1、液壓挖掘機(jī)功率匹配控制系統(tǒng)實(shí)踐單位：廣西玉柴工程機(jī)械責(zé)任有限公司自動(dòng)化系：黃高電機(jī)系：趙峰液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械主力機(jī)種，是建設(shè)工程的主要生產(chǎn)工具，因此對(duì)挖掘機(jī)性能提出了很高的要求，要求其節(jié)能、低排放、高效率，以及具有良好的操縱性等。液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中存在的各種形式的功率損失，都會(huì)不同程度地降低挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的使用效率。挖掘機(jī)工作時(shí)，在不計(jì)沿程阻力的條件下，液壓系統(tǒng)的最高效率可達(dá)95%以上。但由于挖掘機(jī)負(fù)載變化較大，操作狀況千差萬別，因此液壓系統(tǒng)的效率變化也非常大。液壓挖掘機(jī)采用節(jié)能技術(shù)不僅能有效地降低燃油消耗率，還能減少液壓系統(tǒng)功率損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的利用率，使動(dòng)力系統(tǒng)與負(fù)載所需功率更好

2、地匹配，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓元件的工作強(qiáng)度，減少系統(tǒng)發(fā)熱，提高設(shè)備正常使用的可靠性。因此，國內(nèi)外挖掘機(jī)行業(yè)對(duì)挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)都十分重視。為了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能，在進(jìn)一步提高器件單體效率的難度越來越大的情況下，當(dāng)前的研究重心逐漸轉(zhuǎn)移到提高發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)整體最佳效率的匹配上，通過電子節(jié)能控制方法實(shí)現(xiàn)高效率的功率轉(zhuǎn)化。目前電子節(jié)能控制系統(tǒng)的研究主要針對(duì)以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：動(dòng)力系統(tǒng)與負(fù)載的控制、液壓泵的控制、發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的控制。本項(xiàng)目就是基于電液比例控制變量泵跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差變化，以變量泵排量為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)變量泵的功率匹配。其基本原理為：當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，液壓泵吸收功率增大，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從

3、而使發(fā)動(dòng)機(jī)偏離最佳工作點(diǎn)，效率下降。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，就需要限制液壓泵的吸收功率。項(xiàng)目的目標(biāo)就是通過實(shí)時(shí)檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過電液比例控制器控制液壓泵的吸收功率，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。系統(tǒng)的控制方案如圖 1 轉(zhuǎn)速傳感控制系統(tǒng)所示：圖 1 轉(zhuǎn)速傳感控制系統(tǒng)一、 基于原理的系統(tǒng)建模首先通過分析液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵等關(guān)鍵部件的基本特性建立系統(tǒng)的控制系統(tǒng)仿真模型，為分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及設(shè)計(jì)控制算法提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本項(xiàng)目選用的仿真環(huán)境為Matlab/Simulink軟件，所建立的仿真模型如下圖所示：圖 2 系統(tǒng)仿真模型模型說明&#

4、216; Speed_Set：設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速Ø Delay：獲取當(dāng)前時(shí)刻、前個(gè)采樣周期、前兩個(gè)采樣周期的轉(zhuǎn)速差值Ø Controller：控制算法模塊Ø Saturation：輸出限幅，0-1Ø D/A：沒一個(gè)采樣周期輸出一個(gè)電流值Ø Unit Delay1：在增量型PID控制中起積分器的作用Ø Power Limit：液壓泵的恒功率控制曲線。液壓泵在曲線上的工作點(diǎn)受控制電流和負(fù)載大小的影響。（該曲線是根據(jù)力士樂A8VO技術(shù)文檔第7/40頁的圖來畫的），輸出為排量控制量。Ø Load：模擬負(fù)載壓力信號(hào)Ø Pump：

5、用一個(gè)三階系統(tǒng)描述液壓泵的控制模型，輸入為排量控制量，輸出為實(shí)時(shí)排量Ø Engine：用慣性環(huán)節(jié)描述發(fā)動(dòng)機(jī)。輸入為負(fù)載壓力與排量的乘積，即液壓泵的吸收轉(zhuǎn)矩。建立該模型的作用：Ø 用圖形化的方式描述液壓挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制系統(tǒng)Ø 通過對(duì)該模型進(jìn)行仿真粗略了解系統(tǒng)的特性Ø 如果能獲取液壓泵的恒功率控制曲線以及發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速曲線，則可比較精確的建立系統(tǒng)模型，從而基于此模型設(shè)計(jì)控制算法Ø 該模型是基于機(jī)理的建模，與下面介紹的基于數(shù)據(jù)的系統(tǒng)辨識(shí)建模方式相對(duì)應(yīng)。兩者可起到相互輔助的作用。二、 基于系統(tǒng)辨識(shí)的系統(tǒng)建模在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要建立系統(tǒng)的控制

6、模型。建模的方法可以分為兩種，一種是上面所述的基于原理的建模，另一種是基于數(shù)據(jù)的建模。第一種方式是通過分析系統(tǒng)的物理特性，從原理入手，這種方式需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的了解，并且知道相關(guān)的參數(shù)值。另一種方式是基于系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，構(gòu)建系統(tǒng)的“黑箱模型”，通常也稱為系統(tǒng)辨識(shí)。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，第一種方案通常比較難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)的物理特性難于描述，很多參數(shù)值也無法獲得，因此大多采用系統(tǒng)辨識(shí)的方式。系統(tǒng)辨識(shí)基于數(shù)據(jù)可以建立系統(tǒng)的多種模型，辨識(shí)的方法也有很多種。這里不詳細(xì)介紹辨識(shí)的具體算法，主要是介紹使用Matlab提供的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱來實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的模型辨識(shí)。1、 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)Ø 輸入

7、數(shù)據(jù)：液壓泵比例電磁閥的控制電流I：I_1I_N（共N組數(shù)據(jù)）Ø 輸出數(shù)據(jù)：發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n：n_1n_N（共N組數(shù)據(jù)）Ø 采樣周期：T（I，n，T）就構(gòu)成了系統(tǒng)辨識(shí)所需的原始數(shù)據(jù)。使用Matlab指令：z=iddata(I，n，T)可以將這些數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，供Matlab的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱使用。注意：原始數(shù)據(jù)需要能夠充分反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)測試時(shí)，需要反復(fù)改變控制電流的大小，比如使用方波信號(hào)。另外要盡量避免噪聲干擾，可多次采樣并進(jìn)行濾波2、 導(dǎo)入數(shù)據(jù)以上數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后，需要將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab系統(tǒng)辨識(shí)的工作環(huán)境中。（Matlab提供了供測試使用的數(shù)據(jù)，使用l

8、oad proc_data指令可以導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是包含輸入、輸出以及采樣周期的結(jié)構(gòu)體）使用指令：ident 打開系統(tǒng)辨識(shí)工具界面：圖 3 Matlab 系統(tǒng)辨識(shí)工具箱界面從左上角下拉菜單導(dǎo)入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)名輸入z， Starting time：0， 采樣周期（Sampling time）默認(rèn)為1s3、 數(shù)據(jù)預(yù)處理在“Operations”下拉框中選擇“Quik start”，這一步自動(dòng)執(zhí)行了四個(gè)操作：Ø 將數(shù)據(jù)化為均值為0數(shù)據(jù)。Ø 將數(shù)據(jù)分為兩組Ø 第一組數(shù)據(jù)為工作數(shù)據(jù)，用于辨識(shí)估計(jì)系統(tǒng)模型Ø 第二組數(shù)據(jù)為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，用于檢驗(yàn)評(píng)估模型的好壞。4、 估計(jì)

9、模型在估計(jì)模型下拉菜單中選擇Process models，即傳遞函數(shù)模型。液壓系統(tǒng)模型通常為三階帶延遲的模型，在圖中設(shè)置：Poles：3， underdamped，選中Delay，其余的為默認(rèn)值（最下面一排的“P3DU”是模型的名稱，也可以自行設(shè)置，但之后使用該模型時(shí)，要相對(duì)應(yīng)的使用該名稱）。設(shè)置好點(diǎn)擊“Estimate”。（這里也不一定使用Process models，Linear parametric models包含的ARMAX的ARX模型也是比較常用的模型，我們可以嘗試多種不同的模型，然后選擇最好的一個(gè)。至于如何評(píng)價(jià)模型的好壞，將會(huì)在接下來介紹）5、 模型分析圖 4 系統(tǒng)辨識(shí)模型分析點(diǎn)

10、擊“Estimate”之后，Matlab就生成了系統(tǒng)的模型，雙擊右側(cè)生成的圖標(biāo)“P3DU”，可以看到三階模型的參數(shù)：圖 5 參數(shù)辨識(shí)結(jié)果點(diǎn)擊“Model output”可以看到模型輸出也真實(shí)輸出數(shù)據(jù)的差別（如果圖中沒有出現(xiàn)曲線，點(diǎn)擊“P3DU”圖標(biāo)即可）。此外還能分析系統(tǒng)的頻域特性，階躍響應(yīng)特性等，這里不再詳述。圖 6 辨識(shí)效果評(píng)價(jià)通過系統(tǒng)辨識(shí)建立了系統(tǒng)的控制模型之后，可將該模型用于Simulink仿真，并設(shè)計(jì)控制算法。6、 將辨識(shí)得到的模型導(dǎo)入Simulink首先需要將模型導(dǎo)入工作環(huán)境：選中“P3DU”模型，拖拽至“To Workspace”然后使用指令simulink打開Simulink環(huán)

11、境，找到System Identification Toolbox工具箱，選擇Idmodel模塊，拖入工作界面。圖 7 Simulink系統(tǒng)辨識(shí)模塊雙擊Idmodel，將模型變量設(shè)置為“P3DU”（P3DU就辨識(shí)模型的名稱）。7、 使用Simulink進(jìn)行仿真Simulink集成控制系統(tǒng)工具箱，可以很方便的設(shè)計(jì)控制算法，比如PID控制、模糊控制、魯棒控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。圖 8 基于系統(tǒng)辨識(shí)的控制算法仿真三、 PID控制算法設(shè)計(jì)1、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如下圖所示：圖 9 控制系統(tǒng)簡介系統(tǒng)采用PID控制模式，負(fù)荷采用人工設(shè)計(jì)的階躍式增量負(fù)荷。利用PID控制器取挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)速差信號(hào)得到液壓

12、泵比例電磁閥的電流信號(hào)，之后根據(jù)液壓泵的恒功率壓力流量曲線（Power Limit）得到液壓泵流量信號(hào)，Pump為液壓泵內(nèi)部傳遞函數(shù)，通過參數(shù)辨識(shí)方法得到。Engine為發(fā)動(dòng)機(jī)固有慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，通過參數(shù)辨識(shí)方法得到。整個(gè)系統(tǒng)需設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的初始空載轉(zhuǎn)速（1800）和設(shè)定轉(zhuǎn)速（1600），系統(tǒng)要求為在負(fù)荷擾動(dòng)的情況下能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速（1600）左右。2、 連續(xù)PID控制器首先采用連續(xù)PID控制器，通過仿真獲得參數(shù)。采用Matlab中Simulink中的PID控制器模型，其傳遞函數(shù)圖可用下圖表示：圖 10 連續(xù)PID控制器傳遞函數(shù)圖該P(yáng)ID控制器的傳遞函數(shù)可以寫為如下形式：該控制器

13、共有P、I、D、N四個(gè)參數(shù)，通過調(diào)節(jié)這四個(gè)參數(shù)的值可以得到良好的控制效果。利用PID控制器自帶的參數(shù)整定功能得到一組參數(shù)，并根據(jù)控制效果進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，得到的轉(zhuǎn)速差曲線如下圖所示：圖 11連續(xù)控制器的轉(zhuǎn)速差曲線圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速差，圖1中最前面的轉(zhuǎn)速差信號(hào)。可以看出，在25時(shí)刻挖掘機(jī)突然增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差增加，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，做大下降幅度在125r/min左右，在波動(dòng)10s左右后通過PID控制器對(duì)液壓泵比例電磁閥電流的控制后，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差回到0附近，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回到設(shè)定轉(zhuǎn)速（1600）附近，滿足控制目標(biāo)。整個(gè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線如下圖所示：圖 12 連續(xù)控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線可

14、以看出在負(fù)載突然增加（25s時(shí)）之前，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速（1600），25s時(shí)負(fù)載增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降，在PID控制器的調(diào)節(jié)下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在很短時(shí)間內(nèi)又回到了設(shè)定轉(zhuǎn)速（1600），控制效果滿足目標(biāo)。3、 增量式離散PID控制器連續(xù)的PID控制器只能應(yīng)用于仿真，得到原理性的結(jié)論和方法，應(yīng)用于實(shí)際的PID控制器需要離散的形式。采用增量式離散PID控制器算法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測試。該方法有如下優(yōu)點(diǎn)（1）較為安全。因?yàn)橐坏┯?jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出控制指令為零時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門的開度）仍可保持前一步的位置，不會(huì)給被控對(duì)象帶來較大的擾動(dòng)。（2）計(jì)算時(shí)不需進(jìn)行累加，僅需最近幾次誤差的采樣值。連續(xù)PI

15、D控制器的傳遞函數(shù)如下式所示：可以寫為：則：對(duì)于前兩項(xiàng)，離散化：則得到對(duì)于第三項(xiàng)得到即得到由于 ，得到綜上，可得下式：則因此這就是離散增量式PID控制器的模型按照該模型將連續(xù)性的PID控制器改為離散增量式的PID控制器，具體的原理圖如下圖所示：圖 13 離散增量式PID控制器具體的離散增量式PID部分如下圖所示：圖 14 離散PID控制具體設(shè)計(jì)圖圖中，Delay為延時(shí)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，存儲(chǔ)e(k)和e(k-1)，后面的函數(shù)模塊為離散增量式PID控制的函數(shù)具體算法實(shí)現(xiàn)。參數(shù)采用連續(xù)系統(tǒng)整定過的參數(shù)，得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差曲線如下圖所示：圖 15 初始的離散增量式PID控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差曲線可以看到，在50s內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差并沒有回到0，曲線的波動(dòng)周期較大。這種情況下需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，增加積分常數(shù)I的值