基于高效节能的大功率液压机械传动系统控制研究
基于高效节能的大功率液压机械传动系统控制研究
刘明生 向大学 蒲珊珊
（内江职业技术学院，四川内江，641100）
摘要：为了改善大功率液压机械传动系统作业节能控制水平，本文针对以往研究存在的不足，引入单神经元架构，提出一种高效节能的控制装置研究。该装置通过控制系统发动机转速，利用欧式范数逼近法调整输入样本权值，以此达到能耗控制最大限度。通过实验测试，验证了本节能方法具有较强的节能功效，可以作为液压机械传动系统节能控制工具。
关键词：节能控制；传动系统；液压机械
液压机械传动系统作业功率较高，耗能较大，作为液压挖掘机的重要组成部分，在很大程度上决定了挖掘机能耗量[1]。因此，控制该系统作业能耗是改善液压挖掘机作业性能的重要研究内容。以往关于此方面的研究，采用非电控节能装置，通过调控液压阀，实现泵变量摆角的有效控制，以此达到节能目的[2-3]。除此之外，还有部分节能控制装置利用转速传感器采集系统作业状态，根据监测结果下达系统节能控制命令[4]。虽然这些方法起到了一定节能作用，但是功效显著性不高，并且可能致使系统发动机停转。本文尝试引入单神经元，设计智能节能控制装置。
一、基于动力学分析的大功率液压机械传动系统作业原理
大功率液压机械传动系统，按照工作状态不同，可以分为回流作业、分流作业两种状态，本文以分流作业状态为例，介绍系统作业原理[5]。如图1所示为系统作业原理图。
图1系统作业原理图
本系统主要由变排量液压元件P、排量液压元件M组成，根据太阳轮角速度和负载角速度，驱动液压元件的同时，通过汇流，输出传递函数。
对于元件M的控制：
（1）
公式（1）中，代表元件M对应的转动惯量；代表元件M单位弧度排量；代表元件M黏性阻尼系数；代表位于主油路的高压管油压；代表位于M轴受力距，此力矩产生时刻为元件M处于太阳轮时刻。
对于元件P的控制：
（2）
（3）
（4）
公式（2）、公式（3）、公式（4）中，代表元件P压力输出值；代表元件P的溶液；代表元件P油液流量吸入值；代表元件P油液流量输出值；代表元件P泄漏液阻；C代表高压油路液容；代表位于主路的高压侧油液对应的液感。
上述两种元件的作业依靠太阳轮角速度和负载角速度的驱动，剩余能量将通过汇流，输出传递函数[6]。利用此函数，挖掘液压传动系统作业能耗高的主要原因，从而确定节能控制研究切入点。其中，汇流如下：
（5）
（6）
公式（5）和公式（6）中，代表太阳轮运动期间产生的摩擦系数；代表太阳轮运动角速度；代表负载力矩；代表齿圈力矩；代表齿圈运行期间产生的摩擦系数；代表负载转动惯量；代表太阳轮转动惯量；代表负载转动惯量。
假设负载转速记为，外界负载输出记为，则系统作业输出的传递函数如下：
（7）
公式（7）中，；；；代表系统固有频率；代表阻尼系数；代表控制量，；代表摩擦系数总量，。
从输出函数来看，输出转速与外界负载变化方向不同两者的方向刚好相反。所以，系统发动机转速未发生变化情况下，如果外界负载遭受某因素影响发生变化，那么系数作业期间输出的转速就会产生较大幅度的变化[7]。在此情况下，系统作业耗油量会明显增加。为了有效控制系统作业耗油量，达到节能的目的，本研究以发动机转速控制作为节能控制优化研究切入点。
二、系统高效节能控制
本系统建立在PID控制基础上开发而成，利用单神经元构建具有节能功效的节能控制装置，利用此装置控制传动系统，从而达到能源消耗的目的。
1、PID控制器
目前开发的液压传动系统，根据不同工况下达发送机作业命令，避免资源浪费[8]。这种控制方式比较复杂，并且工况的判断精准度不是很高，以操作人员的操作经验为依据，采用人工控制方式下达系统作业命令。由于液压传统系统作业工况比较复杂，很难准确判断功耗需求，所以节能效果一般。本研究在以往研究基础上，利用转速感应控制技术，利用转速感应装置采集机械传动作业状态，令发送机泵功率与系统作业需求得以匹配，从而达到节能目的。其中，节能控制器的核心结构为PID控制器，如图2所示为基于单神经元的系统节能PID控制器。
图2基于单神经元的系统节能PID控制器
本设计方案利用欧式范数逼近法调整输入样本权值，从而避免奇异样本输入神经网络中。通过调整权值，使得所有输入样本影响程度能够达到均衡状态。采用上述方法处理后的神经元特性有所变化，可以用以下公式描述：
（8）
（9）
公式中，代表能耗控制最大限度，与泵最大排量相符。从公式描述情况来看，系数K的取值，对控制效果影响较大。当K数值过小时，系统作业期间的收敛速度就会有所下降，导致控制效果不佳。
2、基于控制器学习算法的节能控制
为了充分发挥PID控制器的作用，本研究引入学习算法，对控制器作业控制描述进行优化：
（10）
公式（10）中，代表学习速度，用来描述微分学习速度、积分学习速度、比例学习速度。本设计方案引入了欧式范数逼近方法，数值的设定可以偏大一些。为了保证学习速度设置可靠，需要根据系统作业超调量，调节数值，如果超调量过高，则适当降低数值。
将上述设计的控制器运用至传动系统中，从而实现对液压系统作业节能控制。
三、实验测试分析
1、测试环境
按照系统硬件框架结构连接设备线路，采用不同方法控制机械传动系统，通过观察系统作业消耗能量情况，判断本文提出的节能控制方案可靠性。本次实验测试以当前应用比较多的PLC控制方法和PID控制方法作为对照组，以本研究提出的控制方法为实验组，展开对比测试分析。如表1所示为机械传动系统作业基本参数。
表1 机械传动系统作业基本参数
2、系统节能控制测试结果与分析
关于系统节能控制的测试，本次测试设置了3种作业模式，分别为中载功率、中载经济、轻载经济，测试系统在不同作业模式下应用产生的油耗，结果如2所示。
表2 不同节能控制方法在不同作业模式下应用油耗对比结果
表2中，3种作业模式下系统发动机转速存在较大差异，随着转速的增加，每一种方法的油耗量逐渐增加。相比之下，本文提出的节能控制方法较其它两种方法节能效果更显著一些。例如，系统处于轻载经济作业模式时，PID方法耗油量为204.52mL，PLC方法耗油量为210.53mL，而本研究方法耗油仅有172.39mL。所以，本文提出的控制方案，在节能方面体现了一定研究价值。
3、不同节能控制方法的控制性能对比测试结果与分析
为了检验本控制方法的控制性能是否较以往提出的节能控制方法有所改善，本研究以超调量、静差、控制时间作为对比指标，应用不同方法对系统作业进行节能控制，测试结果如表3所示。
表3 不同节能控制方法的控制性能对比结果
测试结果显示，仅有本研究方法的静差为0，其他两种方法均产生了偏差。另外，本研究方法超调量仅有0.7%，而此方面优势比较大的PID方法超调量也明显高于本研究方法，测试中该方法的超调量为3.6%，PLC控制方法应用产生的超调量最高，达到了9.3%。关于控制时间的测试，本研究方法较其它两种方法的控制时间明显缩短，能够有效提高系统节能控制效率。
总结
本文针对大功率液压机械传动系统节能控制展开探究，通过分析系统作业原理，挖掘系统节能控制研究切入点。以发动机转速控制作为节能控制优化研究切入点，利用单神经元构建具有节能功效的节能控制装置，以此达到系统作业节能目的。测试结果表明，本节能方法较PID方法和PLC方法的节能效果更佳，能够明显缩短节能控制时间。
参考文献
[1]郭献崇,杨彦青,崔培雪.基于PLC的挖掘机液压动力系统电控节能方案探索[J].机床与液压,2020,500(2):134-137.
[2]万子刚,张进.基于优化位姿控制的并联液压机械手跟踪控制研究[J].机床与液压, 2020,519(21):49,62-66.
[3]马骥,陶涛.切纸机高效节能液压系统设计与应用[J].机械设计与研究,2019, 182(4):113-116.
[4]谢天,谢良喜,孙欢,等.基于51单片机的液压机械臂闭环控制系统设计[J].机床与液压, 2020,48(5):6-10.
[5]郝用兴,刘倩,郭文娟,等.基于AMESim-MATLAB联合仿真的液压盾构刀盘控制策略与特性研究[J].液压与气动,2020(1):85-92.
[6]周超,程贵健,于铁男,等.压缩机节能调控系统液压参数优选与影响分析研究[J].流体机械,2019,47(12):1-7.
[7]曹付义,李豪迪,闫祥海,等.液压机械复合传动阶跃输入恒转速输出双前馈模糊PID控制[J].农业工程学报,2019,35(1):72-82.
[8]尤勇,孙冬野,刘俊龙,等.基于动态规划的液力机械自动变速传动(HMPRT)自动换档控制策略[J].机械工程学报,2019,55(8):120-131.
作者简介：
刘明生（1966-），男，重庆市江津区人，本科，教授。研究领域：液压系统设计与控制技术研究，绿色制造技术。
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