混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動控制及仿真試驗(yàn)研究

李遠(yuǎn)凱 張武 郭衛(wèi) 張亞普 郟高祥

摘 ?要： 針對混合動力技術(shù)的挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)制動超調(diào)等問題，建立挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置模型，采用模糊PID控制算法，通過Matlab/AMESim聯(lián)合仿真軟件平臺進(jìn)行驗(yàn)證，并基于礦用混合動力挖掘機(jī)進(jìn)行實(shí)測。結(jié)果表明，所采用的控制策略能夠滿足其回轉(zhuǎn)制動的性能要求，并具有良好的節(jié)能效果，分析結(jié)果為促進(jìn)混動挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評價(jià)提供了一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 回轉(zhuǎn)制動; 仿真試驗(yàn); 混合動力挖掘機(jī); PID參數(shù)調(diào)整; 模糊控制; 節(jié)能

中圖分類號： TN876?34; TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）07?0111?03

Research on slewing braking control and simulation test of hybrid power excavator

LI Yuankai， ZHANG Wu， GUO Wei， ZHANG Yapu， JIA Gaoxiang

（College of Mechanical Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： For the braking overshoot of excavator slewing control system based on hybrid power technology， a model of excavator slewing device is created. The fuzzy PID control algorithm is adopted， and MATLAB/AMESim co?simulation software platform is employed to verify the model. In addition， actual test is carried out on the basis of hybrid power excavator for mine. The results show that the adopted control system can meet the performance requirements of slewing brake and have a good energy?saving effect. The analysis results provide some reference for improving the design and the evaluation of slewing operation system for hybrid excavator.

Keywords： slewing braking; simulation test; hybrid power excavator; PID parameter adjustment; fuzzy control; energy saving

0 ?引 ?言

混合動力挖掘機(jī)作為工程機(jī)械領(lǐng)域的節(jié)能型產(chǎn)品，在工程建設(shè)中扮演著極其重要的角色，礦業(yè)生產(chǎn)、貨物的吊裝與搬運(yùn)、土方材料的挖掘等都依賴于工業(yè)挖掘機(jī)?；旌蟿恿夹g(shù)的應(yīng)用豐富了車輛和工程機(jī)械等的動力來源，進(jìn)一步提高了節(jié)油性，為環(huán)境保護(hù)作出了貢獻(xiàn)[1]。普通液壓挖掘機(jī)向混合動力挖掘機(jī)的過渡，使得挖掘機(jī)作業(yè)控制方式發(fā)生改變，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)馬達(dá)由于回轉(zhuǎn)電機(jī)的替代出現(xiàn)制動超調(diào)及制動后的自鎖問題[2?3]，這使得回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)同等的控制效果。

因此，本文以混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)模型為實(shí)例，基于回轉(zhuǎn)控制制動需求，建立含回轉(zhuǎn)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、超級電容、電機(jī)充電以及變量泵等的挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)控制模型，采用帶有修正規(guī)則的模糊PID控制算法，基于Matlab/AMESim聯(lián)合仿真平臺分析停車自鎖效果，根據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制策略的可行性。

1 ?混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

混合動力挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是確保挖掘機(jī)整機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，可控的回轉(zhuǎn)力矩和穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)制動控制是挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的重要評估指標(biāo)[4]，混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的基本組成如圖1所示?；剞D(zhuǎn)電機(jī)主要為永磁同步電機(jī)，機(jī)械制動單元安裝在高速軸上，回轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸與減速器的高速軸相連[5?6]，駕駛員通過操縱先導(dǎo)手柄控制電機(jī)的啟制動與運(yùn)轉(zhuǎn)速度，并由轉(zhuǎn)速傳感器檢測其實(shí)際轉(zhuǎn)速。

1） 回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型

[Mm=MnuE2] ?（1）

式中：[Mm]是控制器所需的電機(jī)輸出扭矩;[Mn]是對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最大輸出扭矩;[u]是超級電容電壓;[E]是最大電壓。

2） 發(fā)動機(jī)模型

[MDc=Mcη] （2）

式中：[MDc]是飛輪輸出轉(zhuǎn)矩;[Mc]是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩;[η]是有用力矩效率。

3） 超級電容模型

[U=Ee-tRC] （3）

式中：[U]是充電終止電壓;[t]是放電時(shí)間;[R]是電容電阻;[C]是電容。

4） ISG電機(jī)充電模型

[12CU2-12CU20=2π60Mgndt] （4）

式中：[U0]是初始電壓;[Mg]是電機(jī)發(fā)電力矩;[n]是電機(jī)轉(zhuǎn)速。

5） 變量泵模型

[MP=MDcη0] （5）

式中：[MP]是液壓泵所需力矩;[η0]是液壓泵的利用效率。

則可得整機(jī)約束模型為：

[MDc-MP-Mg+ME≥Mm] （6）

[ME=d12CU22-12CU21dtω] （7）

式中：[ME]是回轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;[U1]是初始電壓;[U2]是末端電壓;[ω]是電機(jī)的回轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型可知，混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)整機(jī)模型是基于回轉(zhuǎn)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、超級電容器、電機(jī)充電和變量泵等的綜合型集成模型。混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)械硬件組成如圖2所示，其中，電機(jī)轉(zhuǎn)速、操作手柄位移以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等一系列信號經(jīng)控制器計(jì)算處理后驅(qū)動回轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[7]，發(fā)動機(jī)并適時(shí)地驅(qū)動發(fā)電機(jī)向超級電容器充電。

2 ?模糊PID回轉(zhuǎn)控制策略

2.1 ?模糊PID控制邏輯

挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)模糊PID控制邏輯主要由常規(guī)PID控制和模糊在線自適應(yīng)調(diào)整等兩部分組成。如圖3所示，其中，被控對象即為挖掘機(jī)電驅(qū)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)電機(jī)電動系統(tǒng)，模糊控制器部分是整個控制邏輯的重點(diǎn)。模糊控制器通過采集回轉(zhuǎn)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、手柄位移和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等信號并經(jīng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)獲得比例、積分、微分等三個特征參數(shù)[kp]，[ki]，[kd]進(jìn)行優(yōu)化修整[8?9]，使得挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求自適應(yīng)式運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到合理的控制效果。

2.2 ?控制規(guī)則

根據(jù)三個參數(shù)[kp]，[ki]，[kd]與[e]，[ec]的模糊關(guān)系，模糊自整定PID在運(yùn)行中持續(xù)檢測[e]，[ec]，并適時(shí)智能地在線修改，以滿足挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性、超調(diào)量和動、靜態(tài)的不同控制精度需求[10]。這里主要是由轉(zhuǎn)速變化量[e（t）]、轉(zhuǎn)速偏差變化率[dedt]、電機(jī)轉(zhuǎn)速及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等觸發(fā)控制規(guī)則來進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整，以挖掘機(jī)斜坡回轉(zhuǎn)作業(yè)為例的部分回轉(zhuǎn)電機(jī)參數(shù)模糊控制規(guī)則與修正如表1，表2所示。

3 ?回轉(zhuǎn)制動控制仿真試驗(yàn)

由于Matlab與AMESim平臺數(shù)據(jù)可以交換，并且兩者都具有較強(qiáng)的處理和分析性能，因此，采用聯(lián)合仿真方式對礦用混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行分析。如圖4所示，在Matlab中構(gòu)建模糊控制器，并將AMESim中的[S]函數(shù)導(dǎo)入該控制模型。其中，Revise Fuzzy Logic為模糊修正器，模糊控制器操作運(yùn)算并輸出相應(yīng)的[kp]，[ki]，[kd]特征參數(shù)，經(jīng)Revise Fuzzy Logic觸發(fā)輸出修正參數(shù)去影響[kp]，[ki]，[kd]三個特征值進(jìn)行力矩計(jì)算，[S]函數(shù)根據(jù)計(jì)算后的力矩處理將得出的轉(zhuǎn)速反饋到模糊控制器中。

電機(jī)輸入初始速度為1 500 r/min，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為零，對常規(guī)PID算法與模糊PID控制模型分別進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。回轉(zhuǎn)制動后施加擾動力矩的自鎖效果如圖6所示。

針對礦用混合動力挖掘機(jī)實(shí)際回轉(zhuǎn)運(yùn)行環(huán)境，將仿真結(jié)果進(jìn)行整理得到如表3所示的控制參數(shù)。從結(jié)果可以看出，模糊PID回轉(zhuǎn)控制的主要參數(shù)均比傳統(tǒng)的PID控制效果具有更好的優(yōu)越性，魯棒性較好，制動時(shí)間上減少了0.7 s，超調(diào)量為20 r/min且遠(yuǎn)小于常規(guī)PID的300 r/min，自鎖制動時(shí)間也縮減了0.7 s左右，二者的油耗表現(xiàn)也是模糊PID控制占優(yōu)。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)控制策略的可行性，以23 t混合動力挖掘機(jī)分別采用輕載、中載和滿載等三種荷載進(jìn)行回轉(zhuǎn)制動試驗(yàn)，三種情況的回轉(zhuǎn)制動參數(shù)如表4所示。

根據(jù)表4中的回轉(zhuǎn)制動結(jié)果可以看出，模糊PID控制策略對于挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)制動優(yōu)于常規(guī)的PID控制效果，制動時(shí)間比傳統(tǒng)時(shí)間減少了約0.5 s?？傮w來看，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型仿真的分析規(guī)律，模糊PID回轉(zhuǎn)控制相對常規(guī)控制的挖掘機(jī)具有更好的節(jié)油效果。

4 ?結(jié) ?語

本文針對混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的制動問題，建立了挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的模型，采用模糊PID回轉(zhuǎn)控制策略，基于Matlab/AMESim聯(lián)合仿真平臺對礦用挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動控制進(jìn)行實(shí)測分析。與常規(guī)的PID控制算法相比，模糊PID回轉(zhuǎn)控制策略在制動時(shí)間、制動超調(diào)以及節(jié)油性等方面均表現(xiàn)出更好的效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了模糊回轉(zhuǎn)控制方案的有效性，分析結(jié)果能夠在某種程度上促進(jìn)挖掘機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的提升。

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