系統(tǒng)響應(yīng)量作為液壓挖掘機性能評價指標，結(jié)合整機電控多路閥特性進行半物理仿真分析，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

3.2 能量利用率

3.3 跟隨性

控制響應(yīng)時間常數(shù)T決定整機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，整機油缸活塞位移或者旋轉(zhuǎn)馬達角度也存在差異.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要求，即“跟隨性”差.

3.4 評價算法

綜合上述3個性能評價指標來確定響應(yīng)時間常數(shù)T，顯然其是一個多目標優(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)評價指標響應(yīng)曲線；

步驟3 基于跟隨性指標，以STi(t)或θTi(t)曲線為基準，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：仿真試驗中設(shè)定δ=5%)；

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)點附近，求取ηT最大點Tk，即Tk為液壓挖掘機最優(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，基于液壓挖掘機整機性能表達的數(shù)字化平臺搭建半物理仿真試驗平臺，對某一型號液壓挖掘機進行仿真分析，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)動機設(shè)定工作在H檔，整機為負流量控制系統(tǒng).

仿真試驗分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.

表1 某一型號液壓挖掘機主要參數(shù)

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)由液壓挖掘機控制器調(diào)節(jié)控制.

圖6 仿真工況設(shè)定

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，按如下試驗步驟進行仿真：

步驟1 初始化.包括仿真工況設(shè)定、整機模型狀態(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，初始化整機模型，若T不大于2 s，則返回步驟3，繼續(xù)進行仿真試驗；若T大于2 s，則終止仿真試驗.

步驟6 基于上述多次仿真試驗得到的結(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.

圖7 仿真系統(tǒng)原理圖

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)馬達獲能隨T的增大而增大，為保證跟隨性，T取0.95 s較優(yōu).

表2 多路閥閥口壓降

圖8 A工況下時間常數(shù)T變化時系統(tǒng)性能

圖9 B工況下時間常數(shù)T變化時系統(tǒng)性能

圖10 C工況下時間常數(shù)T變化時系統(tǒng)性能

圖11 D工況下時間常數(shù)T變化時系統(tǒng)性能

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)的整機最優(yōu)響應(yīng)時間常數(shù)如表3～表5所示.

表3 響應(yīng)時間常數(shù)T與閥芯阻尼比關(guān)系

表4 響應(yīng)時間常數(shù)T與閥芯開度關(guān)系

表5 響應(yīng)時間常數(shù)T與閥芯固有頻率關(guān)系

由表3～表5仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：整機系統(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從整機機械設(shè)計到電控系統(tǒng)設(shè)計過程中的參數(shù)整定問題，弱化多路閥與整機性能的耦合，改善操作人員操作強度，提高整機匹配性能.

5 結(jié) 論

1)針對當(dāng)前液壓挖掘機控制系統(tǒng)存在操作強度大、多路閥結(jié)構(gòu)耦合等問題，實現(xiàn)液壓挖掘機多路閥簡單化設(shè)計和整機控制系統(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整機性能表達的數(shù)字化平臺搭建的半物理仿真試驗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的整機控制性能為研究對象，實現(xiàn)了整機多路閥設(shè)計、電控操作、整機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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Parameter Turning of Control System Based on Electronically Controlled Multi-valve of Hydraulic Excavator

WANG An-lin?，TIAN Guang-wei，LI Xiao-tian

(College of Mechanical Engineering, Tongji Univ, Shanghai 201804, China)

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 parameterTandKof 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 constantTcan 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.

control systems; hydraulic excavator; digital platform; performance; time constant

1674-2974(2016)10-0052-10

2015-12-23

2012年重大科技成果轉(zhuǎn)化項目(財建[2012]258號)

王安麟(1954-)，男，陜西安康人，同濟大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail: wanganlin@#edu.cn

TH-39

A