朱耿寅,朱 濤,謝 廣,姜友山，吳岳嶺

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

目前，傳統(tǒng)的輪式工程機(jī)械，例如壓路機(jī)、平地機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等行走轉(zhuǎn)向都使用轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向泵的高壓油經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向器進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸來(lái)控制轉(zhuǎn)向油缸活塞的伸縮，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，一般轉(zhuǎn)向器控制精度低，在實(shí)際操作中一部分高壓油溢流回油箱，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)能量的浪費(fèi)。

隨著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的更新?lián)Q代又推出了一系列新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，機(jī)械反饋隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、同軸流量放大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，這種技術(shù)雖然在一定條件下降低了能耗，但是沒(méi)有從本質(zhì)上解決問(wèn)題。

1 數(shù)字轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)分析

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)、和傳感器技術(shù)等高新技術(shù)相結(jié)合，傳統(tǒng)輪式行走工程機(jī)械轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)正向線控?cái)?shù)字化方向發(fā)展。

圖1 是一種數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)方向盤，其下裝有角度傳感器，可以精確地檢測(cè)方向盤轉(zhuǎn)角，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向力及轉(zhuǎn)角經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)傳遞后到達(dá)力反饋電機(jī)，力反饋電機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)入控制器，控制器輸出數(shù)字信號(hào)并將數(shù)字信號(hào)傳遞給數(shù)字換向閥上的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥口的開閉及大小控制；同時(shí)轉(zhuǎn)向泵打出的高壓油經(jīng)過(guò)閥口進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸，為保證整個(gè)液壓系統(tǒng)的安全，設(shè)計(jì)了溢流閥，為保證整個(gè)液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向壓力值且使數(shù)字方向流量閥進(jìn)出口壓差為常數(shù)，保證轉(zhuǎn)向速度穩(wěn)定，同時(shí)還可以減少管路壓力損失設(shè)計(jì)了定壓差閥壓力補(bǔ)償裝置。此時(shí)，轉(zhuǎn)向缸的伸縮完成轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向油缸活塞上的位移傳感器及油缸進(jìn)出油口的壓力傳感器，實(shí)時(shí)的檢測(cè)活塞的位移及系統(tǒng)壓力并經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器后反饋給控制器，這時(shí)方向盤的輸入信號(hào)與轉(zhuǎn)向油缸的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，形成了一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的精確控制。

圖1 數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

2 數(shù)字線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的PID 控制由于原理簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)而被廣泛用于工程機(jī)械控制系統(tǒng)上，但是傳統(tǒng)的PID 控制存在缺陷，控制精度低，抗干擾能力差，整定參數(shù)后系統(tǒng)參數(shù)是固定不變的；而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，工程設(shè)備都視為高階控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的參數(shù)是隨著時(shí)間和周圍環(huán)境時(shí)刻變化的，被控參數(shù)存在著隨機(jī)性和偶然性。而模糊自適應(yīng)PID 控制在傳統(tǒng)PID 控制上，以誤差e及誤差變化率ec作為輸入，再利用設(shè)定好的模糊規(guī)則進(jìn)行分析及推理計(jì)算，比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)會(huì)根據(jù)外界環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整，來(lái)滿足不同狀態(tài)下的誤差e及誤差變化率ec對(duì)PID 參數(shù)自整定的要求，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)可以是系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜特性，其控制原理如圖2所示。

圖2 模糊自適應(yīng)整定PID控制器原理圖

自適應(yīng)模糊控制在建模時(shí)，可利用模糊集合理論同時(shí)建立比例參數(shù)Kp、微分參數(shù)Ti、積分參數(shù)Td與誤差絕對(duì)值|e|和誤差變化量絕對(duì)值|ec|的關(guān)系：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在不同的情況下誤差絕對(duì)值|e|和誤差變化量絕對(duì)值|ec|對(duì)參數(shù)Kp、Ti、Td的自整定要求可以歸納為以下三點(diǎn)。

1）當(dāng)誤差絕對(duì)值|e|較大時(shí)，為了保證控制系統(tǒng)有快速跟蹤性，避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量應(yīng)，此時(shí)Kp的取值較大、Td取值較小，Ti=0。

2）當(dāng)誤差絕對(duì)值|e|中等大小時(shí)，保證系統(tǒng)有較小的超調(diào)量，Kp取值較小，Td的取值較大，Ti適中。

3）當(dāng)誤差絕對(duì)值|e|較小時(shí)，為保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)態(tài)性能，避免出現(xiàn)振蕩，Kp與Ti取值較大，Td值根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況取值。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推力和判斷，建立整定的3 個(gè)參數(shù)Kp、Ti、Td的模糊規(guī)則表并根據(jù)隸屬度和模糊控制模型，列出模糊矩陣表，將選定的修正參數(shù)代入下列公式計(jì)算

圖3 模糊PID控制參數(shù)自校定流程

3 數(shù)字轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在建立數(shù)字轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，數(shù)字液壓閥是重點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，這對(duì)整體數(shù)學(xué)模型沒(méi)有影響。

3.1 步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)角位移信號(hào)，力矩方程

式中，Tb為電機(jī)力矩，Nm；Ti為電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩，Nm；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θm為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角，°；θ為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，°。

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程

其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；B為阻尼系數(shù)，Ns/m。

步進(jìn)電機(jī)凸輪機(jī)械轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成直線位移

其中，xv為直線位移，m；e為凸輪偏心輪轉(zhuǎn)角，θ為偏心距。

3.2 壓力補(bǔ)償閥數(shù)學(xué)模型

壓力補(bǔ)償閥閥芯力平衡方程

其中，My為閥芯質(zhì)量，kg；By為阻尼系數(shù)，Ns/m；ky為彈簧剛度，N/m；xy0為彈簧初始位移，m；xy為閥芯運(yùn)動(dòng)位移，m；kys為液動(dòng)力剛度；py為進(jìn)油口壓力，Pa；pyL為控制口壓力，Pa；Ay為兩腔橫截面積，m2。

流入壓力補(bǔ)償閥的流量等于流出的流量，則流量連續(xù)性方程

其中，qy為流入壓力補(bǔ)償閥的流量，m3/s；qy1為左腔流出的流量，m3/s；qy2為從阻尼孔流出的流量，m3/s；qyt為從出口流出的油液流量，m3/s；Vy0為受控腔面積，m2；βe為體積彈性模量，Pa。

出口流量方程

其中，Cyd為流量系數(shù)；kyq為流量增益；kyc為壓力-流量系數(shù)。

3.3 減壓閥數(shù)學(xué)模型

減壓閥的閥芯力平衡方程

其中，Mj為減壓閥閥芯質(zhì)量，kg；xj為閥芯位移，m；Bj為閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼，Ns/m；kj為彈簧剛度，N/m；xj0為彈簧預(yù)壓縮量，m；pj、pjt為進(jìn)、出油口壓力，Pa；Aj為出油腔受力面積，m2；kjs為液動(dòng)力系數(shù)。

減壓閥的流量連續(xù)性方程

其中，qj為流入的流量，m3/s；qjt為流出的流量，m3/s；qj1為阻尼孔流量，m3/s；Vj0為控制腔體積，m3。

減壓閥出口流量方程

其中，Cjd為流量系數(shù)；Dj為出油口直徑，m；kjq為壓力流量增益。

3.4 數(shù)字閥主閥的數(shù)學(xué)建模

數(shù)字方向流量閥主閥芯力平衡方程

其中，M為主閥芯質(zhì)量，kg；x為主閥芯位移，m；B為主閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼，Ns/m；k為主閥彈簧剛度，N/m；x0為彈簧預(yù)壓縮量，m；ks為液動(dòng)力系數(shù)；p為進(jìn)口壓力，Pa；pL為主閥A（B）口的壓力，Pa；p1、p2為主閥左腔和右腔壓力，Pa；A1、A2為主閥左腔和右腔橫截面積，m2。

數(shù)字方向流量閥主閥流量連續(xù)性方程

其中，q為流入流量，m3/s；A為主閥腔面積，m2；V0為進(jìn)油腔體積，m3。

流入數(shù)字方向流量閥的流量

其中，kq為主閥的流量系數(shù)；kc為主閥的流量-壓力系數(shù)。

對(duì)上述公式進(jìn)行拉普拉斯變換后，可以推導(dǎo)出傳遞函數(shù)，可以對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提高了輪式工程機(jī)械的轉(zhuǎn)向精度，適用于精準(zhǔn)作業(yè)環(huán)境，同時(shí)，數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提高了泵的使用效率，合理的分配發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低了能耗，提高了輪式工程機(jī)械操縱技能；數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)暫用空間少，管路布置比較簡(jiǎn)單，使整車結(jié)構(gòu)更加緊湊，噪音小，優(yōu)化操作環(huán)境，數(shù)字式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以形成模塊化，更容易實(shí)現(xiàn)智能化操作、無(wú)人駕駛，未來(lái)數(shù)字線控轉(zhuǎn)向?qū)⑹寝D(zhuǎn)向技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)之一。