挖掘机电液控制系统进出口独立控制特性分析与实验研究

摘要

液压系统由于输出功率重量比大、响应快、控制精度高、可提供远程控制等特点，在航空航天、船舶、移动车辆、钢铁工业等领域得到了广泛应用。同时，液压系统与电子控制技术相融合，极大地推动了电液控制系统应用的快速增长。然而，液压系统是一种以高能耗换取优良操控性能的传动方式，其应用正日益受到其他传动技术（如机械传动、电气传动）的挑战。故在满足性能要求的前提下实现节能控制已成为液压领域焦点之一。
　　传统的阀控液压系统利用一个多边节流的主控制阀芯同时控制液压执行器的进出口油路，在进口节流调速的过程中，出口同时进行节流，造成了多余的出口节流损失，系统能耗大、效率低。液压执行器进、出口独立节流控制技术在完成节流调速控制的同时，还可兼顾压力控制，因此，可以消除传统阀控液压系统中重复的节流损失。
　　针对传统阀控液压系统在进出口节流控制中存在的局限性，提出了一种兼顾优良控制特性与低能耗的进出口独立控制系统解决方案，并对其中的进出口阀口开启特性、压差补偿特性、运动控制特性等关键问题进行深入研究。
　　基于传统四通阀控液压系统的阀口开启路径方式，提出了七种典型的进出口独立控制系统阀口开启路径方式，并对其静态特性进行了分析。利用状态空间方程，建立了进出口独立控制系统的动态特性仿真模型，并进行了动态特性分析，得出了进出口独立控制系统最优的阀口开启路径方式。
　　基于负载敏感系统的机液压差补偿原理，针对进出口独立控制系统的进出口开口度独立调节特性，得出了进口压差补偿方式和出口压差补偿方式。基于泵源压力的计算公式，得出了进口压差补偿系统和出口压差补偿系统最优的阀口开启路径方式。并进行了静态特性分析，得出了最优的压差补偿方式。
　　基于阀前补偿和阀后补偿原理，建立了原负载敏感系统和阀前补偿进出口独立控制系统分析模型，分别对两系统在带载提升工况下进行了分析，并对进口压差补偿进出口独立控制系统的节能特性进行了分析。
　　针对比例阀的死区、滞环特性，提出了死区滞环双向等效补偿方法，应用自适应惯性滤波器对压力信号进行了滤波，并设计了基于分区域的专家PID控制器的压差前馈—反馈复合控制策略，提升了进出口独立控制系统的线性控制特性。
　　基于所提出的进出口独立控制系统解决方案，以6T挖掘机为试验验证平台，分别对单执行器运动和多执行器复合运动进行了试验研究。理论分析与试验结果表明：进出口独立控制系统在动臂、斗杆和铲斗的单执行器运动中节能特性相比现有系统可分别提高39.5％、36.6%和32.3%；在动臂铲斗复合运动、动臂斗杆复合运动、斗杆铲斗复合运动和动臂斗杆铲斗复合运动的节能特性分别可提高20.2%、25.6%、27.8%和20.8%。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究目的和意义

1.4本文的主要研究内容

第2章 进出口独立系统阀口开启特性分析

2.1进出口独立控制系统结构组成

2.2原理简化与工况分析

2.3进出口独立控制系统静态特性分析

2.4进出口开口度关系分析

2.5进出口独立控制系统仿真分析

2.6本章小结

第3章 进出口独立系统压差补偿特性分析

3.1比例阀流量的影响参数

3.2液动力对流量特性的影响

3.3比例阀的极限功率特性

3.4极限功率的补偿措施

3.5压差补偿方式分析

3.6节能特性分析

3.7静态特性仿真分析

3.8本章小结

第4章 分布式进出口独立系统设计及分析

4.1分布式液压控制系统特性分析

4.2进出口独立负载敏感系统特性分析

4.3分布式进出口独立控制系统设计

4.4挖掘机工作机构运动仿真

4.5挖掘机工作机构液压系统仿真

4.6本章小结

第5章 挖掘机工作机构运动控制研究

5.1滞环死区双向等效补偿

5.2自适应惯性滤波器

5.3控制算法研究

5.4防吸空速度控制策略及试验

5.5主动抗饱和控制策略及试验

5.6本章小结

第6章 进出口独立控制系统试验研究

6.1电液控制系统组成

6.2单执行器运动控制节能特性分析

6.3多执行器运动控制节能特性分析

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢