輪式挖掘機行駛速度智能控制的研究

王志偉，馬文宇，趙明輝，孫金泉，蔡登勝

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

輪式挖掘機行駛速度智能控制的研究

王志偉，馬文宇，趙明輝，孫金泉，蔡登勝

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

針對油門踏板在輪式挖掘機上的應用，提出了一套可靠的輪式挖掘機行駛速度的控制方案，詳細介紹了油門踏板信號的采集及其對行走比例閥電流的控制策略。試驗證明本方案及控制策略能滿足輪式挖掘機在實際工作中的應用。

輪式挖掘機；行駛速度；控制策略；油門踏板；PID

在輪式挖掘機上，油門踏板作為一個核心部件參與整車行駛速度的控制，油門踏板踩下量越大則行駛速度越快。本文詳細介紹了輪式挖掘機行駛速度的控制方案、油門踏板信號的采集、油門踏板信號對比例閥電流的控制策略及實際控制效果的分析。

1 整車行駛速度控制方案

本方案采用的油門踏板為雙電位器型，其特性如下圖所示，油門踏板信號1與油門踏板信號2兩路電位器輸出電壓在每個位置都不相同，但是兩者各自的斜率卻是基本固定，油門踏板信號2的電壓是油門踏板信號1的一半，因此可根據其差值來判斷油門踏板輸出電壓是否正確。這種雙電位器設計有效提高了油門踏板的可靠性，因為如果其中一路油門踏板信號發生故障，另一路油門踏板信號可接替從而保證油門踏板正常工作[1]。

圖1 油門踏板特性

在液壓系統上，輪式挖掘機行駛速度的大小通過比例閥來控制主控閥的流量，從而控制行駛速度。在同樣的發動機轉速下，給比例閥的電流越大，則比例閥產生的壓力越大，推動主控閥閥桿的力越大，主控閥開口越大，則流量越大，整車車速越快。本方案選擇的比例閥特性如圖2所示：比例閥的死區電流約為250mA，在250～400mA之間比例閥產生的壓力值慢速增加，400mA以上時比例閥產生的壓力值能較快增加，此特性為整車的平緩啟動及停車提供了保障。

圖2 比例閥特性

控制方案如圖3，控制器采集油門踏板的電壓信號將其轉化為數字量，對數字量進行濾波處理后再將其值通過差值計算轉化為目標電流值，通過PID控制器調節比例閥電流值來控制比例閥的出口壓力，從而控制主控閥的流量，達到控制輪式挖掘機行駛速度的目的[2]。

圖3 控制方案

2 油門踏板信號的采集

由控制方案可知，油門踏板的信號是控制輪式挖掘機行駛的基礎，所以對于油門踏板信號的采集是至關重要的。如果不能有效濾除其他噪音對油門踏板信號的干擾，則整車速度的控制會受到影響。所以針對油門踏板信號的采集使用了如下兩種濾波技術。

2.1 算術均值濾波

算術均值濾波是指將采樣得到的一組數據求和后除以樣本數。其中加權均值濾波指在求和之前對采樣數組中的每一個值賦予權重系數αi，加權均值濾波計算公式為

對于算術均值濾波，上式中的αi取1。算術均值濾波不能有效排除干擾，而是將干擾分散，使采集得到的數據變化變得平滑。

2.2 中位值濾波

中位值濾波指將一組數據隊列的中位值作為濾波結果輸出值的濾波方法[3]。其算法如下：對連續采樣采集到的一組數據x1,x2,…，xn,按照從大到小（或者從小到大）的次序進行排列，排列后的數據依次為y1,y2,…，yn。若樣本個數m為奇數，則中位值濾波結果為

若樣本個數m為偶數，則中位值濾波結果為

中位值濾波能去掉采樣數值中的極大值和極小值，對整車上的偶發干擾具有良好的濾波效果，從而保證油門踏板信號的真實、穩定、可靠。

3 比例閥電流的控制策略

對于比例閥電流的控制采用限幅增量式PID進行控制，其算法如式（1）

式中，Δ表示增量；ek表示第k次油門踏板信號采樣值對應的目標電流值；ek-1表示第k-1次油門踏板信號采樣值對應的目標電流值；ek-2表示第k-2次油門踏板信號采樣值對應的目標電流值；Kp表示比例項系數，本系統取2.2；Ki表示積分項系數，本系統取0.1；Kd表示微分項系數，本系統取-0.7；φ表示限幅量，本系統取200。

采用增量式PID控制能夠提高比例閥電流的穩定時間，但是會使得電流上升或者下降過于快速，引起主控閥的流量產生急劇變化，導致輪式挖掘機在行駛過程中產生“卡頓”，嚴重影響操作感受及整車壽命。為了避免這種現象，需要對經過PID運算得出來的增量Δ進行限幅，保證增量Δ在合理的區間內，從而保證整車行駛的平順性。

另外，對于輪式挖掘機的行駛要求踩下油門踏板后，整車能立即動起來，松開油門踏板后，為了減小沖擊，機器需要緩慢停下來，所以對于踩下油門踏板和松開油門踏板后，比例閥的電流響應時間應不相同。當踩下油門踏板后，減小電流的調整時間，使比例閥的電流能迅速上升；當松開油門踏板后，延長電流的調整時間，使比例閥的電流能緩慢降下來。

4 程序流程圖(圖4)

5 實際控制效果分析

在整車測試時采集比例閥電流與油門踏板信號對應關系曲線如圖5、圖6所示。圖5為帶限幅PID調節，此方法能保證當踩下油門踏板后，比例閥的電流能迅速上升，從而保證輪式挖掘機能立即開始行走；當松開油門踏板后，比例閥的電流能緩慢勻速的下降，從而能保證輪式挖掘機無沖擊勻速緩慢停下來。圖6為無限幅PID調節，此方法能保證當踩下油門踏板后，比例閥的電流能迅速上升，從而保證輪式挖掘機能立即開始行走，但是當松開油門踏板后，電流下降的速度過快，導致主控閥的流量產生急劇變化，使得整車出現“卡頓”及較大沖擊。所以帶限幅PID調節方法能滿足輪式挖掘機在實際中的應用。

圖4 程序流程圖

圖5 帶限幅PID調節

圖6 不帶限幅PID調節

6 結 語

本文詳細介紹了整車行駛速度的控制方案、油門踏板信號的采集、油門踏板信號對比例閥電流的控制策略，并且已在柳工輪式挖掘機上實際應用，經過試驗證明該方法能滿足輪式挖掘機在實際工作中的應用。

[1]祝柯卿，胡建文，冒曉建，等.電控柴油機雙電位器油門踏板控制器策略的研究[J].柴油機，2012，34(4)：15-17.

[2]徐小東.WYL20B輪式挖掘機的功率優化控制系統[J].工程機械，2001，(6)：22-23.

[3]蔡登勝，羅 維，趙明輝.發動機轉速信號的檢測及數字濾波方法[J].工程機械，2012，(11)：20-24.

（編輯 吳學松）

Research on speed intelligent control of wheel excavator

WANG Zhi-wei, MA Wen-yu, ZHAO Ming-hui, SUN Jin-quan, CAI Deng-sheng

TU621

B

1001-1366(2015)01-0041-03

2014-10-30