工程機(jī)械數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)探究

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摘要：介紹了傳統(tǒng)輪式工程機(jī)械轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的缺陷，設(shè)計了一種數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并詳細(xì)分析及結(jié)構(gòu)及原理，數(shù)字線控系統(tǒng)采用模糊PID自適應(yīng)控制算法，并建立數(shù)字轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減少了液壓沖擊及回油噪聲，降低了操作者的操作環(huán)境質(zhì)量，轉(zhuǎn)向控制精度較高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字線控轉(zhuǎn)向；自適應(yīng)模糊控制；液壓系統(tǒng)；數(shù)字閥

目前，傳統(tǒng)的輪式工程機(jī)械，例如壓路機(jī)、平地機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等行走轉(zhuǎn)向都使用轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向泵的高壓油經(jīng)過轉(zhuǎn)向器進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸來控制轉(zhuǎn)向油缸活塞的伸縮，實現(xiàn)裝載機(jī)鉸接點轉(zhuǎn)動，一般轉(zhuǎn)向器控制精度低，在實際操作中一部分高壓油溢流回油箱，造成了發(fā)動機(jī)能量的浪費。隨著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的更新?lián)Q代又推出了一系列新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，機(jī)械反饋隨動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、同軸流量放大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，這種技術(shù)雖然在一定條件下降低了能耗，但是沒有從本質(zhì)上解決問題。

1數(shù)字轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)分析

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)、和傳感器技術(shù)等高新技術(shù)相結(jié)合，傳統(tǒng)輪式行走工程機(jī)械轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)正向線控數(shù)字化方向發(fā)展。圖1是一種數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)方向盤，其下裝有角度傳感器，可以精確地檢測方向盤轉(zhuǎn)角，方向盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)向力及轉(zhuǎn)角經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)傳遞后到達(dá)力反饋電機(jī)，力反饋電機(jī)的控制信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入控制器，控制器輸出數(shù)字信號并將數(shù)字信號傳遞給數(shù)字換向閥上的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動閥芯運動，實現(xiàn)閥口的開閉及大小控制；同時轉(zhuǎn)向泵打出的高壓油經(jīng)過閥口進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸，為保證整個液壓系統(tǒng)的安全，設(shè)計了溢流閥，為保證整個液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向壓力值且使數(shù)字方向流量閥進(jìn)出口壓差為常數(shù)，保證轉(zhuǎn)向速度穩(wěn)定，同時還可以減少管路壓力損失設(shè)計了定壓差閥壓力補(bǔ)償裝置。此時，轉(zhuǎn)向缸的伸縮完成轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向油缸活塞上的位移傳感器及油缸進(jìn)出油口的壓力傳感器，實時的檢測活塞的位移及系統(tǒng)壓力并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后反饋給控制器，這時方向盤的輸入信號與轉(zhuǎn)向油缸的反饋信號進(jìn)行比較，形成了一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的精確控制。1-定量泵；2-減壓閥；3-壓力補(bǔ)償閥；4-數(shù)字換向閥；5-壓力傳感器；6-位移傳感器；7-轉(zhuǎn)向缸；8-轉(zhuǎn)向缸；9-方向盤；10-角度傳感器；11-減速機(jī)構(gòu)；12-力反饋電機(jī)

2數(shù)字線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的PID控制由于原理簡單，適應(yīng)性強(qiáng)而被廣泛用于工程機(jī)械控制系統(tǒng)上，但是傳統(tǒng)的PID控制存在缺陷，控制精度低，抗干擾能力差，整定參數(shù)后系統(tǒng)參數(shù)是固定不變的；而在實際的工程應(yīng)用中，工程設(shè)備都視為高階控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的參數(shù)是隨著時間和周圍環(huán)境時刻變化的，被控參數(shù)存在著隨機(jī)性和偶然性。而模糊自適應(yīng)PID控制在傳統(tǒng)PID控制上，以誤差e及誤差變化率ec作為輸入，再利用設(shè)定好的模糊規(guī)則進(jìn)行分析及推理計算，比例、積分、微分三個參數(shù)會根據(jù)外界環(huán)境變化自動調(diào)整，來滿足不同狀態(tài)下的誤差e及誤差變化率ec對PID參數(shù)自整定的要求，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時可以是系統(tǒng)具有良好的動、靜特性，其控制原理如圖2所示。圖2模糊自適應(yīng)整定PID控制器原理圖自適應(yīng)模糊控制在建模時，可利用模糊集合理論同時建立比例參數(shù)Kp、微分參數(shù)Ti、積分參數(shù)Td與誤差絕對值|e|和誤差變化量絕對值|ec|的關(guān)系：Kp=f1(|e|,|ec|)Ti=f2(|e|,|ec|)Td=f3(|e|,|ec|)根據(jù)經(jīng)驗，在不同的情況下誤差絕對值|e|和誤差變化量絕對值|ec|對參數(shù)Kp、Ti、Td的自整定要求可以歸納為以下三點。1）當(dāng)誤差絕對值|e|較大時，為了保證控制系統(tǒng)有快速跟蹤性，避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量應(yīng)，此時Kp的取值較大、Td取值較小，Ti=0。2）當(dāng)誤差絕對值|e|中等大小時，保證系統(tǒng)有較小的超調(diào)量，Kp取值較小，Td的取值較大，Ti適中。3）當(dāng)誤差絕對值|e|較小時，為保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)態(tài)性能，避免出現(xiàn)振蕩，Kp與Ti取值較大，Td值根據(jù)系統(tǒng)實際情況取值。根據(jù)實際經(jīng)驗進(jìn)行推力和判斷，建立整定的3個參數(shù)Kp、Ti、Td的模糊規(guī)則表并根據(jù)隸屬度和模糊控制模型，列出模糊矩陣表，將選定的修正參數(shù)代入下列公式計算其中，Kp′、Ti′、Td′為修正前的量，∆Kp、∆Ti、∆Td為修正的量，其工作流程如圖3所示。

3數(shù)字轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在建立數(shù)字轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時，數(shù)字液壓閥是重點，根據(jù)經(jīng)驗對一些參數(shù)進(jìn)行了簡化，這對整體數(shù)學(xué)模型沒有影響。

3.1步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號，輸出轉(zhuǎn)角位移信號，力矩方程Tb=TiZ(θm-θ)式中，Tb為電機(jī)力矩，Nm；Ti為電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩，Nm；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θm為旋轉(zhuǎn)磁場角，°；θ為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，°。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程Tb=Jd2θdt2+Bdθdt其中，J為轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；B為阻尼系數(shù)，Ns/m。步進(jìn)電機(jī)凸輪機(jī)械轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成直線位移xv=esinθ其中，xv為直線位移，m；e為凸輪偏心輪轉(zhuǎn)角，θ為偏心距。

3.2壓力補(bǔ)償閥數(shù)學(xué)模型

壓力補(bǔ)償閥閥芯力平衡方程Myd2xydt2+Bydxydt−kyxy0−xy+kysxypy=pyL−pyAy其中，My為閥芯質(zhì)量，kg；By為阻尼系數(shù)，Ns/m；ky為彈簧剛度，N/m；xy0為彈簧初始位移，m；xy為閥芯運動位移，m；kys為液動力剛度；py為進(jìn)油口壓力,Pa；pyL為控制口壓力,Pa；Ay為兩腔橫截面積，m2。流入壓力補(bǔ)償閥的流量等于流出的流量，則流量連續(xù)性方程qy=qy1+qy2+qyt+Vy04βedpydt其中，qy為流入壓力補(bǔ)償閥的流量，m3/s；qy1為左腔流出的流量，m3/s；qy2為從阻尼孔流出的流量，m3/s；qyt為從出口流出的油液流量，m3/s；Vy0為受控腔面積,m2；βe為體積彈性模量,Pa。出口流量方程qyt=CydπDyxy2pyρ=kyqxy+kycpy其中，Cyd為流量系數(shù)；kyq為流量增益；kyc為壓力-流量系數(shù)。

3.3減壓閥數(shù)學(xué)模型

減壓閥的閥芯力平衡方程Mjd2xjdt2+Bjdxyjdt−kjxj0−xj+pjtAj=pj−pjtkjs其中，Mj為減壓閥閥芯質(zhì)量，kg；xj為閥芯位移，m；Bj為閥芯運動阻尼，Ns/m；kj為彈簧剛度，N/m；xj0為彈簧預(yù)壓縮量，m；pj、pjt為進(jìn)、出油口壓力，Pa；Aj為出油腔受力面積，m2；kjs為液動力系數(shù)。減壓閥的流量連續(xù)性方程qj=qjt+qj1+Vj04βed(pj−pjt)dt其中，qj為流入的流量，m3/s；qjt為流出的流量，m3/s；qj1為阻尼孔流量，m3/s；Vj0為控制腔體積，m3。減壓閥出口流量方程qjt=CjdπDjxj2(pj−pjt)ρ=kjqxj+kjcpj−pjt其中，Cjd為流量系數(shù)；Dj為出油口直徑，m；kjq為壓力流量增益。

3.4數(shù)字閥主閥的數(shù)學(xué)建模

數(shù)字方向流量閥主閥芯力平衡方程Md2xdt2+Bdxdt−k(x0−x)+ksx(p−pL)=p2A2−p1A1其中，M為主閥芯質(zhì)量，kg；x為主閥芯位移，m；B為主閥芯運動阻尼，Ns/m；k為主閥彈簧剛度，N/m；x0為彈簧預(yù)壓縮量，m；ks為液動力系數(shù)；p為進(jìn)口壓力，Pa；pL為主閥A(B)口的壓力，Pa；p1、p2為主閥左腔和右腔壓力，Pa；A1、A2為主閥左腔和右腔橫截面積，m2。數(shù)字方向流量閥主閥流量連續(xù)性方程q=Adxdt+V04βed(p−pL)dt其中，q為流入流量，m3/s；A為主閥腔面積，m2；V0為進(jìn)油腔體積，m3。流入數(shù)字方向流量閥的流量q=Cdπdx2(p−pL)ρ=kqxv+kc(p−pL)其中，kq為主閥的流量系數(shù)；kc為主閥的流量-壓力系數(shù)。對上述公式進(jìn)行拉普拉斯變換后，可以推導(dǎo)出傳遞函數(shù)，可以對傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真分析，驗證系統(tǒng)動靜態(tài)特性。

4結(jié)語

數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提高了輪式工程機(jī)械的轉(zhuǎn)向精度，適用于精準(zhǔn)作業(yè)環(huán)境，同時，數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提高了泵的使用效率，合理的分配發(fā)動機(jī)功率，降低了能耗，提高了輪式工程機(jī)械操縱技能；數(shù)字線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)暫用空間少，管路布置比較簡單，使整車結(jié)構(gòu)更加緊湊，噪音小，優(yōu)化操作環(huán)境，數(shù)字式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以形成模塊化，更容易實現(xiàn)智能化操作、無人駕駛，未來數(shù)字線控轉(zhuǎn)向?qū)⑹寝D(zhuǎn)向技術(shù)主要發(fā)展趨勢之一。

作者:朱耿寅 朱濤 謝廣 姜友山 吳岳嶺 單位:山推工程機(jī)械股份有限公司