李棟

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 西安 710089)

0 引言

工程機械液壓系統(tǒng)動力匹配和控制技術(shù)屬于較為典型的機電一體化技術(shù)，此種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)PLC控制技術(shù)、液壓系統(tǒng)和發(fā)送機的相互連接，使三者能夠成為一個整體。在進行作業(yè)的過程中，能夠為機械提供可靠且穩(wěn)定的性能。對于大部分需要連續(xù)作業(yè)大型機械，此種機電一體化能夠更好的幫助操作人員，有效節(jié)約操作時間，并且還能夠有效降低操作過程中出現(xiàn)失誤的機率，那么此種技術(shù)就被廣泛使用到工程機械液壓系統(tǒng)中?；诖耍疚木屠么朔N技術(shù)的發(fā)展，對工程機械液壓系統(tǒng)控制技術(shù)的設(shè)計進行了全面的研究。

1 工程機械液壓系統(tǒng)動力匹配技術(shù)

1.1 定量泵

目前我國大型工程機械的發(fā)展都是通過小型的機械進行過渡的，并且小型的機械定量泵設(shè)計都是根據(jù)系統(tǒng)最大的工作流量及壓力乘積實現(xiàn)計算，之后轉(zhuǎn)化成為的最大輸出功率小于發(fā)動機凈功率。此種定量泵設(shè)計的原理能夠降低功率使用系數(shù)，所以不能夠有效滿足大型機械工作需求。

1.2 單泵恒功率控制

單泵恒功率控制技術(shù)的主要優(yōu)勢就是使用兩個彈簧彈力實現(xiàn)設(shè)計，對變量泵輸出流量進行控制，在系統(tǒng)壓力到達設(shè)置的第一個彈簧力的時候，降低變量泵排量，直到系統(tǒng)能夠克服第二個彈簧力，以此使變量泵變量曲線為曲線變化，此種控制設(shè)計能夠促使變量曲線中工作流量及壓力乘積離散值和常數(shù)相互接近，從而能夠充分使用發(fā)動機功率，以此保證發(fā)動機不能夠因為過載熄火導(dǎo)致作業(yè)出現(xiàn)中斷。

1.3 雙泵及多泵恒功率控制

雙泵及多泵恒功率控制系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機功率的合理分配，但是此也是泵技術(shù)中的難點及核心內(nèi)容。傳統(tǒng)雙泵及多泵恒功率的控制技術(shù)具有多種發(fā)展形勢，包括分功率控制、總功率控制及其他控制。其一，分功率控制。在實現(xiàn)分功率控制的過程中，要根據(jù)其中所有泵關(guān)聯(lián)操作的執(zhí)行機構(gòu)實際功率實現(xiàn)，在進行設(shè)計的過程中，要能夠?qū)崿F(xiàn)其中泵的變量機構(gòu)都能夠獨立，從而能夠有效保證每個泵都能夠?qū)崿F(xiàn)工作量的預(yù)先設(shè)置。但是因為發(fā)動機功率為恒定，所以在多泵出現(xiàn)不必要工作的時候，就會導(dǎo)致發(fā)動機功率的浪費，因為大型機械具有較大的發(fā)動機功率，那么就要禁止此種浪費情況的出現(xiàn)。其二，總功率控制?？偣β士刂坪头止β士刂撇⒉幌嗤驗榍罢呤褂玫淖兞繖C構(gòu)只有一個，此種控制技術(shù)雖然能夠有效滿足其中泵的功率需求，但是還具有主泵輸出大流量對熱量轉(zhuǎn)換的問題，以此導(dǎo)致大流量消失。其三，其他控制。在之后研發(fā)的交叉?zhèn)鞲锌刂萍夹g(shù)與負反饋交叉?zhèn)鞲屑夹g(shù)無法解決是否使用主泵功率或者是發(fā)動機功率，因為交叉?zhèn)鞲屑夹g(shù)及工程機械相互結(jié)合在我國并不成熟，就會提高此種技術(shù)的復(fù)雜程度，降低了其控制效果，并且還具有較高的成本，無法實現(xiàn)有效的推廣。

2 工程機械原動力的工作特點

現(xiàn)代傳統(tǒng)動力匹配及控制技術(shù)不管是使用哪種方式，只要是實現(xiàn)系統(tǒng)的改進，就能夠提高系統(tǒng)能量，但是如果發(fā)動機和泵無法保持良好匹配，那么就會降低系統(tǒng)能量使用率及能量效率，從而無法使發(fā)動機滿足系統(tǒng)工作需求，以此也就降低了系統(tǒng)的工作效率，并且能量具有較大的損耗，提高了環(huán)保節(jié)能的效果，尤其是多泵的工作。所以，就要實現(xiàn)全新動力匹配及控制技術(shù)的研究，使用現(xiàn)代最為先進的機電一體化技術(shù)，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的設(shè)計改造。

工程機械的原動力大部分都是電機和發(fā)動機，本文重點對發(fā)動機進行討論。泵和發(fā)動機無法實現(xiàn)良好匹配的主要原因包括3點：其一，一般的液壓系統(tǒng)都是多泵同時工作，其中主要包括輔助工作及主工作，輔助工作在不斷的變化，其工作速度、壓力都是不斷的變化。在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，為了使發(fā)動機不超載，就要將輔助工作功率使用值設(shè)置成為最大值。但是此種方法會使主工作功率在功率使用值中占據(jù)較多的時間并且不飽和，因為主工作回路功率使用率和系統(tǒng)具有密切的聯(lián)系，所以其就導(dǎo)致了泵和發(fā)動機無法良好匹配。其二，在液壓系統(tǒng)工作的過程中，工作壓力和負載具有密切的聯(lián)系，并且工程機械都是在惡劣環(huán)境中工作，所以具有較大的壓力沖擊和波動，以此導(dǎo)致系統(tǒng)的功率也不斷的波動，動態(tài)不穩(wěn)定，所以系統(tǒng)功率使用值就要對此不穩(wěn)定的狀態(tài)進行全面的考慮，以此也就導(dǎo)致泵和發(fā)動機無法保持良好匹配；其三，通過發(fā)動機全負載特性曲線中進行分析可以看出來，不同的油門位置中發(fā)動機調(diào)速特點也不同，包括發(fā)動機的輸出扭矩，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機的工作特點

在使用傳統(tǒng)方法的過程中會根據(jù)發(fā)動機最大的輸出功率實現(xiàn)匹配，這個時候的機器就是在極端工作情況中，以此就會導(dǎo)致發(fā)動機熄火，如果根據(jù)發(fā)動機工作油門較小的情況中，就會降低整車工作效率。以此就可以看出來，導(dǎo)致發(fā)動機和泵無法良好匹配的因素較多，就以要想實現(xiàn)控制系統(tǒng)及動力匹配的過程中，就要全面結(jié)合發(fā)動機的輸出特性。

在掌握泵和發(fā)動機無法實現(xiàn)匹配的原因之后，就要提出相應(yīng)的解決方案。在部分比較復(fù)雜的液壓系統(tǒng)中，一般都是使用多泵朝著工作回路實現(xiàn)供油，在此工作回路中的輔助工作回路實際使用功率比較小，這也是系統(tǒng)需要的，所以就不需要控制工作回路功率使用值，所以我們要以輔助工作回路實際使用值變化對工作回路輸出功率進行改變，以此實現(xiàn)主工作回路、輔助工作回路和發(fā)動機實際輸出功率實現(xiàn)最佳的匹配，通過以下公式表示：

Nf(x)+Nz(y)=kN

其中Nf(x)表示x個輔助的工作回路在工作過程中所消耗的值總和；Nz(y)表示y個主工作回路可以使用的功率總和；N表示發(fā)動機的最大輸出功率；k表示發(fā)動機的功率儲備系數(shù)。

通過以上公式可以推導(dǎo)出：

Nz(y)=kN-Nf(x)

通過以上公式可以看出來，主工作回路可以使用的功率和和發(fā)動機可以使用的最大輸出功率、輔助工作回路的功率消耗值具有密切的聯(lián)系，在功率和出現(xiàn)變化的時候，就要求祝工作回路可使用的功率值出現(xiàn)變化，以此實現(xiàn)泵和發(fā)動機之間的相互匹配。對于液壓系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致的泵和發(fā)動機無法實現(xiàn)良好匹配問題就能夠有效的解決，因為在確定主工作回路輸出功率之后，即便是主回路工作壓力或者工作流量出現(xiàn)變化，那么就要對恒功率控制的問題進行有效解決即可。在恒功率控制方面，已經(jīng)具有多種解決方案，比如計算機控制、機械控制等。

3 液壓系統(tǒng)的控制設(shè)計

在液壓系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，要合理選擇PID控制參數(shù)，在選擇PID控制參數(shù)的過程中，具有多種方法，比如臨界比例度、試湊法、擴充臨界比例度等。在PID參數(shù)選擇過程中較為復(fù)雜，所以要經(jīng)過不斷調(diào)整，才能夠得到滿意的結(jié)果。首先，要先對比例系數(shù)Kp進行確定，之后對積分時間常數(shù)進行確定，時間常數(shù)要為當(dāng)前值的150%-180%，然后實現(xiàn)微積分時間常數(shù)的確定，微積分時間常數(shù)為0，最后進行系統(tǒng)空載及帶載的聯(lián)調(diào)。然后，進行液壓系統(tǒng)的控制設(shè)計。

3.1 控制系統(tǒng)的硬件

其一，實現(xiàn)控制器的設(shè)計。液壓系統(tǒng)的控制核心就是控制器，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量的邏輯控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)量的控制，比如數(shù)據(jù)的運算、處理等內(nèi)容，在微處理器處理之后，實現(xiàn)模擬量及開關(guān)量的輸出，從而控制電磁閥和電機，以此使系統(tǒng)中的功能能夠有效實現(xiàn)?？刂破髦饕ㄝ斎?輸出、CPU、電源模塊，CPU能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)部位狀態(tài)的有效檢測，實現(xiàn)程序的讀取及邏輯控制等多種內(nèi)容，存儲器主要包括RAM存儲器和用戶存儲器。輸入/輸入主要包括多種模塊構(gòu)成?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 控制器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

其二，控制器的實現(xiàn)?？刂破髂軌蚋鶕?jù)不同占空比脈寬調(diào)制信號實現(xiàn)處理，之后實現(xiàn)比例電磁鐵的輸出，還能夠通過軟件編程改變脈寬調(diào)制比例的電磁鐵輸出端，以此使信息能夠有效滿足比例閥斬波頻率需求，從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制性能和穩(wěn)定性的進一步提高。并且，控制器中具有光電隔離器，能夠隔離CPU輸出及輸入信號，以此避免其信號受到干擾。為了能夠避免外圍電路信號到微處理器中融入，系統(tǒng)也能夠通過光電耦合器實現(xiàn)隔離。使用預(yù)處理實現(xiàn)模擬量輸入處理，此方法能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量輸入信號的增加，以此實現(xiàn)模擬量輸入模塊的參數(shù)處理，從而有效控制模擬量。

3.2 液壓系統(tǒng)軟件的算法

本節(jié)實現(xiàn)系統(tǒng)的實驗，通過PID控制算法進行實現(xiàn)，根據(jù)算法連續(xù)系統(tǒng)的控制作為基礎(chǔ)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，之后將其寫成為離散方式方程，之后實現(xiàn)控制程序設(shè)計，以下為PID算法的輸入及輸出關(guān)系：

其中Kp屬于比例系數(shù)，T1屬于積分時間常數(shù)，TD屬于微分時間常數(shù)，uo屬于0時間的調(diào)節(jié)器輸出。 比例環(huán)節(jié)的主要目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)偏差信號的及時反映，如果在實驗過程中出現(xiàn)問題，那么控制器就能夠在短時間內(nèi)迅速的反映，通過控制功能降低偏差。基于系統(tǒng)穩(wěn)定，提高KP的值，從而降低穩(wěn)態(tài)誤差，以此有效提高系統(tǒng)控制精度。積分的主要目的就是降低靜差，并且還能夠有效提高系統(tǒng)誤差度。如果T1越小，那么積分的強度就會越大，但是如果其太小，就會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)的實驗

本文所研究的液壓系統(tǒng)具有較多的參數(shù)，這些參數(shù)關(guān)系非線性的特點較為提出，從而無法通過計算方式獲得，那么在系統(tǒng)使用之前就要進行調(diào)試。首先，為了避免超速，就要收集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、傳感器信號，從而對轉(zhuǎn)速具體的范圍進行預(yù)先的設(shè)置，使油泵工作能夠保證在一定的范圍中；其次，實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場收集，之后實現(xiàn)線性化的處理，最后將結(jié)果對存儲器進行傳送；之后，實現(xiàn)PID參數(shù)的設(shè)置，然后對最大作業(yè)的功率發(fā)動機預(yù)設(shè)值是否合理進行測試；最后，實現(xiàn)壓力超載模式、發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時候的工作限制進行有效的測試。

以發(fā)動機油門拉桿的位置為基礎(chǔ)實現(xiàn)準線性模型及仿真模型的制作，之后利用實驗的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比，從而對發(fā)動機響應(yīng)特性及轉(zhuǎn)速預(yù)測精度進行驗證，從而得到發(fā)動機模型的設(shè)計是否合理。在進行實驗的過程中，首先使動臂提高到極限位置，之后將控制手柄松開，從而使系統(tǒng)能夠保持處于空載的狀態(tài)中，這個時候的泵負載為30，然后對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)為2030，這個時候的泵減壓閥電流為450，液壓泵輸出流量為30，之后將操作動臂到極限位置提高，從而得到負載扭矩。圖3為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速仿真，此模型較為可靠,如圖3所示。

圖3 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速仿真

5 總結(jié)

液壓系統(tǒng)技術(shù)及控制技術(shù)屬于現(xiàn)代工程機械核心的技術(shù)，其能夠有效節(jié)約能源，并且實現(xiàn)機械作業(yè)效率的進一步提高?，F(xiàn)代我國的主要工作就是創(chuàng)新工程機械液壓系統(tǒng)的動力匹配及控制技術(shù)瓶頸，加強企業(yè)和工程機械研究中心的相互合作，從而實現(xiàn)機電一體化開發(fā)及系統(tǒng)設(shè)計的智能化及自動化。