液壓混合動力挖掘機能量再生控制研究

于安才，姜繼海

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.浙江大學(xué) 流體傳動及控制國家重點實驗室，浙江 杭州310027)

近年來，隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴重.挖掘機耗油高、排放差，其節(jié)能和減排問題不容忽視.節(jié)能研究有助于降低系統(tǒng)的發(fā)熱，提高系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和工作壽命，降低系統(tǒng)的裝機功率，從而在一定程度上節(jié)約設(shè)備的制造和維護成本［1-2］.根據(jù)儲能裝置的不同，混合動力分為電動混合動力方式和液壓混合動力方式.電動混合動力采用蓄電池、超級電容及燃料電池作為能量存儲單元;液壓混合動力采用液壓蓄能器來存儲能量［3-4］.近年來，液壓混合動力技術(shù)在汽車領(lǐng)域受到了廣泛地關(guān)注，美國EPA、伊頓公司及德國的力士樂公司都對液壓混合動力車輛進行了深入的研究.鑒于其在動力性能和燃油經(jīng)濟性方面的優(yōu)越表現(xiàn)，工程機械領(lǐng)域也逐漸引入液壓混合動力技術(shù).目前國內(nèi)對液壓混合動力工程機械的研究較少［5-8］.

本文將液壓混合動力系統(tǒng)以并聯(lián)方式配置到挖掘機中，平均發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，保證發(fā)動機工作于最佳燃油工作點或工作區(qū)，再生動臂及回轉(zhuǎn)裝置的慣性能以提高挖掘機的作業(yè)效率.根據(jù)挖掘機作業(yè)特點，合理選擇關(guān)鍵元件的設(shè)計參數(shù).針對回收能量的不同，設(shè)計液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩控制方式和轉(zhuǎn)速控制方式，采用智能PID控制方法有效抑制液壓系統(tǒng)的參數(shù)攝動和系統(tǒng)不確定性，提高整機的控制性能.

1 液壓混合動力挖掘機配置方式

挖掘機典型作業(yè)工況包括:挖掘、鏟斗提升并旋轉(zhuǎn)90度、放鏟并返回起始位置.典型作業(yè)工況下，發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩變化如圖1［9］所示.可見發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩波動大，并且具有周期特點，因此采用并聯(lián)式的方式可平均發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，可有效地降低發(fā)動機的油耗，降低尾氣排放.同樣，回轉(zhuǎn)裝置及動臂往復(fù)運動頻繁，可回收能量多.

圖1 發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Fig.1 The output of engine torque

液壓混合動力挖掘機(見圖2)由發(fā)動機、變量泵、定量馬達、液壓泵/馬達、液壓蓄能器、減速器、減壓閥等構(gòu)成.發(fā)動機驅(qū)動變量泵為其他執(zhí)行機構(gòu)提供油源，液壓泵/馬達通過變量泵以并聯(lián)方式配置在發(fā)動機一側(cè)，通過回轉(zhuǎn)液壓泵/馬達和減速機來驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置.液壓蓄能器置于液壓泵/馬達、回轉(zhuǎn)液壓泵/馬達及液壓變量泵之間，吸收發(fā)動機多余功率、回轉(zhuǎn)裝置的慣性能和動臂處的重物勢能.通過減壓閥為液壓泵/馬達的變量機構(gòu)(變量油缸和電液伺服閥)提供穩(wěn)定的控制油源.動臂下降時，換向閥2開通，控制器調(diào)整液壓變量泵排量控制動臂下降速度，同時將重物勢能轉(zhuǎn)化為液壓能存儲于蓄能器中;回轉(zhuǎn)時，并聯(lián)在發(fā)動機一側(cè)的液壓泵馬達工作于泵工況，為回轉(zhuǎn)裝置提供穩(wěn)定的動力油源，工作于泵工況，在安全制動回轉(zhuǎn)裝置的同時，將回轉(zhuǎn)慣性能轉(zhuǎn)換為液壓能存儲于液壓蓄能器中;非通過控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動液壓泵/馬達的排量來適應(yīng)駕駛員對回轉(zhuǎn)速度的要求及負荷的變化;回轉(zhuǎn)制動時，換向閥1關(guān)閉，換向閥2開通，驅(qū)動液壓泵/馬達工作于回轉(zhuǎn)工況時，并聯(lián)在發(fā)動機一側(cè)的液壓泵/馬達根據(jù)整機的負荷情況，吸收和補償發(fā)動機的輸出功率與負荷功率的差值，達到負荷平均化的目的，保證發(fā)動機工作于最佳燃油工作點或工作區(qū).

圖2 并聯(lián)式液壓混合動力挖掘機原理Fig.2 Schematic diagram of parallel hydraulic hybrid excavator

泵/馬達排量按原回轉(zhuǎn)馬達的排量選擇，液壓蓄能器的容積設(shè)定應(yīng)以系統(tǒng)單次循環(huán)可回收的最大能量為準:

式中:E為可回收的總能量，p1為液壓蓄能器最低工作壓力，V1為液壓蓄能器內(nèi)氣體在最低壓力下的體積，n為氣體的多變過程指數(shù)，V為蓄能器容積，ωh為制動前回轉(zhuǎn)裝置最高轉(zhuǎn)速，Jh為轉(zhuǎn)動慣量.mb為工作裝置總質(zhì)量，Y為重心變化高度，Ef為發(fā)動機多余能量.

2 能量回收控制方式

并聯(lián)式液壓混合動力挖掘機的能量回收裝置包括:主泵一側(cè)的液壓泵/馬達、回轉(zhuǎn)裝置液壓泵/馬達和動臂油缸處的液壓變量泵.由于能量回收裝置回收的能量及連接方式的不同，其能量控制方式也各異.

2.1 驅(qū)動液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩控制

液壓泵/馬達通過主泵與發(fā)動機連接，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同，因此采用轉(zhuǎn)矩控制方式.中央控制器根據(jù)手柄的幅度、速度以及加速度計算系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩恒定，兩者的差值為液壓泵/馬達的目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩 Tp/m.Tp/m為正值，液壓泵/馬達提供輔助轉(zhuǎn)矩;Tp/m為負值，液壓泵/馬達吸收發(fā)動機多余轉(zhuǎn)矩.液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)矩由系統(tǒng)壓力和斜盤傾角決定.在恒壓系統(tǒng)中，由于壓力恒定，因此，液壓泵/馬達的斜盤擺角與轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系，所以可以利用斜盤擺角來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制.液壓泵/馬達的高動態(tài)響應(yīng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的開環(huán)控制，但由于受到粘性摩擦轉(zhuǎn)矩、壓力波動等因素的影響，其開環(huán)控制須修正.在非恒壓系統(tǒng)中，壓力變化明顯，開環(huán)控制不能滿足轉(zhuǎn)矩控制要求.因此可利用變量油缸處位移傳感器的位移信號近似計算斜盤傾角，通過與系統(tǒng)壓力傳感器處的壓力信號相乘，得出液壓泵/馬達的輸出轉(zhuǎn)矩，通過實際轉(zhuǎn)矩值與期望轉(zhuǎn)矩值的偏差來控制變量機構(gòu)，進而控制泵/馬達輸出轉(zhuǎn)矩.液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩控制原理如圖3所示.

圖3 液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩控制原理Fig.3 Schematic diagram of hydraulic pump/motor torque control

2.2 回轉(zhuǎn)液壓泵/馬達轉(zhuǎn)速控制

在驅(qū)動和制動過程中，中央控制器根據(jù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動手柄的幅度、速度以及加速度計算轉(zhuǎn)速，對回轉(zhuǎn)液壓泵/馬達進行轉(zhuǎn)速控制，直接控制回轉(zhuǎn)速度.控制系統(tǒng)通過實際轉(zhuǎn)速信號與期望的轉(zhuǎn)速信號的偏差信號來控制伺服閥、變量油缸動作，改變液壓泵/馬達排量，直到轉(zhuǎn)速等于期望值.控制器的輸出應(yīng)當(dāng)近似地與液壓轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的差值成比例.變量控制油缸和伺服閥組成的系統(tǒng)具有典型的積分環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié).通過斜盤擺角(控制油缸活塞位移)的反饋所形成的內(nèi)部閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以將系統(tǒng)的積分特性轉(zhuǎn)變?yōu)楸壤舆t特性，從而改善轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性.

針對液壓挖掘機回轉(zhuǎn)裝置的非線性和不確定性等因素，對液壓泵/馬達采用智能PID控制方法進行分段變結(jié)構(gòu)控制，從而達到理想的控制效果.

基本思想是通過設(shè)置最大誤差閾值em1及最小誤差閾值 em2將系統(tǒng)偏差 e(k )分為大、中、小3 檔［10］.

規(guī)則1若 e(k) ＞ em1，則 u(k)= ± umax，說明偏差過大，相應(yīng)的控制量應(yīng)最大.

規(guī)則2若e(k)·△e(k)＞0或△e(k)=0，e(k)≠0說明誤差朝絕對值增大方向變化或誤差為某常值.

當(dāng)em1＞ e(k) ＞em2，說明誤差也較大，可考慮由控制器實施較強的控制作用，以達到扭轉(zhuǎn)誤差絕對值朝小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值.

當(dāng)e(k )＜em2，說明盡管誤差朝絕對值增大的方向變化，但誤差絕對值本身并不是很大，可考慮控制器實施一般的控制作用，扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，則

規(guī)則3若e(k)·△e(k)＜0說明輸出正趨近給定值或者已達到平衡狀態(tài)，可考慮控制器減少控制量或控制器輸出不變.

其中:umax為最大控制量，M、N為可調(diào)系數(shù).0＜N＜1，M ＞ 1;k0、k1、k2為系數(shù)，k0=kp+ki+kd，k1=(kp+2kd)，k2=kd，kp、ki、kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù).顯然智能PID算法在本質(zhì)上是非線性的，規(guī)則1、4使系統(tǒng)具有快速性和穩(wěn)定性，規(guī)則2、3則使PID調(diào)節(jié)具有變參數(shù)調(diào)節(jié)的自適應(yīng)特性.

3 仿真研究

以圖2所描述的液壓混合動力挖掘機為仿真對象，研究該系統(tǒng)控制方式的有效性.回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)方程［11］為

為了比較PID和智能PID控制，以圖1所描述系統(tǒng)為仿真對象，分別采用PID控制方法和智能PID控制方法對其進行了仿真研究，其仿真結(jié)果見圖5.從圖中可以看出采用智能PID控制顯著地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了超調(diào)量，縮短了穩(wěn)定時間，從而改善了系統(tǒng)的控制性能.

圖4 簡化后系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖Fig.4 Transfer function diagram of the system

圖5 液驅(qū)混合動力系統(tǒng)的速度控制性能曲線Fig.5 Speed control curves of the hydraulic hybrid system

4 試驗研究

比較2種不同的控制算法對于系統(tǒng)節(jié)能效果的影響［12］，搭建了液壓混合動力挖掘機模擬試驗臺，根據(jù)相似原理，模擬挖掘機回轉(zhuǎn)裝置進行制動動能回收轉(zhuǎn)速控制試驗研究.圖6是驅(qū)動液壓泵/馬達主動吸收發(fā)動機多余能量的轉(zhuǎn)矩控制試驗曲線，圖7是單閉環(huán)PID轉(zhuǎn)速控制下空斗回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動試驗曲線，圖8是采用雙閉環(huán)智能PID轉(zhuǎn)速控制下空斗回轉(zhuǎn)裝置制動試驗曲線，滿斗工況下，不同控制方法下回轉(zhuǎn)制動的節(jié)能效果對比如圖9所示.

圖6 轉(zhuǎn)矩控制主動充壓試驗曲線Fig.6 Active filling pressure test curve of torque control

圖7 空斗單閉環(huán)PID轉(zhuǎn)速控制Fig.7 Signal-loop em pty bucket PID speed control

圖8 空斗雙閉環(huán)PID轉(zhuǎn)速控制Fig.8 Dual loop empty bucket PID speed control

圖9 不同控制方法對滿斗回轉(zhuǎn)制動性能的影響Fig.9 The effect of different control methods on the full bucket rotary braking performance

液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)矩由系統(tǒng)壓力和斜盤傾角決定.壓力變化小時，采用開環(huán)控制+轉(zhuǎn)矩補償?shù)姆绞郊纯蓾M足控制要求.但由于液壓混合動力系統(tǒng)壓力幅度大，必須進行閉環(huán)控制，采用雙閉環(huán)PID轉(zhuǎn)矩控制方式，液壓泵/馬達的響應(yīng)速度快，控制精度高，可有效地吸收發(fā)動機的多余能量，為其他作業(yè)工況提供輔助能量.

由模擬試驗結(jié)果可知:采用單閉環(huán)PID轉(zhuǎn)速控制，系統(tǒng)響應(yīng)稍慢，制動過程持續(xù)時間長，制動能回收率低(空斗28.64%，滿斗53.27%);采用雙閉環(huán)智能PID轉(zhuǎn)速控制，系統(tǒng)響應(yīng)快，制動平穩(wěn)，制動過程持續(xù)時間短，制動能回收率高(空斗41.03%，滿斗60.93%).

5 結(jié)束語

將液壓混合動力技術(shù)以并聯(lián)方式引入挖掘機的系統(tǒng)中，使整車結(jié)構(gòu)緊湊，提高挖掘機的驅(qū)動和制動性能.利用液壓泵/馬達可工作于四象限的特點，主動吸收發(fā)動機的多余能量來平均發(fā)動機功率，保證發(fā)動機工作于最佳燃油工作點或工作區(qū)，回收和再利用挖掘機動臂及回轉(zhuǎn)裝置的慣性能，從而減少發(fā)熱量提高挖掘機的作業(yè)效率.針對混合動力系統(tǒng)的參數(shù)攝動和不確定性，采用智能PID控制理論設(shè)計了系統(tǒng)的控制器.仿真及模擬試驗結(jié)果表明，與發(fā)動機并聯(lián)的驅(qū)動液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩控制可有效平均發(fā)動機多余能量，為其他作業(yè)工況提供輔助能量，回轉(zhuǎn)液壓泵/馬達轉(zhuǎn)速控制可高效回收回轉(zhuǎn)裝置制動動能.液壓混合動力挖掘機具有傳統(tǒng)挖掘機的動力性能，系統(tǒng)響應(yīng)快，在實現(xiàn)能量高效回收的同時，提高了挖掘機的操控性能.

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