工程機械數字線控轉向系統探究

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了工程機械數字線控轉向系統探究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：介紹了傳統輪式工程機械轉向控制技術的缺陷，設計了一種數字線控轉向系統并詳細分析及結構及原理，數字線控系統采用模糊PID自適應控制算法，并建立數字轉向系統數學模型。數字線控轉向系統減少了液壓沖擊及回油噪聲，降低了操作者的操作環境質量，轉向控制精度較高。

關鍵詞：數字線控轉向；自適應模糊控制；液壓系統；數字閥

目前，傳統的輪式工程機械，例如壓路機、平地機、轉載機等行走轉向都使用轉向器，轉向泵的高壓油經過轉向器進入轉向油缸來控制轉向油缸活塞的伸縮，實現裝載機鉸接點轉動，一般轉向器控制精度低，在實際操作中一部分高壓油溢流回油箱，造成了發動機能量的浪費。隨著轉向系統的更新換代又推出了一系列新的轉向技術，機械反饋隨動轉向系統、全液壓轉向系統、同軸流量放大轉向系統、負荷傳感轉向系統等，這種技術雖然在一定條件下降低了能耗，但是沒有從本質上解決問題。

1數字轉向液壓系統分析

隨著現代電子技術、計算機技術、通訊技術、人工智能技術、和傳感器技術等高新技術相結合，傳統輪式行走工程機械轉向液壓系統正向線控數字化方向發展。圖1是一種數字線控轉向系統，采用傳統方向盤，其下裝有角度傳感器，可以精確地檢測方向盤轉角，方向盤轉動時，轉向力及轉角經過減速機構傳遞后到達力反饋電機，力反饋電機的控制信號經過A/D轉換器進入控制器，控制器輸出數字信號并將數字信號傳遞給數字換向閥上的步進電機，步進電機帶動閥芯運動，實現閥口的開閉及大小控制；同時轉向泵打出的高壓油經過閥口進入轉向油缸，為保證整個液壓系統的安全，設計了溢流閥，為保證整個液壓系統的轉向壓力值且使數字方向流量閥進出口壓差為常數，保證轉向速度穩定，同時還可以減少管路壓力損失設計了定壓差閥壓力補償裝置。此時，轉向缸的伸縮完成轉向，轉向油缸活塞上的位移傳感器及油缸進出油口的壓力傳感器，實時的檢測活塞的位移及系統壓力并經過A/D轉換器后反饋給控制器，這時方向盤的輸入信號與轉向油缸的反饋信號進行比較，形成了一個閉環反饋系統，實現了轉向的精確控制。1-定量泵；2-減壓閥；3-壓力補償閥；4-數字換向閥；5-壓力傳感器；6-位移傳感器；7-轉向缸；8-轉向缸；9-方向盤；10-角度傳感器；11-減速機構；12-力反饋電機

2數字線控轉向控制系統分析

傳統的PID控制由于原理簡單，適應性強而被廣泛用于工程機械控制系統上，但是傳統的PID控制存在缺陷，控制精度低，抗干擾能力差，整定參數后系統參數是固定不變的；而在實際的工程應用中，工程設備都視為高階控制系統，系統的參數是隨著時間和周圍環境時刻變化的，被控參數存在著隨機性和偶然性。而模糊自適應PID控制在傳統PID控制上，以誤差e及誤差變化率ec作為輸入，再利用設定好的模糊規則進行分析及推理計算，比例、積分、微分三個參數會根據外界環境變化自動調整，來滿足不同狀態下的誤差e及誤差變化率ec對PID參數自整定的要求，以保證控制系統的穩定性，同時可以是系統具有良好的動、靜特性，其控制原理如圖2所示。圖2模糊自適應整定PID控制器原理圖自適應模糊控制在建模時，可利用模糊集合理論同時建立比例參數Kp、微分參數Ti、積分參數Td與誤差絕對值|e|和誤差變化量絕對值|ec|的關系：Kp=f1(|e|,|ec|)Ti=f2(|e|,|ec|)Td=f3(|e|,|ec|)根據經驗，在不同的情況下誤差絕對值|e|和誤差變化量絕對值|ec|對參數Kp、Ti、Td的自整定要求可以歸納為以下三點。1）當誤差絕對值|e|較大時，為了保證控制系統有快速跟蹤性，避免系統出現較大的超調量應，此時Kp的取值較大、Td取值較小，Ti=0。2）當誤差絕對值|e|中等大小時，保證系統有較小的超調量，Kp取值較小，Td的取值較大，Ti適中。3）當誤差絕對值|e|較小時，為保證系統良好的穩態性能，避免出現振蕩，Kp與Ti取值較大，Td值根據系統實際情況取值。根據實際經驗進行推力和判斷，建立整定的3個參數Kp、Ti、Td的模糊規則表并根據隸屬度和模糊控制模型，列出模糊矩陣表，將選定的修正參數代入下列公式計算其中，Kp′、Ti′、Td′為修正前的量，∆Kp、∆Ti、∆Td為修正的量，其工作流程如圖3所示。

3數字轉向液壓系統數學模型

在建立數字轉向液壓系統數學模型時，數字液壓閥是重點，根據經驗對一些參數進行了簡化，這對整體數學模型沒有影響。

3.1步進電機的數學模型

步進電機輸入脈沖信號，輸出轉角位移信號，力矩方程Tb=TiZ(θm-θ)式中，Tb為電機力矩，Nm；Ti為電機最大靜轉矩，Nm；Z為轉子齒數；θm為旋轉磁場角，°；θ為轉子的轉角，°。步進電機轉子動力學方程Tb=Jd2θdt2+Bdθdt其中，J為轉動慣量，kgm2；B為阻尼系數，Ns/m。步進電機凸輪機械轉換器將轉角位移轉換成直線位移xv=esinθ其中，xv為直線位移，m；e為凸輪偏心輪轉角，θ為偏心距。

3.2壓力補償閥數學模型

壓力補償閥閥芯力平衡方程Myd2xydt2+Bydxydt−kyxy0−xy+kysxypy=pyL−pyAy其中，My為閥芯質量，kg；By為阻尼系數，Ns/m；ky為彈簧剛度，N/m；xy0為彈簧初始位移，m；xy為閥芯運動位移，m；kys為液動力剛度；py為進油口壓力,Pa；pyL為控制口壓力,Pa；Ay為兩腔橫截面積，m2。流入壓力補償閥的流量等于流出的流量，則流量連續性方程qy=qy1+qy2+qyt+Vy04βedpydt其中，qy為流入壓力補償閥的流量，m3/s；qy1為左腔流出的流量，m3/s；qy2為從阻尼孔流出的流量，m3/s；qyt為從出口流出的油液流量，m3/s；Vy0為受控腔面積,m2；βe為體積彈性模量,Pa。出口流量方程qyt=CydπDyxy2pyρ=kyqxy+kycpy其中，Cyd為流量系數；kyq為流量增益；kyc為壓力-流量系數。

3.3減壓閥數學模型

減壓閥的閥芯力平衡方程Mjd2xjdt2+Bjdxyjdt−kjxj0−xj+pjtAj=pj−pjtkjs其中，Mj為減壓閥閥芯質量，kg；xj為閥芯位移，m；Bj為閥芯運動阻尼，Ns/m；kj為彈簧剛度，N/m；xj0為彈簧預壓縮量，m；pj、pjt為進、出油口壓力，Pa；Aj為出油腔受力面積，m2；kjs為液動力系數。減壓閥的流量連續性方程qj=qjt+qj1+Vj04βed(pj−pjt)dt其中，qj為流入的流量，m3/s；qjt為流出的流量，m3/s；qj1為阻尼孔流量，m3/s；Vj0為控制腔體積，m3。減壓閥出口流量方程qjt=CjdπDjxj2(pj−pjt)ρ=kjqxj+kjcpj−pjt其中，Cjd為流量系數；Dj為出油口直徑，m；kjq為壓力流量增益。

3.4數字閥主閥的數學建模

數字方向流量閥主閥芯力平衡方程Md2xdt2+Bdxdt−k(x0−x)+ksx(p−pL)=p2A2−p1A1其中，M為主閥芯質量，kg；x為主閥芯位移，m；B為主閥芯運動阻尼，Ns/m；k為主閥彈簧剛度，N/m；x0為彈簧預壓縮量，m；ks為液動力系數；p為進口壓力，Pa；pL為主閥A(B)口的壓力，Pa；p1、p2為主閥左腔和右腔壓力，Pa；A1、A2為主閥左腔和右腔橫截面積，m2。數字方向流量閥主閥流量連續性方程q=Adxdt+V04βed(p−pL)dt其中，q為流入流量，m3/s；A為主閥腔面積，m2；V0為進油腔體積，m3。流入數字方向流量閥的流量q=Cdπdx2(p−pL)ρ=kqxv+kc(p−pL)其中，kq為主閥的流量系數；kc為主閥的流量-壓力系數。對上述公式進行拉普拉斯變換后，可以推導出傳遞函數，可以對傳遞函數進行仿真分析，驗證系統動靜態特性。

4結語

數字線控轉向系統提高了輪式工程機械的轉向精度，適用于精準作業環境，同時，數字線控轉向系統提高了泵的使用效率，合理的分配發動機功率，降低了能耗，提高了輪式工程機械操縱技能；數字線控轉向系統暫用空間少，管路布置比較簡單，使整車結構更加緊湊，噪音小，優化操作環境，數字式線控轉向系統可以形成模塊化，更容易實現智能化操作、無人駕駛，未來數字線控轉向將是轉向技術主要發展趨勢之一。

作者:朱耿寅 朱濤 謝廣 姜友山 吳岳嶺 單位:山推工程機械股份有限公司