一體化施工機械液壓解耦伺服控制研究

（山推工程機械股份有限公司,山東 濟寧 272000）

隨著控制技術、傳感技術、遙感技術、檢測技術的不斷發展,同時為了避免過度施工、反復施工及面對有特殊施工工藝要求路面（如機場跑道、高爾夫球場等）,機械化施工越來越偏向一體化機群施工。一體化機群施工是以工程數字化為基礎,同步協調、智能調度各種機械,即由統一公共平臺控制,完成推土機、壓路機、裝載機等不同工程機械設備協作進行,精準施工其過程如圖1 所示。一體化機群施工要求設備定位精準、行走精準、動作精準,要求施工機群在控制上更加簡單、方便。相對傳統工程機械控制設備,電傳動設備在控制上有著絕對的優勢。

圖1 一體化機群施工過程

隨著技術的發展,高功率的發電機、高效能的電動機逐漸通過電傳動技術被廣泛運用在工程機械等領域,電傳動技術日趨成熟,這屬于綠色新能源方向；電傳功設備移動靈活、運行安全可靠,在控制系統上簡單可靠,極易實現智能化。電傳動設備控制原理如圖2 所示。

圖2 電傳動設備控制原理圖

1 液壓控制系統參數耦合

在控制領域中,各個控制變量或者過程變量存在著相互關聯、耦合的情況,這樣簡單的單輸入和單輸出控制系統就形成了一個多輸入和多輸出相關聯的控制系統,由于各變量之間的耦合關系,在常規控制及相應結構上很難做到單一變量的精確控制,嚴重的參數耦合將影響整個系統的穩定性。

新時代工程機械解耦伺服控制要考慮：①每個液壓軸將從開環控制進入伺服閉環控制；②各軸從獨立控制進入多軸統籌解耦控制。但是在液壓系統中,“壓力”和“流量”2 個控制變量存在嚴重的耦合關系,兩者相互關聯并且隨動,當調節壓力時,系統中的流量也會隨之變化,反之亦然。在對精確度要求較高的控制場合下,這個耦合問題急需解決。

傳統降低“壓力”、“流量”耦合關系主要通過閥來控制,很多行走機械的多路閥閥芯都帶一個LVDT 位移傳感器,目的就是提高精度,解決閉環控制。新的多路閥小于125ms 全開啟時間是其響應時間的最低要求。而現在大多數多路閥的開啟時間是1s,1s 去做解耦控制、閉環控制是很困難的,閥的響應速度和控制精度本身就有缺陷。如何采用特殊的方法消除“壓力”和“流量”的耦合關系,是目前亟須解決的問題。當解耦伺服控制以后,既可以做功率匹配,也可以做壓力控制,又可以做流量分配。

2 電傳動設備數學模型建立

整個工程機械電傳動設備數學模型主要包括電機數學模型及液壓系統數學模型,數學模型比較復雜,非線性關系比較多,而液壓系統中又存在“壓力”和“流量”的耦合關系,整體建模比較困難,但是經過研究可知,對于永磁同步電機可以采用“空間矢量脈寬調制算法”對輸出轉速和轉矩2 個變量進行精確控制（成熟技術在本文中不做介紹）,故只需要對液壓系統部分進行建模。

此次以電傳動裝載機液壓系統為例進行建模,電傳動裝載機工作裝置液壓原理圖如圖3 所示,工作裝置液壓系統采用泵控形式,通過對定量泵的動力源精確控制,從而達到精確調整液壓控制變量的目的。

圖3 電傳動裝載機工作裝置液壓原理圖

1）定量泵的流量方程

式中n——電機轉速,r/min；

C——泵的容積效率；

V——泵的額定排量,mL/r。

2）液壓缸流量連續方程

式中Vc——液壓缸大腔容積,L；

K——液壓油體積模量,MPa；

pL——活塞所受到的負載壓力,MPa；

p——系統供油壓力,MPa；

V——泵的額定排量,mL/r；

x——液壓缸活塞位移,m；

λc——液壓缸泄漏系數；

A1——有桿腔作用面積,m2；

λs——液壓系統總泄漏系數；

a——液壓缸大小腔有效面積比。

3）液壓缸負載力平衡方程

式中m——液壓缸等效質量,kg；

c——液壓缸粘性系數,N/m；

k——負載彈性系數,N/m；

FL——負載阻力,N。

將式(1)式～式(3)進行拉式變換

將式(4)～式(6)進行合并并按照簡化原則進行簡化以后得到傳遞函數為

式中λ——總體泄漏系數；

ωm——液壓固有頻率,ωm=；

ζm——液壓阻尼比,

ζm=。

3 解耦伺服控制研究

傳統液壓系統中對“流量”與“壓力”的耦合一般采用優化閥體結構,或者在閥體上施加控制算法來完成解耦控制；這種靠閥體解耦存在能耗大,發熱量大,噪聲大,結構復雜等缺陷,而且控制精度達不到一體化施工中精確控制,精準施工的要求。永磁同步電機可以采用空間矢量脈寬調制算法對輸出“轉速”和“轉矩”2 個變量進行精確控制,如何將對“壓力”和“流量”的控制轉化為對電機“轉速”和“扭矩”的控制,這是此次解耦伺服控制的重點,也是難點。在忽略液壓系統泄漏的情況下,由式(1)～式(7)上式可以看出,在伺服驅動液壓系統中,對定量泵的輸出壓力和流量的控制可以轉化為對伺服電機轉速和扭矩的控制。

在“壓力”和“流量”解耦控制之前,首先要確定2 個輸入對2 個輸出之間的影響關系,即流量對轉速、流量對壓力、壓力對轉速、壓力對轉矩之間的關系,對于這種分析,從控制學角度上來看,可以通過矩陣方程來實現,如式(9)所示。

通過式(7)中傳遞函數可以推導出G11(s)、G12(s)、G21(s)、G22(s)所對應的函數形式。

式中G11(s)=VC

此次電傳動裝載機液壓伺服解耦控制中采用一種前反饋補償的解耦方法進行,即將流量對壓力的影響,或者壓力對流量的影響視為外部干擾信號并在控制算法中設計了2 個前反饋補償器N(s)來消除控制之間的耦合,解耦算法控制原理如圖4 所示。

圖4 解耦算法原理圖

先從轉矩T經過常規控制器D2(s)處理后的輸出VT對流量q的影響開始分析,應用現行疊加可得

由于經過解耦后要使流量q不受VT影響,即當VT發生變化時,q為零即可。

可以求得N12(s)、G11(s)、N21(s)、N22(s),至此完成了壓力和流量的解耦。

在電傳動裝載機液壓系統伺服解耦控制中切換控制策略的方案即流量有限控制(鏟斗下降),壓力優先控制(翻斗),流量壓力同時控制(鏟斗舉升)及分別對這3 種控制策略設計的了控制權比重,可以針對不同工作完成相應解耦控制,解耦算法控制策略選擇原理圖如圖5 所示。

圖5 耦算法控制策略選擇原理圖

4 結語

電傳動工程機械具有綠色節能、移動靈活、運行安全可靠,在控制系統上簡單可靠,極易實現智能化等優點,將是未來一體化施工主打機型。

傳統液壓系統大多數采用閥控來進行流量和壓力解耦,本文首次對電傳動裝載機在控制系統上進行了液壓系統伺服解耦,避免了閥控解耦能耗大、發熱量大、噪聲大、結構復雜等缺陷。

將電傳動裝載機工作液壓系統中對壓力和流量的控制通過數學迭代轉變成對永磁同步電機的轉矩和流量上的控制,通過解耦控制方法的實施完成液壓系統中壓力和流量的耦合關系實現快速響應、高精度控制。