全液壓推土機(jī)直線行駛控制方法研究

JI Xiao-yan,ZHAO Cheng-long,KONG Yan-jun

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

推土機(jī)在工程建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，全液壓推土機(jī)銷(xiāo)量所占比重逐年增加，其在操控性，靈活性和操控舒適度上有著傳統(tǒng)推土機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前傳統(tǒng)的機(jī)械式推土機(jī)由于采用機(jī)械齒輪等對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其跑偏量容易控制。而全液壓推土機(jī)多采用雙泵雙馬達(dá)兩側(cè)獨(dú)立式控制，受限于電磁閥等元件的不一致性、管路布置的差異以及液壓元件的磨損情況，在不進(jìn)行控制的情況下會(huì)出現(xiàn)跑偏的情況，進(jìn)而對(duì)操控性能和作業(yè)性能產(chǎn)生不良影響。

本文主要對(duì)全液壓推土機(jī)跑偏的原因進(jìn)行分析，并提出全液壓推土機(jī)的糾偏思路和控制策略，同時(shí)給出3種具體的實(shí)現(xiàn)算法，在山推DH17全液壓推土機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)試效果進(jìn)行分析。

1 跑偏原因分析

1）液壓元件及電磁閥不一致性 全液壓推土機(jī)一般采用雙泵雙馬達(dá)兩側(cè)獨(dú)立式液壓系統(tǒng)，雖然左右兩側(cè)液壓系統(tǒng)采用同一規(guī)格型號(hào)的液壓元件及電磁閥，但由于制造精度、材料性能等細(xì)微差別，其特性往往很難達(dá)到完全一致。通常大多數(shù)電磁閥電阻存在±5%的偏差，電阻的差異對(duì)其起始控制電流和終止控制電流也會(huì)產(chǎn)生影響。兩側(cè)獨(dú)立液壓系統(tǒng)液壓馬達(dá)布置雖然對(duì)稱，但從液壓泵到液壓馬達(dá)的液壓管路可能長(zhǎng)短不一，在一定程度上也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間不同。上述問(wèn)題的存在導(dǎo)致在沒(méi)有糾偏控制的情況下，車(chē)輛會(huì)出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。

2）長(zhǎng)時(shí)間的磨損 液壓元件長(zhǎng)時(shí)間工作必然會(huì)產(chǎn)生一定的磨損，同時(shí)履帶等底盤(pán)零部件由于長(zhǎng)時(shí)間工作，其漲緊程度、磨損情況會(huì)出現(xiàn)不一致，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的直線性產(chǎn)生一定的影響。

3）外部條件的不一致 在全液壓推土機(jī)作業(yè)過(guò)程中，由于車(chē)輛的高低起伏及土壤的附著條件可能不同，在一定程度上也會(huì)造成兩側(cè)履帶附著力的不一致，從而導(dǎo)致直線行駛跑偏現(xiàn)象的發(fā)生，因此在實(shí)際直線性能測(cè)試驗(yàn)證中，往往會(huì)對(duì)場(chǎng)地的平整性有一定的要求。

對(duì)作業(yè)質(zhì)量要求比較高的機(jī)械，其跑偏量會(huì)有更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如攤鋪機(jī)在高等級(jí)公路攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，多會(huì)配置如激光或超聲波引導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)控制直線行走的跑偏量。而對(duì)于推土機(jī)等絕大多數(shù)工況來(lái)說(shuō)，沒(méi)有嚴(yán)格的直線性要求，且目前國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)行業(yè)及實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下直線行駛50m偏差小于0.5m即滿足作業(yè)需求。

2 幾種控制思路及其優(yōu)劣對(duì)比

在控制思路和控制策略上，由于被控對(duì)象、控制系統(tǒng)以及所采集數(shù)據(jù)的處理方法不同，會(huì)產(chǎn)生不同的控制思路，下面就上述不同因素的控制方法進(jìn)行介紹，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 被控對(duì)象不同

按照控制對(duì)象可以分為泵單獨(dú)控制和泵與馬達(dá)同時(shí)控制兩種方式，其優(yōu)劣對(duì)比如表1所示，其中低速時(shí)是指僅有泵電流參與控制，高速時(shí)指泵和馬達(dá)電流均參與控制。

表1 泵單獨(dú)控制與泵和馬達(dá)同時(shí)控制對(duì)比

2.2 被控系統(tǒng)不同

按照兩側(cè)液壓系統(tǒng)選擇的不同可以分為單側(cè)糾偏、雙側(cè)糾偏以及混合糾偏3種方式，其優(yōu)劣對(duì)比如表2所示。

表2 單側(cè)、雙側(cè)及混合糾偏對(duì)比

2.3 數(shù)據(jù)時(shí)效性不同

由于液壓系統(tǒng)屬于有阻尼系統(tǒng)，從調(diào)整電流給定到液壓系統(tǒng)電磁閥到控制器再次采集到給定電流產(chǎn)生的反饋速度會(huì)有一定的時(shí)間差，根據(jù)部分機(jī)型測(cè)試的結(jié)果時(shí)間延遲一般會(huì)有30～60ms，因此根據(jù)根據(jù)采集數(shù)據(jù)的時(shí)效性可以分為實(shí)時(shí)控制和累加控制，其優(yōu)劣對(duì)比如表3所示，其中實(shí)時(shí)控制往往也會(huì)選擇幾個(gè)控制周期進(jìn)行調(diào)整次，從而避免由于系統(tǒng)本身響應(yīng)的延時(shí)產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象；而累加糾偏控制方式則是根據(jù)一段時(shí)間左、右兩側(cè)速度偏差的累加趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整。

表3 實(shí)時(shí)糾偏與累加糾偏對(duì)比

3 控制算法的研究

為了保證推土機(jī)直線行駛時(shí)兩側(cè)馬達(dá)速度的一致性，一般全液壓推土機(jī)下線之初首先進(jìn)行泵和馬達(dá)電流參數(shù)的標(biāo)定，其中電流參數(shù)標(biāo)定主要包括泵起始電流、泵最大電流、馬達(dá)起始電流和馬達(dá)最大電流4個(gè)參數(shù)，而在行走過(guò)程采用直線行駛糾偏控制的方法。控制方法的關(guān)鍵均采用通過(guò)速度參數(shù)反饋求差值，進(jìn)而進(jìn)行電流參數(shù)調(diào)整的方式，控制基本模型如圖1所示，其中常用的控制算法主要包括PID控制，查表法、小量逼近法等控制等。

圖1 糾偏控制模型

以泵電流雙側(cè)糾偏控制方式為例，其基本控制流程如圖2所示。

3.1 PID控制算法

PID算法是目前控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一，具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、控制可靠的特點(diǎn)。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。其中r(t)是給定值，即本系統(tǒng)中的左右馬達(dá)速度允許跑偏誤差e，c(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值,即左右馬達(dá)實(shí)際速度偏值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差

e(t)作為PID控制的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為

式中Kp——控制器的比例系數(shù)；

Ti——控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù)；

Td——控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)。

圖2 泵電流雙側(cè)糾編法控制流程圖

圖3 PID控制系統(tǒng)原理圖

3.2 查表法

查表法主要是通過(guò)將設(shè)定數(shù)值進(jìn)行調(diào)用，即根據(jù)控制偏差e(t)直接通過(guò)查表的方式進(jìn)行控制調(diào)節(jié)量的選取，該方式調(diào)節(jié)量的選擇可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方式實(shí)現(xiàn)，以表4為例。結(jié)合中間數(shù)據(jù)可通過(guò)二分法等進(jìn)行計(jì)算。

表4 查表法參數(shù)設(shè)定表

3.3 小量逼近法

該算法主要是控制器每一掃描周期，系統(tǒng)調(diào)整一個(gè)較小的量值，如0.5mA,快速側(cè)的泵電流減少一個(gè)量值，同時(shí)慢速側(cè)的泵電流增加一個(gè)相同的量值，通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)算達(dá)到兩側(cè)速度的平衡。這一方法的關(guān)鍵是量值的選取。如果量值過(guò)大，調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象；如果量值過(guò)小，可能出現(xiàn)無(wú)法及時(shí)消除速度偏差，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差。以左側(cè)速度較右側(cè)快為例，該算法采用的公式如下

3.4 單側(cè)糾偏控制方法

實(shí)時(shí)檢測(cè)左右馬達(dá)兩側(cè)的轉(zhuǎn)速，設(shè)定跟隨左側(cè)的轉(zhuǎn)速，右側(cè)快減電流，右側(cè)慢加電流的方式，來(lái)減小兩側(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速差。采用實(shí)時(shí)糾偏，只在直線行走的過(guò)程中才進(jìn)行糾偏，轉(zhuǎn)向時(shí)不進(jìn)行糾偏?？刂屏鞒倘鐖D4所示。

圖4 單側(cè)糾偏法控制流程圖

4 試 驗(yàn)

通過(guò)上述控制算法和被控對(duì)象等組合可衍生出多種控制方式，本試驗(yàn)采用上述的單側(cè)泵控制實(shí)時(shí)糾偏的PID控制方式，采用50m測(cè)試場(chǎng)地，并對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行必要的平整，車(chē)體左側(cè)放樣標(biāo)準(zhǔn)直線，其中偏差數(shù)據(jù)采用引導(dǎo)輪中心與驅(qū)動(dòng)輪中心處下方履帶偏差求平均值的方式。

樣機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定2 000r/h，分別就3km/h、6km/h、10km/h 3個(gè)不同檔位進(jìn)行兩側(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示，同時(shí)左右兩側(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速及調(diào)整電流通過(guò)CAN總線儀進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，所采集部分對(duì)應(yīng)曲線如圖5所示。

表5 樣機(jī)PID控制方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 CAN總線儀實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)采集圖像可以可以得出，通過(guò)單側(cè)泵控制實(shí)時(shí)糾偏的PID控制方式最大偏差為360mm,可以滿足推土機(jī)直線行駛自動(dòng)糾偏的作業(yè)要求。

本文通過(guò)對(duì)推土機(jī)直線行駛控制方法進(jìn)行了較為深入的研究，并對(duì)各種不同的方法給出了優(yōu)劣勢(shì)的對(duì)比，并對(duì)部分算法進(jìn)行實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。同時(shí)在試驗(yàn)驗(yàn)證方面上采用人工最終結(jié)果測(cè)量和工具實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了較為全面的效果分析。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)推土機(jī)直線性精度的不同要求，根據(jù)各家廠商經(jīng)驗(yàn)的不同，往往會(huì)采用不同的控制方法和算法。建議控制算法選取的原則是在滿足直線性要求的情況下，首先采用相對(duì)簡(jiǎn)單的控制算法，便于問(wèn)題的分析和處理。本方法的提出，實(shí)現(xiàn)了在推土機(jī)等產(chǎn)品上的應(yīng)用，同時(shí)可推廣應(yīng)用到如攤鋪機(jī)等其他全液壓履帶式工程機(jī)械。

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