工程机械液压系统动力匹配与其控制技术分析

李栋

(西安航空职业技术学院, 西安 710089)

0 引言

工程机械液压系统动力匹配和控制技术属于较为典型的机电一体化技术，此种技术能够实现PLC控制技术、液压系统和发送机的相互连接，使三者能够成为一个整体。在进行作业的过程中，能够为机械提供可靠且稳定的性能。对于大部分需要连续作业大型机械，此种机电一体化能够更好的帮助操作人员，有效节约操作时间，并且还能够有效降低操作过程中出现失误的机率，那么此种技术就被广泛使用到工程机械液压系统中。基于此，本文就利用此种技术的发展，对工程机械液压系统控制技术的设计进行了全面的研究。

1 工程机械液压系统动力匹配技术

1.1 定量泵

目前我国大型工程机械的发展都是通过小型的机械进行过渡的，并且小型的机械定量泵设计都是根据系统最大的工作流量及压力乘积实现计算，之后转化成为的最大输出功率小于发动机净功率。此种定量泵设计的原理能够降低功率使用系数，所以不能够有效满足大型机械工作需求。

1.2 单泵恒功率控制

单泵恒功率控制技术的主要优势就是使用两个弹簧弹力实现设计，对变量泵输出流量进行控制，在系统压力到达设置的第一个弹簧力的时候，降低变量泵排量，直到系统能够克服第二个弹簧力，以此使变量泵变量曲线为曲线变化，此种控制设计能够促使变量曲线中工作流量及压力乘积离散值和常数相互接近，从而能够充分使用发动机功率，以此保证发动机不能够因为过载熄火导致作业出现中断。

1.3 双泵及多泵恒功率控制

双泵及多泵恒功率控制系统中能够实现发动机功率的合理分配，但是此也是泵技术中的难点及核心内容。传统双泵及多泵恒功率的控制技术具有多种发展形势，包括分功率控制、总功率控制及其他控制。其一，分功率控制。在实现分功率控制的过程中，要根据其中所有泵关联操作的执行机构实际功率实现，在进行设计的过程中，要能够实现其中泵的变量机构都能够独立，从而能够有效保证每个泵都能够实现工作量的预先设置。但是因为发动机功率为恒定，所以在多泵出现不必要工作的时候，就会导致发动机功率的浪费，因为大型机械具有较大的发动机功率，那么就要禁止此种浪费情况的出现。其二，总功率控制。总功率控制和分功率控制并不相同，因为前者使用的变量机构只有一个，此种控制技术虽然能够有效满足其中泵的功率需求，但是还具有主泵输出大流量对热量转换的问题，以此导致大流量消失。其三，其他控制。在之后研发的交叉传感控制技术与负反馈交叉传感技术无法解决是否使用主泵功率或者是发动机功率，因为交叉传感技术及工程机械相互结合在我国并不成熟，就会提高此种技术的复杂程度，降低了其控制效果，并且还具有较高的成本，无法实现有效的推广。

2 工程机械原动力的工作特点

现代传统动力匹配及控制技术不管是使用哪种方式，只要是实现系统的改进，就能够提高系统能量，但是如果发动机和泵无法保持良好匹配，那么就会降低系统能量使用率及能量效率，从而无法使发动机满足系统工作需求，以此也就降低了系统的工作效率，并且能量具有较大的损耗，提高了环保节能的效果，尤其是多泵的工作。所以，就要实现全新动力匹配及控制技术的研究，使用现代最为先进的机电一体化技术，实现电气系统的设计改造。

工程机械的原动力大部分都是电机和发动机，本文重点对发动机进行讨论。泵和发动机无法实现良好匹配的主要原因包括3点：其一，一般的液压系统都是多泵同时工作，其中主要包括辅助工作及主工作，辅助工作在不断的变化，其工作速度、压力都是不断的变化。在传统设计过程中，为了使发动机不超载，就要将辅助工作功率使用值设置成为最大值。但是此种方法会使主工作功率在功率使用值中占据较多的时间并且不饱和，因为主工作回路功率使用率和系统具有密切的联系，所以其就导致了泵和发动机无法良好匹配。其二，在液压系统工作的过程中，工作压力和负载具有密切的联系，并且工程机械都是在恶劣环境中工作，所以具有较大的压力冲击和波动，以此导致系统的功率也不断的波动，动态不稳定，所以系统功率使用值就要对此不稳定的状态进行全面的考虑，以此也就导致泵和发动机无法保持良好匹配；其三，通过发动机全负载特性曲线中进行分析可以看出来，不同的油门位置中发动机调速特点也不同，包括发动机的输出扭矩，如图1所示。

图1 发动机的工作特点

在使用传统方法的过程中会根据发动机最大的输出功率实现匹配，这个时候的机器就是在极端工作情况中，以此就会导致发动机熄火，如果根据发动机工作油门较小的情况中，就会降低整车工作效率。以此就可以看出来，导致发动机和泵无法良好匹配的因素较多，就以要想实现控制系统及动力匹配的过程中，就要全面结合发动机的输出特性。

在掌握泵和发动机无法实现匹配的原因之后，就要提出相应的解决方案。在部分比较复杂的液压系统中，一般都是使用多泵朝着工作回路实现供油，在此工作回路中的辅助工作回路实际使用功率比较小，这也是系统需要的，所以就不需要控制工作回路功率使用值，所以我们要以辅助工作回路实际使用值变化对工作回路输出功率进行改变，以此实现主工作回路、辅助工作回路和发动机实际输出功率实现最佳的匹配，通过以下公式表示：

Nf(x)+Nz(y)=kN

其中Nf(x)表示x个辅助的工作回路在工作过程中所消耗的值总和；Nz(y)表示y个主工作回路可以使用的功率总和；N表示发动机的最大输出功率；k表示发动机的功率储备系数。

通过以上公式可以推导出：

Nz(y)=kN-Nf(x)

通过以上公式可以看出来，主工作回路可以使用的功率和和发动机可以使用的最大输出功率、辅助工作回路的功率消耗值具有密切的联系，在功率和出现变化的时候，就要求祝工作回路可使用的功率值出现变化，以此实现泵和发动机之间的相互匹配。对于液压系统本身结构因素导致的泵和发动机无法实现良好匹配问题就能够有效的解决，因为在确定主工作回路输出功率之后，即便是主回路工作压力或者工作流量出现变化，那么就要对恒功率控制的问题进行有效解决即可。在恒功率控制方面，已经具有多种解决方案，比如计算机控制、机械控制等。

3 液压系统的控制设计

在液压系统控制系统设计过程中，要合理选择PID控制参数，在选择PID控制参数的过程中，具有多种方法，比如临界比例度、试凑法、扩充临界比例度等。在PID参数选择过程中较为复杂，所以要经过不断调整，才能够得到满意的结果。首先，要先对比例系数Kp进行确定，之后对积分时间常数进行确定，时间常数要为当前值的150%-180%，然后实现微积分时间常数的确定，微积分时间常数为0，最后进行系统空载及带载的联调。然后，进行液压系统的控制设计。

3.1 控制系统的硬件

其一，实现控制器的设计。液压系统的控制核心就是控制器，其不仅能够实现模拟量的逻辑控制，还能够实现系统开关量的控制，比如数据的运算、处理等内容，在微处理器处理之后，实现模拟量及开关量的输出，从而控制电磁阀和电机，以此使系统中的功能能够有效实现。控制器主要包括输入/输出、CPU、电源模块，CPU能够实现系统部位状态的有效检测，实现程序的读取及逻辑控制等多种内容，存储器主要包括RAM存储器和用户存储器。输入/输入主要包括多种模块构成。控制器的结构构成，如图2所示。

图2 控制器的结构构成

其二，控制器的实现。控制器能够根据不同占空比脉宽调制信号实现处理，之后实现比例电磁铁的输出，还能够通过软件编程改变脉宽调制比例的电磁铁输出端，以此使信息能够有效满足比例阀斩波频率需求，从而实现系统控制性能和稳定性的进一步提高。并且，控制器中具有光电隔离器，能够隔离CPU输出及输入信号，以此避免其信号受到干扰。为了能够避免外围电路信号到微处理器中融入，系统也能够通过光电耦合器实现隔离。使用预处理实现模拟量输入处理，此方法能够实现模拟量输入信号的增加，以此实现模拟量输入模块的参数处理，从而有效控制模拟量。

3.2 液压系统软件的算法

本节实现系统的实验，通过PID控制算法进行实现，根据算法连续系统的控制作为基础，使其能够实现数字化，之后将其写成为离散方式方程，之后实现控制程序设计，以下为PID算法的输入及输出关系：

其中Kp属于比例系数，T1属于积分时间常数，TD属于微分时间常数，uo属于0时间的调节器输出。 比例环节的主要目的就是能够实现控制系统偏差信号的及时反映，如果在实验过程中出现问题，那么控制器就能够在短时间内迅速的反映，通过控制功能降低偏差。基于系统稳定，提高KP的值，从而降低稳态误差，以此有效提高系统控制精度。积分的主要目的就是降低静差，并且还能够有效提高系统误差度。如果T1越小，那么积分的强度就会越大，但是如果其太小，就会导致系统不稳定。

4 系统的实验

本文所研究的液压系统具有较多的参数，这些参数关系非线性的特点较为提出，从而无法通过计算方式获得，那么在系统使用之前就要进行调试。首先，为了避免超速，就要收集发动机转速、传感器信号，从而对转速具体的范围进行预先的设置，使油泵工作能够保证在一定的范围中；其次，实现发动机转速的现场收集，之后实现线性化的处理，最后将结果对存储器进行传送；之后，实现PID参数的设置，然后对最大作业的功率发动机预设值是否合理进行测试；最后，实现压力超载模式、发动机低转速时候的工作限制进行有效的测试。

以发动机油门拉杆的位置为基础实现准线性模型及仿真模型的制作，之后利用实验的数据与仿真结果数据进行对比，从而对发动机响应特性及转速预测精度进行验证，从而得到发动机模型的设计是否合理。在进行实验的过程中，首先使动臂提高到极限位置，之后将控制手柄松开，从而使系统能够保持处于空载的状态中，这个时候的泵负载为30，然后对发动机转速进行调节为2030，这个时候的泵减压阀电流为450，液压泵输出流量为30，之后将操作动臂到极限位置提高，从而得到负载扭矩。图3为发动机的转速仿真，此模型较为可靠,如图3所示。

图3 发动机的转速仿真

5 总结

液压系统技术及控制技术属于现代工程机械核心的技术，其能够有效节约能源，并且实现机械作业效率的进一步提高。现代我国的主要工作就是创新工程机械液压系统的动力匹配及控制技术瓶颈，加强企业和工程机械研究中心的相互合作，从而实现机电一体化开发及系统设计的智能化及自动化。