全電控挖掘機(jī)個(gè)性化操作控制策略的研究

摘要：針對不同區(qū)域、不同工況、不同使用者對使用情況的差異，提出一套全電控挖掘機(jī)的個(gè)性化操作的控制方案，詳細(xì)介紹了先導(dǎo)比例閥的控制策略，試驗(yàn)證明本方案及控制策略能滿足全電控挖掘機(jī)在實(shí)際工作中使用者對個(gè)性化操作使用的要求。

關(guān)鍵詞：全電控挖掘機(jī);個(gè)性化操作;控制策略

中圖分類號：TH134 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0224-02

0 ?引言

挖掘機(jī)使用工況復(fù)雜，不同區(qū)域、不同工況、不同操作手的使用習(xí)慣差異較大，傳統(tǒng)的液控系統(tǒng)的挖掘機(jī)的整機(jī)動作之間的關(guān)系控制基本上都是通過更換不同規(guī)格的邏輯閥來實(shí)現(xiàn)，通常同一款機(jī)器的操作性能很難滿足多位操作手的使用需求。在全電控液壓挖掘機(jī)上，整機(jī)所有動作均有控制系統(tǒng)控制，這樣就為個(gè)性化操作的控制提供了可能。本文詳細(xì)介紹了全電控挖掘機(jī)個(gè)性化操作的控制方案、先導(dǎo)信號的采集、先導(dǎo)比例閥電流的控制策略及實(shí)際控制效果的分析。

1 ?全電控挖掘機(jī)系統(tǒng)簡介

全電子控制挖掘機(jī)系統(tǒng)包含4大組件：①帶分控的電磁閥的主泵;②電控先導(dǎo)手柄和電腳踏;③閥蓋端集成比例電磁閥的電控主閥;④滿足控制性能要求的電子控制器[1]。

全電控挖掘機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)就是操作手所有的操作意圖都是通過電手柄傳輸給控制器，控制器再根據(jù)電手柄傳輸?shù)男盘柕拇笮韺?yīng)操作角度的大小，從而對相應(yīng)的對先導(dǎo)比例閥和電控泵進(jìn)行控制。本文所述的控制方法適用于搭載全電控系統(tǒng)的挖掘機(jī)。

2 ?整機(jī)個(gè)性化操作控制方案

本方案屬于人機(jī)交互的一種，因此需要在儀表設(shè)置專門的界面便于用戶的設(shè)置，通過設(shè)別出不同工況下用戶的使用習(xí)慣整合出如表1的優(yōu)先關(guān)系。

本方案采用的電手柄為電壓信號輸入，電手柄的輸出的電壓大小和供電電壓成百分比關(guān)系，因此在采集輸出的電壓大小時(shí)需要同時(shí)對比當(dāng)前供電電壓，并且該手柄在同一角度對應(yīng)的輸出電壓是有2.5-3%的誤差的，所以為了保證動作的連續(xù)還需要設(shè)置一定的閾值，防止動作的不連貫。這種電手柄好處在于性能可靠，技術(shù)成熟但為了提高系統(tǒng)的安全性，防止由于線路的故障導(dǎo)致整機(jī)動作的異常，造成安全事故，需要對輸出電壓值上下邊界進(jìn)行限制。

全電控挖掘機(jī)的工作原理為控制器接收到電手柄的有效信號后，通過插值等方式計(jì)算出對應(yīng)動作的先導(dǎo)比例閥的電流，從通過控制先導(dǎo)壓力的大小來控制閥芯開口的大小，達(dá)到控制流向工作裝置的流量大小的目的。由此可見工作裝置的動作與否和動作速度的快慢在主泵輸出流量一定的情況下由先導(dǎo)電磁比例閥的電流大小來決定，電流越大，比例閥產(chǎn)生的先導(dǎo)壓力越大，閥芯開口越大，流量越大，動作速度越快，反之則速度越慢，因此動作的優(yōu)先關(guān)系可以通過限制對應(yīng)動作的比例閥電流的大小來實(shí)現(xiàn)。本方案選擇的電磁比例閥的特性如下，死區(qū)電流約為 150mA，有效電流區(qū)間在 325-750mA 之間，整個(gè)電流有效區(qū)的特性基本上是線性的，這樣的好處在于整個(gè)動作的可控性強(qiáng)，操作舒適。

通過以上分析，得出個(gè)性化操作的控制方案，如下： 控制器采集儀表的信號，得出用戶想要的對應(yīng)的動作的優(yōu)先度，根據(jù)優(yōu)先度插值得出對應(yīng)比例閥的電流限制值;與此同時(shí)，控制器采集手柄信號，通過濾波、閾值和幅值比較、線性插值方式等一系列的判斷和運(yùn)算得出當(dāng)前的用戶的操作，根據(jù)當(dāng)前操作通過一系列運(yùn)算得出在不進(jìn)行優(yōu)先控制的時(shí)候的比例閥電流值，再與當(dāng)前設(shè)定的優(yōu)先等級計(jì)算的被優(yōu)先控制的比例閥電流值進(jìn)行比較計(jì)算得出最終應(yīng)該輸出給比例閥的電流值，通過 PID 控制調(diào)節(jié)比例閥電流值來控制比例閥的出口壓力，從而控制主控閥的流量，達(dá)到限制對應(yīng)動作速度的目的。

3 ?電手柄信號的采集

由以上控制方案和電手柄特性分析可知，電手柄信號的采集與分析是整個(gè)控制策略實(shí)施的前提和基礎(chǔ)，若手柄的電信號采集出現(xiàn)偏差，不僅會影響該控制方案，也有可能會造成動作誤判，造成危害。所以必須采用濾波的措施對噪聲信號進(jìn)行濾除，濾波方式主要有兩種：數(shù)字濾波和模擬濾波兩種，數(shù)字濾波是用軟件算法實(shí)現(xiàn)的，不需要增加硬件設(shè)備，可以根據(jù)信號的類型采用不同的濾波算法和參數(shù)，考慮到手柄的雜波主要由整機(jī)振動和人手的不自覺的抖動引起的，具有一定的周期性和偶然性，所以本文針對性的采用以下兩種數(shù)字濾波方法。

3.1 滑動平均濾波 ? 滑動平均濾波的樣本數(shù)是隨著采樣的過程在時(shí)刻變化的，采用先進(jìn)先出的原則，即把n個(gè)采樣數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為n，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，在計(jì)算濾波值時(shí)再把隊(duì)列中的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均得到新的濾波值[2]。

滑動平均濾波的特點(diǎn)突出，即對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，能夠有效抑制由于整機(jī)振動引起的手柄信號的變化，但是缺點(diǎn)是對于人手的不自覺的抖動引起的偶發(fā)干擾效果較差，因此需要引入另外一種數(shù)字濾波方式。

3.2 中位值濾波 ? 中位值濾波是指在某一采樣時(shí)刻 （采樣點(diǎn)）， 對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次，然后把n次采樣值按大小排隊(duì)，取中間值作為本次采樣值[2]。

中位值濾波法的主要好處在于能夠?yàn)V除偶發(fā)干擾，這對由于人手的抖動引起的手柄信號的噪聲干擾效果明顯。

結(jié)合以上兩種濾波方式，能夠有效地抑制雜波引起的電手柄信號失真的問題，保證電手柄信號的真實(shí)、穩(wěn)定、可靠。

4 ?個(gè)性化操作功能控制策略

控制程序流程圖如圖1所示。

控制器首先采集電手柄的信號和儀表發(fā)送的個(gè)性化操作的信息，并且依據(jù)手柄的開度信息計(jì)算出所有比例閥電流I1和根據(jù)儀表發(fā)送的優(yōu)先度的信息計(jì)算出對應(yīng)被優(yōu)先動作的比例閥的最大電流Ilim;若當(dāng)前操作手操作的動作有符合控制器接收到的需要進(jìn)行優(yōu)先控制的動作時(shí)，對比I1和Ilim，當(dāng)I1<Ilim時(shí)，輸出給對應(yīng)動作的比例閥的電流I=I1，否則I=Ilim。

5 ?先導(dǎo)比例閥電流控制策略

對于先導(dǎo)比例閥的電流的控制采用斜坡+限幅增量式PID。

斜坡控制的原理實(shí)際上就是取得理論計(jì)算的目標(biāo)電流It后，對比前一次輸出的電流Ip，并且設(shè)定上升步長k1和下降步長k2。當(dāng)It>Ip+k1時(shí)，實(shí)際目標(biāo)電流I=Ip+k1，否則I=It;當(dāng)It>Ip-k2時(shí)，實(shí)際目標(biāo)電流I=It，否則I=Ip+k2，本系統(tǒng)中k1=4，k2=7。這樣做的目的是防止動作突變時(shí)，計(jì)算得到的目標(biāo)電流突變過大，造成調(diào)節(jié)時(shí)間過長，動作沖擊、延遲等現(xiàn)象，同時(shí)加上也有助于動作的轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)。

增量式 PID 結(jié)合限幅的方式對最終傳遞給比例閥的電流進(jìn)行控制，其算法如式（1）、式（2）：

式中，？駐表示增量;ek表示第k次比例閥實(shí)際目標(biāo)電流值;ek-1表示第 k-1次比例閥實(shí)際目標(biāo)電流值;ek-2表示第k-2次比例閥實(shí)際目標(biāo)電流值; Kp表示比例項(xiàng)系數(shù)，本系統(tǒng)取1.0;Ki表示積分項(xiàng)系數(shù)，本系統(tǒng)取0.4;Kd表示微分項(xiàng)系數(shù)，本系統(tǒng)取-0.7;？準(zhǔn)表示限幅量，本系統(tǒng)取50。

采用增量式 PID 控制好處在于能夠提高比例閥電流的穩(wěn)定時(shí)間，電流能夠較快速的達(dá)到想要得到的目標(biāo)電流，但是缺點(diǎn)是會使得電流上升或者下降過于快速，閥芯的開口的快速的變化，甚至調(diào)節(jié)過程中閥芯開口發(fā)生較大的變化，引起主控閥的流量產(chǎn)生急劇變化，導(dǎo)致動作的沖擊和不連貫，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，對計(jì)算得到值進(jìn)行限幅，保證輸出給比例閥的電流不至于產(chǎn)生較大的變化，始終保持在合理的區(qū)間內(nèi)。

6 ?實(shí)際控制效果分析

在實(shí)際測試時(shí)，以不同工況下要求最多的回轉(zhuǎn)+舉升動臂為例進(jìn)行說明;在整機(jī)上測試不同舉升動臂優(yōu)先度下回轉(zhuǎn)+舉升動臂時(shí)，動臂舉到最高時(shí)的時(shí)間，以時(shí)間的長短評判動臂優(yōu)先度的大小，如圖2所示。舉升動臂優(yōu)先度最低的工況整個(gè)動作耗時(shí)5.16s，時(shí)間比較久，但是回轉(zhuǎn)的速度很快，能夠滿足高臺裝車的需要;舉升動臂優(yōu)先度最高的工況動臂舉升到最高耗時(shí)3.89s，時(shí)間很短，相較于舉升動臂優(yōu)先度最低的工況，時(shí)間縮短了24.6%，但是回轉(zhuǎn)速度很慢，從實(shí)際觀察中發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)角度低于45度，滿足用戶對于底臺裝車和挖溝的需要;舉升動臂優(yōu)先度適中的動作時(shí)間為4.76s，滿足平臺裝車的需要。所以通過該方案能夠滿足不同工況下對整機(jī)操控性的要求。

7 ?結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了全電控挖掘機(jī)的個(gè)性化操作的控制方案、電手柄信號的采集、個(gè)性化操作控制策略、先導(dǎo)比例閥電流控制策略等，并且已在柳工挖掘機(jī)上進(jìn)行實(shí)車測試驗(yàn)證，經(jīng)過試驗(yàn)證明該方法能滿足不同操作習(xí)慣、不同工況下使用的操作手對于挖掘機(jī)在實(shí)際工作中的使用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：董必成（1989-），男，安徽六安人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械電子控制系統(tǒng)。