挖掘機液壓系統模糊控制方法的研究

　　1、液壓系統控制的基本內容

　　液壓系統是挖掘機實(shí)現各種運動(dòng)和進(jìn)行自動(dòng)控制的基礎。從某種意義上來(lái)講，液壓系統的性能決定著(zhù)挖掘機的質(zhì)量與工作效率?，F代挖掘機能夠根據工作環(huán)境和作業(yè)條件，自動(dòng)實(shí)現分功率的變量與全功率變量，以保證任何情況下發(fā)動(dòng)機均不超載，使發(fā)動(dòng)機運行平穩且功率得到充分利用；還應設置減速系統（Auto　Slow）和負控制系統（Negative Control)，以便當其工作裝置不動(dòng)作時(shí)，使發(fā)動(dòng)機油門(mén)自動(dòng)減小，并使液壓泵排量減至最小以節省能量。根據挖掘機工況變化大而快這一特點(diǎn)，為有效利用以動(dòng)機功率，且保證安全，正常作業(yè)，現代挖掘機控制系統應具有下列功能：

　?。?）速度傳感 檢查發(fā)動(dòng)機轉速是否在輸出范圍內，并控制液壓泵驅動(dòng)扭矩使二者匹配及防止發(fā)動(dòng)機熄火。

　?。?）負荷傳感 調節液壓泵排量，江中實(shí)際工作時(shí)每個(gè)執行元件對流量的需求，節省能量并獲得精確操縱機器的效果。

　?。?）流量分配控制 為實(shí)現工作裝置的聯(lián)合動(dòng)作，需對每執行元件（如斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸等）提供不同的壓力和流量。當液壓系統只有一臺主泵時(shí)，通過(guò)流量分配控制使各執行元件同時(shí)動(dòng)作，滿(mǎn)足不同作業(yè)的要求。

　?。?）工作制式選擇 滿(mǎn)足不同工作方式的需要求，負括挖掘作業(yè)、挖溝、平整和精細動(dòng)作制式。

　?。?）行走馬達控制 設置高速、中速、低速行走自動(dòng)選擇系統，實(shí)現機器行走隨外載荷變化自動(dòng)無(wú)級調速，使行走速度與操縱手柄原位置相對應。

　?。?）回轉停車(chē)制動(dòng)控制 當機器停止時(shí)，回轉停車(chē)制動(dòng)器用以防止上部結構因重力而回轉。作業(yè)時(shí)，回轉停車(chē)制動(dòng)應在操縱手柄復位幾秒鐘后才能起作用，防止上部結構回轉運動(dòng)的慢性力引起零部件的損壞。

　?。?）預熱 在液壓油溫低于某一界線(xiàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機轉速自動(dòng)增高，液壓磁流量即隨之增加，液壓系統很快被加熱。

　?。?）突發(fā)增力 對主溢流閥施以背壓，使系統溢流額定壓力上升，短時(shí)間提高作業(yè)功率。

　　以上功率的實(shí)現，多與對液壓系統的控制有關(guān)。

　　由于液壓系統的信息具有模糊性、不確定性和偶然性，分析和實(shí)踐表明，模糊控制非常適用這一類(lèi)系統控制。

　　2、液壓系統模糊控制

　　模糊控制系統的核心是模糊控制器，由模糊化、模糊推理、模糊判決（反模糊化）三部分組成，模糊控制工作原理見(jiàn)圖1，其中慮線(xiàn)部分表示模糊控制器；e、ec分別表示實(shí)測值與設定值的偏差及偏差變化率；E，EC為模糊化的偏差及偏差變化率；u表示模糊控制量，u*為標度變換前的精確量；K1、K2、K3皆為標度變換系數；r、y分別為輸入量和輸出量。

圖1 模糊控制工作原理

　　對于變負載工況的進(jìn)、回油旁路節流調速液壓系統，采用均勻分布的隸屬度函數曲線(xiàn)；控制總表生成時(shí)，首先將三個(gè)語(yǔ)言變量e、ec和u劃分為7擋，即用7個(gè)模糊子集；正大（PL），正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負?。∟S）、負中（NM）、負大（NL）表示。e、ec相應于各模糊子集的取值，即為隸屬度。它不示某一確定量對模糊子集的隸屬程度。

　　控制規則確定了輸入量e和ec與輸出量u之間的某種關(guān)系，是由“IF....THEN...”的條件語(yǔ)句來(lái)描述的：

　　IF e is A AMD (or) ec is B,THEN u is C.

　　其中A、B、C代表模糊子集，經(jīng)離線(xiàn)推理，得到模糊總控制表，如表1所示。

表1

　　3、控制系統方案設計及模糊控制的計算機仿真

　　由前所述，現化挖掘機控制系統至少應包括8個(gè)主要部分，其中某些方面需要通過(guò)液壓閥、電液閥實(shí)現，而大部功能需經(jīng)過(guò)由計算機、傳感器及控制執行元件組成各個(gè)子控制系統來(lái)完成。由于液壓泵的的恒功率控制是液壓挖掘機的重要控制內容，故本文以此為例著(zhù)重探討模糊控制邏輯及方法在該領(lǐng)域的應用問(wèn)題。

　　根據國外挖掘機發(fā)展現狀，設計出發(fā)展現狀，設計出挖掘機液壓控制系統如圖2所示。

　　假定所髟液壓油為理想液體，且伺服系統中各元件密封良好，則可得到伺服活塞位移與伺服閥控制電流原線(xiàn)性關(guān)系。亦即得到了液壓泵流量與伺服閥控制電流的線(xiàn)性關(guān)系。由此，根據前述模糊控制策略和方法，對圖2所示系統進(jìn)行的計算機仿真結果示于圖3、圖4。其中設發(fā)動(dòng)機額定功率為94kw，如圖3中直線(xiàn)所示；設定液壓泵的正常工作壓力為 16MPa，變化范圍為16－－5MPa及16－－32MPa。圖中的曲線(xiàn)為液壓泵壓力在上述變化范圍內變化時(shí)，由模糊控制策略及方法得到的發(fā)動(dòng)機功率的變化規律。圖4中的曲線(xiàn)為伺服液壓缸控制電磁閥控制電流的變化規律。

圖3 發(fā)動(dòng)機功率變化曲線(xiàn)

圖4 伺服控制電磁閥電流變化曲線(xiàn)

　　由圖3、圖4可以看出，當外載荷變化使液壓泵輸出壓力在系統溢流閥調定壓力范圍內變化時(shí)，由模糊控制可得到接近發(fā)動(dòng)機額定功率的變化規律，且最大的差值不超過(guò)5%。而一般的工程機械用發(fā)動(dòng)機的扭矩儲備系數為1.06－－1.14左右。因此，由模糊控制委動(dòng)機自身特性的結合，完全可以使發(fā)動(dòng)機穩定正常的工作。