電液比例挖掘機閉環(huán)控制技術(shù)思考

曹東輝，師建鵬，石向星，王澤鋒，訚順寬

(三一重機有限公司，江蘇 蘇州 215300)

引言

隨著我國經(jīng)濟實力的提高和國家基礎(chǔ)建設(shè)需求的飛速增長，工程機械行業(yè)得到了迅速發(fā)展。液壓挖掘機作為功能典型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適應(yīng)性高的工程機械之一，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、礦山開采、國防建設(shè)、水利工程等多個領(lǐng)域。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國已成為世界上最大的挖掘機生產(chǎn)國和消費國，目前全國挖掘機保有量約150萬臺，2019年國內(nèi)挖掘機銷量超過20萬臺。

現(xiàn)有的挖掘機大多采用液控系統(tǒng)的開環(huán)控制方式，操作者通過手柄開環(huán)控制各執(zhí)行器的運行速度，通過操作者目測或經(jīng)驗實現(xiàn)閉環(huán)控制，操作難度大，作業(yè)效率低，對操作者的經(jīng)驗依賴性強。隨著施工作業(yè)質(zhì)量要求的不斷提高、人工成本的迅速上升、自動化和智能化的發(fā)展趨勢以及國家發(fā)展計劃“中國制造 2025”的鼓勵，目前的人工開環(huán)操作方式已難以滿足更多的施工作業(yè)要求和智能化的發(fā)展趨勢[1]。

實現(xiàn)挖掘機的智能化目標較為長遠，目前差距還很大，只能循序漸進。首先必須實現(xiàn)的是挖掘機工作裝置的閉環(huán)控制。由于挖掘機工況惡劣，沖擊振動大，長久以來，位移傳感器和角度傳感器的可靠性無法滿足要求，限制了挖掘機閉環(huán)控制的發(fā)展。隨著傾角傳感器性能的提高，實現(xiàn)挖掘機閉環(huán)控制成為可能，越來越多的企業(yè)和高校投入到挖掘機的閉環(huán)控制的研究中。

雖然電液比例閉環(huán)控制的理論已相當(dāng)成熟并且已經(jīng)有很多工程應(yīng)用，但卻仍未在挖掘機上得到應(yīng)用。因此，針對電液比例挖掘機閉環(huán)控制的問題，從挖掘機的工況特點及與其他行業(yè)的不同點出發(fā)，結(jié)合挖掘機電液控制系統(tǒng)的特性，深入分析挖掘機閉環(huán)控制的難點和原因，介紹目前挖掘機閉環(huán)控制相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后闡述挖掘機未來的發(fā)展趨勢。

1 挖掘機的工況特點

挖掘機作為典型的土方機械，相對于其他行業(yè)，有以下幾個顯著的特點。

1.1 工作環(huán)境惡劣，工作強度大

相對于機床、汽車等行業(yè)，挖掘機的工作環(huán)境惡劣，建筑工地、露天礦山、隧道、高溫極寒等場地，還包括一些危險環(huán)境作業(yè)，如地震、塌方、山體滑坡、化工爆炸等。挖掘機每天的工作時長一般在16 h以上，作業(yè)過程中，會產(chǎn)生大幅高頻的振動和沖擊，同時會產(chǎn)生巨大的噪聲和塵土，液壓節(jié)流也會產(chǎn)生大量的熱量，使機器溫度升高。惡劣的工作環(huán)境和超高的工作強度，對操作人員的承受能力、機器本身的穩(wěn)定性以及元器件的可靠性都提出了更高的要求。

1.2 工況復(fù)雜，精細化施工增多

挖掘機的工況較為復(fù)雜多變，負載可能為礦石、沙土、散料、凍土，作業(yè)任務(wù)包括不同回轉(zhuǎn)角度的裝車、甩方、挖溝、平地、修坡等。隨著工程作業(yè)質(zhì)量要求的不斷提高，精細化施工作業(yè)越來越多，如修建機場、高速路、水下河床整平等工程，作業(yè)面積大，要求精度高，對操作人員的經(jīng)驗和熟練度有了更高的要求。

1.3 操作難度大，對經(jīng)驗依賴性強

挖掘機具有2個雙十字操作手柄和2個可前后行走的腳踏，整機具有6個相互獨立的自由度，存在12種單動作和714種復(fù)合動作。對于平地、修坡等難度較大的工況，通常需要有豐富操作經(jīng)驗的操作手才能完成。表1所示為不同水平操作手可完成工作及培養(yǎng)時間。

表1 不同水平操作手可完成工作及所需培養(yǎng)時間

由于挖掘機特有的工況特點，使得挖掘機自動控制的需求愈加強烈，同時也使得挖掘機的閉環(huán)控制相對于其他行業(yè)具有更高的要求，更大的難度和挑戰(zhàn)。

2 挖掘機系統(tǒng)分析

2.1 挖掘機電液控制系統(tǒng)分析

挖掘機是一種典型的單動力源多執(zhí)行器控制系統(tǒng)。復(fù)合動作時，單個液壓泵需要同時給多個執(zhí)行器提供液壓油，不同執(zhí)行器之間存在復(fù)雜的流量耦合關(guān)系。復(fù)合動作時，不同執(zhí)行器的流量分配比例由各腔的壓力以及主閥的開口關(guān)系共同決定。圖1所示為挖掘機電液控制系統(tǒng)組成原理。

圖1 挖掘機電液控制系統(tǒng)組成原理

圖2所示為挖掘機復(fù)雜的流量耦合關(guān)系。對于液控多路閥，設(shè)置多個液控優(yōu)先閥，調(diào)節(jié)復(fù)合動作時兩執(zhí)行器的流量分配，以盡可能滿足典型工況時復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性。對于電液多路閥，取消了優(yōu)先閥，通過控制閥口的開度實現(xiàn)流量分配，改變1個閥芯的開度不只會改變當(dāng)前執(zhí)行器的速度，同時會影響其他執(zhí)行器的流量。因此，整個系統(tǒng)不僅僅是3個閥控液壓缸系統(tǒng)的疊加，而是存在復(fù)雜的流量耦合關(guān)系。

圖2 挖掘機復(fù)雜的流量耦合關(guān)系

2.2 工作裝置運動學(xué)分析

挖掘機作業(yè)時，動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸和回轉(zhuǎn)馬達各自繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，挖掘機可視為四自由度串聯(lián)機器人，其位姿由各個連桿之間的角度共同決定。圖3所示為工作裝置連桿坐標系簡圖。

圖3 工作裝置連桿坐標系簡圖

鏟斗齒尖的坐標位置為O4[x4,y4,z4]，坐標系Oi[xi,yi,zi]與坐標系Oi-1[xi-1,yi-1,zi-1]的坐標變換為：

(1)

故基坐標到鏟斗齒尖的坐標轉(zhuǎn)換0T11T22T33T4為

(2)

其中

si=sinθi;sij=sin(θi+θj);sijk=sin(θi+θj+θk)

ci=cosθi;cij=cos(θi+θj);cijk=cos(θi+θj+θk)

假設(shè)坐標系O4內(nèi)鏟斗齒尖的位置坐標為[0,0,0,1]，則可得到鏟斗齒尖在坐標系O0內(nèi)的坐標：

(3)

因在挖掘過程中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)保持不變，則鏟斗位姿向量為[x,y,z,φ]T，因此可得到關(guān)節(jié)空間到位姿空間的映射為：

(4)

因此，挖掘機是一個具有多執(zhí)行器動態(tài)流量耦合和多體動力學(xué)耦合和的系統(tǒng)，會在一定程度上影響各執(zhí)行器的控制性能。圖4所示為電液比例挖掘機閉環(huán)控制系統(tǒng)原理。

圖4 電液比例挖掘機閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

2.3 強非線性

目前的挖掘機廣泛采用的是成本低、可靠性高的多路比例換向閥，為了保證挖掘機在手柄微調(diào)時的精細化作業(yè)和正常操作時的快速作業(yè)，閥口通常設(shè)計為不同形式的非線性特性，且受液壓系統(tǒng)的飽和、泄漏、摩擦力、溫度變化及液動力等因素的影響，挖掘機電液控制系統(tǒng)具有強的非線性特性。圖5所示為川崎KMX32NA多路閥閥芯非線性開口特性,開口面積A，閥芯位移x。

圖5 川崎KMX32NA多路閥閥芯非線性開口特性

3 挖掘機閉環(huán)控制關(guān)鍵技術(shù)及難點

對于挖掘機這種強非線性、強耦合性、參數(shù)不確定、負載復(fù)雜多變的系統(tǒng)，若要實現(xiàn)電液閉環(huán)控制并將其推廣應(yīng)用，需要克服幾個關(guān)鍵技術(shù)難點。

3.1 軌跡跟蹤控制算法

目前針對挖掘機軌跡控制算法的研究，主要涉及PID算法、非線性控制算法和智能控制算法[6-11]。

1) PID算法

PID是發(fā)展最早而且應(yīng)用最廣的控制策略之一，算法簡單，易于實現(xiàn)，魯棒性好，可靠性高。在線性系統(tǒng)、參數(shù)變化小、負載干擾小的電液伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，挖掘機電液比例控制系統(tǒng)具有復(fù)雜非線性、負載干擾強烈、時變不確定性的特點，僅采用常規(guī)的PID控制算法難以達到較好的動態(tài)響應(yīng)和控制精度。

2) 非線性控制算法

非線性控制方法對于非線性、參數(shù)變化及外部不確定擾動的系統(tǒng)具有較好的控制性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)領(lǐng)域。用于機器關(guān)節(jié)運動控制較為典型的有滑?？刂评碚?，通過滑模面的定義以及滑膜控制器的設(shè)計，使得系統(tǒng)從初始狀態(tài)逐漸收斂于滑模面，并在控制項的作用下不再離開。為改善系統(tǒng)參數(shù)不確定性的影響，可結(jié)合自適應(yīng)控制算法，通過在線學(xué)習(xí)的方式更新不確定參數(shù)的估計值，不斷調(diào)整控制規(guī)律，保證系統(tǒng)的控制誤差漸進收斂。還可以結(jié)合魯棒性控制，以提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度以及存在外干擾時的魯棒性，并通過設(shè)計自適應(yīng)控制項以保證穩(wěn)態(tài)誤差漸進收斂。雖然非線性控制方法的控制效果較好，但是需要提前測定系統(tǒng)及相關(guān)原件的特性，并對無法測定的參數(shù)進行離線或在線辨識，測定時間長，耗時耗力。控制系統(tǒng)本身與控制器設(shè)計過程均較為復(fù)雜，難以滿足挖掘機控制的實時性要求，且控制系統(tǒng)可靠性無法保障，較難在實際的產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。

3) 智能控制算法

目前應(yīng)用于機器關(guān)節(jié)運動控制的智能算法主要有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。模糊控制算法的重點在于模糊系統(tǒng)的建立，可以避免推導(dǎo)和建立精確的數(shù)學(xué)模型，對于簡單的非線性電液控制系統(tǒng)，可通過模糊控制系統(tǒng)實現(xiàn)較好的結(jié)果。但是，對于挖掘機電液控制如此復(fù)雜多變的系統(tǒng)，模糊規(guī)則的建立難度非常大，很難找到可靠的建模依據(jù)并制定合理且全面的模糊規(guī)則，控制效果很難達到理想的狀態(tài)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是模擬人體神經(jīng)元的學(xué)習(xí)過程，常用于模式識別或模型預(yù)測中，可避免數(shù)學(xué)模型和控制規(guī)則的建立。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的數(shù)據(jù)進行離線或在線學(xué)習(xí)，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(xùn)練，若訓(xùn)練數(shù)據(jù)量少，則模型的準確性不足，若想提高模型準確性，必須使用大量的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，龐大的計算量又無法滿足挖掘機電液控制的實時性要求。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身具有穩(wěn)定性不足的缺點，即使訓(xùn)練的次數(shù)再多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也無法保證每次輸出指令的正確性，錯誤的指令可能導(dǎo)致事故的發(fā)生，這對于挖掘機這種容錯性特別低的系統(tǒng)而言是不可行的。

3.2 液壓元件的性能

1) 主閥的響應(yīng)性及控制精度

多路閥作為液壓挖掘機的核心控制元件，對整個機器的工作性能有著至關(guān)重要的作用。市場上現(xiàn)有的挖掘機采用的多為成本低廉的液控多路閥，響應(yīng)速度慢，控制精度低，難以滿足閉環(huán)控制時的響應(yīng)要求。在一些研究中，通過對控制算法的研究，得到了較好的軌跡跟蹤結(jié)果，但試驗時多采用響應(yīng)速度快，控制精度高的比例閥或伺服閥，這種閥的成本較高，在工程實際中難以得到廣泛的應(yīng)用。表2所示為不同控制閥的特性及成本對比。

表2 不同控制閥的特性及成本對比

如何解決主閥的響應(yīng)性和成本之間的矛盾，是實現(xiàn)挖掘機閉環(huán)控制并推廣應(yīng)用的難點之一。一方面，可以通過改善閥的結(jié)構(gòu)或研究控制算法等方式，提高多路閥的響應(yīng)性和控制精度；另一方面可以研究如何降低比例閥或伺服閥的成本，達到可以工程應(yīng)用的程度。

2) 先導(dǎo)減壓閥的滯環(huán)特性

挖掘機現(xiàn)有的先導(dǎo)減壓閥存在較明顯的滯環(huán)特性，造成滯環(huán)的主要因素是閥芯在運動過程中，閥芯與閥體間摩擦方向變化，而使得作用在閥芯上的合力發(fā)生變化產(chǎn)生。圖6所示為先導(dǎo)減壓閥的滯環(huán)特性,輸入電壓Ui，輸出壓力po。

圖6 先導(dǎo)減壓閥滯環(huán)特性

先導(dǎo)減壓閥作為信號的輸入級，滯環(huán)所帶來的影響會在控制元件和執(zhí)行元件被放大，增加了系統(tǒng)的非線性特性，降低系統(tǒng)操作穩(wěn)定性和重復(fù)性，使得閉環(huán)控制特性和精度受到影響。因此，若要實現(xiàn)電液比例挖掘機閉環(huán)控制，必須采用有效的方法減弱減壓閥的滯環(huán)特性，或開發(fā)相應(yīng)的補償控制算法補償滯環(huán)所帶來的影響。

3.3 負載特性的影響

挖掘機進行挖掘時，可分為鏟斗挖掘、斗桿挖掘和復(fù)合挖掘，無論哪種工況，鏟斗都會受到復(fù)雜且時變的挖掘阻力，并且挖掘阻力因土壤類型、地形、溫度、挖掘姿態(tài)等有較大的差異[12]。挖掘機的外載荷是一種典型的隨機載荷，但也具備一定的分布規(guī)律，可通過統(tǒng)計計數(shù)的方法，統(tǒng)計分析后得到載荷大小與頻數(shù)之間關(guān)系的載荷譜。但載荷譜的獲取需要極大的統(tǒng)計數(shù)據(jù)量，耗費巨大的時間、人力和物力，難度較大。目前的研究中，大多采用空載工況或者理想負載工況開展研究，由于負載特性對控制特性的干擾和影響作用很大，故難以充分驗證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗負載干擾性能，需研發(fā)相應(yīng)的控制算法對負載進行自適應(yīng)或者減小負載的影響。

4 相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外的卡特、小松公司，國內(nèi)的三一重機、徐工、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、太原理工大學(xué)等均對挖掘機的閉環(huán)控制開展研究。

浙江大學(xué)設(shè)計了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的挖掘機器人電液伺服控制系統(tǒng)，并制定了抗流量飽和控制策略，通過仿真和試驗的方式對不同控制策略的軌跡跟蹤結(jié)果進行了研究[13]。圖7所示為抗流量飽和流量匹配控制框圖。

圖7 抗流量飽和流量匹配控制框圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用模糊PID和模糊自適應(yīng)控制策略，如圖8所示，在模擬負載的環(huán)境下，通過仿真和試驗對挖掘機工作裝置運動軌跡的控制方法進行研究[14]。

圖8 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

中南大學(xué)運用多種尋優(yōu)算法對設(shè)定的挖掘任務(wù)依次進行任務(wù)分解、路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃，生成工作裝置各關(guān)節(jié)運動所對應(yīng)的軌跡序列。并運用多變量PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(MPIDNN)解耦控制算法較好的解決了挖掘機液壓系統(tǒng)中存在的非線性和強耦合問題，實現(xiàn)了自主挖掘軌跡的跟蹤控制[15]。圖9所示為基于多變量PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主挖掘控制系統(tǒng)。

圖9 基于多變量PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主挖掘控制系統(tǒng)

太原理工大學(xué)基于負載口獨立控制系統(tǒng)，采用泵閥協(xié)同與速度位置復(fù)合控制策略，通過仿真設(shè)計控制器參數(shù)，控制工作裝置和回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)軌跡跟蹤控制，并在試驗樣機上進行了試驗研究[16-17]。

圖10 負載口獨立系統(tǒng)速度位置復(fù)合控制策略圖

這些高校對挖掘機閉環(huán)軌跡控制開展了相關(guān)研究并取得了一定的成果，但是以上研究大多仍處于試驗樣機階段，未能很好的解決挖掘機實際負載問題，且未研制出較為成型的產(chǎn)品。

目前，推出過成型產(chǎn)品的有國內(nèi)外的幾家大型挖掘機主機廠。

日本小松公司早在2013年德國慕尼黑展會上展示了首款智能挖掘機PC210LCi-10，以ICT中的IMC(Intelligent Machine Control)技術(shù)為核心，配備了GNSS天線，IMU+(慣性測量單元)，行程感應(yīng)缸和控制器等，GNSS用于確定機器的坐標和高程、動臂、斗桿和鏟斗液壓缸內(nèi)部的行程傳感器，用于精確測量液壓缸行程以及速度，IMU+能夠檢測挖機的姿勢，保證坡道工作更加精確。

2017年3月的美國拉斯維加斯國際工程機械展上，小松基于PC210LCi-10的技術(shù)，又開發(fā)了新一代的PC210LCi-11智能挖掘機、36 t級的PC360LCi-11和48 t 級的PC490LCi-11，走在了智能化挖掘機技術(shù)的前沿。

圖11 小松首款智能挖掘機PC210LCi-10

圖12 2017年拉展小松PC360LCi-11挖掘機

2017年北京BASIC展會，美國卡特彼勒公司推出新一代的CAT320和CAT323智能機，標配和2D坡度控制系統(tǒng)，能夠幫助操作手快速、精準地實現(xiàn)坡度作業(yè)目標，幫助引導(dǎo)整平作業(yè)，包括：深度、坡度、平距等施工指標。標準的2D坡度控制系統(tǒng)，可以根據(jù)客戶需求輕松升級為高級2D坡度控制系統(tǒng)或3D坡度控制系統(tǒng)。

圖13 卡特彼勒CAT323智能挖掘機

國內(nèi)對挖掘機閉環(huán)控制研發(fā)比較典型的是三一重機有限公司。三一重機與中航工業(yè)集團西安飛行自動控制研究所合作開發(fā)的SY365智能挖掘機，采用了飛行自控所自主研制的直接驅(qū)動閥技術(shù)(Direct Drive Valve，DDV)，實現(xiàn)閥芯位移閉環(huán)控制，大大地提高了主閥的響應(yīng)速度和控制精度，構(gòu)成挖掘機作業(yè)軌跡雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，并結(jié)合粒子群優(yōu)化算法，解決了挖掘機非線性、強耦合和遲滯等問題[18]，控制精度達到厘米級。圖14所示為基于DDV技術(shù)的挖掘機雙閉環(huán)控制原理。2018年上海Bauma展會上，該SY365智能機展示了遠程遙控、自主路徑、自主挖溝、一鍵平地等功能，獲得了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

圖14 基于DDV技術(shù)的挖掘機雙閉環(huán)控制原理

圖15 2018年上海Bauma展會三一展示SY365智能機

5 發(fā)展趨勢

總之，目前的人工開環(huán)控制方式的液壓挖掘機已無法適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展趨勢和市場的需求，實現(xiàn)挖掘機的閉環(huán)控制是必然趨勢。挖掘機的閉環(huán)控制會經(jīng)歷不同的發(fā)展階段。

(1) 人工輔助閉環(huán)控制：通過操作員設(shè)置目標軌跡，比如較為典型的平地軌跡、斜坡軌跡等，駕駛員通過操作單個手柄，控制動臂、斗桿、鏟斗同時運動，使鏟斗齒尖按照設(shè)定軌跡，達到一鍵平地、一鍵修坡的功能。目前卡特、小松、三一重機等公司都已在展會上展示其研發(fā)成果；

(2) 半自動學(xué)習(xí)閉環(huán)控制：通過不斷記錄復(fù)合動作的軌跡，如90°裝車、甩方等，結(jié)合學(xué)習(xí)算法，針對不同工況自主生成相應(yīng)的目標軌跡，駕駛員通過簡單操作，即可控制動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)裝置按照目標軌跡運行，達到一鍵裝車，一鍵甩方的功能。對于重復(fù)性高的工況，該模式可實現(xiàn)更高的工作效率和工作質(zhì)量；

(3) 完全自主閉環(huán)控制：此階段需要結(jié)合其他設(shè)備，如攝像頭、無人機等，實時監(jiān)測地形地貌及挖掘變化情況，并進行在線軌跡規(guī)劃運算，將生成的目標軌跡傳輸至挖掘機，控制挖掘機實現(xiàn)自主挖掘，達到無人化的完全自主閉環(huán)控制。

6 結(jié)論

隨著各行業(yè)自動化和智能化的不斷發(fā)展，挖掘機的智能化是必然趨勢。而實現(xiàn)挖掘機的閉環(huán)控制并推廣應(yīng)用是目前行業(yè)的難題，也是實現(xiàn)智能挖掘機的必經(jīng)之路和必要前提。一方面，需針對挖掘機強非線性、強耦合性、參數(shù)不確定、負載復(fù)雜多變等特性，加強對軌跡控制算法的研究和應(yīng)用。另一方面，需加大對主閥、先導(dǎo)閥、傳感器等核心部件的研發(fā)和投入，改善其可靠性、響應(yīng)、精度等特性，同時降低產(chǎn)品成本，才能得到更廣泛的工程應(yīng)用，為挖掘機閉環(huán)控制提供硬件基礎(chǔ)。