液压挖掘机功率匹配控制系统

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1、液压挖掘机功率匹配控制系统实践单位：广西玉柴工程机械责任有限公司自动化系：黄高电机系：赵峰液压挖掘机是工程机械主力机种，是建设工程的主要生产工具，因此对挖掘机性能提出了很高的要求，要求其节能、低排放、高效率，以及具有良好的操纵性等。液压挖掘机的液压系统中存在的各种形式的功率损失，都会不同程度地降低挖掘机液压系统的使用效率。挖掘机工作时，在不计沿程阻力的条件下，液压系统的最高效率可达95%以上。但由于挖掘机负载变化较大，操作状况千差万别，因此液压系统的效率变化也非常大。液压挖掘机采用节能技术不仅能有效地降低

2、燃油消耗率，还能减少液压系统功率损失，提高发动机功率的利用率，使动力系统与负载所需功率更好地匹配，从而降低发动机和液压元件的工作强度，减少系统发热，提高设备正常使用的可靠性。因此，国内外挖掘机行业对挖掘机节能技术都十分重视。为了实现液压挖掘机的节能，在进一步提高器件单体效率的难度越来越大的情况下，当前的研究重心逐渐转移到提高发动机与液压系统整体最佳效率的匹配上，通过电子节能控制方法实现高效率的功率转化。目前电子节能控制系统的研究主要针对以下几个环节：动力系统与负载的控制、液压泵的控制、发动机与液压泵的控制

3、。本项目就是基于电液比例控制变量泵跟随发动机转速偏差变化，以变量泵排量为控制对象，实现发动机——变量泵的功率匹配。其基本原理为：当负载较大时，液压泵吸收功率增大，造成发动机转速下降，从而使发动机偏离最佳工作点，效率下降。为了保证发动机转速的稳定，就需要限制液压泵的吸收功率。项目的目标就是通过实时检测发动机转速，通过电液比例控制器控制液压泵的吸收功率，从而将发动机转速维持在一个相对稳定的状态，提高系统效率，实现节能的目标。系统的控制方案如图1转速传感控制系统所示：图1转速传感控制系统一、基于原理的系统建模首

4、先通过分析液压挖掘机的液压系统，利用发动机、液压泵等关键部件的基本特性建立系统的控制系统仿真模型，为分析系统动态特性以及设计控制算法提供实验平台。本项目选用的仿真环境为Matlab/Simulink软件，所建立的仿真模型如下图所示：图2系统仿真模型模型说明ØSpeed_Set：设定的最低转速ØDelay：获取当前时刻、前个采样周期、前两个采样周期的转速差值ØController：控制算法模块ØSaturation：输出限幅，0-1ØD/A：没一个采样周期输出一个电流值ØUnitDelay1：在增量型PID

5、控制中起积分器的作用ØPowerLimit：液压泵的恒功率控制曲线。液压泵在曲线上的工作点受控制电流和负载大小的影响。（该曲线是根据力士乐A8VO技术文档第7/40页的图来画的），输出为排量控制量。ØLoad：模拟负载压力信号ØPump：用一个三阶系统描述液压泵的控制模型，输入为排量控制量，输出为实时排量ØEngine：用惯性环节描述发动机。输入为负载压力与排量的乘积，即液压泵的吸收转矩。建立该模型的作用：Ø用图形化的方式描述液压挖掘机的转速感应控制系统Ø通过对该模型进行仿真粗略了解系统的特性Ø如果能获取

6、液压泵的恒功率控制曲线以及发动机的调速曲线，则可比较精确的建立系统模型，从而基于此模型设计控制算法Ø该模型是基于机理的建模，与下面介绍的基于数据的系统辨识建模方式相对应。两者可起到相互辅助的作用。一、基于系统辨识的系统建模在进行控制系统设计时，通常需要建立系统的控制模型。建模的方法可以分为两种，一种是上面所述的基于原理的建模，另一种是基于数据的建模。第一种方式是通过分析系统的物理特性，从原理入手，这种方式需要对系统进行深入的了解，并且知道相关的参数值。另一种方式是基于系统的输入输出数据，构建系统的“黑箱模

7、型”，通常也称为系统辨识。对复杂系统进行建模时，第一种方案通常比较难以实现，因为系统的物理特性难于描述，很多参数值也无法获得，因此大多采用系统辨识的方式。系统辨识基于数据可以建立系统的多种模型，辨识的方法也有很多种。这里不详细介绍辨识的具体算法，主要是介绍使用Matlab提供的系统辨识工具箱来实现挖掘机液压系统的模型辨识。1、准备数据Ø输入数据：液压泵比例电磁阀的控制电流I：I_1~I_N（共N组数据）Ø输出数据：发动机的转速n：n_1~n_N（共N组数据）Ø采样周期：T（I，n，T）就构成了系统辨识所需

8、的原始数据。使用Matlab指令：z=iddata(I，n，T)可以将这些数据封装成一个结构体，供Matlab的系统辨识工具箱使用。注意：原始数据需要能够充分反映系统的动态特性，在进行数据测试时，需要反复改变控制电流的大小，比如使用方波信号。另外要尽量避免噪声干扰，可多次采样并进行滤波2、导入数据以上数据准备好之后，需要将数据导入Matlab系统辨识的工作环境中。（Matlab提供了供测试使用的数据，使用loadproc_da