混合動力挖掘機回轉制動控制及仿真試驗研究

李遠凱 張武 郭衛 張亞普 郟高祥

摘 ?要： 針對混合動力技術的挖掘機回轉控制系統制動超調等問題，建立挖掘機回轉裝置模型，采用模糊PID控制算法，通過Matlab/AMESim聯合仿真軟件平臺進行驗證，并基于礦用混合動力挖掘機進行實測。結果表明，所采用的控制策略能夠滿足其回轉制動的性能要求，并具有良好的節能效果，分析結果為促進混動挖掘機回轉作業系統的設計與評價提供了一定的借鑒意義。

關鍵詞： 回轉制動; 仿真試驗; 混合動力挖掘機; PID參數調整; 模糊控制; 節能

中圖分類號： TN876?34; TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）07?0111?03

Research on slewing braking control and simulation test of hybrid power excavator

LI Yuankai， ZHANG Wu， GUO Wei， ZHANG Yapu， JIA Gaoxiang

（College of Mechanical Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： For the braking overshoot of excavator slewing control system based on hybrid power technology， a model of excavator slewing device is created. The fuzzy PID control algorithm is adopted， and MATLAB/AMESim co?simulation software platform is employed to verify the model. In addition， actual test is carried out on the basis of hybrid power excavator for mine. The results show that the adopted control system can meet the performance requirements of slewing brake and have a good energy?saving effect. The analysis results provide some reference for improving the design and the evaluation of slewing operation system for hybrid excavator.

Keywords： slewing braking; simulation test; hybrid power excavator; PID parameter adjustment; fuzzy control; energy saving

0 ?引 ?言

混合動力挖掘機作為工程機械領域的節能型產品，在工程建設中扮演著極其重要的角色，礦業生產、貨物的吊裝與搬運、土方材料的挖掘等都依賴于工業挖掘機。混合動力技術的應用豐富了車輛和工程機械等的動力來源，進一步提高了節油性，為環境保護作出了貢獻[1]。普通液壓挖掘機向混合動力挖掘機的過渡，使得挖掘機作業控制方式發生改變，傳統的回轉控制系統馬達由于回轉電機的替代出現制動超調及制動后的自鎖問題[2?3]，這使得回轉控制系統無法實現液壓挖掘機同等的控制效果。

因此，本文以混合動力挖掘機回轉控制系統模型為實例，基于回轉控制制動需求，建立含回轉電機、發動機、超級電容、電機充電以及變量泵等的挖掘機回轉控制模型，采用帶有修正規則的模糊PID控制算法，基于Matlab/AMESim聯合仿真平臺分析停車自鎖效果，根據分析結果驗證所設計控制策略的可行性。

1 ?混合動力挖掘機回轉系統

混合動力挖掘機的回轉系統穩定運行是確保挖掘機整機正常運行的基礎，可控的回轉力矩和穩定的回轉制動控制是挖掘機回轉系統的重要評估指標[4]，混合動力挖掘機回轉系統的基本組成如圖1所示。回轉電機主要為永磁同步電機，機械制動單元安裝在高速軸上，回轉電機的輸出軸與減速器的高速軸相連[5?6]，駕駛員通過操縱先導手柄控制電機的啟制動與運轉速度，并由轉速傳感器檢測其實際轉速。

1） 回轉電機的轉矩數學模型

[Mm=MnuE2] ?（1）

式中：[Mm]是控制器所需的電機輸出扭矩;[Mn]是對應轉速下的最大輸出扭矩;[u]是超級電容電壓;[E]是最大電壓。

2） 發動機模型

[MDc=Mcη] （2）

式中：[MDc]是飛輪輸出轉矩;[Mc]是發動機轉矩;[η]是有用力矩效率。

3） 超級電容模型

[U=Ee-tRC] （3）

式中：[U]是充電終止電壓;[t]是放電時間;[R]是電容電阻;[C]是電容。

4） ISG電機充電模型

[12CU2-12CU20=2π60Mgndt] （4）

式中：[U0]是初始電壓;[Mg]是電機發電力矩;[n]是電機轉速。

5） 變量泵模型

[MP=MDcη0] （5）

式中：[MP]是液壓泵所需力矩;[η0]是液壓泵的利用效率。

則可得整機約束模型為：

[MDc-MP-Mg+ME≥Mm] （6）

[ME=d12CU22-12CU21dtω] （7）

式中：[ME]是回轉電機的輸出轉矩;[U1]是初始電壓;[U2]是末端電壓;[ω]是電機的回轉速度。

根據以上數學模型可知，混合動力挖掘機回轉整機模型是基于回轉電機、發動機、超級電容器、電機充電和變量泵等的綜合型集成模型。混合動力挖掘機回轉機械硬件組成如圖2所示，其中，電機轉速、操作手柄位移以及發動機轉速等一系列信號經控制器計算處理后驅動回轉電機運轉[7]，發動機并適時地驅動發電機向超級電容器充電。

2 ?模糊PID回轉控制策略

2.1 ?模糊PID控制邏輯

挖掘機回轉系統模糊PID控制邏輯主要由常規PID控制和模糊在線自適應調整等兩部分組成。如圖3所示，其中，被控對象即為挖掘機電驅回轉系統的回轉電機電動系統，模糊控制器部分是整個控制邏輯的重點。模糊控制器通過采集回轉系統電機轉速、手柄位移和發動機轉速等信號并經實際運行經驗獲得比例、積分、微分等三個特征參數[kp]，[ki]，[kd]進行優化修整[8?9]，使得挖掘機回轉系統能夠根據實際作業需求自適應式運轉，達到合理的控制效果。

2.2 ?控制規則

根據三個參數[kp]，[ki]，[kd]與[e]，[ec]的模糊關系，模糊自整定PID在運行中持續檢測[e]，[ec]，并適時智能地在線修改，以滿足挖掘機回轉運行的穩定性、超調量和動、靜態的不同控制精度需求[10]。這里主要是由轉速變化量[e（t）]、轉速偏差變化率[dedt]、電機轉速及發動機轉速等觸發控制規則來進行PID參數調整，以挖掘機斜坡回轉作業為例的部分回轉電機參數模糊控制規則與修正如表1，表2所示。

3 ?回轉制動控制仿真試驗

由于Matlab與AMESim平臺數據可以交換，并且兩者都具有較強的處理和分析性能，因此，采用聯合仿真方式對礦用混合動力挖掘機回轉控制系統模型進行分析。如圖4所示，在Matlab中構建模糊控制器，并將AMESim中的[S]函數導入該控制模型。其中，Revise Fuzzy Logic為模糊修正器，模糊控制器操作運算并輸出相應的[kp]，[ki]，[kd]特征參數，經Revise Fuzzy Logic觸發輸出修正參數去影響[kp]，[ki]，[kd]三個特征值進行力矩計算，[S]函數根據計算后的力矩處理將得出的轉速反饋到模糊控制器中。

電機輸入初始速度為1 500 r/min，目標轉速為零，對常規PID算法與模糊PID控制模型分別進行分析，結果如圖5所示。回轉制動后施加擾動力矩的自鎖效果如圖6所示。

針對礦用混合動力挖掘機實際回轉運行環境，將仿真結果進行整理得到如表3所示的控制參數。從結果可以看出，模糊PID回轉控制的主要參數均比傳統的PID控制效果具有更好的優越性，魯棒性較好，制動時間上減少了0.7 s，超調量為20 r/min且遠小于常規PID的300 r/min，自鎖制動時間也縮減了0.7 s左右，二者的油耗表現也是模糊PID控制占優。為了驗證所設計的挖掘機回轉控制策略的可行性，以23 t混合動力挖掘機分別采用輕載、中載和滿載等三種荷載進行回轉制動試驗，三種情況的回轉制動參數如表4所示。

根據表4中的回轉制動結果可以看出，模糊PID控制策略對于挖掘機的回轉制動優于常規的PID控制效果，制動時間比傳統時間減少了約0.5 s。總體來看，試驗結果驗證了模型仿真的分析規律，模糊PID回轉控制相對常規控制的挖掘機具有更好的節油效果。

4 ?結 ?語

本文針對混合動力挖掘機回轉控制系統的制動問題，建立了挖掘機回轉控制系統的模型，采用模糊PID回轉控制策略，基于Matlab/AMESim聯合仿真平臺對礦用挖掘機回轉制動控制進行實測分析。與常規的PID控制算法相比，模糊PID回轉控制策略在制動時間、制動超調以及節油性等方面均表現出更好的效果，進一步驗證了模糊回轉控制方案的有效性，分析結果能夠在某種程度上促進挖掘機關鍵技術的提升。

參考文獻

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