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工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (6): 717-727    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.167
可靠性与保质设计     
电控正流量挖掘机分阶段控制技术研究
魏森森1(),杜常清1,2(),邹斌2,徐玉兵2
1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070
2.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070
Research on phased control technology of electrically controlled positive flow excavator
Sensen WEI1(),Changqing DU1,2(),Bin ZOU2,Yubing XU2
1.School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China
2.Hubei Key Laboratory of Modern Automotive Parts Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China
 全文: PDF(3874 KB)   HTML
摘要：

针对负流量挖掘机执行机构响应速度慢以及分工况控制能量利用率低的问题，提出了一种电控正流量挖掘机的分阶段控制策略。将挖掘机的一个作业循环分为4个阶段：挖掘阶段、满载返回阶段、卸载阶段和空载返回阶段。基于AMESim和Simulink软件搭建了电控正流量挖掘机联合仿真模型，其液压系统采用分层控制方法。其中，上层控制器根据电控手柄信号计算得到挖掘机执行机构的流量需求，并通过判断执行机构的状态来判断挖掘机的作业阶段，从而确定发动机的基速。下层控制器接收来自上层控制器的发动机基速，并采集挖掘机主供油泵的压力信号，利用模糊控制算法对发动机的转速进行修正，以得到发动机的期望转速；同时采用滑模PID（proportional-integral-derivative，比例-积分-微分）控制来稳定发动机的工作转速。最后，通过联合仿真和实车实验来验证所提出的控制策略的有效性。仿真结果表明：在正流量挖掘机的一个作业循环内，发动机的转速能稳定在期望转速附近，其油耗为192~220 g/(kW·h)。实验结果表明：相较于分工况控制，分阶段控制在挖掘机一个作业循环内的各个阶段均能保证发动机在经济油耗区工作。所提出的方法为电控正流量挖掘机的控制研究提供了新方向和参考。
关键词： 电控正流量;  挖掘机;  联合仿真;  分层控制;  模糊控制;  实车验证    
Abstract:

Aiming at the problems of slow response speed of negative flow excavator actuator and low energy utilization rate of control by different working conditions, a phased control strategy for electrically controlled positive flow excavator was proposed. The working cycle of excavator was divided into four stages: excavation stage, full load return stage, unloading stage and no-load return stage. The co-simulation model of electrically controlled positive flow excavator was built based on AMESim and Simulink software. Its hydraulic system adopted hierarchical control method. Among them, the upper-layer controller calculated the flow demand of the excavator actuator according to the electric handle signal, and judged the working stage of the excavator by judging the state of the actuator, so that the base speed of engine was determined. The lower-layer controller received the base speed of engine from the upper-layer controller, and collected the main oil feed pump pressure signal of the excavator. The fuzzy control algorithm was used to correct the engine speed, and the expected engine speed was obtained. At the same time, the sliding mode PID (proportional-integral-derivative) control was used to stabilize the engine speed. Finally, the effectiveness of the proposed control strategy was verified through co-simulation and real vehicle experiments. The simulation results showed that in one working cycle of the positive flow excavator, the engine speed could be stable near the expected speed, and its fuel consumption was 192-220 g/(kW·h). The experiment results showed that compared with the control by different working conditions, the phased control in each stage of a working cycle of the excavator could ensure that the engine worked in the economic fuel consumption zone. The proposed method provides a new direction and reference for the control research of electronically controlled positive flow excavators.
Key words: electrically controlled positive flow    excavator    co-simulation    hierarchical control    fuzzy control    real vehicle verification
收稿日期: 2023-05-16 出版日期: 2024-01-02
CLC:  TU 621  
基金资助: 国家重点研发计划项目(2020YFB1709900)
通讯作者: 杜常清     E-mail: 2294345388@qq.com;cq_du@whut.edu.cn
作者简介: 魏森森（1997—），男，河南周口人，硕士生，从事液压传动与控制研究，E-mail: 2294345388@qq.com，https://orcid.org/0009-0000-0486-631X
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魏森森
杜常清
邹斌
徐玉兵

引用本文:

魏森森,杜常清,邹斌,徐玉兵. 电控正流量挖掘机分阶段控制技术研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(6): 717-727.

Sensen WEI,Changqing DU,Bin ZOU,Yubing XU. Research on phased control technology of electrically controlled positive flow excavator[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(6): 717-727.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.167    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I6/717

性能

负载敏感

控制

负流量

控制

正流量

控制

节能好一般好
响应速度差一般好
系统稳定性差好好
操纵性好差差
耐久性一般好好
复合动作适应性好差差
成本一般好一般
表1  不同流量控制方式的性能对比
图1  电控正流量挖掘机控制原理
图2  挖掘机不同作业阶段的功率需求
图3  柴油机的万有特性曲线
图4  三位六通换向阀原理
图5  发动机-双泵模型
图6  电控正流量挖掘机液压系统模型
液压油缸活塞直径活塞杆直径行程
动臂油缸11075610
斗杆油缸8050770
铲斗油缸9060610
表2  挖掘机各执行机构参数设置 (mm)
图7  电控正流量挖掘机分层控制流程
图8  基于卡尔曼滤波器的PID控制原理
图9  基于卡尔曼滤波器的PID控制模型
图10  发动机工作状态判断逻辑
图11  挖掘机执行机构状态判断逻辑
pe
NBNMNSZOPSPMPB
NBPMPSZONSNBNBNB
NMPMPMZONSNMNBNB
NSPBPBPMZONSNMNM
ZOPMPSPSZONSNSNM
PSPBPBPMZONSNMNM
PMPMPMZONSNMNBNB
PBPMPSZONSNBNBNB
表3  发动机转速的模糊控制规则
图12  发动机滑模控制模型
动作规则
动臂提升泵1主供，泵2副供
动臂下降泵1单独供
斗杆伸出/回收泵2主供，泵1副供
铲斗挖掘/卸载泵1和泵2联合供油
表4  挖掘机变量泵的供油规则
图13  主、副三位六通换向阀流量分配控制策略
图14  挖掘机联合仿真的Simulink接口
图15  挖掘机联合仿真的AMESim接口
图16  铲斗动作时发动机转速的仿真曲线
图17  铲斗油缸压力仿真曲线
图18  动臂、斗杆动作时发动机转速的仿真曲线
图19  斗杆油缸压力仿真曲线
图20  动臂油缸压力仿真曲线
图21  不同控制方式下发动机的油耗对比
图22  挖掘机实验机型
图23  分阶段控制下发动机转速的实测曲线
图24  分阶段控制下主供油泵出口压力实测曲线
图25  分阶段控制下主供油泵出口流量实测曲线
图26  分阶段控制下发动机工作点分布
图27  分工况控制下发动机工作点分布
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