CN112726693A - 一种装载机工作减振控制系统及模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载机工作减振控制系统及模糊控制方法，涉及装载机技术领域。所述系统包括控制单元、举升油缸和翻斗油缸，所述举升油缸和翻斗油缸上分别设有四个油口，具体为有杆腔的进、出油口及无杆腔的进、出油口，每个油口连接有用于控制杆腔进油或出油的高速开关阀，所述系统还包括加速度传感器，加速度传感器用于检测整机振动加速度的方向和大小，并将检测信号传递给控制单元形成闭环反馈，控制单元进而通过控制高速开关阀的开闭调节举升油缸伸缩，实现装载机减振。本申请采用新型的阀控缸模型，基于一个液压回路实现了多种功能，既满足了装载机常规工作的各种动作，又实现了在走车遇到颠簸时的快速减振，节能性好，噪音低，效率高。

Description

一种装载机工作减振控制系统及模糊控制方法

技术领域

本发明实施例涉及装载机技术领域，具体来说涉及一种装载机工作减振控制系统及模糊控制方法。

背景技术

装载机是一种广泛应用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，其主要用于铲装及转运土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。装载机由于具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，也是国防工程、矿山建设、城乡道路等建筑施工和水利建设等不可缺少的机械设备。随着我国国际化合作建设事业的突飞猛进，以及海外工程机械制造竞争压力的增大，对工程机械的技术水平也提出了更高的要求，传统液力型装载机正在向高效、智能化方向发展。目前的装载机工作液压系统，主要采用阀控缸方式，液压泵打出的高压油经过多路阀后分别进入举升油缸及翻斗油缸的有杆腔和无杆腔，进而实现装载动作。

由于装载机主要用于完成砂石等土方散料的转运装卸工作，在实际使用中其作业环境相对较差，行走路面颠婆不平，而传动的装载机在工作时，铲斗内装满散料，在转运和装载过程中遇到高低不平的颠婆路面时会出现振动，极易导致装载的散料散落。此外，目前的装载机多采用传统的阀控缸模式，虽然传统的阀控形式结构简单、成本低，但是能耗特别大，存在严重的节流损失。

发明内容

本发明实施例提供了一种装载机工作减振控制系统及模糊控制方法，采用新型的阀控缸形式，利用高速开关阀的高频动态响应特性，并基于智能控制方法，在满足装载机正常工作模式的同时，又实现了在颠簸时的快速智能减振。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

本发明一方面提供了一种装载机工作减振控制系统，所述系统包括控制单元、举升油缸和翻斗油缸，举升油缸和翻斗油缸上分别设有四个油口，具体为有杆腔的进、出油口及无杆腔的进、出油口，每个油口单独连接有一个高速开关阀，用于有杆腔和无杆腔的进出油控制。所述系统还包括加速度传感器，加速度传感器安装在整机上，用于检测整机振动加速度的方向和大小，并将检测信号传递给控制单元形成闭环反馈，控制单元进而通过智能控制方法控制高速开关阀的开闭来调节举升油缸伸缩，以此抵消或者平衡装载机行走和转载过程中的振动，实现装载机减振。

当加速度传感器检测到整机振动加速度方向为上时，控制单元将控制信号传递给高速开关阀使对应高速开关阀得电开启，高压油经过对应高速开关阀进入举升油缸的有杆腔进油，举升油缸的无杆腔油液经过对应高速开关阀回油，举升油缸的活塞回缩动臂下降，实现装载机向上振动时的减振。

当加速度传感器检测到整机振动加速度为下时，控制单元将控制信号传递给高速开关阀使对应高速开关阀得电开启，高压油经过对应高速开关阀进入举升油缸的无杆腔进油，举升油缸的有杆腔油液经过对应高速开关阀回油，举升油缸的活塞伸出动臂上升，实现装载机向下振动时的减振。

基于上述系统，进一步的，所述举升油缸的有杆腔和无杆腔之间设置有中间高速开关阀，在正常工作时其为闭合状态，当中间高速开关阀接通时，举升油缸的有杆腔和无杆腔接通且与油箱连通，实现装载机浮动。

进一步的，所述举升油缸上还安装有位移传感器，位移传感器用于检测举升油缸的活塞伸缩量，并将检测信号传递给控制单元形成闭环反馈，控制单元进而通过控制高速开关阀的开闭调节举升油缸伸缩，实现两个举升油缸伸缩同步控制。

当装载机翻斗时，高压油经过对应高速开关阀进入翻斗油缸的无杆腔进油，翻斗油缸的有杆腔油液经过对应高速开关阀回油，实现翻斗动作；当装载机收斗时，高压油经过对应高速开关阀进入翻斗油缸的有杆腔进油，翻斗油缸的无杆腔油液经过对应高速开关阀回油，实现收斗动作。

进一步的，如上所述的装载机工作减振控制系统，所述控制单元包括：

模式选择器：用于选择控制系统的控制模式；

同步缸控制模块：用于接收位移传感器传递的举升油缸活塞位移信号，并通过控制高速开关阀的开闭调节两个举升油缸同步伸缩，实现举升同步控制；

常规控制模块：用于装载机在常规路面行驶时控制系统的控制模式；

智能减振控制模块：用于接收加速度传感器传递的整机振动加速信号，并通过控制高速开关阀的开闭调节举升油缸向加速方向的反方向伸缩，实现减振控制。

本发明另一方面提供一种装载机工作减振模糊控制方法，应用于如上所述的装载机工作减振控制系统，所述方法包括以下步骤：

设置模糊反馈控制器及自学习的前馈单元；

在模糊反馈控制器的输入端设置用于消除扰动影响的积分单元，且当模糊控制器的干扰输入值接近干扰范围值时积分单元被激活；

在前馈单元的输出端设置用于高速开关阀动作参考的参考模型单元，输入信号进入前馈单元后其中一路进入参考模型单元，并经参考模型单元运算后输出位移信号；

设置基于参考模型单元的学习算法单元，参考模型单元输出的位移信号与被控系统的反馈信号进行比较后进入学习算法单元，并经学习算法单元运算后发送至模糊反馈控制器。

进一步的，上述方法还包括下述步骤：设置产生模拟干扰信号的机制，用于模拟一个已知大小的持续干扰源并在控制中持续对控制系统起作用。

基于上述方法，进一步的，所述积分单元包括积分模式选择器和积分增益系数，积分模式选择器用于控制积分单元的激活，积分增益系数通过基于灵敏度模型的学习算法确定。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本申请实施例提供的一种装载机工作减振控制系统及方法，采用一个液压回路实现了多种功能，既满足了装载机常规工作的各种动作，又实现了在走车遇到颠簸时的快速减振。通过控制系统可进行不同功能的切换，当装载机行驶在相对较平的路面时可选择常规的控制模式，当行驶在颠簸不平的地面或者在装载场合时可选择智能减振模式，节能性好，噪音低，效率高。

2、本申请采用新型的阀控缸模型，由多个高速开关阀代替传统的电控或者液控多路阀，在省略了多路阀的基础上，通过在缸体或者阀块上集成四个高速开关阀，并通过控制高速开关阀的启闭实现油缸动作，无论是有杆腔还是无杆腔，只要开关阀保证一开一闭即可实现油缸腔体的进油与回油。基于高速开关阀高频动态响应的特性，控制脉冲的频率就可实现油缸连续进油和不间断的点送式供油，解决了传统阀控缸能耗大、节流损失大及发热严重的问题。

3、本申请的减振控制系统设置有加速度传感器，通过加速度传感器监测颠簸路段的上下加速度值，时刻检测整机的振动情况，并将加速信号传递给控制单元形成闭环反馈，控制单元根据实际的振动振幅及频率，通过合理的控制高速开关阀开闭来调节举升油缸伸缩，以此实现动臂的上下运动，进而用动臂上下运动去平衡和抵消因路面颠簸带来的振动，实现装载机的快速减振。

4、本申请的液压系统，在举升油缸的有杆腔和无杆腔之间设置有中间高速开关阀，当中间高速开关阀接通时，举升油缸的有杆腔和无杆腔接通且与油箱连通，实现装载机的浮动功能。举升油缸上还安装有位移传感器，控制单元中写入有同步缸控制程序，位移传感器将举升油缸的活塞伸缩量信号传递给控制单元形成闭环反馈，控制单元通过智能控制方法控制高速开关阀的开闭调节举升油缸伸缩，实现两个举升油缸伸缩一致。

5、本申请实施例的模糊控制方法，在模糊反馈控制器的基础上设置有前馈单元、参考模型单元和基于参考模型单元的学习算法单元，确保了对参考模型有很好的跟踪。此外为了避免控制系统受非线性扰动的影响，还设置有积分单元，积分单元只有模糊控制器的干扰输入值非常接近干扰范围值时才会被激活，保证了整个系统的稳定性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请实施例提供的一种装载机工作减振控制系统工作原理图；

图2为本申请实施例提供的新型阀控缸模式结构原理图；

图3为本申请实施例提供的一种装载机工作减振控制系统结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种装载机工作减振模糊控制方法控制原理图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例提供的一种装载机工作减振控制系统工作原理图。

参照图1，本实施例的装载机工作减振控制系统，包括控制单元、高速开关阀、举升油缸Ⅰ、举升油缸Ⅱ和翻斗油缸Ⅲ，所述控制单元包括模式选择器、同步缸控制模块、常规控制模块和智能减振控制模块。

具体的，本控制系统采用新型的阀控缸模式，如图2所示，液压缸由四个高速开关阀控制，其中，有杆腔的进、出油口分别由两个高速开关阀控制，无杆腔的进、出油口分别由两个高速开关阀控制。在控制程序上，杆腔的高速开关阀为一闭一开控制形式且无杆腔和有杆腔的进出油分开控制。如图2中所示，泵打出的高压油分别进入有杆腔的高速开关阀D和无杆腔的高速开关阀B，当高速开关阀A、B、C、D电磁铁同时不得电时，有杆腔和无杆腔没有油液进入和流出，这时泵的高压油经过溢流阀溢流回油箱。当需要液压缸的活塞伸出时，YI2和Y31得电，Y11和Y32不得电，此时高压油进入油缸的无杆腔，当需要液压缸的活塞回缩时，Y11和Y32得电，YI2和Y31不得电。

图3为本申请实施例提供的一种装载机工作减振控制系统结构示意图。如图3中所示，定量泵随发动机转动，高压油分为三路，一路进入举升油缸Ⅰ高压回路上的高速开关阀A和B，一路进入举升油缸Ⅱ高压回路上的高速开关阀F和G，一路进入翻斗油缸Ⅲ高压回路上的高速开关阀K和L。为了简化回路连接，在本示意图中，举升油缸的Ⅰ回油的高速开关阀C和D，举升油缸Ⅱ回油的高速开关阀H和I，翻斗油缸Ⅲ回油的高速开关阀K和L，三路汇集成一路后回油箱。此外，在举升油缸Ⅰ的有杆腔和无杆腔之间连接有中间高速开关阀E，在举升油缸Ⅱ的有杆腔和无杆腔之间连接有中间高速开关阀J，在泵的高压口上连接有电磁溢流阀。当所有高速开关阀都闭合时，或者装载机不动作的时候，高压油经过溢流阀回油箱，同时也起到对液压系统的保护作用。

具体来说，当接收到举升指令时，此时高速开关阀Y32，Y11，Y21，Y42得电，高压油经过高速开关阀B和高速开关阀F进入举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的无杆腔进油；举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的有杆腔油液经过高速开关阀C和I回油，这时举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的活塞伸出，实现动臂快速举升。当接收到下降指令时，此时高速开关阀Y31，Y12，Y22，Y41得电，高压油经过高速开关阀A和高速开关阀G进入举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的有杆腔进油，举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的无杆腔油液经过高速开关阀D和H回油，这时举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的活塞回缩，实现动臂快速下降。

举升油缸Ⅰ的有杆腔和无杆腔之间连接有中间高速开关阀E，举升油缸Ⅱ的有杆腔和无杆腔之间连接有中间高速开关阀J。当接收到浮动指令时，Y11，Y12，Y21，Y22不得电，Y31，Y32，Y41，Y42得电，同时Y7，Y8得电，这时不在给举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的有杆腔或者无杆腔进高压油，有杆腔和无杆腔接通并且都连通油箱，此时动臂或者铲斗会根据实际路面情况或者散料堆积形式实现上下浮动。

当接收到翻斗指令时，Y51，Y62得电，这时高压油经过高速开关阀K进入翻斗油缸Ⅲ的无杆腔，当接收到收斗指令时，Y52，Y61得电，这时高压油经过高速开关阀L进入翻斗油缸Ⅲ的有杆腔，控制方式同举升缸控制一致。

进一步的，所述控制系统还包括有加速度传感器，加速度传感器安装在整机上。当装载机在转载或者颠簸路面上行驶时，整机上的加速度传感器会检测到整机上下振动加速度的方向和大小，并把这个信号传递给控制单元。当检测到整机向上振动时，即振动加速的方向为向上，这时需要一个向下的加速度或者力去平衡抵消这个向上的加速度，这时就需要动臂微动下降。控制单元将控制信号传递给高速开关阀，此时高速开关阀Y31，Y12，Y22，Y41得电，高压油经过高速开关阀A和高速开关阀G进入举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的有杆腔进油，举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的无杆腔油液经过高速开关阀D和高速开关阀H回油，这时举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的活塞回缩，由于高速开关阀采用PWM脉宽控制，可以实现动臂快速反应，微动调节举升和下降，实现行驶和转载过程的减振。

更进一步来说，为实现两个举升油缸的同步控制，举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ分别安装有位移传感器，位移传感器用于时刻检测举升油缸Ⅰ和举升油缸Ⅱ的活塞位移伸出量，并将检测信号传递给控制单元，控制单元通过控制高速开关阀的开闭调节举升油缸伸缩，实现两个举升油缸伸缩一致。

如图1中所示，控制单元包括四个模块，具体来说，模式选择器用于选择控制系统的控制模式；同步缸控制模块用于接收位移传感器传递的举升油缸活塞位移信号，并通过控制高速开关阀的开闭调节两个举升油缸同步伸缩，实现举升同步控制；常规控制模块用于装载机在常规路面行驶时控制系统的控制模式；智能减振控制模块用于接收加速度传感器传递的整机振动加速信号，并通过控制高速开关阀的开闭调节举升油缸向加速方向的反方向伸缩，实现减振控制。

图4示出了本发明实施例提供的一种装载机工作减振模糊控制方法控制原理图。

参照图4，本实施例的方法应用于上述实施例中所述的装载机工作减振控制系统，所述方法包括如下步骤：首先设置模糊反馈控制器及自学习的前馈单元；然后在前馈单元的输出端设置用于高速开关阀动作参考的参考模型单元，输入信号进入前馈单元后其中一路进入参考模型单元，并经参考模型单元运算后输出位移信号Y_m；接下来设置基于参考模型单元的学习算法单元，参考模型单元输出的位移信号Y_m与被控系统的反馈信号Ys进行比较后进入学习算法单元，并经学习算法单元运算后发送至模糊反馈控制器。在上述步骤中，虽然模糊反馈控制器及前馈单元确保了对参考模型有很好的跟踪，但是不能补偿由于整个自组织过程没有出现外部扰动引起的稳态误差。进一步的，为了确保系统稳定精度，在模糊反馈控制器的输入端设置用于消除扰动影响的积分单元，且当模糊控制器的干扰输入值接近干扰范围值时积分单元被激活。积分单元包括积分模式选择器和积分增益系数K_i，积分模式选择器用于控制积分单元的激活，积分增益系数Ki通过基于灵敏度模型的学习算法确定。进一步的，在控制系统中设置产生模拟干扰信号I_d的机制，用于模拟一个已知大小的持续干扰源并在控制中持续对控制系统起作用，通过这样的过程参考输入I_(k)将保持为常值，且I_(k)的激发取决于在系统参数的状态。

在上述控制方法中，学习算法根据工况自动生成和提取、在线修改所需控制的规则，其模糊规则与隶属函数分别由整数编码遗传算法与混沌优化算法等在线学习生成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下所作的任何修改、改进和等同替换等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种装载机工作减振控制系统，其特征在于，包括控制单元、举升油缸和翻斗油缸，所述举升油缸和翻斗油缸上分别设有四个油口，具体为有杆腔的进、出油口及无杆腔的进、出油口，每个油口连接有用于控制杆腔进油或出油的高速开关阀，所述系统还包括加速度传感器，加速度传感器用于检测整机上下振动加速度的方向和大小，并将检测信号传递给控制单元形成闭环反馈，控制单元进而通过控制高速开关阀的开闭调节举升油缸伸缩，实现装载机减振。

2.根据权利要求1所述的一种装载机工作减振控制系统，其特征在于，当加速度传感器检测到整机振动加速度方向为上时，控制单元将控制信号传递给高速开关阀使对应高速开关阀得电开启，高压油经过对应高速开关阀进入举升油缸的有杆腔进油，举升油缸的无杆腔油液经过对应高速开关阀回油，举升油缸的活塞回缩动臂下降，实现装载机向上振动时的减振。

3.根据权利要求1所述的一种装载机工作减振控制系统，其特征在于，当加速度传感器检测到整机振动加速度为下时，控制单元将控制信号传递给高速开关阀使对应高速开关阀得电开启，高压油经过对应高速开关阀进入举升油缸的无杆腔进油，举升油缸的有杆腔油液经过对应高速开关阀回油，举升油缸的活塞伸出动臂上升，实现装载机向下振动时的减振。

4.根据权利要求1所述的一种装载机工作减振控制系统，其特征在于，所述举升油缸的有杆腔和无杆腔之间设置有中间高速开关阀，当中间高速开关阀接通时，举升油缸的有杆腔和无杆腔接通且与油箱连通，实现装载机浮动。

5.根据权利要求1所述的一种装载机工作减振控制系统，其特征在于，所述举升油缸上还设置有位移传感器，位移传感器用于检测举升油缸的活塞伸缩量，并将检测信号传递给控制单元形成闭环反馈，控制单元进而通过控制高速开关阀的开闭调节举升油缸伸缩，实现两个举升油缸伸缩同步。

6.根据权利要求1所述的一种装载机工作减振控制系统，其特征在于，当装载机翻斗时，高压油经过对应高速开关阀进入翻斗油缸的无杆腔进油，翻斗油缸的有杆腔油液经过对应高速开关阀回油，实现翻斗动作；当装载机收斗时，高压油经过对应高速开关阀进入翻斗油缸的有杆腔进油，翻斗油缸的无杆腔油液经过对应高速开关阀回油，实现收斗动作。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种装载机工作减振控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：

模式选择器：用于选择控制系统的控制模式；

同步缸控制模块：用于接收位移传感器传递的举升油缸活塞位移信号，并通过控制高速开关阀的开闭调节两个举升油缸同步伸缩，实现举升同步控制；

常规控制模块：用于装载机在常规路面行驶时控制系统的控制模式；

智能减振控制模块：用于接收加速度传感器传递的整机振动加速信号，并通过控制对应高速开关阀的开闭调节举升油缸向加速方向的反方向伸缩，实现减振控制。

8.一种装载机工作减振模糊控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的装载机工作减振控制系统，所述方法包括以下步骤：

设置模糊反馈控制器及自学习的前馈单元；

在模糊反馈控制器的输入端设置用于消除扰动影响的积分单元，且当模糊控制器的干扰输入值接近干扰范围值时积分单元被激活；

在前馈单元的输出端设置用于高速开关阀动作参考的参考模型单元，输入信号进入前馈单元后其中一路进入参考模型单元，并经参考模型单元运算后输出位移信号；

设置基于参考模型单元的学习算法单元，参考模型单元输出的位移信号与被控系统的反馈信号进行比较后进入学习算法单元，并经学习算法单元运算后发送至模糊反馈控制器。

9.根据权利要求8所述的一种装载机工作减振模糊控制方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：设置产生模拟干扰信号的机制，用于模拟一个已知大小的持续干扰源并在控制中持续对控制系统起作用。

10.根据权利要求9所述的一种装载机工作减振模糊控制方法，其特征在于，所述积分单元包括积分模式选择器和积分增益系数，积分模式选择器用于控制积分单元的激活，积分增益系数通过基于灵敏度模型的学习算法确定。

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