張克軍　陳　劍

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009　　2.安徽合力股份有限公司,合肥,230601

電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)控制策略研究

張克軍1,2陳劍1

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,2300092.安徽合力股份有限公司,合肥,230601

提出了一種基于雙能量源、變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速的電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)方案，建立了勢(shì)能回收系統(tǒng)和勢(shì)能回收效率的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)，給出了勢(shì)能回收系統(tǒng)的控制策略。利用AMESim和MATLAB軟件進(jìn)行了勢(shì)能回收系統(tǒng)仿真分析，最后通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)研究來檢驗(yàn)仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的正確性。研究結(jié)果表明，模糊PI控制系統(tǒng)的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器的控制效果，該控制策略能實(shí)現(xiàn)勢(shì)能的高效率回收，達(dá)到控制目的。

電動(dòng)叉車;勢(shì)能回收系統(tǒng);控制策略;模糊PI控制

0　引言

叉車的工作裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式為頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于各運(yùn)動(dòng)部件的慣性都比較大，所以減速制動(dòng)時(shí)會(huì)釋放出大量的能量。這部分能量通常消耗在控制閥的閥口上，不僅浪費(fèi)了能量，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱和元件壽命降低[1]。叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。移動(dòng)機(jī)械能量回收系統(tǒng)的基本思想是把動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。在移動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域有三種能量回收方式:一種是基于蓄能器的能量回收系統(tǒng);一種是基于蓄電池或超級(jí)電容器的能量回收系統(tǒng);還有一種是基于飛輪的能量回收系統(tǒng)[2]。無論采用哪種能量回收方式，能量回收的效率都是關(guān)注的熱點(diǎn)。采用合適的控制策略是提高勢(shì)能回收效率的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了液壓挖掘機(jī)勢(shì)能回收系統(tǒng)，提出了閉環(huán)PID調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)排量的控制策略。文獻(xiàn)[4]分析了液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)，研究了液壓挖掘機(jī)能量回收的方法，對(duì)比分析了帶節(jié)流調(diào)速和不帶節(jié)流調(diào)速的能量回收策略,提出了基于液壓蓄能器-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)的能量回收控制策略。文獻(xiàn)[5]以提高串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，基于模糊控制理論，設(shè)計(jì)了一種發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)控制策略。

本文提出了基于雙能量源(鉛酸蓄電池組和超級(jí)電容器組)、變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速的勢(shì)能回收系統(tǒng)方案,建立了勢(shì)能回收系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了勢(shì)能回收效率的表達(dá)式,設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng),給出了勢(shì)能回收系統(tǒng)的控制策略。

1　勢(shì)能回收系統(tǒng)方案及工作原理

1.1勢(shì)能回收系統(tǒng)方案

電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)方案如圖1所示,主要由門架裝置、升降油缸、傾斜油缸、升降油缸換向閥、傾斜油缸換向閥、升降操縱手柄、傾斜操縱手柄、溢流閥、單向閥、回油過濾器、液壓油泵A、液壓油泵/液壓馬達(dá)、電動(dòng)機(jī)A、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、起升電位器、控制器1、控制器2、逆變器、接觸器、鉛酸蓄電池組、超級(jí)電容器組、起升開關(guān)、下降開關(guān)及傾斜開關(guān)等組成。門架裝置主要由外門架、內(nèi)門架、貨叉架(含貨叉)、起重鏈條及定滑輪組成。起升開關(guān)與升降操縱手柄相連，傾斜開關(guān)與傾斜操縱手柄相連。升降油缸的缸筒固定在外門架上，升降油缸的活塞桿安裝在內(nèi)門架上，定滑輪安裝在內(nèi)門架上,鏈條跨過定滑輪,一端固定在外門架上，另一端與貨叉架相連。外門架通過驅(qū)動(dòng)橋固定在叉車的車架上；內(nèi)門架通過門架滾輪安裝在外門架上，并且可以在外門架上往復(fù)運(yùn)動(dòng)；貨叉架通過門架滾輪安裝在內(nèi)門架上，并且可以在內(nèi)門架上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。升降油缸通過一套滑輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)叉車的貨叉(貨物放在貨叉上)起升和下降,傾斜油缸驅(qū)動(dòng)門架(貨叉安裝在門架上)的前傾和后仰。

1.液壓油箱　2.單向閥　3.液壓油泵/液壓馬達(dá)　4.電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)　5.電動(dòng)機(jī)A　6.液壓油泵A　7.回油過濾器　8.溢流閥　9.升降操縱手柄　10.升降油缸換向閥　11.起升電位器　12.傾斜操縱手柄　13.傾斜油缸換向閥　14.升降油缸　15.傾斜油缸　16.門架裝置　16-1.貨叉架(貨叉)　16-2.起重鏈條　16-3.定滑輪　16-4.內(nèi)門架　16-5.外門架圖1　電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)方案

貨叉下降過程可回收的能量遠(yuǎn)大于貨叉傾斜過程可回收的能量,故本文不考慮貨叉傾斜過程的能量回收。本文提出的勢(shì)能回收系統(tǒng)可以回收和利用貨叉(含負(fù)載)下降時(shí)的勢(shì)能，達(dá)到節(jié)約能源的目的；采用雙能量源方案解決了勢(shì)能回收系統(tǒng)對(duì)高功率密度和高能量密度能量源的需求；在貨叉起升和貨叉下降過程中，采用變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸入功率和負(fù)載所需功率的完全匹配，無節(jié)流損失和溢流損失，提高了系統(tǒng)效率，降低了因系統(tǒng)發(fā)熱造成的能量損失。

1.2勢(shì)能回收系統(tǒng)工作原理

勢(shì)能回收系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)貨叉起升功能、貨叉下降功能、貨叉前傾功能及貨叉后仰功能，本文主要分析貨叉起升功能及貨叉下降功能。

(1)貨叉起升功能。電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)4驅(qū)動(dòng)液壓油泵/液壓馬達(dá)3,電動(dòng)機(jī)A5驅(qū)動(dòng)液壓油泵A6，兩個(gè)液壓油泵輸出的液壓油合流后經(jīng)升降油缸換向閥10的右位到升降油缸14的無桿腔,推動(dòng)升降油缸的活塞桿動(dòng)作；升降油缸的活塞桿推動(dòng)內(nèi)門架上升,同時(shí)通過起重鏈條及定滑輪帶動(dòng)貨叉架(貨叉)向上運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)貨叉起升功能。液壓油泵/液壓馬達(dá)3和液壓泵A6的最大出口壓力由溢流閥8調(diào)定。超級(jí)電容器組或鉛酸蓄電池組(由控制策略確定)通過逆變器給電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)4供電，鉛酸蓄電池組通過逆變器給電動(dòng)機(jī)A5供電；貨叉起升過程為電動(dòng)機(jī)-液壓油泵調(diào)速，貨叉起升速度由控制器1和控制器2控制。

(2)貨叉下降功能。在負(fù)載及門架裝置重力的作用下,貨叉架(貨叉)向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)通過起重鏈條及定滑輪帶動(dòng)內(nèi)門架向下運(yùn)動(dòng)；內(nèi)門架帶動(dòng)升降油缸14的活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，升降油缸無桿腔的液壓油經(jīng)升降油缸換向閥10的左位回到液壓油泵/液壓馬達(dá)3(此時(shí)作為液壓馬達(dá)使用)的進(jìn)油口，推動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)貨叉下降功能。液壓油泵/液壓馬達(dá)3驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)4(此時(shí)用于發(fā)電機(jī)模式)工作，發(fā)電機(jī)通過逆變器對(duì)超級(jí)電容器組或鉛酸蓄電池組(由控制策略確定)充電，實(shí)現(xiàn)勢(shì)能回收。通過升降油缸換向閥10內(nèi)部油道的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)液壓油泵/液壓馬達(dá)的同向旋轉(zhuǎn)。貨叉下降過程為發(fā)電機(jī)-液壓馬達(dá)調(diào)速，貨叉下降速度由控制器1控制。

2　勢(shì)能回收系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1叉車門架動(dòng)力學(xué)模型

叉車門架下降過程的動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

m=m0+m2+0.5m1+0.5m3

式中,m0為負(fù)載質(zhì)量,kg;m1為內(nèi)門架質(zhì)量,kg;m2為貨叉架及貨叉質(zhì)量,kg;m3為升降油缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;Ff為門架運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力,N;Fc為升降油缸活塞桿受力,N;a為貨叉下降加速度,m/s2;δ為門架旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)[6]。

δ主要與門架滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及門架滾輪的半徑有關(guān),其數(shù)值可按下式計(jì)算：

(2)

式中,Jw為門架滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2；r為門架滾輪的半徑,m。

2.2升降油缸的力平衡方程

升降油缸的力平衡方程為

Fc-p1A1=m3ac+bcvc+Ff c

(3)

式中,p1為升降油缸無桿腔壓力,Pa;A1為升降油缸活塞面積,m2;Ff c為升降油缸活塞運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力,N;bc為升降油缸運(yùn)動(dòng)部件及負(fù)載的黏性阻尼，N·s/m;vc為升降油缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度,m/s;ac為升降油缸活塞的加速度,m/s2。

由圖1及定滑輪的原理可知:

vc=0.5v

(4)

ac=0.5a

(5)

式中,v為貨叉下降速度,m/s。

2.3液壓馬達(dá)的力矩平衡方程

液壓馬達(dá)的力矩平衡方程為

(6)

式中,Dm為液壓馬達(dá)的弧度排量,m3/rad;Jm為液壓馬達(dá)及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;ω為液壓馬達(dá)的角速度,rad/s;Tf為液壓馬達(dá)的摩擦轉(zhuǎn)矩,N·m；Tg為發(fā)電機(jī)的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m;p2為液壓馬達(dá)的入口壓力,Pa;bm為液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)的黏性阻尼，N·m/s。

p2與p1間的關(guān)系由下式確定：

p2=p1-pf

(7)

式中,pf為換向閥及液壓管路的壓力損失,Pa。

2.4電機(jī)模型

電機(jī)是影響電動(dòng)叉車勢(shì)能回收的主要因素之一，門架勢(shì)能回收時(shí)，電機(jī)用作發(fā)電機(jī)，電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，回收的制動(dòng)能量也越多。典型電機(jī)具有中低速恒轉(zhuǎn)矩、中高速恒功率的轉(zhuǎn)矩特性,即[7]

(8)

式中,TN為電機(jī)額定扭矩，N·m；PN為電機(jī)額定功率,kW；nN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min;n為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,r/min。

電機(jī)的發(fā)電功率為

Pm=Tgωgηg

(9)

式中,ηg為電機(jī)的發(fā)電效率;ωg為電機(jī)的角速度,rad/s。

電機(jī)的角速度與液壓馬達(dá)的角速度相等，即有ωg=ω。

電機(jī)的發(fā)電能量為

Eg=∫Pmdt

(10)

式中,t為電機(jī)發(fā)電時(shí)間,s。

2.5勢(shì)能回收效率數(shù)學(xué)模型

勢(shì)能回收效率由負(fù)載(含門架自重)勢(shì)能和貨叉下降過程中發(fā)電機(jī)對(duì)超級(jí)電容器組充電的能量Esc決定。勢(shì)能回收效率計(jì)算式為

ηt=Esc/Ep=Egηsc/Ep

(11)

式中,Ep為負(fù)載(含門架自重)勢(shì)能,J;ηsc為發(fā)電機(jī)到超級(jí)電容器組的能量轉(zhuǎn)換效率。

負(fù)載(含門架自重)勢(shì)能計(jì)算公式為

(12)

式中,h為門架起升高度，m。

貨叉下降過程中電機(jī)的發(fā)電能量計(jì)算公式為

Eg=∫UIdt

(13)

式中,I為電流,A；U為電壓,V。

假設(shè)忽略門架運(yùn)動(dòng)摩擦阻力Ff、升降油缸活塞運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力Ff c、液壓馬達(dá)的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf、換向閥及液壓管路的壓力損失pf及發(fā)電機(jī)到超級(jí)電容器的能量轉(zhuǎn)換效率ηsc對(duì)勢(shì)能回收效率的影響，則由式(1)～式(13)可得勢(shì)能回收效率的表達(dá)式：

ηt=

(14)

B=A1/Dm

(15)

式中,A1為升降油缸活塞面積,m2。

在門架下降勢(shì)能回收過程中,液壓馬達(dá)的角速度與貨叉下降速度之間的關(guān)系由下式確定：

ω=Bvηcyηhm=Cv

(16)

式中,ηcy為升降油缸的容積效率;ηhm為液壓馬達(dá)的容積效率。

把式(16)代入式(14)可得

ηt=

(17)

ηt=

(18)

3　控制策略

3.1電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由式(18)可以看出,電動(dòng)叉車勢(shì)能回收效率與貨叉下降加速度有關(guān),貨叉下降加速度越小(速度越平穩(wěn))，勢(shì)能回收效率越高。為此采用模糊PI控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以提高勢(shì)能回收效率。電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)就是將電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率作為模糊控制的輸入，對(duì)PI控制器的這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行模糊在線自整定,從而使PI控制器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

模糊控制是以模糊結(jié)合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法。從控制器智能性來看，模糊控制屬于智能控制的范疇，它利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)多是用語(yǔ)言表達(dá)的具有模糊性的控制規(guī)則。

電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)由模糊控制器和參數(shù)自整定PI控制器組成，其基本原理如圖2所示。其中，Kec和Ke分別表示ec及e的量化因子。

圖2　電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)原理圖

圖2中,給定值ro為電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,輸出量c為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,PI控制器輸出量u為電壓信號(hào)。模糊PI控制系統(tǒng)引入了模糊推理判斷思想，可以根據(jù)不同的誤差e及誤差變化率ec對(duì)PI控制器的兩個(gè)參數(shù)Kp、Ki進(jìn)行在線自整定。

3.2模糊控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模糊控制器為兩輸入兩輸出模糊控制器，輸入變量為電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差e及電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差變化率ec，輸出變量為PI參數(shù)的增量ΔKp、ΔKi。模糊控制器首先把輸入量轉(zhuǎn)化成模糊變量,然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的模糊控制規(guī)則給出此時(shí)合適的PI參數(shù)的增量,再將這些參數(shù)進(jìn)行反模糊化,得到的精確量送給參數(shù)可調(diào)的PI控制器,進(jìn)而修正PI控制器的參數(shù)Kp、Ki,以滿足不同E和EC對(duì)控制器參數(shù)的不同要求。

電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差e、轉(zhuǎn)速誤差變化率ec、輸出變量ΔKp、ΔKi的變化范圍定義為模糊集上的論域,其論域?yàn)閧-6,-5，-4,-3，-2，-1,0, 1, 2, 3，4，5，6}，模糊子集為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大}，簡(jiǎn)記為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},隸屬度函數(shù)均采用三角形分布隸屬度函數(shù)。模糊推理采用Mamdani推理法，解模糊采用重心法。

采用測(cè)得的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值比較來求得e和ec。設(shè)e和ec的實(shí)際變化范圍分別為[-Ne,Ne]和[-Nec,Nec],對(duì)其進(jìn)行模糊化處理，通過量化因子Ke和Kec將其從基本論域映射到相應(yīng)的模糊集論域中。選取e的量化因子Ke=6/Ne,ec的量化因子Kec=6/Nec,這樣便將e和ec轉(zhuǎn)化成在[-6,6]之間的量值。

PI參數(shù)調(diào)整采用增量式算法：

Kp(k)=Kp(k-1)+ΔKp(k)

(19)

Ki(k)=Ki(k-1)+ΔKi(k)

(20)

式中,Kp(k)和Ki(k)為第k次PI參數(shù);ΔKp(k)和ΔKi(k)為PI參數(shù)的增量。

模糊控制器的核心是建立合理的模糊控制規(guī)則,輸出變量ΔKp、ΔKi的控制規(guī)則如表1及表2所示。

表1　ΔKp的模糊規(guī)則表

表2　ΔKi的模糊規(guī)則表

3.3勢(shì)能回收系統(tǒng)控制策略

電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)主要回收負(fù)載下降過程中的能量。本文提出的勢(shì)能回收系統(tǒng)控制策略如圖3所示。電位器信號(hào)為電壓信號(hào)，其變化范圍是0.05～1 V,當(dāng)升降油缸換向閥10處于中位時(shí),C0=0.5 V;并且C0的取值隨著升降操縱手柄前推幅度的增大而增大；當(dāng)升降操縱手柄9后拉時(shí)，0.05 V≤C0<0.5 V,并且C0的取值隨升降操縱手柄后拉的幅度增大而減小。起升開關(guān)信號(hào)C1和下降開關(guān)信號(hào)C2都為開關(guān)信號(hào),它們?nèi)≈刀紴?或1,當(dāng)取1時(shí),表示開關(guān)動(dòng)作，向控制器發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)0時(shí),表示開關(guān)不動(dòng)作。SOC_SC和SOC_BA分別為超級(jí)電容器組和鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)，其取值范圍都為0.2～0.9。升降油缸的速度由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(與液壓泵/馬達(dá)的出口/入口流量成正比)決定，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電位器信號(hào)控制器1和控制器2為模糊PI控制器，該控制策略可以總結(jié)為7個(gè)步驟。

圖3　電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)控制策略

(1)判斷駕駛員是否發(fā)出起升指令或下降指令,若兩個(gè)指令都沒發(fā)出,則返回繼續(xù)判斷。

(2)若駕駛員發(fā)出起升指令，計(jì)算并判斷鉛酸蓄電池組及超級(jí)電容器組的荷電狀態(tài)。

(3)若鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)SOC_BA<0.2,則系統(tǒng)不執(zhí)行起升動(dòng)作，返回繼續(xù)判斷。

(4)若鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)SOC_BA>0.2,且超級(jí)電容器組的荷電狀態(tài)SOC_SC>0.2，則計(jì)算電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5，且由超級(jí)電容器組和鉛酸蓄電池組共同給電動(dòng)機(jī)4供電，鉛酸蓄電池組給電動(dòng)機(jī)5供電，實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5的實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速間的誤差及誤差變化率，控制器1和控制器2通過模糊推理產(chǎn)生電壓信號(hào)分別調(diào)整電動(dòng)機(jī)4及電動(dòng)機(jī)5的轉(zhuǎn)速。

(5)若鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)SOC_BA>0.2,且超級(jí)電容器組的荷電狀態(tài)SOC_SC<0.2，則計(jì)算電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5，且由鉛酸蓄電池組給電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5供電，實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5的實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速間的誤差及誤差變化率，控制器1和控制器2通過模糊推理產(chǎn)生電壓信號(hào)分別調(diào)整電動(dòng)機(jī)4及電動(dòng)機(jī)5的轉(zhuǎn)速。

(6)若駕駛員發(fā)出下降指令, 判斷超級(jí)電容器組的荷電狀態(tài)。

(7)若超級(jí)電容器組的荷電狀態(tài)SOC_SC<0.9,則計(jì)算發(fā)電機(jī)4的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；啟動(dòng)發(fā)電機(jī)4,實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)4的實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速間的誤差及誤差變化率，控制器1通過模糊推理產(chǎn)生電壓控制信號(hào)調(diào)整發(fā)電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流給超級(jí)電容器組充電。若SOC_SC>0.9，則發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流給鉛酸蓄電池組充電。

4　系統(tǒng)建模與仿真分析

4.1系統(tǒng)建模

為了驗(yàn)證電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)的控制策略，建立了基于AMESim和MATLAB/Simulink的電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)模型。仿真模型如圖4所示,該模型用兩個(gè)電磁閥模擬升降油缸換向閥(手動(dòng)換向閥)，用力信號(hào)模擬工作裝置系統(tǒng)的負(fù)載，勢(shì)能回收系統(tǒng)的控制策略(圖3)用MATLAB/Simulink建模,仿真模型主要模擬貨叉下降過程，貨叉上升過程只考慮單電動(dòng)機(jī)供油情況，勢(shì)能回收系統(tǒng)的能量源只考慮超級(jí)電容器組。仿真模型參數(shù)如表3所示。

圖4　電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)仿真模型

工作裝置系統(tǒng)負(fù)載(N)148000升降油缸行程(m)1.5升降油缸缸筒直徑(mm)80液壓油泵/液壓馬達(dá)排量(mL/r)50液壓油泵/液壓馬達(dá)容積效率0.92電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)最大功率(kW)27電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)額定扭矩(N·m)165電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)效率0.89安全閥壓力(MPa)20超級(jí)電容器組容量(F)83.3超級(jí)電容器組最低工作電壓(V)65液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)0.5

4.2仿真結(jié)果分析

4.2.1控制效果對(duì)比

利用圖4所示的仿真模型,分別采用傳統(tǒng)PI控制器和模糊PI控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖5　電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

由于模擬貨叉下降過程，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，故電機(jī)轉(zhuǎn)速為負(fù)值。仿真結(jié)果表明，采用模糊PI控制，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都達(dá)到顯著改善，模糊PI控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器的控制效果。

4.2.2勢(shì)能回收效率

勢(shì)能回收效率ηtp由負(fù)載勢(shì)能(含門架自重)Ep和貨叉下降過程中發(fā)電機(jī)發(fā)電的能量Eg決定。

由式(11)、式(12)及式(13)，電機(jī)的發(fā)電電流I按圖6取值,電機(jī)的發(fā)電電壓U按圖7取值,電機(jī)的發(fā)電時(shí)間t按圖6取值。門架裝置主要參數(shù)按表4取值，經(jīng)計(jì)算可得負(fù)載質(zhì)量為7000 kg時(shí)的勢(shì)能回收效率為50.4%。仿真結(jié)果表明，提出的控制策略可以實(shí)現(xiàn)勢(shì)能的高效率回收，達(dá)到了控制目的。

圖6　電機(jī)發(fā)電電流

圖7　電機(jī)發(fā)電電壓

升降系統(tǒng)最大起升高度hmax(m)3額定負(fù)載質(zhì)量m0(kg)7000內(nèi)門架質(zhì)量m1(kg)438貨叉及貨叉架質(zhì)量m2(kg)533升降油缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量m3(kg)117

5　實(shí)車試驗(yàn)

根據(jù)提出的控制策略調(diào)試樣機(jī)，樣機(jī)外觀如圖8所示,為了驗(yàn)證勢(shì)能回收效果，本文不考慮制動(dòng)能量回收。對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)叉車和帶勢(shì)能回收系統(tǒng)的電動(dòng)叉車進(jìn)行能量消耗試驗(yàn)，叉車試驗(yàn)路線如圖9所示。

圖8　樣機(jī)外觀圖

圖9　電動(dòng)叉車能量消耗試驗(yàn)運(yùn)行路線

能量消耗試驗(yàn)中叉車循環(huán)運(yùn)行順序如下:①電動(dòng)叉車在A處裝載標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)負(fù)荷(本文為7000 kg)，以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)載荷狀態(tài)沿路徑1退行并轉(zhuǎn)至X處；②由X處沿路徑2前行并轉(zhuǎn)至B處；③在B處門架起升2000 mm后再下降至距地面300 mm處；④由B處沿路徑3退行并轉(zhuǎn)至Y處；⑤由Y處沿路徑4前行并轉(zhuǎn)至A處；⑥在A處門架起升2000 mm后再下降至距地面300 mm 處[8]。

兩種試驗(yàn)電動(dòng)叉車的基本參數(shù)如表5所示，帶勢(shì)能回收系統(tǒng)電動(dòng)叉車能量消耗試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，傳統(tǒng)電動(dòng)叉車能量消耗試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表5　試驗(yàn)電動(dòng)叉車的基本參數(shù)

表6　帶勢(shì)能回收系統(tǒng)的電動(dòng)叉車能量消耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可以看出兩種電動(dòng)叉車的整車質(zhì)量基本一致(傳統(tǒng)電動(dòng)叉車的整車質(zhì)量小50kg)，兩種叉車的負(fù)載完全一致(均為7000 kg)，這樣，在相同的試驗(yàn)條件下，兩種電動(dòng)叉車的能量消耗應(yīng)基本一致。傳統(tǒng)電動(dòng)叉車由單一能量源(鉛酸蓄電池組)供電，帶勢(shì)能回收系統(tǒng)的電動(dòng)叉車由雙能量源(鉛酸蓄電池組和超級(jí)電容器組)供電。

表7　傳統(tǒng)電動(dòng)叉車能量消耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表6可以看出超級(jí)電容器組充放電的電量相等,表明回收的能量得到充分利用。超級(jí)電容器組充放電的電量相等的原因是:為了保證回收能量充分利用,整車能量管理策略規(guī)定在叉車行駛和起升過程中優(yōu)先使用回收的能量(超級(jí)電容器組儲(chǔ)存的能量)。能耗試驗(yàn)的測(cè)量點(diǎn)選擇在圖9的B處(門架起升前記錄超級(jí)電容器組充放電的電量)，此時(shí)回收的能量完全被消耗，超級(jí)電容器組的放電量等于充電量。由表6可得電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容器組的充電量曲線及鉛酸蓄電池組的放電量曲線,如圖10所示。

圖10　能量源的充/放電量曲線

由圖10可以看出,在能耗試驗(yàn)工作循環(huán)過程中,鉛酸蓄電池組的放電量隨時(shí)間呈線性增加,循環(huán)結(jié)束時(shí)，放電量為639.9A·h。勢(shì)能回收系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容器組的充電量隨時(shí)間呈線性增加，循環(huán)結(jié)束時(shí),充電量為64.92A·h。由表6可以看出,勢(shì)能回收系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容器組的充電量占能量源(鉛酸蓄電池組和超級(jí)電容器組)總放電量的9.2%,勢(shì)能回收效果明顯。

由表6及表7可得兩種電動(dòng)叉車鉛酸蓄電池組的放電量曲線，如圖11所示。

圖11　鉛酸蓄電池組放電量曲線

由圖11可以看出,在能耗試驗(yàn)工作循環(huán)過程中，在相同的試驗(yàn)時(shí)間中，傳統(tǒng)電動(dòng)叉車鉛酸蓄電池組的放電量大于帶勢(shì)能回收系統(tǒng)的電動(dòng)叉車鉛酸蓄電池組的放電量。原因是：在能耗試驗(yàn)過程中，傳統(tǒng)電動(dòng)叉車僅由鉛酸蓄電池組供電，帶勢(shì)能回收系統(tǒng)電動(dòng)叉車由雙能量源供電(超級(jí)電容器組回收負(fù)載勢(shì)能并供電動(dòng)叉車起升和行走過程使用)。試驗(yàn)結(jié)果表明：帶勢(shì)能回收系統(tǒng)電動(dòng)叉車不僅可以回收負(fù)載的勢(shì)能，而且回收的能量也得到充分應(yīng)用。

由表6及表7可以看出,帶能量回收系統(tǒng)電動(dòng)叉車能耗試驗(yàn)的工作循環(huán)時(shí)間為222 min；傳統(tǒng)電動(dòng)叉車能耗試驗(yàn)的工作循環(huán)時(shí)間為199 min。帶能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)叉車相對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)叉車可以延長(zhǎng)工作時(shí)間11.6%。

6　結(jié)論

(1)提出了基于雙能量源(蓄電池組和超級(jí)電容器組)、變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速的電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)方案，建立了勢(shì)能回收系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了勢(shì)能回收效率的表達(dá)式。

(2)設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)和模糊控制器，給出了電動(dòng)叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)控制策略。

(3)在AMESim及MATLAB環(huán)境下,建立了勢(shì)能回收系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)勢(shì)能回收系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明,模糊PI控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器的控制效果；在給出的控制策略下，勢(shì)能回收效率為50.4%。

(4)對(duì)實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，帶能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)叉車相對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)叉車可以延長(zhǎng)工作時(shí)間11.6%,勢(shì)能回收效果明顯。

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(編輯袁興玲)

Research on Potential Energy Recovery System Control Strategy for Electric Forklifts

Zhang Kejun1,2Chen Jian1

1.Hefei University of Technology,Hefei,2300092.Anhui Heli Co., Ltd., Hefei,230601

A potential energy recovery system for electric forklift was proposed based on dual-source energy storage system and volumetric speed control,the mathematical model of energy recovery system and the mathematical model of potential energy recovery efficiency were given,fuzzy PI control system for motor speed control was designed,control strategy of potential energy recovery system was given.AMESim and MATLAB were used to analyse potential energy recovery system,then through experimental study the effectiveness of simulation model and the accuracy of simulation results were tested. The results show that control effect of fuzzy PI control system is superior to that of traditional PI controller and the control strategy can realize the potential energy efficient recycling,so the control purpose is achieved.

electric forklift;potential energy recovery system;control strategy;fuzzy PI control

2014-02-11

國(guó)家火炬計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012GH041261);安徽省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(11010202181)

TH137.7DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.026

張克軍,男,1971年生。合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動(dòng)工程研究所博士研究生，安徽合力股份有限公司高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及低噪聲設(shè)計(jì)。陳劍，男,1962年生。合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動(dòng)工程研究所教授、博士研究生導(dǎo)師。