CN114215139B - 挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统及其纠偏方法 - Google Patents

Abstract

挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统及其纠偏方法，该系统包括遥控单元、主液压泵、液压行走马达及分别与液压行走马达以及主液压泵连接的左右液压行走主阀；纠偏控制系统还包括与主液压泵连接的限流比例阀、与左右液压行走主阀连接的阀芯比例阀及分别与挖掘机遥控单元、阀芯比例阀及限流比例阀连接的纠偏控制单元；纠偏控制单元用于根据遥控单元发送的遥控信号、挖掘机的当前速度、位置以及PID算法对阀芯比例阀与限流比例阀进行调节控制，阀芯比例阀用于根据纠偏控制单元的调节控制对左右液压行走主阀进行节流调速，限流比例阀用于根据纠偏控制单元的调节控制对主液压泵进行容积调速。本发明能够解决挖掘机在遥控行走中产生偏移、倾覆现象的有效性。

Description

挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统及其纠偏方法

技术领域

本发明涉及挖掘机技术领域，特别涉及一种挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统及其纠偏方法。

背景技术

挖掘机是土石方工程的主要设备。挖掘机作业环境复杂，作业工况多变，作业形式多样。而挖掘机遥控行走时的操作安全性和稳定性又是其中的重要环节。其操作安全性在完全依赖驾驶员的经验与能力，当挖掘机在较大坡度或者在坑洼道路遥控行进时，挖掘机容易失稳，严重时会发生挖掘机倾翻的事故，原因如下：

1、挖掘机左右两路行走受限于现有加工、装配技术很难达到精确的流量一致性：各个挖掘机厂家都存在这类问题，受限于现有的加工、装配技术，很难达到左右两路行走流量的一致性，会导致行走跑偏。

2、遥控电路的左右手柄电压差异：遥控挖掘机的两个遥控手柄很难做到输出电压曲线完全一致，这样就会导致遥控接收信号的差异，最终导致行走跑偏。

3、挖掘机左右行走流量阀开口曲线差异：遥控挖掘机左右行走时流量阀开口曲线不能够完全一致，同样会导致左右行走时流量不一致，最终导致行走跑偏。

由于当前挖掘机遥控操作所用的行走控制多为开环控制，即根据手柄的开度计算出行走电磁阀电流。这样计算出来的电流值虽然可以调试出较好的线性度，但当左右行走想进行精细控制时就会存在很大问题。

发明内容

发明目的：

为了克服背景技术中指出的缺点，本发明实施例提供了一种挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统及其纠偏方法，能够有效解决上述背景技术中涉及的问题。

技术方案：

挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，包括遥控单元、主液压泵、液压行走马达以及分别与所述液压行走马达以及主液压泵连接的左右液压行走主阀；所述纠偏控制系统还包括与所述主液压泵连接的限流比例阀、与所述左右液压行走主阀连接的阀芯比例阀以及分别与所述挖掘机遥控单元、阀芯比例阀以及限流比例阀连接的纠偏控制单元；其中，所述纠偏控制单元用于根据所述遥控单元发送的遥控信号、挖掘机的当前速度、位置以及PID算法对所述阀芯比例阀与限流比例阀进行调节控制，所述阀芯比例阀用于根据所述纠偏控制单元的调节控制对所述左右液压行走主阀进行节流调速，所述限流比例阀用于根据所述纠偏控制单元的调节控制对所述主液压泵进行容积调速。

作为本发明的一种优选方式，所述遥控单元包括左右行走遥控推杆、与所述左右行走遥控推杆连接的遥控信号发射器以及分别与所述遥控信号发射器以及纠偏控制单元连接的遥控信号接收器；其中，所述遥控信号发射器用于将所述左右行走遥控推杆的动作信号通过所述遥控信号接收器发送给所述纠偏控制单元。

作为本发明的一种优选方式，所述纠偏控制单元包括速度传感器、位置传感器、驱动装置以及分别与所述速度传感器、位置传感器、驱动装置连接的控制器；其中，所述速度传感器用于检测挖掘机当前行走速度并将其传输给所述控制器，所述位置传感器用于检测挖掘机当前自身位置并将其传输给所述控制器，所述控制器用于根据所述遥控信号、挖掘机当前行走速度、自身位置以及PID算法对所述阀芯比例阀与限流比例阀进行调节控制计算，所述驱动装置用于根据所述控制器的调节控制计算结果对所述阀芯比例阀与限流比例阀执行对应的调节控制。

作为本发明的一种优选方式，提供一种挖掘机遥控行走智能纠偏控制方法，使用以上所述的挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，所述方法包括：所述纠偏控制单元获取遥控信号对应的行走期望值，其中所述行走期望值包括期望速度以及期望位置；所述纠偏控制单元获取挖掘机当前速度、位置的反馈值，或者获取阀芯比例阀与限流比例阀的反馈值；所述纠偏控制单元根据PID算法对期望值与反馈值进行比较分析，并根据比较分析结果确定出的 PID参数分别对所述阀芯比例阀与限流比例阀进行调节控制；所述阀芯比例阀根据所述纠偏控制单元的调节控制对所述左右液压行走主阀进行节流调速，所述限流比例阀根据所述纠偏控制单元的调节控制对所述主液压泵进行容积调速。

作为本发明的一种优选方式，所述方法还包括：所述纠偏控制单元将积分时间置于最大，微分时间置于最小，自动减小比例带至周期性振荡出现，随后加大微分时间，使周期性振荡停止，再减小比例带，使振荡重新出现，再加大微分时间，使振荡停止，重复上述过程至加大微分时间后振荡不再停止。

作为本发明的一种优选方式，所述方法还包括：所述纠偏控制单元增大比例带至周期性振荡停止，取积分时间为微分时间的2～5倍，如果周期性振荡出现，加大积分时间至振荡停止，并在检测到输出平稳后，确定出最终的对所述阀芯比例阀进行调节控制的 PID参数。

作为本发明的一种优选方式，PID算法中，输入电压信号至输出电压信号的传递函数为:

所述阀芯比例阀的输出位移对输入电流的传递函数为：

直动式位移至所述阀芯比例阀的传递函数:

所述PID算法的传递函数为:

。

本发明实现以下有益效果：

1.本发明通过将阀芯比例阀与限流比例阀的电流反馈信号作为纠偏的反馈信号，或者将速度传感器与位置传感器的反馈信号作为纠偏的反馈信号，并且把遥控信号对应的行走期望值与反馈信号对应的反馈值在控制器中进行比较分析，并根据比较分析结果确定出的 PID参数分别对阀芯比例阀与限流比例阀进行调节控制，进而实现阀芯比例阀根据纠偏控制单元的调节控制对左右液压行走主阀进行节流调速，以及限流比例阀根据纠偏控制单元的调节控制对主液压泵进行容积调速。

2.本发明通过对纠偏控制系统的设计与改造，可以很好的解决其在运行过程中所产生的偏移现象。经过理论传递函数的建立，及PID系数的实机调试，保证了左右行走轨迹偏移达到更高的精度，满足了初期设计要求，通过实际工程应用的效果上来看，基本上证明了本发明解决挖掘机在行走中产生偏移、倾覆现象的有效性。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例提供的挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统的结构示意图；

图2为本发明其中一个实施例提供的挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统的控制原理示意图；

图3为本发明其中一个实施例提供的针对阀芯比例阀的PID调节示意图；

图4为本发明其中一个实施例提供的挖掘机遥控行走智能纠偏控制方法的流程示意图；

图5为本发明其中一个实施例提供的Kp系数调节曲线示意图；

图6为本发明其中一个实施例提供的Ki系数调节曲线示意图；

图7为本发明其中一个实施例提供的Kd系数调节曲线示意图；

图8为本发明其中一个实施例提供的阀芯比例阀的等效电路示意图；

图9为本发明其中一个实施例提供的设定目标实际偏移量的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参考图1所示，提供一种挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，包括遥控单元1、主液压泵2、液压行走马达3、左右液压行走主阀4、限流比例阀5、阀芯比例阀6以及纠偏控制单元7；其中，纠偏控制单元7分别与遥控单元1、限流比例阀5以及阀芯比例阀6连接，限流比例阀5与主液压泵2连接，阀芯比例阀6与左右液压行走主阀4连接，左右液压行走主阀4连接与液压行走马达3连接。主液压泵2还与左右液压行走主阀4连接。

其中，主液压泵2：其作为液压挖掘机的液压总动力源，通过发动机带动主液压泵2转动，由高压液压油通过液压行走马达3、液压油缸等液压执行元件带动整车动作。

其中，左右液压行走主阀4、液压行走马达3、阀芯比例阀6：通过行走控制信号控制行走系统的对应左右行走的阀芯比例阀6，实现对左右液压行走主阀4阀芯的控制，行走系统的液压油通过左右液压行走主阀4输出后经过中央回转接头抵达挖掘机液压行走马达3，最后液压油通过回油管路经中央回转接头返回至液压油箱。

其中，本实施例中的行走控制信号是由遥控单元1发出的，也即遥控信号。

限流比例阀5：液压挖掘机上主泵控制器（俗称泵控电脑板）向限流比例阀5输出电流信号，再由限流比例阀5对先导油进行减压后输出二次油压，调节主液压泵2伺服活塞的作用力，从而改变主液压泵2的流量。限流比例阀5是挖掘机的一个重要元件。

其中，纠偏控制单元7用于根据遥控单元1发送的遥控信号、挖掘机的当前速度、位置以及PID算法对阀芯比例阀6与限流比例阀5进行调节控制，阀芯比例阀6用于根据纠偏控制单元7的调节控制对左右液压行走主阀4进行节流调速，限流比例阀5用于根据纠偏控制单元7的调节控制对主液压泵2进行容积调速。

一些实施方式中，遥控单元1由左右行走遥控推杆11、遥控信号发射器12以及遥控信号接收器13构成，左右行走遥控推杆11与遥控信号发射器12连接，遥控信号发射器12连接与遥控信号接收器13连接，具体的连接方式中，遥控信号发射器12与遥控信号接收器13之间采用无线连接，即：操作人员操作左右行走遥控推杆11时，遥控信号发射器12接收左右行走遥控推杆11输出的针对挖掘机行走控制的控制信号，并将其转化为遥控信号发送给遥控信号接收器13。

其中，遥控单元1与纠偏控制单元7的连接具体为通过遥控信号接收器13与纠偏控制单元7连接，遥控信号接收器13将接收到的遥控信号输出给纠偏控制单元7。

一些实施方式中，纠偏控制单元7由速度传感器71、位置传感器72、驱动装置73以及控制器74构成，控制器74分别与速度传感器71、位置传感器72以及驱动装置73连接。

其中，速度传感器71用于检测挖掘机当前行走速度并将其传输给控制器74，位置传感器72用于检测挖掘机当前自身位置并将其传输给控制器74，控制器74用于根据遥控信号、挖掘机当前行走速度、自身位置以及PID算法对阀芯比例阀6与限流比例阀5进行调节控制计算，驱动装置73用于根据控制器74的调节控制计算结果对阀芯比例阀6与限流比例阀5执行对应的调节控制。

一些实施方式中，参考图1~4所示，使用前述挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统时，挖掘机遥控行走智能纠偏控制方法包括以下步骤：

A、所述纠偏控制单元7获取遥控信号对应的行走期望值，其中所述行走期望值包括期望速度以及期望位置。

左右行走遥控推杆11执行的遥控动作为针对挖掘机行走的控制动作，可以理解为希望挖掘机能够达到的目标动作。

现有的挖掘机遥控行走控制中所用的控制方式多为开环控制，即根据手柄的开度计算出行走电磁阀电流，从而生成对应的控制指令一次性输出给行走系统，而行走系统并无反馈信息，这样计算出来的电流值虽然可以调试出较好的线性度，但想进行精细控制左右行走时就会存在很大问题，例如当挖掘机在较大坡度或者在坑洼道路遥控行进时，由于动力的损耗，挖掘机容易失稳。

因此，挖掘机实际的行走控制状态与左右行走遥控推杆11执行的遥控动作对应的行走控制状态是存在偏差的，故将遥控信号对应的数值作为行走期望值，其中行走期望值包括期望速度以及期望位置。

一种实施方式中，可以预先建立遥控动作（例如建立一个空间坐标系，获取手柄的开度以及该开度下手柄在空间坐标系中的坐标位置）与行走期望值（期望速度、位置）的对应关系，即不同的遥控动作对应不同的行走期望值；如此，在获取到遥控信号时能够基于预先建立的对应关系获取到与该遥控信号对应的行走期望值。

B、所述纠偏控制单元7获取挖掘机当前速度、位置的反馈值，或者获取阀芯比例阀6与限流比例阀5的反馈值。

一种实施方式中，纠偏控制单元7通过速度传感器71获取挖掘机当前速度并将其作为反馈值，通过位置传感器72获取挖掘机当前位置并将其作为反馈值，这里所描述的挖掘机当前速度、位置的反馈值是指挖掘机已经执行遥控信号并进行行走控制后的当前速度与位置。

另一种实施方式中，纠偏控制单元7获取阀芯比例阀6与限流比例阀5的电流反馈信号并将其作为反馈值；同样的，这里所描述的阀芯比例阀6与限流比例阀5的电流反馈信号是指挖掘机已经执行遥控信号并进行行走控制后阀芯比例阀6与限流比例阀5所反馈的表示当前行走控制状态的电流值。

其中，两个电磁阀（阀芯比例阀6与限流比例阀5）的电流反馈信号和两个传感器（速度传感器71与位置传感器72）的反馈信号是相互对应的，其反馈的信号即反馈值均能反映出挖掘机当前的行走控制状态，PID最终控制的是两个电磁阀以实现对左右液压行走主阀4的节流调速以及对主液压泵2的容积调速，而两个电磁阀的调节控制，势必会导致两个传感器检测出对应的数据，因此无论是两个电磁阀输出的信号作为反馈信号还是两个传感器输出的信号作为反馈信号，均能够实现挖掘机当前行走控制状态的负反馈，区别在于，两个传感器输出的反馈信号是大的闭环反馈，而两个电磁阀的控制本身也是闭环的，也是需要PID控制的，是小的闭环反馈。

C、所述纠偏控制单元7根据PID算法对期望值与反馈值进行比较分析，并根据比较分析结果确定出的 PID参数分别对所述阀芯比例阀6与限流比例阀5进行调节控制。

D、所述阀芯比例阀6根据所述纠偏控制单元7的调节控制对所述左右液压行走主阀4进行节流调速，所述限流比例阀5根据所述纠偏控制单元7的调节控制对所述主液压泵2进行容积调速。

即纠偏控制单元7将阀芯比例阀6与限流比例阀5的电流反馈信号作为纠偏的反馈信号，或者将速度传感器71与位置传感器72的反馈信号作为纠偏的反馈信号，并且把遥控信号对应的行走期望值作为设定值 V1，反馈信号作为比较值 V2 ，将V1与V2在控制器74中进行比较运算，把比较端变频器的频率调节信号作为输出，形成一个闭环控制系统，因为行走的速度缓慢，所以要求输出部分的变化趋势不可太快，以平缓为好。系统采用 PID 控制调节方式，其中比例、积分与微分参数值的设定要使频率输出的变化率平缓。

为了使整个控制系统有良好的稳态和动态特性，确定数字PID控制参数就至关重要。本实施例中的纠偏控制单元7采用自适应寻优方式，通过实际运行，观察控制系统对典型输入作用的响应曲线，根据各调节参数（K_p、K_i、K_d）对控制系统响应的影响，采用了模糊控制技术进行自适应PID调节。模糊控制基于专家知识或熟练操作者的成熟经验，并可通过学习不断更新。因而它具有智能性和自学习性，是一种人工智能调节方式。本实施例中PID参数的自整功能，模拟专家操作，自动寻优，整定出最佳参数，使之达到理想的控制效果。

采用自适应寻优方式时将PID参数之一增加或减少30～50%，如果控制效果变好，则继续增加或减少该参数，否则往反方向调整，直到效果满足要求。

一些实施方式中，参考图5~7所示，挖掘机遥控行走智能纠偏控制方法还包括：纠偏控制单元7将积分时间置于最大，微分时间置于最小，自动减小比例带至周期性振荡出现，随后加大微分时间，使周期性振荡停止，再减小比例带，使振荡重新出现，再加大微分时间，使振荡停止，重复上述过程至加大微分时间后振荡不再停止。纠偏控制单元7增大比例带至周期性振荡停止，取积分时间为微分时间的2～5倍，如果周期性振荡出现，加大积分时间至振荡停止，并在检测到输出平稳后，确定出最终的对所述阀芯比例阀6进行调节控制的PID参数。

其中，数字PID的基本算式分为位置型算式和增量型算式。本实施例中纠偏控制系统中采用自寻优调参的增量式 PID 算法，偏移量是随着时间的增加而增加的，这样可以把纠偏环节看作积分环节。其他传动系统可近似看成惯性环节，这样便可以得到整个纠偏控制系统。

参考图1~9所示，其中，经过控制器74处理的数字信号通过D/A转换成模拟电压信号后输入到比例放大器中，由比例放大器将其放大转变成电流信号并输入到比例电磁铁上，由于其转折频率比系统频宽高的多，故可近似视为比例环节。

本实施例的PID算法中，输入电压信号至输出电压信号的传递函数为:

阀芯比例阀6的输出位移对输入电流的传递函数为：

直动式位移至阀芯比例阀6的传递函数为:

PID算法的传递函数，也即整个纠偏控制系统的传递函数为:

。

通过对纠偏控制系统设计与改造，可以很好的解决其在运行过程中所产生的偏移现象。经过理论传递函数的建立，及PID参数的实机调试，保证了左右行走轨迹偏移达到更高的精度（基本能控制在5cm之内），满足了初期设计要求，通过实际工程应用的效果上来看，基本上证明了本发明解决挖掘机在行走中产生偏移、倾覆现象的有效性。

应该理解，这里描述的布置仅仅是用于示例的目的。因而，本领域技术人员将理解，其它布置和其它元素(例如，机器、接口、功能、顺序、和功能组等等)能够被取而代之地使用，并且一些元素可以根据所期望的结果而一并省略。另外，所描述的元素中的许多是可以被实现为离散的或者分布式的组件的、或者以任何适当的组合和位置来结合其它组件实施的功能实体。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，其特征在于，包括遥控单元（1）、主液压泵（2）、液压行走马达（3）以及分别与所述液压行走马达（3）以及主液压泵（2）连接的左右液压行走主阀（4）；

所述纠偏控制系统还包括与所述主液压泵（2）连接的限流比例阀（5）、与所述左右液压行走主阀（4）连接的阀芯比例阀（6）以及分别与所述遥控单元（1）、阀芯比例阀（6）以及限流比例阀（5）连接的纠偏控制单元（7）；

其中，所述纠偏控制单元（7）用于根据所述遥控单元（1）发送的遥控信号、挖掘机的当前速度、位置以及PID算法对所述阀芯比例阀（6）与限流比例阀（5）进行调节控制，所述阀芯比例阀（6）用于根据所述纠偏控制单元（7）的调节控制对所述左右液压行走主阀（4）进行节流调速，所述限流比例阀（5）用于根据所述纠偏控制单元（7）的调节控制对所述主液压泵（2）进行容积调速；

其中，所述纠偏控制系统的控制方法包括：

所述纠偏控制单元（7）获取遥控信号对应的行走期望值，其中所述行走期望值包括期望速度以及期望位置；

所述纠偏控制单元（7）获取挖掘机当前速度、位置的反馈值，或者获取阀芯比例阀（6）与限流比例阀（5）的反馈值；

所述纠偏控制单元（7）根据PID算法对期望值与反馈值进行比较分析，并根据比较分析结果确定出的 PID参数分别对所述阀芯比例阀（6）与限流比例阀（5）进行调节控制；

所述阀芯比例阀（6）根据所述纠偏控制单元（7）的调节控制对所述左右液压行走主阀（4）进行节流调速，所述限流比例阀（5）根据所述纠偏控制单元（7）的调节控制对所述主液压泵（2）进行容积调速；

其中，所述PID算法中，输入电压信号至输出电压信号的传递函数为:

所述阀芯比例阀（6）的输出位移对输入电流的传递函数为：

直动式位移至所述阀芯比例阀（6）的传递函数:

所述PID算法的传递函数为:

。

2.根据权利要求1所述的挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，其特征在于，所述遥控单元（1）包括左右行走遥控推杆（11）、与所述左右行走遥控推杆（11）连接的遥控信号发射器（12）以及分别与所述遥控信号发射器（12）以及纠偏控制单元（7）连接的遥控信号接收器（13）；

其中，所述遥控信号发射器（12）用于将所述左右行走遥控推杆（11）的动作信号通过所述遥控信号接收器（13）发送给所述纠偏控制单元（7）。

3.根据权利要求1所述的挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，其特征在于，所述纠偏控制单元（7）包括速度传感器（71）、位置传感器（72）、驱动装置（73）以及分别与所述速度传感器（71）、位置传感器（72）、驱动装置（73）连接的控制器（74）；

其中，所述速度传感器（71）用于检测挖掘机当前行走速度并将其传输给所述控制器（74），所述位置传感器（72）用于检测挖掘机当前自身位置并将其传输给所述控制器（74），所述控制器（74）用于根据所述遥控信号、挖掘机当前行走速度、自身位置以及PID算法对所述阀芯比例阀（6）与限流比例阀（5）进行调节控制计算，所述驱动装置（73）用于根据所述控制器（74）的调节控制计算结果对所述阀芯比例阀（6）与限流比例阀（5）执行对应的调节控制。

4.根据权利要求1~3任一项所述的挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，其特征在于，所述方法还包括：

所述纠偏控制单元（7）将积分时间置于最大，微分时间置于最小，自动减小比例带至周期性振荡出现，随后加大微分时间，使周期性振荡停止，再减小比例带，使振荡重新出现，再加大微分时间，使振荡停止，重复上述过程至加大微分时间后振荡不再停止。

5.根据权利要求4所述的挖掘机遥控行走智能纠偏控制系统，其特征在于，所述方法还包括：

所述纠偏控制单元（7）增大比例带至周期性振荡停止，取积分时间为微分时间的2～5倍，如果周期性振荡出现，加大积分时间至振荡停止，并在检测到输出平稳后，确定出最终的对所述阀芯比例阀（6）进行调节控制的 PID参数。

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