工程机械压力补偿控制研究

刘 禹

（中铁三局集团投资有限公司，山西 太原 030001）

移动机械中的控制系统为许多并联操作的致动器提供液压动力。对于小型和中型机器，通常一个单一的泵来供应几个致动器，这通常会导致较低负载致动器的入口路径中的节流损失，入口和出口节流边缘的机械耦合导致进一步可避免的损失。拉动负荷和能量消耗的可控性要求导致阀的阀芯的设计冲突。对于单独计量入口和出口的系统，这种冲突是可以避免的。此外，个别计量打开，以提高操作模式，如高压再生，这降低了在较低负载的消费者的能量损失。为了提高工业验收，生产成本必须保持低，控制算法尽可能简单。因此，在仅由商用部件组成的试验台上，在IPC上开发并实现了在公共供应管道中仅使用一个压力传感器和阀芯行程传感器的控制方式。

1 液压系统设计与试验台设置

图1 所示的阀结构用于驱动挖掘机工具的臂杆和缸杆。单独的计量系统是多输入多输出系统（MIMO）。通常需要复杂的多变量控制策略。IFD之前的研究已经表明，在进口流动路径中的单个压力补偿器（IPC）有利于将活塞负载力和速度解耦。

由此产生的阀门配置包括两个比例二位二通节流阀和四个二位二通切换阀以设置流动路径，单独的压力补偿器和节流阀配备有位移编码器。图1中所示的结构允许单独节流2个气缸室和它们连接到高压或低压。

IPC总是对来自泵的流量进行节流，以便调节通过入口节流边缘进入入口气缸室的流量。通常在移动应用中使用的ECU驱动电液组件。测量信号被传送到ECU并由数据采集系统捕获。用户通过两个操纵杆操作挖掘机工具，通过CAN将数据传送到ECU。

图1 挖掘机驱动液压系统

2 控制方法

首先描述在IFD先前研究中在理论上开发的基本控制方法，将指出实际执行这一方法的不足，并通过改进加以规避。

基本方法：以开环方式设置具有入口节流边缘KA的消费者速度，同时以闭环方式控制出口边缘KB，使得IPC几乎全开，而不管速度和负载力，从而改变入口。所有消费者的压力都达到同一水平。这个简单的概念有很多好处：

1）该策略使用IPC作为传感器来检测负载情况，不需要任何压力传感器。

2）随着IPC几乎完全打开，无论负载情况如何，进口室压力几乎与供应压力一样高。在相当高的供应压力下，拉力负载可以安全地以期望的速度移动，而不会在入口腔室中引起气蚀。

3）不需要检测负载力方向。改进控制方法为克服所揭示的问题，应扩大IPC和出口节流阀可设定的范围，而不损害控制策略的好处，以减少对阀门分辨率的要求。此外，将被控制的系统线性化以获得恒定放大。

进气室压力PA现在被用作驱动出口节流边缘KB的控制电路的参考变量，而不是一个特定的IPC开口KIPC。IPC的开口现在用于确定IPC上的压降，以便计算入口压力PA，而无需在消费者处使用单独的压力传感器。知道PA和允许值降低到一定的空化率，较小的IPC开口是可以接受的，而不损害前面提到的控制策略的好处。与IPC控制相比，出口边缘的操作范围大大增加，从而减少了对控制器性能和比例阀的要求。

控制系统通过使用腔室压力作为输入和输出变量而不是阀芯位置来线性化（见图2）。控制电路（突出显示）围绕控制变量PA构建，其参考值为PA，d，出口腔室压力PB为控制变量（背压操作）。在稳定状态下，这两个值具有线性相关性，其中恒定活塞面积比作为受控系统的放大和负载力FL作为扰动变量。一个普通的线性PI控制器足以满足这一控制任务。

图2 线性驱动系统和压力控制回路（*：正常操作模式）

3 测量和模拟结果

根据所提出的压力控制、动态操纵性能及在小型挖掘机工具试验台上的能耗，对所描述的阀系统和控制算法进行了评价和仿真。作为示例移动，选择了水平调整（见图3），这些操作点是电阻性负载和超负荷FL，它们都是时变的（见图3，中心和右侧），两个用户的不同要求的压力水平Pr和在较低负载用户处再生的能力。

图3 水平运动时的操作点

水平运动是由“在空中”的铲斗手动控制的，这意味着工具只装载惯性力和重力，而不是挖掘力。在建筑工地上，当运营者将挖出的材料从挖掘坑运到自卸车时，这种移动会定期发生。

4 测量和模拟结果

压力控制：在建议的压力计算和控制方面的测量结果如图4所示。这些图表显示吊杆和杆柱的速度命令、测量的腔室压力(“meas.”)以及重建的压力(“rec.”)，以及相关的IPC阀芯位置

图4 水平测量中的测量压力和IPC动作

动臂缸在正常工作中移动阻性负载。入口室是杆侧（R）。在每个腔室中控制器应保持的最小压力设置为10 bar（10×105Pa）。出口流量（P）稍微节流以获得这种压力。这和负载力屈服于大约60×10-5的进口压力（深蓝色图表），这是两个消费者共同期望的入口压力Pm，d。同时，棍柱在再生模式下降低过载负载。负载由几乎封闭的出口节流（室R）平衡，这也将增加进气室压力（P）到更高负荷用户的水平（吊杆，60×10-5Pa）。这导致在大约100×10-5的杆侧的出口压力水平。期望的入口压力已经在t＝8 s左右。

测量过的和重构的室压力之间的偏差在经受过负荷的活塞杆上要高得多。这是由节流阀边缘的压力降ΔP在小开口处对阀芯位置y的变化的高灵敏度所引起的。流量图和阀芯位置的测量误差比在更宽的开口处放大得多，在t＝9 s时在棒缸入口压力（P）处可观察到，而IPC几乎关闭，其压降ΔPIPC被高估。出口室中的压力偏差是由于高度的控制器活动引起的，这是将入口压力提高到所需的60×10-5Pa所必需的。由于气缸驱动具有液压能力，所以实际出口压力Pout（Rmeas）遵循由压力控制器设定的期望值Pout，d（Rres），具有一定延迟，当改变时该延迟变得明显。

能源损耗：能量方面也进行了调查，下页图5描述了不再生（SPM）和再生（SPMR）的单独计量策略的结果。为了便于参考，传统的耦合计量策略（CPM）也已被实施。在这种模式下，入口和出口流量截面积始终保持与气缸活塞面积相同的关系，类似于单个阀芯上两个节流边缘的机械耦合。这个比较测试已经用模拟模型执行了，模拟模型使用图4（左上角）所示的实际水准实验中的期望速度。

图5 不同操作策略下的泵压力和容积流量

根据不同操作方式下泵的压力和容积流量的数据结果，得到如表1所示的能耗分析表。

表1 水平运动的能耗 %

5 结论

所开发的系统，仅使用一个公共的供应压力传感器和IPC的位置，以及为了阀门控制的目的，比例阀的阀芯位置，能够驱动一个微型挖掘机工具，负载补偿达到一定的低动态。在没有挖掘力的情况下，高压再生使能量节省高达48%。通过微调最小腔室压力水平和泵驱动，可以开发更多的节能潜力，这需要更快和更精确的节流阀响应和可能的闭环泵控制。目前，由于在动态运动过程中阀门动力学的不足，使得进出流截面积之间的理想关系丧失，这对于用户的压力水平有很大的影响。这导致意外的压力峰值或空化。在通常的机械耦合计量中，流量横截面面积关系由阀芯的几何形状设定，这个问题不会出现。对于独立计量，在进口和出口节流边缘之间需要精确调谐，这与机械耦合计量相比，对阀的可控性提出了更高的要求。