液压挖掘机节能控制新策略.pdf

液压挖掘机节能控制新策略 李涛岑豫皖王淑芳 安徽工业大学机械工程 学院马鞍 山2 4 3 0 0 2 摘要 提出一种新的挖掘机节能控制方法 ，基于单片机测控技术，改进 了挖掘机的操作柄，使挖掘机的 动臂 、斗杆 、铲斗转动速度与操作员通过操作柄给定速度保持一致 ，实现系统功率的实时匹配，达到 “ 所得即 所需” 。不仅可以提高操作人员的操作舒适性，仿真实验还表明，与恒功率控制相比，在新的控制策略下 ，挖掘 机做功节省 了7 ％左右 。 关键词液压挖掘机；单片机；控制；节能 中图分类号T D 4 2 2 ． 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 2 0 9 0 0 0 6 0 4 Ab s t r a c t T h e p a p e r p r o p o s e s a n e w e n e r g y - s a v i n g c o n t r o l me t h o d f o r t h e e x c a v a t o r ． B a s e d o n t h e s i n g l e c h i p mi c r o c o mp ute r mo n i t o r i n g t e c h n o l o gy ， t h e o p e r a t i o n h a n d l e o f e x c a v a t o r i s i mp r o v e d t o ma k e t h e r o t a t i o n a l s p e e d s o f e x c a v a t o r s mo v a bl e a r m ，bu c k e t a r n l ， s c r a p e r pa n c o n s i s t e nt wi t h t h e s p e e d g i v e n by t h e o p e r a t o r wi t h t h e o pe r a t i o n ha n d l e， i n o r de r t o r e ali z e t h e r e a l t i me ma t c h i n g o f the s y s t e m p o we r a n d“ w h a t ’ S o b t a i n e d i s w h a t ’ S n e e d e d ” ． Th e me t h o d c a n n o t o ． 1 y i m p r o v e o p e r a t o r s o p e r a ti o n c o mf o r t ab l e n e s s ． b u t a l s o s a v e ab o u t 7 ％e n e r g y u n d e r t h e n e w c o n t r o l s t r a t e gy ． c o mp a r e d wi t h c o n s t a n t p o we r c o n t r o l，a s i n di c a t e d i n t h e s i mu l a t i o n t e s t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c e x c a v a t o r ；s i n e c h i p m i c r o c o m p u t e r ；c o n t r o l ；e n e r g y s a v i n g 0 前 言 液压挖掘机作为工程机 械中的主要设备 ，其 液压技术 的应用 已逐 步 成熟 ，但 其 工作 状况 复 杂，能量损失大，所以，提高其工作效率的节能 技术一直是 现代 液 压挖 掘 机技 术 发展 的热 点 和 方 向。 目前 出现 的 比较 成熟 的节能 控制 技术 有 ] 负流量控制 、压力切 断、正 流量控制系统 、负荷 传感控制系统 、恒功率 与变功率协 调控 制L 2 以及 这些控制 方法的优化组合_ 3 J 。这些节 能控制技术 都是基于挖掘机液压系统 的压力信号来制定相应 的控制策略 ，本文提 出一种 新 的节能 控制方 法 ， 在普通挖 掘机 的操作手 柄做一 些改 进 的基 础上 ， 利用单片机的测控技术 ，通过控制挖掘机的动臂 、 斗杆 、铲斗的转 动作 速度来制定相应 的节 能控制 方案 。 1 控制原理及 系统构成 造成挖掘机能量损失 的因素有很 多 ，但 主 [ J ] ．N e u r a l C o m p u t i n g A p p l i c a t i o n s ，9 ， 2 0 0 0 3843 ． [ 5 ]佐久本政和，林亨 ． 7 7 ／ f 制御 j、／于于夕 一 二 ／ 振扎止幻 叉于厶 逋用 [ J ] ．檄谕 ，5 85 5 0 ， C 1 9 9 21 7 9 2～1 7 9 9 ． [ 6 ]多田博夫，芳村敏夫，大谷良治，等 ． 旋 回式夕 一 、／ 吊 l J 荷振扎止幻制御 } 二 阴亨 为研究 [ J ] ．樵输， 6 5～6 3 4，C 1 9 9 9 2 3 5 22 3 5 9 ． [ 7 ]J ． A ． Me n d e z ，L ． A c o s t a ，L ． Mo r e n o ，e t c ． A n A p p l i c a t i o n o f a Ne u r a l S e l f Tu n i n g Co n t r o l l e r t o a n O v e r h e a d C r a n e [ J ] ． N e u r a l C o m p u t i n g＆ A p p l i c a t i o n s ，V o 1 ． 8 1 9 9 9 6 1 4 3 1 5 0． [ 8 ]森下鹰 ．走行夕乙 ／ 一、／遁耘 自勤化 幻 振札止幻 制御[ C] ． 测自勤制御学会 S I C E输文集 ，1 4 6 ， 1 9 7 8 7 3 9 7 4 4 ． [ 9 ]近藤良，武田亨 ．振勤周期c 二 基 旋回夕 一、／ 振札 止 制御 [ J ] ．楼 输，6 76 5 5 ，C 2 0 0 1 】 3 5 一】 4】 作者地址上海市东方路 2 9 9 3弄 l 4号 4 0 2室 邮 编 2 0 0 1 2 5 收稿 日期 2 0 1 2 0 61 9 起重运输机械 2 0 1 2 9 要的能量损失 由过载所致 ，所 以减 少挖掘机 的过 载和增加 挖掘机工作 时的平稳性 ，是有 效减少 能 量损失的途径之一 ，应作为节能控 制的重要 目标。 因此 ，挖掘机 的动臂 、斗杆 、铲斗 的转动 速度是 否与操作人 员作业时所需 速度一致 ，及转 动速度 平稳程度可以为控制挖掘机输出功率 的重要指标 。 1 ． 1 动臂、斗杆、铲斗的转动角速度给定方法 为 了在现有挖掘 机上实现单 片机的测试控 制 技术 ，本文挖掘 机执行部件 的转速 给定系统 的设 计 ，在不改变液 压系统和发动机 内部 结构 的前 提 下 ，改变了传 统操作手柄 的功能。改 变后 的手柄 如图 1 只具有给定 动臂 、斗杆 、铲斗转 动速度 的作用。 1 ．手柄2 ．导杆 图 1 手柄机构示 意图 给定转动速度 ，可利用单 片机检测 导杆移动 的位移 ，根据导杆 移动 的位移可计算 出手柄 的转 角 ，导杆 的位移 与手 柄转 角 的关 系如 图 2所 示。 手柄转 角 确定 后 即可根 据 下式 给定 相 应 的转 动 速度 。 1 式中 为给定的角速度 ，0为手柄最大转角 幅度 ，0 为手 柄当前 转角 ， 为手 柄初 始夹 角 ， 为最大角速度。 1 ． 2 动臂、斗杆、铲斗转动角速度的控制 在速度 给定 、机 构确定 后 ，还 要增加一 个控 制挖掘机动臂、斗 杆、铲斗转动 与否及转 动方 向 的按钮 ，以确保其转动方 向与实际作业 时所需 转 向相同。 挖掘机 动臂 、斗 杆、铲 斗 转动 速度 的控 制 ， 可 以利用角速度传 感器来检测其转 动速度 ，然后 与操作人员设定 的角速度进行 比较 ，根据 两者的 起重运输机械 2 0 1 2 9 图2 导杆移动位移与手柄转角关系图 大小来控制发动机油 门的开度 ，使挖掘机 的动臂、 斗杆 、铲斗转动速度与给定 的转动速度保持一致。 挖掘机节能控制流程如图 3所示。 图3 基于挖掘机液压缸动作的节能控制流程图 当挖掘机进行 作业 时，由于需要 控制挖掘机 的多个 自由度 ，难免 造成操作 人员无法根据负载 的大小来调节发动机 的油门。而实时检测控制正 是单片机 的优势所在 ，因此可 以利用单 片机来控 制步进电机 ，通过步进 电机来 调节发动机油 门的 大小。 1 ． 3 基于单神经元 P I D的转动角速度控制 挖掘机动臂、斗杆 、铲斗转动角 速度 的大小 可 以采用单 神经元 比例 一积分 一微分控制系统调 1 节 ，传统增量式数字 P I D调节器的控制 输出 量为 “ k M k一1 _ P [ e k 一e k一1 ] K e k [ e k 一 2 e k一1 e k 一2 ] 2 式中k为采样序号 ，／2 , 为控制输 出量，e为 控制偏差 ，K 。 、K 、 。分别 表示 比例 、积分 和微 分系数。 单神经元作为构成神 经 网络 的基本单 位 ，具 有 自学习和 自适应的能力 ，结构简单且易于计算。 基于其以上特点 ，将单神 经元 和传 统的 P I D控制 器结合起来，在一定程度上解决了传统 P I D控制 器不易在线 实时整定参 数 ，以及 当复杂过程 和参 数慢时对时变系数进行有效控制 的不足。单神经 元 P I D的控制原理如图 4所示 。图中y 为转动角 速度的设定值 ，Y为实际转动角速度 ，z为性 能指 标， 为大于 0的神经元比例系数。 图4 单神经元 P I D的控制框图 将图 4所示 的控制 框 图应用 于 动臂 、斗杆 、 铲斗转动角速度 的控制 系统 中，由 ／2 , 来控制步进 电机转动即油门的大小 ，则 e k 一 ，单 神 经元 自适应 P I D的控制算法为 3 △ M Ji} K ∑0 2 丘 3 1 比较式 2 和式 3 ，可以看出两式形式完 全相同，不 同之处只是式 2 中的 可 以通过 神经元的 自学习功能来进行 自适应调节 ，但 是式 2 中 、 、 是预先确定好且不变的，由于 、 、 能够进行 自适应调整 ，因此该单神经 元 P I D控制器是一个在线 的自适应控制器。 2 系统硬 件设计 根据上述控制原理可以确定系统硬件的组成 ， 主要包括速度传感器、信号调理电路、多路开 关、A ／ D转 换 器、步进 电机 和 C 5 1单 片机 ，见 图 5 。 一 8 一 星 篓陋豆 巫囝 麴 匝魉 图 5 系统硬件组成 速度传感器 把 被测 的速度作 为输入 参数转 换为电量输 出。 信号调理 传感器 的输 出量一般 不能直接被 转换成数字量 ，通常要进 行放大 、特性 补偿 、滤 波等环节的预处理 。被测信号往往 因为幅值较小 ， 而且可能还 含有多余的高频分量等 ，不 能直接送 给 A ／ D转换器 ，需对其进行必要的处理。 多路开关采用 C D 4 0 5 2多路开关 ，其作用 时可 以利用一个 A ／ D转换器进行多路模拟量的转 换。 A ／ D转换器 A D C 0 8 0 9八位逐次逼近式 A ／ D 转换器是一种单片 C MO S器件 ，包括 8位模拟转换 器 、8通道转换开关 和与微处理 器兼容 的控制逻 辑 。8路转换开关能直接连通 8个单端模拟信号中 的任何一个。 M C U可采用 C 5 1单片机 ，负责数据 的处 理 并控制步进 电机。 步进电机 它的旋转是 以固定 的角度一 步一 步运行的。可 以通过控制脉 冲个数来控 制角位移 量 ，从而达到准确定位 的 目的。本控 制系统用 步 进电机来控制油 门开度 的大小。控制 系统 电路 图 见 图 6 。 图6 挖掘机节能控制系统电路图 3 控制系统的仿真实验 建立挖 掘机 的物 理模型 ，利 用 Ma t l a b和 A d a m s 进行联合仿真实验 ， 。以挖掘机挖斗液压缸 和斗杆液压缸均不动作 ，仅动臂液压缸动作 为例 ， 起重运输机械 2 0 1 2 9 仿真挖掘机 的功率输 出情况。当挖掘机动臂 匀速 转动时 ，动 臂液压缸 伸长速度 随 时间变化如 图 7 所示 ，动臂液压缸输 出的力 随时间变化 如 图 8所 示。在 同样 的运动条件下 ，恒功率控 制方法 与新 控制策略下动臂 的伸长速度 与动臂输 出力 的关 系 如 图 9所示 。 图7 动臂匀速转动时动臂缸伸长速度随时间变化 基 图 8 动臂匀速转动时动臂上力随时间变化 1 ．恒功率控制2 ． 新控制策略 图 9 两种不同控制策略下动臂上速度随力变化情况 起重运输机械 2 0 1 2 9 4 结论 本文提 出 了一 种新 的挖 掘机 功率控 制策 略 ， 使动臂、斗杆 、挖 斗转 动速度与给定速度保 持一 致 ，不仅能较好 、较 准确 地实现操作员 的操 作意 图，提高挖掘机操作舒适性 ，且通过仿 真实验表 明 ，与恒功率 控制相 比，在新 的控 制策略下 ，挖 掘机做功节省 7 ％左 右 ，从而提高了燃油利用 率， 具有明显的节能效果。 参考文献 [ 1 ]赵波 ，刘杰 ，戴丽 ，等 ．挖掘 机 液 压 系统 的节 能 技 术分析[ J ] ．流体传动与控制，2 0 0 7 7 4 0 4 3 ． [ 2 ]何清华 ，常毅华 ，郝鹏 ．液压挖掘机恒功率与变功率 协调控制节能系统研究 [ J ] ．建筑机械 ，2 0 0 6 3 5 5 5 8． [ 3 ]冯培恩，高峰，高宇．液压挖掘机节能控制方案的组 合优化[ J ] ．农业机械学报 ，2 0 0 2 ，3 3 4 58 ． [ 4 ]和卫星，陈晓平，陆森林，等 单斗液压挖掘机节能 ． 控制系统 的实现 [ J ] ．中国机械 工程，2 0 0 8 1 1 2 58 5 2 58 8 ． ． [ 5 ]丛爽 ．面向 MA T L A B工具箱的神经 网络理论与应用 [ M] 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