液压挖掘机负流量负荷传感控制策略

( a) 传统负流量控制 ( b ) 负流量负荷传感控制
4 结束语
在挖掘机器人上的试验表明, 提出的负流量负 荷传感控制克服了传统负流量控制的不足, 不仅具 有良好的节能性, 同时能提高系统的操纵性。这种负 流量负荷传感控制策略不仅适用于挖掘机器人, 对 所有采用六通多路阀的系统都有适用价值, 具有结 构简单、成本低、控制效果好的特点。
Abstract
T he principle and short age of a negat iv e contr ol syst em, w hich is w idely used in hy draulic excav ato r at present , w ere analyzed, and a new method called “neg ative load sensing contr ol sy st em”w as pr opo sed. T his syst em w as successf ully used in an exper im ent al ex cavat ing robot . T he principle of this m et hod is based o n t he comm on negat ive f low contro l sy st em , and its by pass pr essure of t he valv e is cont rolled according t o t he max lo ad pressure of t he cyl inders. W it h t his met ho d, t he pressur e reduct ion of valve met ering w as r educed and t he co nt rol labilit y of sy st em w as im pro ved.
810929, 1981. 3 陶永华, 伊怡欣, 葛芦生 编著. 新型 P ID 控制及其应用. 北京: 机械工业出版社, 1992. 4 高峰, 冯培恩. 试验型挖掘机器人柔性液压系统方案设计. 工程设计, 2001( 3) : 105～108
20 05年7 月
农业机械学报
第 36 卷 第 7 期
液压挖掘机负流量负荷传感控制策略*
高 峰 潘双夏
【摘要】 针对目前液压 挖掘机上常用的负 流量控制系 统的不足, 提出了 一种负流 量负荷传感 控制策略, 并应
用于一台试验型液压挖掘机器人上。控制策略的 原理是在负流量控 制的基础上, 使旁路回油设定压 力随外负载的
础上动态设定旁路回油压 力, 使 p OCOM 总 比最大负 载压力高出一个小的固定值( 例如 0. 5 M Pa) , 如
P OCOM = m ax( p 11, p 12 , p 21 , p 22 ) + 0. 5 ( 2)
式中 p 11 、p 12 、p 21 、p 22——液压缸各腔的负载压力 可以通过图 2 中的梭阀组将其中的最大压力引
将负流量负荷传感控制原理应用于挖掘机, 其 液压系统原理如图 2 所示。系统由电液比例泵、六通
图 2 负流量负荷传感控制结构图
Fig. 2 Str uct ur e of neg ativ e lo ad sensing co nt ro l sy st em 1. 动臂油缸 2. 铲斗油缸
多路阀( 用电液比例先导控制) 、梭阀组成, 采用计算
变化而变化, 在减小多路阀旁路回油节流损失的同时, 提高了系统的操纵性。应用结果表明, 效果良好。
关键词: 液压式挖掘机 负流量控制 控制方法
中图分类号: T U 621
文献标识码: A
A Sensing Control System of Negative Load
Gao Feng Pan Shuangx ia ( Zhej iang Univer si ty )
图 3 为挖掘机器人作三角形轨迹的伺服控制时 ( 循环两次) , 用来控制回转、斗杆的多路阀旁路回油 压力、泵输出压力、最大负载压力、泵排量随时间的 变化情况, 数据由控制系统计算机记录得到。图 3a 中, 为保证伺服系统进行正常的轨迹跟踪, 旁路回油 压力设定在较高的 7 M Pa, 以便能比较容易地克服 负载( 压力过低将严重影响系统响应) ; 图 3b 中, 旁
因此, 在传统的负流量控制中, 节能性与操纵性 之间的矛盾难以协调。
2 负流量负荷传感控制原理
在六通多路阀中, 负载对阀口流量特性的影响 是由系统的起始压力低于负载压力引起的。此时, 在 图 1 中的单向阀的作用下, 泵输出的液压油全部通 过旁路回油口流回油箱, 液压缸速度为零。直到阀心 移动将 O 口逐渐关闭, 系统压力升高到足以克服负 载压力后, 液压缸才开始移动。如果使系统压力始终 高于负载压力, 则系统的调速性将会有较大改善, 响 应速度加快。在负流量控制中, 泵输出压力始终高于 旁路回油压力, 因此, 旁路回油压力的改变也将引起 泵输出压力的改变。利用这种特性, 如果控制旁路回 油压力始终比负载压力高一点, 就能使泵输出压力 始终比负载压力高, 在任何情况下都能使系统保持 较好的调速性, 这就是负流量负荷传感控制原理。
都基本不变。由于旁路回油设定压力较高, 因此无论
在节流口上, 还是在通向液压缸的工作油口上, 都存 在较高的压力损失。而系统采用负流量负荷传感控
制后, 由于旁路回油压力和泵输出压力都能随外负

参考
图 4 三角形轨迹跟踪效果 F ig . 4 T racing result follow ing a t riang le shape tr ack
k
∑ qNEG ( k) = K Pe( k) + K I e( j ) + j= 0
( 1)
K D[ e( k ) - e( k - 1) ]
k- 1
∑ ( - qI ≤ e( j ) ≤ qI) j= 0
式中 p OCOM —— 旁路回油节流口处压力设定值, 是 负流量控制器的控制目标
机控制技术和数字 P ID 控制策略[ 3] , 在一台试验型 挖掘机器人[ 4] 上对这种控制策略进行了试验。其中,
梭阀组的作用是取得系统最高负载压力, 并将其送
往控制器。其中的负流量控制算法为
p O COM - p O ( k) ( e( k ) > ûEû)
e( k) =
0
( e( k ) ≤ ûEû)
p O——节流口前的旁路回油压力检测值 e —— 实 际旁 路回 油压 力与 设定 值之 间误 差
k ——采样序号 qNEG ——由负流量 P ID 控制器算出的泵排量
K P、K I 、K D —— P ID 控 制器的比 例、积分 和
微分常数
qI ——积分饱和上限
E——误差死区设定值 为实现负流量负荷传感控制, 需要在式( 1) 的基
载的变化而变化( 最大负载压力和旁路回油压力试 验曲线几乎重合) , 因此工作油口上的压 力损失较 小, 而旁路回油节流口上的压力损失也大大减小。从 图 3 中还可以看出, 负流量负荷传感系统的工作压 力比传统负流量控制系统低得多, 而且完成同样的 工作时泵排量也较小( 两图中的数据都是在泵转速 为 2 200 r / min 下测得) , 说明负流量负荷传感控制 具有更好的节能性。
1 传统负流量控制分析
传统的液压挖掘机负流量控制系统原理可简化
为图 1 所示形式, 六通多路阀可简化为 A、B、O 等 3 个联动的可变节流口。由于负流量控制在本质上是
一种恒流量控制系统, 通过在多路阀旁路回油通路 上设置流量检测元件( 如图 1 中所示的节流口) , 控 制旁路回油流量为恒定值。根据图 1, 通过节流口的 流量与节流口前的压力有关, 因此恒流量控制就可 以转化为恒压力控制, 压力检测点位于多路阀旁路 回油口 O 和流量检测节流口之间的 D 点, 即控制 D 点的压力为恒定值。
circuit w hen tr acing fo llow ing a triangle shape tr ack ( a) 传统负流量控制 ( b) 负流量负荷传感控制
路回油压力随外负载的变化而变化。从图中可以看
出, 在机器人的伺服控制中, 当采用负流量控制时,
无论外负载如何变化, 旁路回油压力和泵输出压力
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农 业 机 械 学 报
2 0 0 5 年
图 1 负流量控制原理图 F ig . 1 P rinciple of neg ativ e flo w co nt ro l
口的流量为定值, 只要调整阀心位置改变 A 口和 O 口的通流面积比, 就能实现液压缸的速度调节。
在采用六通多路阀的系统中, 阀口的流量特性 ( 即 A 口流量随阀心移动而变化的关系) 受负载影 响较大[ 2] 。如果泵在挖掘机空载条件下输出压力较 高, 则可以降低这种影响。在负流量控制中, 图 1 中 旁路回油压力( 即 D 点压力) 的大小直接影响泵输 出压力。D 点设定压力高, 则泵输出压力也高, 系统 克服外负载能力强, 系统调速性较好, 响应迅速, 司 机操作时无滞后感; 反之, 系统调速性较差, 操作时 的滞后感较强。但是, D 点压力过高会带来以下问 题: 增加了流量检测节流口上的功率损失, 而且有可 能在节流口上产生空穴现象; 当负载压力较低时, A 口上的压力损失加大, 同样引起功率损失的增加。
出。
将式( 1) 和式( 2) 结合起来, 就构成了负流量负
荷传感控制策略。由于挖掘机器人在作伺服控制时, 对系统响应速度要求较高, 而负流量负荷传感控制
恰好能满足这种要求, 而且受负载影响不大, 同时又
保持了负流量控制的节能性。
第 7 期
高峰 等: 液压挖掘机负流量负荷传感控制策略
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3 试验分析