一体化施工机械液压解耦伺服控制研究

（山推工程机械股份有限公司,山东 济宁 272000）

随着控制技术、传感技术、遥感技术、检测技术的不断发展,同时为了避免过度施工、反复施工及面对有特殊施工工艺要求路面（如机场跑道、高尔夫球场等）,机械化施工越来越偏向一体化机群施工。一体化机群施工是以工程数字化为基础,同步协调、智能调度各种机械,即由统一公共平台控制,完成推土机、压路机、装载机等不同工程机械设备协作进行,精准施工其过程如图1 所示。一体化机群施工要求设备定位精准、行走精准、动作精准,要求施工机群在控制上更加简单、方便。相对传统工程机械控制设备,电传动设备在控制上有着绝对的优势。

图1 一体化机群施工过程

随着技术的发展,高功率的发电机、高效能的电动机逐渐通过电传动技术被广泛运用在工程机械等领域,电传动技术日趋成熟,这属于绿色新能源方向；电传功设备移动灵活、运行安全可靠,在控制系统上简单可靠,极易实现智能化。电传动设备控制原理如图2 所示。

图2 电传动设备控制原理图

1 液压控制系统参数耦合

在控制领域中,各个控制变量或者过程变量存在着相互关联、耦合的情况,这样简单的单输入和单输出控制系统就形成了一个多输入和多输出相关联的控制系统,由于各变量之间的耦合关系,在常规控制及相应结构上很难做到单一变量的精确控制,严重的参数耦合将影响整个系统的稳定性。

新时代工程机械解耦伺服控制要考虑：①每个液压轴将从开环控制进入伺服闭环控制；②各轴从独立控制进入多轴统筹解耦控制。但是在液压系统中,“压力”和“流量”2 个控制变量存在严重的耦合关系,两者相互关联并且随动,当调节压力时,系统中的流量也会随之变化,反之亦然。在对精确度要求较高的控制场合下,这个耦合问题急需解决。

传统降低“压力”、“流量”耦合关系主要通过阀来控制,很多行走机械的多路阀阀芯都带一个LVDT 位移传感器,目的就是提高精度,解决闭环控制。新的多路阀小于125ms 全开启时间是其响应时间的最低要求。而现在大多数多路阀的开启时间是1s,1s 去做解耦控制、闭环控制是很困难的,阀的响应速度和控制精度本身就有缺陷。如何采用特殊的方法消除“压力”和“流量”的耦合关系,是目前亟须解决的问题。当解耦伺服控制以后,既可以做功率匹配,也可以做压力控制,又可以做流量分配。

2 电传动设备数学模型建立

整个工程机械电传动设备数学模型主要包括电机数学模型及液压系统数学模型,数学模型比较复杂,非线性关系比较多,而液压系统中又存在“压力”和“流量”的耦合关系,整体建模比较困难,但是经过研究可知,对于永磁同步电机可以采用“空间矢量脉宽调制算法”对输出转速和转矩2 个变量进行精确控制（成熟技术在本文中不做介绍）,故只需要对液压系统部分进行建模。

此次以电传动装载机液压系统为例进行建模,电传动装载机工作装置液压原理图如图3 所示,工作装置液压系统采用泵控形式,通过对定量泵的动力源精确控制,从而达到精确调整液压控制变量的目的。

图3 电传动装载机工作装置液压原理图

1）定量泵的流量方程

式中n——电机转速,r/min；

C——泵的容积效率；

V——泵的额定排量,mL/r。

2）液压缸流量连续方程

式中Vc——液压缸大腔容积,L；

K——液压油体积模量,MPa；

pL——活塞所受到的负载压力,MPa；

p——系统供油压力,MPa；

V——泵的额定排量,mL/r；

x——液压缸活塞位移,m；

λc——液压缸泄漏系数；

A1——有杆腔作用面积,m2；

λs——液压系统总泄漏系数；

a——液压缸大小腔有效面积比。

3）液压缸负载力平衡方程

式中m——液压缸等效质量,kg；

c——液压缸粘性系数,N/m；

k——负载弹性系数,N/m；

FL——负载阻力,N。

将式(1)式～式(3)进行拉式变换

将式(4)～式(6)进行合并并按照简化原则进行简化以后得到传递函数为

式中λ——总体泄漏系数；

ωm——液压固有频率,ωm=；

ζm——液压阻尼比,

ζm=。

3 解耦伺服控制研究

传统液压系统中对“流量”与“压力”的耦合一般采用优化阀体结构,或者在阀体上施加控制算法来完成解耦控制；这种靠阀体解耦存在能耗大,发热量大,噪声大,结构复杂等缺陷,而且控制精度达不到一体化施工中精确控制,精准施工的要求。永磁同步电机可以采用空间矢量脉宽调制算法对输出“转速”和“转矩”2 个变量进行精确控制,如何将对“压力”和“流量”的控制转化为对电机“转速”和“扭矩”的控制,这是此次解耦伺服控制的重点,也是难点。在忽略液压系统泄漏的情况下,由式(1)～式(7)上式可以看出,在伺服驱动液压系统中,对定量泵的输出压力和流量的控制可以转化为对伺服电机转速和扭矩的控制。

在“压力”和“流量”解耦控制之前,首先要确定2 个输入对2 个输出之间的影响关系,即流量对转速、流量对压力、压力对转速、压力对转矩之间的关系,对于这种分析,从控制学角度上来看,可以通过矩阵方程来实现,如式(9)所示。

通过式(7)中传递函数可以推导出G11(s)、G12(s)、G21(s)、G22(s)所对应的函数形式。

式中G11(s)=VC

此次电传动装载机液压伺服解耦控制中采用一种前反馈补偿的解耦方法进行,即将流量对压力的影响,或者压力对流量的影响视为外部干扰信号并在控制算法中设计了2 个前反馈补偿器N(s)来消除控制之间的耦合,解耦算法控制原理如图4 所示。

图4 解耦算法原理图

先从转矩T经过常规控制器D2(s)处理后的输出VT对流量q的影响开始分析,应用现行叠加可得

由于经过解耦后要使流量q不受VT影响,即当VT发生变化时,q为零即可。

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

在电传动装载机液压系统伺服解耦控制中切换控制策略的方案即流量有限控制(铲斗下降),压力优先控制(翻斗),流量压力同时控制(铲斗举升)及分别对这3 种控制策略设计的了控制权比重,可以针对不同工作完成相应解耦控制,解耦算法控制策略选择原理图如图5 所示。

图5 耦算法控制策略选择原理图

4 结语

电传动工程机械具有绿色节能、移动灵活、运行安全可靠,在控制系统上简单可靠,极易实现智能化等优点,将是未来一体化施工主打机型。

传统液压系统大多数采用阀控来进行流量和压力解耦,本文首次对电传动装载机在控制系统上进行了液压系统伺服解耦,避免了阀控解耦能耗大、发热量大、噪声大、结构复杂等缺陷。

将电传动装载机工作液压系统中对压力和流量的控制通过数学迭代转变成对永磁同步电机的转矩和流量上的控制,通过解耦控制方法的实施完成液压系统中压力和流量的耦合关系实现快速响应、高精度控制。