液壓挖掘機(jī)分階段功率匹配控制技術(shù)

高宇，馮培恩，彭貝，邱清盈

(浙江大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310027)

液壓挖掘機(jī)分階段功率匹配控制技術(shù)

高宇，馮培恩，彭貝，邱清盈

(浙江大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310027)

為了降低液壓挖掘機(jī)作業(yè)過程中的能量消耗，根據(jù)挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)階段及作業(yè)對象的不同，合理設(shè)定發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，提出基于最大加速度的工作點(diǎn)切換控制策略，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的快速切換。通過制定轉(zhuǎn)矩反饋與轉(zhuǎn)速反饋協(xié)同控制的策略，保證挖掘機(jī)相同工作階段發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。搭建相應(yīng)的試驗(yàn)臺，驗(yàn)證了所提出的控制策略的可行性。挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用上述控制策略，使發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作在最佳工作點(diǎn)，在提升作業(yè)效率的同時(shí)有效降低了能耗。

液壓挖掘機(jī)； 節(jié)能； 分階段功率匹配； 作業(yè)循環(huán)； 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)； 轉(zhuǎn)速反饋控制； 轉(zhuǎn)矩反饋控制； 模糊控制

Abstract：To reduce fuel consumption in hydraulic excavators, we set reasonable engine operation points according to different operation cycle stages and objects. On this basis, we propose an operation- point switching control strategy based on the maximum acceleration required to realize fast switching between the different engine operation points. The stability of these operation points at the same operational stage is ensured by a collaborative control strategy of torque feedback and speed feedback. To verify the feasibility of our proposed strategy, we built a test bed and conducted experiments on an actual excavator. Our experimental results demonstrate that our proposed strategy can maintain the stability of the engine operation at the best operation points, which can reduce fuel consumption while increasing operational efficiency.

Keywords：hydraulic excavator; energy- saving; stage- based power matching; operational cycle; engine operation points; speed feedback control; torque feedback control; fuzzy control

液壓挖掘機(jī)是應(yīng)用最廣泛的工程機(jī)械之一，其使用工況復(fù)雜，負(fù)載變化大，能量利用率低[1]，因此，節(jié)能一直是其研究重點(diǎn)之一[2-3]。液壓挖掘機(jī)一般采用發(fā)動機(jī)-液壓系統(tǒng)-執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動方案，由于各工作元件及液壓系統(tǒng)效率的提升難度越來越大，研究者的關(guān)注點(diǎn)又集中到發(fā)動機(jī)-液壓泵-負(fù)載的合理匹配上，盡力保證其節(jié)能和高效的工作[4-6]。

現(xiàn)有挖掘機(jī)普遍采用分工況控制，設(shè)定重載H、經(jīng)濟(jì)S和輕載L三種模式，每一模式下都有多個油門位置供操作手根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇[7-8]。劉榮華采用轉(zhuǎn)速反饋控制，通過調(diào)節(jié)泵排量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的穩(wěn)定[9]。高峰等在此基礎(chǔ)上根據(jù)泵輸出壓力識別負(fù)載大小，調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門位置[10]。柳齊根據(jù)先導(dǎo)壓力判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，進(jìn)而判斷此時(shí)是挖掘還是平地工況，從而設(shè)定發(fā)動機(jī)油門[11]。何清華等提出恒功率與變功率相結(jié)合的控制策略，同時(shí)控制發(fā)動機(jī)和泵，發(fā)揮發(fā)動機(jī)自身的調(diào)速特性，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)-泵-負(fù)載的良好匹配[12]。Choi等引入混合動力，增加一個電動機(jī)，對負(fù)載扭矩起到削峰填谷的作用，從而保持發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)穩(wěn)定[13]。這些研究都忽略了挖掘過程中不同階段需求功率的變化。Wang等采用粒子群優(yōu)化算法，計(jì)算出每個采樣點(diǎn)發(fā)動機(jī)的最優(yōu)油門位置，并調(diào)節(jié)電動機(jī)，使發(fā)動機(jī)穩(wěn)定在這一點(diǎn)，雖然考慮了負(fù)載需求功率的不同，但是發(fā)動機(jī)油門調(diào)節(jié)過于頻繁，反而會增加油耗[14]。Yang等采用發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)，在動臂下降或空斗返回時(shí)，發(fā)動機(jī)部分氣缸停止工作，在其他功率需求大的階段，全部氣缸工作，這樣既保證了負(fù)載需求，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能[15]。這種方法需要改裝發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)難度較大。

本文在不改變挖掘機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下，以作業(yè)循環(huán)分段識別為基礎(chǔ)，提出挖掘機(jī)分階段功率匹配控制方法，根據(jù)作業(yè)循環(huán)階段的不同調(diào)整發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，避免了發(fā)動機(jī)的頻繁調(diào)節(jié)，同時(shí)保證發(fā)動機(jī)一直工作在經(jīng)濟(jì)工況區(qū)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)-液壓泵-負(fù)載的合理匹配。

1 挖掘機(jī)分階段功率匹配原理

1.1 作業(yè)循環(huán)各階段功率需求分析

液壓挖掘機(jī)的一個作業(yè)循環(huán)可分為5個階段：挖掘、提升回轉(zhuǎn)、卸載、空斗返回、挖掘準(zhǔn)備，如圖1所示。圖中p為泵壓力，t為時(shí)間，1號泵為斗桿油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、左行走馬達(dá)供油；2號泵為鏟斗油缸、動臂油缸、右行走馬達(dá)供油。各階段發(fā)動機(jī)功率曲線如圖2所示,P為發(fā)動機(jī)功率。

圖1 實(shí)際作業(yè)循環(huán)主泵壓力波形及其劃分Fig.1 Pump pressure curves and its partition in an actual working- cycle

圖2 實(shí)際作業(yè)循環(huán)發(fā)動機(jī)功率曲線Fig.2 Power curve of engine in an actual working- cycle

1)挖掘階段，鏟斗挖掘阻力很大，主泵壓力較高。根據(jù)恒功率泵特點(diǎn)，泵輸出流量越小，為了保證挖掘速度，有必要提升泵功率，增加輸出流量。

2)提升回轉(zhuǎn)階段，泵同時(shí)向兩個動臂油缸供油，流量需求大，此時(shí)增加發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和泵排量，能加快動臂油缸對操作手柄的響應(yīng)，改善操作性能。

3)卸載階段，斗桿與鏟斗交替動作，負(fù)載變化較大，泵壓力波動大，但平均值相對較小，對功率需求較挖掘及提升回轉(zhuǎn)階段小。

4)空斗返回階段，雖然泵壓力高，但由于單泵供油，功率需求不大。在回轉(zhuǎn)角度小時(shí)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)無法達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，因此泵輸出流量也不需太大，可適當(dāng)減小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和泵功率。

5)挖掘準(zhǔn)備階段，動臂、斗桿與鏟斗各自動作，將鏟斗齒尖調(diào)整至下一挖掘點(diǎn)。動臂下降和斗桿回收時(shí)因自重作用負(fù)載小，對流量和功率的需求都不大。

可見，作業(yè)循環(huán)不同階段對功率的需求各不相同，采用分階段功率匹配方法，根據(jù)不同階段的特點(diǎn)，合理設(shè)定發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，并采取針對性的控制，不僅能夠節(jié)約能量，還可以改善操作性能。

1.2 作業(yè)循環(huán)各階段工作點(diǎn)確定

圖3為某21 t液壓挖掘機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的油耗效率變化趨勢，以轉(zhuǎn)速為1 680 r/min時(shí)的油耗效率為基準(zhǔn)。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n的增加，油耗效率都有所增加，不同的是油耗增加量呈上升趨勢，而效率增加量呈下降趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定值時(shí)，效率將不再增加。轉(zhuǎn)速較小時(shí)，轉(zhuǎn)速升高使主泵輸出流量增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)提速，效率提高。但當(dāng)轉(zhuǎn)速太高時(shí)，操作手跟不上，將人為減小手柄動作幅度，使進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量減小，作業(yè)效率無法持續(xù)增加。

圖3 不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下油耗效率變化趨勢Fig.3 Fuel consumption and efficiency under different engine speed

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，作業(yè)循環(huán)各階段工作時(shí)間分布如下：挖掘階段32.28%，提升回轉(zhuǎn)階段24.37%，卸載階段17.27%，空斗返回階段13.18%，挖掘準(zhǔn)備階段12.91%。減小挖掘和提升回轉(zhuǎn)階段的時(shí)間，能有效提高效率。挖掘階段需要考慮到作業(yè)對象不同，對功率的需求也不相同[16]。作業(yè)對象的性質(zhì)可以通過主泵壓力反映：一般來說，作業(yè)對象越松軟，挖掘階段主泵壓力越小；作業(yè)對象越堅(jiān)硬，挖掘階段主泵壓力越大[17]。對于松軟土，由于操作手限制，采用過高的轉(zhuǎn)速并不能有效提速，相反會增加油耗；對于硬實(shí)土，由于主泵壓力高，排量小，采用過低的轉(zhuǎn)速會顯著降低作業(yè)速度。因此需要根據(jù)作業(yè)對象的不同合理設(shè)定挖掘階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。對于提升回轉(zhuǎn)階段，由于動臂油缸行程大，提升過程中動臂操作手柄一般處于最大位置，因此可以將發(fā)動機(jī)設(shè)定在最大轉(zhuǎn)速。在挖掘準(zhǔn)備階段，動臂斗桿下降時(shí)采用了流量再生技術(shù)，對主泵流量需求不大，因此可以適當(dāng)降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

對作業(yè)循環(huán)不同階段的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到表1。表中轉(zhuǎn)矩范圍指概率之和大于0.5且分布最集中的區(qū)間。

表1作業(yè)循環(huán)各階段轉(zhuǎn)矩統(tǒng)計(jì)特征

Table1Statisticalcharacteristicsoftorqueindifferentworking-cyclestages

作業(yè)階段轉(zhuǎn)矩均值/(N·m)轉(zhuǎn)矩均方差/(N·m)轉(zhuǎn)矩范圍/(N·m)挖掘500.079.6(485,550)提升回轉(zhuǎn)517.642.1(505,555)卸載497.766.4(470,540)空斗返回466252.7(435,505)挖掘準(zhǔn)備356.1107.5(280,400)

可以看出，各階段對轉(zhuǎn)矩的需求各不相同，其中提升回轉(zhuǎn)階段最大，挖掘準(zhǔn)備階段最小，與前面的分析相符。

圖4為發(fā)動機(jī)油耗特性曲線，T為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩。最上面的外特性曲線即最大供油量曲線，在此曲線上發(fā)動機(jī)效率相對較低。最內(nèi)層燃油消耗率最低的曲線所包圍的區(qū)域?yàn)榘l(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)工況區(qū)，輸出同樣功率情況下其燃油消耗最少。

圖4 發(fā)動機(jī)油耗特性曲線Fig.4 Engine′s fuel consumption curves

根據(jù)以上分析，確定作業(yè)循環(huán)各階段發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)設(shè)定準(zhǔn)則：

1)工作點(diǎn)必須設(shè)定在發(fā)動機(jī)外特性曲線以下；

2)設(shè)定工作點(diǎn)要能夠發(fā)揮發(fā)動機(jī)動力性，保證挖掘機(jī)作業(yè)效率；

3)作業(yè)對象不同，挖掘階段的工作點(diǎn)也應(yīng)有所不同；

4)工作點(diǎn)應(yīng)該靠近發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)工況區(qū)，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

基于以上準(zhǔn)則，結(jié)合作業(yè)循環(huán)不同階段對發(fā)動機(jī)功率的需求，確定各階段發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)。

挖掘階段：挖掘?qū)ο笤接玻鞅脡毫υ礁撸D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩應(yīng)該越大。按式(1)、(2)確定挖掘階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ne及轉(zhuǎn)矩Te：

(1)

(2)

式中：nemin、nemax分別為挖掘階段發(fā)動機(jī)最小和最大轉(zhuǎn)速，Temin、Temax分別為挖掘階段發(fā)動機(jī)最小和最大轉(zhuǎn)矩，pmin、pmax分別為挖掘軟土和硬土?xí)r挖掘階段的主泵壓力平均值，pdig為當(dāng)前挖掘階段平均壓力。

實(shí)際挖掘中，一旦識別出作業(yè)循環(huán)進(jìn)入挖掘階段，發(fā)動機(jī)需要立即調(diào)整工作點(diǎn)，即工作點(diǎn)的設(shè)定早于該挖掘階段平均壓力的獲得。考慮到作業(yè)對象發(fā)生突變的概率較小，可以根據(jù)前面幾個挖掘階段的壓力，推測出當(dāng)前挖掘階段的壓力。即

pdig=(pdig1+pdig2+pdig3)/3

(3)

式中：pdig1為往前第一個挖掘階段的平均壓力，pdig2為往前第二個挖掘階段的平均壓力，pdig3為往前第三個挖掘階段的平均壓力。得到挖掘階段發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，如圖4中Qdig。

提升回轉(zhuǎn)階段：為保證最大的作業(yè)效率，發(fā)動機(jī)輸出最大功率，不受挖掘物重量影響。發(fā)動機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)速，泵吸收功率也設(shè)定為最大，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)盡可能接近外特性曲線。發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)為圖4中Qlift。

卸載階段：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和泵吸收功率可適當(dāng)降低，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)為圖4中Qunload。

空斗返回階段：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和泵吸收功率進(jìn)一步降低，工作點(diǎn)為圖4中Qswing。

挖掘準(zhǔn)備階段：功率需求最小，工作點(diǎn)為圖4中Qpredig。

1.3 分階段功率匹配控制方法

[18]方法,確定作業(yè)循環(huán)階段后，需要調(diào)整發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，并控制發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作于目標(biāo)工作點(diǎn)附近。在發(fā)動機(jī)工作于外特性曲線上時(shí)，使用轉(zhuǎn)速反饋控制，其他時(shí)候使用轉(zhuǎn)矩反饋控制。液壓挖掘機(jī)分階段功率匹配控制的完整過程如圖5所示。

圖5 挖掘機(jī)分階段功率匹配控制流程圖Fig.5 Flow chat of excavator′s power matching control in stages

2 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的切換控制策略

識別出作業(yè)循環(huán)進(jìn)入哪一工作階段后，一方面需要改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，使其切換至該階段對應(yīng)工作點(diǎn)，另一方面需要控制泵吸收扭矩，以保證發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。隨著非道路柴油機(jī)國三標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的實(shí)施，挖掘機(jī)開始大規(guī)模裝備電噴發(fā)動機(jī)，取消了機(jī)械式油門，由控制器直接發(fā)送轉(zhuǎn)速指令給發(fā)動機(jī)電子控制單元(electronic control unit，ECU)調(diào)速。

液壓泵吸收扭矩:

Tp=(p1+p2)×Dp/(2πηpt)

(4)

式中：p1、p2分別為1號泵、2號泵壓力，Dp為泵排量，ηpt為泵效率。

發(fā)動機(jī)加速度:

αe=(Te-Tp)/Je

(5)

式中Je為等效轉(zhuǎn)動慣量。

電噴發(fā)動機(jī)主要根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值控制噴油量。若轉(zhuǎn)速長時(shí)間無法提升至目標(biāo)值，則發(fā)動機(jī)噴油量一直很高，會增加油耗。因此工作點(diǎn)切換時(shí)要求轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到目標(biāo)值，以提高操作性能，降低油耗。提出基于最大加速度的工作點(diǎn)切換控制策略：在發(fā)動機(jī)由低工作點(diǎn)切換至高工作點(diǎn)時(shí)，適當(dāng)減小泵控制電流，以減小泵吸收扭矩Tp，增大加速度αε，使轉(zhuǎn)速迅速提升；發(fā)動機(jī)由高工作點(diǎn)切換至低工作點(diǎn)時(shí)，增加泵控制電流，以增加泵吸收扭矩Tp，使得反向加速度最大，迅速降低轉(zhuǎn)速；切換過程中，目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化越大，則相應(yīng)的泵電流變化量越大。同時(shí)為了防止過載熄火，當(dāng)發(fā)動機(jī)由高工作點(diǎn)切換至低工作點(diǎn)時(shí)，若負(fù)荷率超過一定值，則泵電流不改變。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)值時(shí)，工作點(diǎn)切換結(jié)束，改由工作點(diǎn)穩(wěn)定控制策略控制泵電流。

3 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的穩(wěn)定控制策略

3.1 轉(zhuǎn)矩反饋控制

為保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，電噴發(fā)動機(jī)調(diào)速率通常為零，即調(diào)速特性曲線與轉(zhuǎn)速垂直。由油耗特性曲線可知，相同轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速波動對燃油消耗率影響較小；而轉(zhuǎn)矩波動對燃油消耗率影響很大。因此要盡可能保持發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定。電噴發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩相關(guān)信息可以通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network，CAN)總線從發(fā)動機(jī)ECU中讀取，因此采取轉(zhuǎn)矩反饋控制，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩差值調(diào)節(jié)泵排量，使發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩變化過程是高度非線性、多變量耦合的過程，難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型，因此轉(zhuǎn)矩反饋控制采用模糊控制算法，以實(shí)際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩之間的偏差e及偏差變化量ec作為模糊控制器的輸入，泵比例電磁閥電流變化量Δi作為輸出。模糊子集定義為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示e、ec和Δi的值為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。輸入輸出均選用三角形隸屬度函數(shù)。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩增加，e為PB，若此時(shí)ec也為PB，說明負(fù)載持續(xù)增加，為穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該減小泵排量，即Δi為NB。同理得到其他工況下的模糊控制規(guī)則，匯總后的規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

則轉(zhuǎn)矩反饋控制輸出為

iT=i0+fuzzy(e,ec)

(6)

式中i0為各階段泵比例電磁閥基準(zhǔn)電流。

3.2 轉(zhuǎn)速反饋控制

當(dāng)負(fù)載過大，負(fù)荷率達(dá)到100%時(shí)，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)沿外特性曲線變化。從圖4中可以看出，外特性曲線比較平緩，轉(zhuǎn)矩的輕微波動會引起轉(zhuǎn)速大幅變化，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失穩(wěn)甚至憋車。引入轉(zhuǎn)速反饋控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)泵排量，降低泵吸收扭矩，能使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速回升。

若以抗原的數(shù)量ε(k)作為目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差e(k)，B細(xì)胞接受的總刺激S(k)作為泵比例電磁閥輸入電流i(k)，可得到如下反饋控制規(guī)律：

i(k)=k1e(k)-k2f(u(k),Δu(k))e(k)=

K[1-ηf(i(k),Δi(k))]e(k)

(7)

式中：K控制反應(yīng)速度；η控制穩(wěn)定效果；f(·)為選定的非線性函數(shù)，可通過模糊控制器逼近得到。模糊控制器輸入為i(k)、Δi(k)，輸出為f(i(k),Δi(k))。輸入變量模糊子集為{P，N}，表示i(k)、Δi(k)的值為正、負(fù)；輸出變量模糊子集為{P，Z，N}，表示f(i(k),Δi(k))的值為正、零、負(fù)。輸入輸出均選用三角形隸屬度函數(shù)。根據(jù)免疫機(jī)理，得到模糊規(guī)則如下：

Ifi(k) is P and Δi(k) is P thenf(i(k),Δi(k)) is N；

Ifi(k) is P and Δi(k) is N thenf(i(k),Δi(k)) is Z；

Ifi(k) is N and Δi(k) is P thenf(i(k),Δi(k)) is Z；

Ifi(k) is N and Δi(k) is N thenf(i(k),Δi(k)) is P。

模糊免疫控制器是非線性P控制器，無法補(bǔ)償干擾引起的誤差，將其與常規(guī)PID控制結(jié)合起來，得到免疫PID控制器，其輸出為

i(k)=K[1-ηf(i(k),Δi(k))]·

(8)

式中Kp、Ki、Kd分別為比例增益、積分增益和微分增益。

考慮到轉(zhuǎn)速偏差越大，泵控制電流應(yīng)該越小，實(shí)際得到的轉(zhuǎn)速反饋控制輸出為

(9)

式中i0為各階段泵比例電磁閥基準(zhǔn)電流。

當(dāng)轉(zhuǎn)速回復(fù)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，轉(zhuǎn)速反饋控制輸出大于轉(zhuǎn)矩反饋控制輸出時(shí)，切換為轉(zhuǎn)矩反饋控制，以穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩。

4 試驗(yàn)臺及實(shí)際挖掘?qū)嶒?yàn)試驗(yàn)

4.1 功率匹配實(shí)驗(yàn)臺

為了驗(yàn)證挖掘機(jī)分階段功率匹配的可行性，搭建了功率匹配實(shí)驗(yàn)臺，液壓原理如圖6所示。發(fā)動機(jī)選擇康明斯公司QSB3.3電噴發(fā)動機(jī)，主泵選擇川崎公司K3V63DT系列軸向柱塞泵。比例溢流閥安裝在主泵出口處，主泵輸出液壓油經(jīng)溢流閥溢流后直接回油箱，其輸出壓力由比例溢流閥調(diào)定。先導(dǎo)油路使用兩個比例減壓閥對主泵負(fù)流量控制口進(jìn)行加載，模擬負(fù)流量控制壓力。現(xiàn)場連續(xù)采集挖掘機(jī)標(biāo)準(zhǔn)挖掘作業(yè)循環(huán)時(shí)的主泵出口壓力信號和負(fù)流量壓力信號，通過控制器控制比例溢流閥電流和比例減壓閥電流，使比例溢流閥溢流壓力與比例減壓閥壓力與采集的主泵出口壓力和負(fù)流量壓力一致。這樣主泵排量、壓力一定程度上模擬挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)工況。

1-油箱，2-1號泵，3-2號泵，4-先導(dǎo)泵，5、6、18-單向閥，7、8-流量傳感器，9、12-背壓閥，10、16-比例溢流閥，11、15、17-安全閥，13、14-比例減壓閥圖6 試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic of the test- bed′s hydraulic system

4.2 工作點(diǎn)切換控制試驗(yàn)

在挖掘機(jī)功率匹配試驗(yàn)臺上研究工作點(diǎn)切換控制策略。使用一個完整作業(yè)循環(huán)的主泵壓力信號對泵進(jìn)行兩次加載，第一次不使用切換控制，第二次使用基于最大加速的切換控制策略，得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖7、8所示。圖中分段標(biāo)志等于0時(shí)，為挖掘階段；等于10時(shí)，為提升回轉(zhuǎn)階段；等于20時(shí)，為卸載階段；等于30時(shí)，為空斗回轉(zhuǎn)階段；等于40時(shí)，為挖掘準(zhǔn)備階段，i為泵比例電磁閥電流，下同。從圖中可以看出，有工作點(diǎn)切換控制時(shí)，工作階段變化，泵電流隨之改變，使加速度變大，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的時(shí)間變短。最為明顯的是由挖掘準(zhǔn)備階段切換為挖掘階段的過程。挖掘階段開始時(shí)，負(fù)載急劇增加，發(fā)動機(jī)首先經(jīng)歷一個掉速過程。在沒有切換控制時(shí)，由于泵控制電流較大，相應(yīng)的吸收扭矩也很大，發(fā)動機(jī)加速度很小，轉(zhuǎn)速只能緩慢回升，經(jīng)過1.5 s左右才達(dá)到目標(biāo)值。而使用切換控制后，泵控制電流立刻減小至較低值，大大降低了泵吸收扭矩，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速回升，在1 s內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值。

圖7 無工作點(diǎn)切換控制時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 Curves of engine speed without working points switching control

圖8 有工作點(diǎn)切換控制時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.8 Curves of engine speed with working points switching control

4.3 工作點(diǎn)穩(wěn)定控制試驗(yàn)

改變比例溢流閥輸入電流，控制主泵輸出壓力由5 MPa逐漸增加至20 MPa，使主泵吸收扭矩階躍變化。分別使用轉(zhuǎn)速反饋控制和轉(zhuǎn)矩反饋控制，研究發(fā)動機(jī)在階躍變化負(fù)載下轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的變化情況，得到如圖9、10所示曲線。在階躍負(fù)載下，兩種控制方法都能使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到穩(wěn)定。由于電噴發(fā)動機(jī)零調(diào)速率特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定并不等于轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，使用轉(zhuǎn)速反饋控制時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載變化而變化，如圖9(c)所示。使用轉(zhuǎn)矩反饋控制，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，泵控制電流降低，減小了泵吸收扭矩，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩最終穩(wěn)定在目標(biāo)值，如圖10(c)所示。可見，對零調(diào)速率電噴發(fā)動機(jī)，必須對轉(zhuǎn)矩加以控制才能穩(wěn)定其工作點(diǎn)。

圖9 轉(zhuǎn)速反饋控制發(fā)動機(jī)泵相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.9 Parameter curves of engine and pump using speed control strategy

圖10 轉(zhuǎn)矩反饋控制發(fā)動機(jī)泵相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.10 Parameter curves of engine and pump using torque control strategy

圖11為斗桿鏟斗完全外展情況下，動臂上升時(shí)的主泵壓力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化曲線，圖中l(wèi)為發(fā)動機(jī)負(fù)荷率。其中第一次提升只采用了轉(zhuǎn)矩反饋控制，第二次提升采用了轉(zhuǎn)矩反饋與轉(zhuǎn)速反饋協(xié)同控制的方法。

從圖11看出，提升開始時(shí)，主泵壓力增加，負(fù)載增大，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩迅速增加，負(fù)荷率很快達(dá)到百分之百。發(fā)動機(jī)工作在外特性曲線上，轉(zhuǎn)速急劇下降。由于提升階段發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩設(shè)定較高，轉(zhuǎn)矩反饋控制對電流的改變不大，泵吸收扭矩變化較小，發(fā)動機(jī)始終保持高負(fù)荷狀態(tài)，轉(zhuǎn)速難以回升。采用轉(zhuǎn)矩反饋與轉(zhuǎn)速反饋協(xié)同控制的方法，在發(fā)動機(jī)負(fù)荷率增加到百分之百時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋控制開始生效。在其作用下，泵控制電流迅速減小，吸收扭矩降低。當(dāng)發(fā)動機(jī)輸出扭矩等于泵吸收扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)速不再降低。此時(shí)轉(zhuǎn)速的下降量較單一使用轉(zhuǎn)矩反饋控制時(shí)更小。之后發(fā)動機(jī)輸出扭矩大于泵吸收扭矩，轉(zhuǎn)速在1 s時(shí)間內(nèi)即可恢復(fù)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近。當(dāng)動臂油缸伸至極限時(shí)，無桿腔無法再進(jìn)油，油液經(jīng)安全閥溢流，主泵壓力迅速上升至溢流壓力，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩增大，引起發(fā)動機(jī)再次掉速。但是在轉(zhuǎn)速反饋控制作用下，泵控制電流迅速減小，掉速被抑制。之后轉(zhuǎn)速一直增加，泵控制電流增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速反饋控制輸出大于轉(zhuǎn)矩反饋控制輸出時(shí)，切換為轉(zhuǎn)矩反饋控制。

圖11 動臂上升時(shí)主泵壓力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.11 Curves of pump pressure, engine speed and torque during boom lifting

可見，轉(zhuǎn)速反饋與轉(zhuǎn)矩反饋協(xié)同控制，一方面在負(fù)載增大、轉(zhuǎn)速急劇下降時(shí)能迅速穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，另一方面可以適應(yīng)電噴發(fā)動機(jī)的零調(diào)速率，實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)的穩(wěn)定控制。

4.4 樣機(jī)試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證分階段功率匹配控制的效果，在廈工XG822型液壓挖掘機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。樣機(jī)主要部件參數(shù)如表3所示。

表3液壓挖掘機(jī)主要部件參數(shù)

Table3Parametersofthemainpartsofhydraulicexcavator

參數(shù)數(shù)值發(fā)動機(jī)最大功率/kW140.6發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2100發(fā)動機(jī)最大扭矩/(N·m)706變量泵排量/(cm3·r-1)110變量泵額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2150變量泵最大壓力/MPa31.9

根據(jù)1.2節(jié)內(nèi)容，結(jié)合發(fā)動機(jī)泵具體參數(shù)，設(shè)定不同階段發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，如表4所示。

表4 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)參數(shù)

規(guī)范的實(shí)際挖掘試驗(yàn)得到主泵壓力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖12所示。從圖12可以看出，每個作業(yè)循環(huán)被準(zhǔn)確的分成了5個階段，說明所采用的識別方法能夠有效識別出作業(yè)循環(huán)各個階段。階段切換時(shí)，發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速隨之變化，轉(zhuǎn)速提升或下降時(shí)間均不超過0.5 s。工作點(diǎn)切換完成后，階段內(nèi)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動≤70 r/min。

圖12 主泵壓力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.12 Curves of pump pressures and engine speed

為比較不同方案作業(yè)效率及油耗，分別采用分階段功率匹配控制及分工況控制經(jīng)濟(jì)模式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)挖掘試驗(yàn)。每次作業(yè)時(shí)間20 min，記錄作業(yè)循環(huán)次數(shù)及總油耗，得到油耗效率數(shù)據(jù)如表5所示。從表5中可以看出，分階段功率匹配控制相比分工況控制經(jīng)濟(jì)模式，在作業(yè)效率提升2%的情況下油耗降低了1.9%。

圖13、14分別為分階段功率匹配控制和分工況控制經(jīng)濟(jì)模式的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布。從圖中可以看出，分工況控制轉(zhuǎn)速設(shè)定后不再改變，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)沿轉(zhuǎn)矩縱向分布，基本覆蓋整個轉(zhuǎn)矩范圍，偏離了經(jīng)濟(jì)工作區(qū)。而分階段功率匹配控制根據(jù)階段不同合理設(shè)定發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動機(jī)盡可能避開高油耗區(qū)，靠近經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，降低了燃油消耗。

表5 不同方案油耗及效率數(shù)據(jù)

圖13 分階段功率匹配控制發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布Fig.13 Distribution of engine working points using stage- based power matching control strategy

圖14 分工況控制經(jīng)濟(jì)模式發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布Fig.14 Distribution of engine working points under economy mode using condition- based control strategy

圖15、16為不同方案各階段工作時(shí)間及燃油消耗。對比分階段功率匹配控制與分工況經(jīng)濟(jì)模式：采用分階段功率匹配控制時(shí)，挖掘階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨作業(yè)對象不同而變化，工作點(diǎn)設(shè)定更加合理，其作業(yè)時(shí)間較分工況經(jīng)濟(jì)模式有所減少，油耗也略有降低；提升回轉(zhuǎn)階段提高了發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，其作業(yè)時(shí)間減少，油耗基本不變；卸載和空斗返回階段工作點(diǎn)略有降低，作業(yè)時(shí)間基本不變，但發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)向經(jīng)濟(jì)工況區(qū)靠近，降低了燃油消耗；挖掘準(zhǔn)備階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，但由于負(fù)載較小，對作業(yè)時(shí)間影響不大，而發(fā)動機(jī)輸出功率減小，油耗相應(yīng)減少。總的來看，分階段功率匹配控制通過合理設(shè)定工作點(diǎn)，并控制工作點(diǎn)穩(wěn)定，在提高作業(yè)效率的同時(shí)，降低了燃油消耗。

圖15 不同方案各階段工作時(shí)間Fig.15 Time consumption of different working- cycle stages using different solutions

圖16 不同方案各階段燃油消耗Fig.16 Fuel consumption of different working- cycle stages using different solutions

5 結(jié)論

1)根據(jù)液壓挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)不同階段的特點(diǎn)，合理設(shè)定發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動機(jī)避開了高燃油消耗區(qū)，并采用轉(zhuǎn)速反饋與轉(zhuǎn)矩反饋協(xié)同控制的策略，使發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作在目標(biāo)工作點(diǎn)，有效地降低了燃油消耗。

2)搭建了挖掘機(jī)功率匹配試驗(yàn)臺，在試驗(yàn)臺上驗(yàn)證了分階段功率匹配控制的可行性。在實(shí)際挖掘機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，提出的分階段功率匹配控制方法相比分工況控制經(jīng)濟(jì)模式，在作業(yè)效率提升的情況下，斗油耗降低了3.8%。

主要針對的是挖掘裝載作業(yè)，對其他作業(yè)形式，如平地、破碎等未加以考慮。后續(xù)將研究不同工作形式的識別，使挖掘機(jī)在任意工況下都能工作在最優(yōu)工作點(diǎn)。

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Stage-basedpowermatchingcontrolofhydraulicexcavator

GAO Yu, FENG Peien, PENG Bei, QIU Qingying

(Institute of Mechanical Design, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

10.11990/jheu.201605053

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1523.120.html

TU621

A

1006- 7043(2017)09- 1461- 09

2016-05-16. < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期：2017-04-27.

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAF07B04).

高宇(1973-), 男, 實(shí)驗(yàn)師, 學(xué)士; 馮培恩(1943-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.

馮培恩, E- mail: fpe@zju.edu.cn.

本文引用格式：高宇，馮培恩，彭貝，等. 液壓挖掘機(jī)分階段功率匹配控制技術(shù)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(9): 1461-1469.

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