陳棟，顏伏伍，杜常清

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢 430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室(武漢理工大學(xué)),湖北武漢 430070)

0 前言

液壓挖掘機(jī)是復(fù)雜的工程機(jī)械，其控制系統(tǒng)往往涉及到機(jī)械、液壓、電子等多個技術(shù)領(lǐng)域，呈現(xiàn)出高度耦合的分布式交互的特點。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的控制主要是對液壓系統(tǒng)流量的控制，目的是使主泵輸出合適的流量，并使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得所需的流量以實現(xiàn)目標(biāo)動作。

目前常用的流量控制方式有負(fù)流量控制、正流量控制和負(fù)載敏感控制，國內(nèi)挖掘機(jī)以負(fù)流量控制為主。相比于傳統(tǒng)的負(fù)流量系統(tǒng)和液控正流量系統(tǒng)，電控正流量系統(tǒng)的空流損失更小，系統(tǒng)響應(yīng)時間更短，易于實現(xiàn)“所供即所需”的控制特性，將成為未來挖掘機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向。諸多學(xué)者對此展開了深入研究：浙江大學(xué)劉劍[1]深入分析了電控正流量系統(tǒng)的主泵、主控閥和先導(dǎo)回路，并建立了相應(yīng)的系統(tǒng)模型，得到系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性，通過實車測試驗證了電控正流量系統(tǒng)響應(yīng)快、波動小以及節(jié)能性能好的特點；吉林大學(xué)韓紹斌[2]對全電控正流量系統(tǒng)的能耗損失分布進(jìn)行分析，并進(jìn)行了建模與實車驗證，驗證了模型的可行性。然而，目前關(guān)于電控正流量系統(tǒng)的研究非常少，仍存在許多問題，例如，電液配合程度低、控制策略不完善等等。

針對以上問題，本文作者以某公司大型挖掘機(jī)為研究對象，對其正流量控制策略進(jìn)行了設(shè)計與建模， 搭建了基于AMESim和Simulink的挖掘機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺，并通過聯(lián)合仿真平臺對其進(jìn)行仿真分析，對挖掘機(jī)電液控制系統(tǒng)方面的研究具有一定的參考價值。

1 電控正流量挖掘機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

液力傳動系統(tǒng)具有能量傳輸密度高、無級變速、布置靈活的特點，滿足挖掘機(jī)對傳動的多自由度、能量傳遞能力高、節(jié)能、靈活的要求[3]。電控正流量挖掘機(jī)系統(tǒng)主要由液壓泵組、多路閥組、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)所組成。

所研究的挖掘機(jī)系統(tǒng)采用電控正流量液壓泵，其控制特性為正流量控制和恒功率控制。圖1為正流量控制原理示意。正流量控制的特點是：操作先導(dǎo)手柄不僅可以控制多路閥開度，而且同時可以調(diào)節(jié)主泵排量，且主泵的排量正比于先導(dǎo)手柄提供的先導(dǎo)壓力的大小，從而使泵輸出的流量可根據(jù)操作手柄的需要而進(jìn)行正比例改變[4]。相比于傳統(tǒng)的負(fù)流量變量泵和液控正流量變量泵，電控正流量變量泵增加了兩個電磁比例閥，可以在控制器中對輸入信號進(jìn)行控制算法處理，以改變變量泵排量，實現(xiàn)對主泵的恒功率控制[5]。

圖1 正流量控制原理Fig.1 Principle of positive flow control

多路閥組是組成挖掘機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其主要作用是控制換向閥閥芯的位移，改變閥口面積大小，對液壓泵輸出的流量進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，以滿足動臂、斗桿、鏟斗機(jī)構(gòu)等各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作需要[6]。在實際工作中，挖掘機(jī)時常需要同時進(jìn)行兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，這就使得壓力油總是會趨向于負(fù)荷較小的油路，而負(fù)荷較大的執(zhí)行元件實際得到的流量較小，導(dǎo)致動作緩慢、乏力[7]。因此使用雙泵雙回路系統(tǒng)，即使用兩個主泵，泵1與泵2，分別給兩條回路供油。其中一條回路由動臂主控制閥、鏟斗控制閥以及斗桿副控制閥組成，另一條回路由動臂副控制閥以及斗桿主控制閥組成。

2 基于AMESim的正流量系統(tǒng)建模

AMESim是一款具有多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)建模以及仿真分析的軟件。AMESim為用戶提供了建立機(jī)械、液壓、電動、氣動和熱等不同領(lǐng)域系統(tǒng)模型的平臺以及豐富的API接口。AMESim的建模仿真過程基本可以分為4步，即草圖建立、子模型選擇、參數(shù)設(shè)置和求解[8]。

挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)可以通過AMESim軟件建立系統(tǒng)級模型或者元件級模型。系統(tǒng)級模型建立過程簡單，運行速度快，但當(dāng)涉及液壓系統(tǒng)中具有特殊功能的液壓元件及回路，例如帶有閉鎖閥的動臂和斗桿回路時，不能夠精確實現(xiàn)其功能。此時需要利用液壓元件設(shè)計庫(HCD)進(jìn)行元件級建模。元件級模型需要考慮彈簧剛度、閥芯質(zhì)量、閥孔面積、液壓力等特性，可以對特殊液壓元件進(jìn)行高精度定制[9]。

2.1 三位六通換向閥

三位六通換向閥的原理如圖2所示，A、B口分別接鏟斗油缸的大腔和小腔，P、D口接主泵，T口接回油路，C口接下一主閥的P口。當(dāng)閥芯位于中位時，工作口A、B、P、T處于關(guān)閉狀態(tài)，液壓油從D口流入，從C口流出并流向下一主閥或流回油箱。先導(dǎo)壓力動作在換向閥上，決定了閥芯的方向及開度，從而實現(xiàn)流量的分配。

圖2 三位六通換向閥原理Fig.2 Principle of three position six way reversing valve

以鏟斗三位六通閥為例，合理設(shè)計每個臺肩面上槽口的形狀、大小和數(shù)量，相互匹配，即可滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種運動特性要求[10]。在AMESim軟件中，建立圖3所示的三位六通閥的元件級模型。為了便于使用，將模型封裝為圖4所示。

圖3 三位六通閥AMESim模型

圖4 三位六通閥AMESim封裝圖

2.2 閉鎖回路

挖掘機(jī)在實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要保持某一動作不動。由于此時不需要泵輸出壓力，可將控制閥切回中位。然而滑閥結(jié)構(gòu)存在泄漏問題，容易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)下掉。設(shè)置閉鎖回路可以減小油液泄漏程度，保證安全性。以斗桿閉鎖回路為例，如圖5所示，其閉鎖回路由一個三通錐閥和一個二位三通閥組成。錐閥結(jié)構(gòu)如圖6所示，A、B為工作油孔，C為控制油口。當(dāng)先導(dǎo)信號控制液壓缸小腔進(jìn)油時，斗桿伸出。此時將控制閥切換至中位，液壓缸大腔壓力瞬間增大，小腔壓力油在回油中通過錐閥閥芯內(nèi)鉆孔和二位三通閥通向錐閥彈簧端，并將錐閥壓緊在閥座上，防止斗桿因自重而下掉。根據(jù)此原理，在AMESim中建立圖7所示的閉鎖回路模型。

圖5 斗桿閉鎖回路 圖6 錐閥結(jié)構(gòu)簡圖

圖7 斗桿閉鎖回路AMESim模型Fig.7 AMESim model of blocking circuit of boom

2.3 電控正流量液壓泵

電控正流量液壓泵主要由2個變量液壓泵、1個先導(dǎo)泵、2個電磁比例閥以及變量機(jī)構(gòu)組成[2]。在AMESim軟件中建立如圖8所示的電控正流量泵元件級模型。

圖8 電控正流量液壓泵AMESim模型Fig.8 AMESim model of electronic positive flow pump

3 基于Simulink的控制器建模

Simulink是當(dāng)今主流的仿真軟件，借助于MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計算能力，能夠在Simulink下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境，在各個工程領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用[11]。電控正流量挖掘機(jī)的控制策略利用Simulink進(jìn)行模塊設(shè)計，如圖9所示，控制策略模型主要可以分為4個模塊，即手柄信號處理模塊、狀態(tài)判斷模塊、流量分配模塊以及控制信號輸出模塊。Simulink模型整體控制流程如圖10所示。

圖9 Simulink控制策略Fig.9 Simulink control strategy

圖10 Simulink模型控制流程Fig.10 Control flow of Simulink model

3.1 手柄信號處理模塊

手柄先導(dǎo)信號作為整個控制系統(tǒng)的輸入部分，對挖掘機(jī)的動作控制起著至關(guān)重要的作用。挖掘機(jī)的復(fù)雜工況會對手柄先導(dǎo)信號產(chǎn)生很多干擾，例如手柄的抖動、手柄機(jī)械裝置的顫動等，從而嚴(yán)重影響手柄先導(dǎo)信號的數(shù)據(jù)采集，因此必須對手柄先導(dǎo)信號進(jìn)行濾波處理，去除信號中的噪聲，提取出有用信號。

本文作者利用Simulink設(shè)計一階低通濾波器，確定其數(shù)學(xué)模型為

Yn=qXn+(1-q)Yn-1

(1)

式中：q為濾波器的時間常數(shù)，取q=0.15；Xn為第n次采樣時的濾波器輸入；Yn為第n次采樣時的濾波器輸出。

除了接收包含X、Y方向在內(nèi)的共6個手柄先導(dǎo)信號，該模塊還接收液壓泵出口壓力信號和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，以及挖掘機(jī)啟停開關(guān)信號。通過對手柄信號進(jìn)行濾波，結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)計算得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求流量[12]。

3.2 狀態(tài)判斷模塊

在實際工作中，挖掘機(jī)動作復(fù)雜，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作變化頻繁。因此，正確判斷挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)是實現(xiàn)對挖掘機(jī)動作精準(zhǔn)控制的基礎(chǔ)。

利用Stateflow構(gòu)建狀態(tài)判斷邏輯。該部分首先根據(jù)啟停開關(guān)判斷液壓系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)或是開機(jī)狀態(tài)。若處于開機(jī)狀態(tài)，則根據(jù)需求流量矢量值判斷動臂、斗桿和鏟斗3個執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別是處于何種狀態(tài)，包括停止、提升以及下降狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的指示信號。同時，由于在人為操作時會不可避免地出現(xiàn)手柄的輕微抖動，從而造成輸出狀態(tài)值頻繁變化的問題，導(dǎo)致挖掘機(jī)發(fā)生誤動作。為消除這一影響，在判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制策略中采用重復(fù)判斷措施，使信號在保持同一狀態(tài)0.1 s后再進(jìn)行一次狀態(tài)確認(rèn)。圖11為動臂狀態(tài)判斷Stateflow框圖。

圖11 動臂狀態(tài)判斷Stateflow框圖Fig.11 Judgement Stateflow block diagram for boom state

狀態(tài)判斷模塊的總體目標(biāo)是根據(jù)工作機(jī)構(gòu)的需求信號，采集動臂、斗桿、鏟斗以及系統(tǒng)的控制狀態(tài)，從而判斷液壓系統(tǒng)處于何種工作狀態(tài)，并給出相應(yīng)狀態(tài)信號。

3.3 流量分配模塊

完成動臂提升、斗桿回收及伸出動作的過程中經(jīng)常伴隨著大負(fù)荷，若只用單泵供油，會造成相應(yīng)動作的遲緩，導(dǎo)致挖掘機(jī)動作效率低下。因此在大負(fù)載工況中，需要兩個油泵一起供油，這就需要設(shè)置合流閥及其閾值，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)與變量泵的供油關(guān)系。單變量泵的最大輸出流量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因此可由查表函數(shù)和簡單的邏輯判斷搭建控制模型來實現(xiàn)這一過程，如圖12所示。

圖12 動臂斗桿主副閥流量分配

為提高雙變量泵的工作效率，針對單動作時執(zhí)行機(jī)構(gòu)與變量泵的供油關(guān)系制定了一套供油規(guī)則，如表1所示。

表1 單動作供油策略Tab.1 Fuel supply strategy for single action

液壓油是經(jīng)過多路控制閥進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸的，因此閥口的開度與流經(jīng)閥口的液壓油流量有直接關(guān)系。多路閥閥口流量特性可表示為

(2)

式中：C為流量系數(shù)；ρ為液壓油密度；A為多路閥閥口開度；Q為流經(jīng)閥口的流量，即相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求流量；Δp為流過控制閥的液壓油前后壓力差，可由主閥參數(shù)表中的壓降數(shù)據(jù)計算得到。即可根據(jù)式(2)得到多路閥開度信號。

該模塊總體目標(biāo)是通過計算多路閥中各換向閥需要通過的流量，來控制換向閥的開度以及合流閥的開關(guān)，實現(xiàn)流量分配的控制。

3.4 控制信號輸出模塊

對于多路閥開度控制信號的輸出，它與多路閥開度信號的關(guān)系可以視為一個比例環(huán)節(jié)。

對于主泵排量控制信號的輸出，則需要通過功率控制來實現(xiàn)。為提高效率，使發(fā)動機(jī)的輸出功率被泵完全吸收，發(fā)動機(jī)的輸出功率應(yīng)與泵的吸收功率相等，即

Ne=Np

(3)

Mene=Mpnp=(p1q1+p2q2np

(4)

式中：p1、p2、q1、q2為泵1、泵2的出口壓力和排量。由于發(fā)動機(jī)和變量泵在同一軸上，因此ne=np。要使功率損失最小，理論上應(yīng)滿足變量泵的吸收扭矩Mp實時跟蹤發(fā)動機(jī)的輸出扭矩Me。由于泵出口壓力取決于外負(fù)載，因此當(dāng)外負(fù)載不斷變化時，這就要求控制器能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)變量泵排量q1、q2。

恒功率控制是一種變量泵控制方法，它可以保證泵的輸出壓力與輸出流量的乘積為一定值，根據(jù)系統(tǒng)中壓力的變化，調(diào)節(jié)變量泵排量。通常恒功率控制利用兩個剛度不同的彈簧機(jī)構(gòu)分段起變量控制作用，導(dǎo)致其輸出特性僅僅是逼近雙曲線特性的雙折線[13]。若使用電控系統(tǒng)來實現(xiàn)恒功率控制，即實時采集泵出口壓力信號并轉(zhuǎn)化為電信號，在控制器中綜合計算出變量泵排量，理論上可以使泵輸出特性呈理想的雙曲線特性。

當(dāng)前普遍應(yīng)用的恒功率控制算法主要是分功率控制以及全功率控制。分功率控制是將總功率平均分給泵1和泵2，使雙泵獨立進(jìn)行恒功率調(diào)節(jié)及控制，如式(5)所示。全功率控制是將兩個變量泵的排量通過機(jī)械或液壓機(jī)構(gòu)保持一致，使泵1、泵2的流量始終保持相同，可由式(6)來表示，式中：q表示泵1或泵2的排量。

(5)

(6)

但不論是分功率控制還是全功率控制，都會造成功率的浪費。為了提高雙泵功率的利用率，提出一種更為合理的恒功率控制算法，即改進(jìn)全功率控制，其控制框圖與對應(yīng)模型分別如圖13和圖14所示。當(dāng)雙泵需求總功率大于發(fā)動機(jī)的設(shè)定功率時，將完全利用發(fā)動機(jī)設(shè)定功率，根據(jù)雙泵需求功率按比例進(jìn)行匹配，盡可能滿足雙泵的功率需求。

圖13 改進(jìn)全功率控制框圖Fig.13 Improved full power control block

圖14 改進(jìn)全功率控制模塊Fig.14 Improved full power control module

4 聯(lián)合仿真分析

4.1 聯(lián)合仿真設(shè)置

實施聯(lián)合仿真的關(guān)鍵是開發(fā)出可信度高的虛擬樣機(jī)，等效簡化實際工況進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真與試驗，并在新產(chǎn)品開發(fā)中提供有效的仿真分析結(jié)果[6,9]。進(jìn)行AMESim和Simulink聯(lián)合仿真時，首先在AMESim中創(chuàng)建一個SimuCosim接口模塊，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)并完成連接后，進(jìn)入求解模式。此時會生成一個后綴名為mex64的文件。在Simulink模型中創(chuàng)建一個AME2SLCoSim接口模塊，讀入mexw64文件，完成AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真接口設(shè)置，從而實現(xiàn)控制器程序?qū)μ摂M樣機(jī)的實時控制[9]。聯(lián)合仿真模塊如圖15所示，AMESim將主泵出口壓力信號以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號傳遞到Simulink中，Simulink將變量泵排量信號和多路閥閥芯開度信號傳遞到AMESim中，實現(xiàn)同時對多路閥開口和液壓泵排量的控制。

圖15 聯(lián)合仿真模塊

液壓挖掘機(jī)由于作業(yè)范圍大，靈活度高，其動作可分解為多個單動作。對某一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行單動作仿真時，保持其余執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定姿勢，控制手柄階躍信號使對應(yīng)油缸全伸與全縮來觀察執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的響應(yīng)情況[14-15]。主要液壓元件參數(shù)如表2—表3所示。

表2 變量泵主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of variable pump

表3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要參數(shù) 單位：mm

其他元件參數(shù)如油液密度、油溫、體積彈性模量、絕對黏度、庫侖摩擦因數(shù)等均采用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。

4.2 單動作仿真

液壓挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)主要可以分解為動臂提升與下降、斗桿內(nèi)收與外擺、鏟斗挖掘與卸料6個單動作。現(xiàn)以動臂提升與下降仿真為例，研究電控正流量挖掘機(jī)系統(tǒng)的輸出特性。對動臂油缸施加一負(fù)載信號，如圖16所示。因負(fù)載采用階躍信號，負(fù)載端使用彈簧阻尼系統(tǒng)，以減小由于負(fù)載壓力變化而引起的液壓系統(tǒng)振動，增強(qiáng)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖16 AMESim負(fù)載模型Fig.16 AMESim load model

設(shè)置油缸的初始位移最小，即油缸活塞處于全部縮回的狀態(tài)，通過聯(lián)合仿真得到的仿真特性曲線如圖17—圖18所示。t=1 s時，在先導(dǎo)壓力的作用下，換向閥閥芯開始移動，動臂油缸活塞桿開始提升，油缸大腔和小腔壓力均迅速提高。動臂升高初始由于系統(tǒng)震蕩，存在短暫的波動，波動之后大小腔壓力逐漸趨于平穩(wěn)。直在t=4.4 s左右時，動臂油缸活塞運動到極限位置，油缸大腔壓力迅速達(dá)到最大壓力，通過溢流閥維持溢流壓力，而有桿腔壓力迅速降低。t=8.1 s左右時，在先導(dǎo)壓力的作用下，換向閥打開，動臂油缸活塞桿開始下降，由于下落主要靠重力作用，油缸內(nèi)壓力低于動臂提升時的壓力。到t=13 s左右時，油缸活塞達(dá)到極限位置，換向閥關(guān)閉，大小腔壓力迅速減小。經(jīng)分析，符合預(yù)期。

鏟斗和斗桿機(jī)構(gòu)的仿真特性曲線如圖19—圖22所示，經(jīng)分析，同樣符合預(yù)期。

圖17 動臂油缸位移仿真曲線 圖18 動臂油缸壓力仿真曲線

圖19 斗桿油缸位移仿真曲線 圖20 斗桿油缸壓力仿真曲線

圖21 鏟斗油缸位移仿真曲線 圖22 鏟斗油缸壓力仿真曲線

4.3 功率控制方法對比

以上一小節(jié)的動臂提升單動作為例，將控制策略中的功率控制部分分別用分功率控制、分壓力控制以及改進(jìn)全功率控制進(jìn)行仿真，將設(shè)定功率Ns設(shè)置為125 kW，得到雙泵需求功率及雙泵實際功率曲線如圖23—圖25所示。

對于分功率控制，由于設(shè)定功率被平均分給兩個變量泵進(jìn)行獨立的恒功率控制，因此每個泵能吸收的最大功率為62.5 kW，當(dāng)動臂提升時，泵1功率被限制在62.5 kW，泵2只吸收了40 kW左右的功率，存在超過20 kW的空閑功率無法被利用，因此該系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的功率浪費。

圖25 改進(jìn)全功率控制泵功率曲線Fig.25 Bump power curves under improved full power control

對于全功率控制，兩個變量泵的排量是相同的。當(dāng)動臂提升時，壓力較大的泵1通過恒功率調(diào)節(jié)可以使功率滿足需求，但壓力較小的泵2不能完全吸收剩余的功率，因此也會造成功率浪費。

相比于分功率控制和全功率控制，改進(jìn)全功率控制很好地滿足了雙泵各自的需求，并且功率損失極小。仿真結(jié)果表明:雙泵功率之和基本在設(shè)定功率附近輕微波動，滿足性能需求。

5 結(jié)論

通過對某大型正流量液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)的分析，基于AMESim和Simulink建立一套聯(lián)合仿真平臺，制定一套改進(jìn)全功率控制策略，并設(shè)置合理仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，得到電控正流量挖掘機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行元件的輸出特性。結(jié)果表明：該仿真模型表現(xiàn)良好，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在外負(fù)載下的運動變化符合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際運動規(guī)律，且與分功率控制和全功率控制相比，建立的改進(jìn)全功率控制對雙泵的功率匹配更加合理，驗證了文中所建模型的合理性，對復(fù)雜的電控正流量挖掘機(jī)控制策略的設(shè)計與調(diào)試提供一定的參考。