中国工程机械学报杂志投稿格式参考范文：电动挖掘机电液系统建模与控制技术研究

　　引言

　　传统液压挖掘机由发动机驱动定量泵或变量泵作为动力源。在作业过程中，由于负载变化大，导致发动机工作效率低、油耗大、排放增加，同时噪声污染严重。虽然相关学者在发动机与液压泵的功率匹配、混合动力能量回收、阀控系统的节能等方面进行了卓有成效的研究，但在节能要求日益提高的背景下，发动机固有的能量转化率低、噪声大、振动大、污染排放等问题依然制约着传统挖掘机的发展。

　　随着电力电子技术的发展以及矢量控制算法、直接转矩控制算法等电机控制算法的发展，异步电机、同步电机的变频调速技术也日趋成熟，在液压电梯、注塑机等多个领域广泛应用 [1-4]。综合节能、环保等要求，采用电机控制技术与液压系统结合的挖掘机电液控制系统具有重要的研究意义。

　　针对挖掘机等工程设备的电液控制问题，国内外学者也进行了诸多研究。刘伟 [5] 提出一种基于压力 / 流量的复合控制方法，应用于阀前补偿多路阀电液流量匹配控制系统。该系统融合了电反馈压力闭环控制和电液流量匹配控制系统开环控制，实现了系统流量开环控制和给定压力裕度闭环控制的切换。Wang 等 [6] 提出一种基于负载敏感结构的节能控制策略，采用可变压力控制来减少整个阀门的压力损失。Xie 等 [7] 等设计了一种新型的泵阀协同式电液伺服系统，解决了传统电液伺服系统在控制精度和系统效率方面的矛盾，并提出了相应的控制策略。师建鹏等 [8] 在泵阀复合控制和进出口独立控制原理基础上，提出了一种基于模式切换的动臂升降速度和位置复合控制策略。该策略能够根据实际工作中的目标位置和运行速度要求，设定预期速度和位移曲线，使执行器按照预期速度运行到目标位置。Wrat 等 [9] 则研究了重型土方设备中使用的线性执行机构的能量效率和位置控制。

　　电动挖掘机电液系统的匹配研究方面，Peng 等 [10] 提出了一种针对永磁同步电机的泵阀协同流量设计，但该方法基于容积独立控制原理，主要关注进出口独立控制，而目前这一技术尚未广泛应用且成本相对传统负载敏感系统较高。王浪 [11] 通过电机转速控制实现液压泵的压力和流量复合控制，采用负载变化时电机转速补偿来抵消液压泵的流量损失，并在非工作期间降低液压泵工作转速，降低能耗。王冬云 [12] 则针对三相异步电机提出了改变泵摆角以提高响应速度的复合控制方法，但用于永磁同步电机时需修改与液压系统的匹配策略。刘彬 [13] 在研究电动挖掘机动力源功率匹配时将功率分为大、中、小的分段，但其范围较宽，可以在挖掘机工况识别的基础上进一步细分工作区域，以更贴近高效区。

　　综上所述，本文首先建立包含永磁同步电机在内的电动挖掘机电液系统，并对搭配定量泵的永磁同步电机设计了基于模糊比例 - 积分 - 微分 (Proportional-Integral-Derivate,PID) 的变转速控制方法。最后，针对挖掘机典型工况进行了系统仿真并与基于定转速变量泵的液压系统进行了能耗对比分析。

　　1 电动挖掘机电液系统建模

　　1.1 定量泵挖掘机液压系统建模

　　在 AMEsim 软件搭建了配有流量敏感系统的挖掘机液压系统模型。该液压系统模型共包含 4 个执行器设备：铲斗、斗杆、动臂、回转装置，以及卸荷阀和补偿阀等元件。

　　单个执行器设备所配备的多路阀和补偿阀。通过输入特定的先导压力信号模拟驾驶员对挖掘机的操纵，补偿阀右端接入系统最大液压压力，为压差控制流量匹配提供液压系统最大压力的信号。

　　1.2 挖掘机用永磁同步电机控制系统建模

　　挖掘机液压系统匹配的永磁同步电机系统模型，其采用了以液压差为输入信号的流量匹配控制方案：将定量泵输出压力与负载敏感系统液压压力之差作为电机流量匹配控制策略的输入信号，匹配策略将在该信号的基础上实施控制方案。

　　1.3 模型关键部件参数设置

　　(1) 动力系统模型：对于 “定量泵 + 变转速电机” 的动力源系统，电机转速控制输入为液压差信号，经电液匹配控制器控制后，结合矢量控制模型控制电机转速。

　　(2) 定量泵参数：泵理论排量设定为 19 mL/r (1 mL/r=1×10⁻⁶ m³/r)，泵额定转速设定为 1500 r/min (1 r/min=π/30 rad/s)。

　　(3) 多路阀主阀参数：根据 “动臂、斗杆、铲斗、回转” 执行动作时的实测流量 - 阀芯位移数据对主阀的阀芯直径、阀芯位移、两侧压缩弹簧等参数进行了设置。其中节流槽的负搭接和通流面积、水力直径等参数通过建立 “通流面积 - 阀芯位移” 以及 “水力直径 - 阀芯位移” 的 1D 表格，作为 map 数据进行输入。

　　(4) 压力补偿阀参数：补偿阀中各阀联压力补偿阀右侧输入压力相等且为负载敏感压力。压力补偿阀的阀芯位移是动态调节的过程，其位移大小取决于输出到负载端的压力，即左侧节流槽输出压力。

　　1.4 搭配定量泵永磁同步电机的流量匹配控制算法设计

　　1.4.1 变转速电机 + 定量泵控制方案设计

　　通过闭环控制定量泵出口压力，实现控制泵出口压力与负载最大压力保持特定压差，从而实现负载敏感。通过改变压差值来实现变压差控制，提高系统的节能性和操控性。具体控制回路是采集负载最大压力值与给定的压差值相加，作为闭环控制器的输入信号。控制器调节电机目标转速，电机驱动液压泵，实际泵出口压力作为反馈量，逐渐逼近目标值。通过压力传感器将泵的出口压力和负载最大压力转化为电信号，作为闭环控制的目标量，泵出口压力作为反馈量。控制器调整后，输出转速信号，控制电机及液压泵，使泵出口压力跟随负载最大压力变化，保持目标压差值。

　　目前常用的闭环控制方法大多采用 PID 控制，其具有结构简单、稳定性好、工作可靠的优点，但参数整定繁琐，不能及时调整参数设定。因此，本文拟采用模糊 PID 控制方案，即利用模糊逻辑实时优化 PID 参数，克服传统 PID 控制中参数难以调整的问题。

　　1.4.2 模糊 PID 控制算法设计

　　算法中采用二维模糊控制结构，即输入为压力误差 e 和误差变化(dot{e})，输出设定为(K_{p})、(K_{1})、(K_{d 1})值。将输入输出变量模糊化，将其输入输出的精确值转换为对应语言变量的模糊集合，并设计对应的模糊规则。

　　1.5 联合控制模型

　　在完成液压模型调试的基础上，将电液匹配控制的模糊 PID 算法从数学模型转换成 Simulink 模型，并与 AMESim 模型进行联合仿真。在已有的模糊控制算法基础上，建立了 SimulinkCosim 模型，考虑到液压系统在多路阀全部关闭时压力变化较大，可能导致电机转速控制信号剧烈抖动。因此，在液压差输入信号后添加一个低通滤波模块，以减缓液压差在上述情况下的变化，避免对控制系统造成过大影响。

　　2 搭配定量泵永磁同步电机的液压模型测试

　　2.1 “铲斗 - 斗杆” 动作工况

　　仿真该工况模拟铲斗和斗杆双执行器动作场景。其中铲斗执行器的负载设置从 0 s 开始，0.1 s 内令负载力从 0 近似阶跃提升至 4000 N 并保持;在 2.1 s 时设置负载力 0.1 s 内从 4000 N 近似阶跃提升至 12000 N 并保持。铲斗执行器对应的先导压力设定为 0~6 s 的时间内保持阀芯开启，其余时间设定为 0，即阀芯位移为 0 。同样，斗杆执行器的负载设置从 0 开始，0.1 s 内令负载力从 0 近似阶跃提升至 20000 N 并保持不变。

　　斗杆执行器对应的先导压力设定为 0~4 s 的时间内保持阀芯开启，其余时间设定为 04748编辑分享，0.5 s 内达到约 1.7 MPa 的稳定液压值。并且在 2.1 s 负载发生阶跃突变时，铲斗执行器的液压压力也能在很短的时间内趋于稳定，且响应曲线的超调量小，抖动也很小。除此之外，可以发现在 4 s 和 6 s 处，压力曲线出现了较小的抖动，其原因在于该时间点处分别撤去了两个执行器的先导压力，即阀芯关闭，这也说明了该控制系统具有较好的稳定性。

　　斗杆执行器的压力在 1 s 内达到了约 0.9 MPa 的稳定值，虽然压力存在抖动，但其幅度大多都在 0.22 MPa 以内，且为液压负载敏感系统的压力调控所引起的抖动，与电机控制相关性较小。

　　在仿真开始后 1 s 内电机转速从 0 达到当前负载情况下的稳定转速;2.2 s 时，铲斗执行器负载发生突变，负载的突然增大导致管路内液压压力也发生突变，从而导致电机转速急剧减小，但可以观察到电机转速在 1 s 内重新达到稳定;4 s 时，斗杆先导压力降为 0，即撤去斗杆负载，这时电机转速对应降低且在 0.5 s 的时间内重新达到稳定状态;6 s 时，铲斗先导压力降为 0，即撤去了铲斗负载，此时液压系统内总负载为 0，这时电机转速在电液匹配模型的控制下变为 0，并能够保持稳定。

　　2.2 节能率对比分析

　　针对系统节能率分析的工况设置为：分别开启 3 个执行器对应的多路阀阀芯，通过设定对应的先导压力，令每个执行器分别在 0~10 s、10~20 s、20~30 s 时进行运动，且同时施加 30000 N 的负载力。特殊地，作为第 1 个启动的执行器，铲斗负载设置为：0~1 s 内施加 1000 N 的负载，再阶跃增加至 30000 N，目的是增加系统初始稳定性。

　　(1)变转速定量泵仿真工况。

　　通过计算可知在整个仿真过程中，电池电量减少 0.083%。

　　(2)定转速变量泵仿真工况(对比工况)。

　　在整个仿真过程中，电池电量减少了约 0.153%。对比传统定转速变量泵液压系统，所设计的变转速定量泵液压系统在相同工况下的电量消耗为 0.083%，耗能率下降约 41.5%。

　　3 结语

　　通过建立电动挖掘机电液集成模型，探讨了变转速电机 + 定量液压泵的动力控制方案，并设计了一种基于模糊 PID 的主控电机变转速控制方法。仿真结果表明，提出的电液控制系统在维持较好的稳定性的同时，相较于传统的定转速电机 + 变量泵系统，整体能效提升了 40% 以上。这为电动挖掘机领域的电液系统优化和节能提供了一种有效的技术路径。

明巧红;王阳阳;曹晓朗,同济大学汽车学院,202405