挖掘機混合動力系統(tǒng)控制器設(shè)計

謝 雅，黃中華，余 庸

（1.湖南工程學院 計算機與通信學院，湘潭 411104；2.湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411101；3.湖南工程學院 風電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411101）

挖掘機混合動力系統(tǒng)控制器設(shè)計

謝 雅1，黃中華2，余 庸2

（1.湖南工程學院 計算機與通信學院，湘潭 411104；2.湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411101；3.湖南工程學院 風電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411101）

為了實現(xiàn)柴油機和電動機的動態(tài)協(xié)調(diào)控制，設(shè)計了挖掘機混合動力系統(tǒng)控制器.控制器由功率預(yù)處理模塊、油門控制模塊和工作模式識別模塊構(gòu)成.控制器的輸入?yún)?shù)為液壓泵扭矩、液壓泵轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC，輸出參數(shù)為柴油機油門開度.建立了基于MATLAB的混合動力系統(tǒng)控制器性能仿真模型.對挖掘工況和平整工況下的控制器性能進行了仿真分析.仿真結(jié)果表明：控制器能根據(jù)載荷變換實時調(diào)整電動機的工作狀態(tài)，在整個工作過程中，柴油機的工作轉(zhuǎn)速基本不變.

挖掘機；混合動力系統(tǒng)；控制器

隨著全球環(huán)保意識的增強，量大面廣的挖掘機需要應(yīng)對環(huán)保和節(jié)能的雙重壓力.傳統(tǒng)的挖掘機節(jié)能技術(shù)主要集中在提高相關(guān)元件的性能、改進液壓系統(tǒng)及提高動力系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的功率匹配.傳統(tǒng)的節(jié)能方法在一定程度上降低了挖掘機油耗和排放，但仍不能較大幅度的改善節(jié)能效果.2004年，日立建機研制了世界上首臺混合動力挖掘機.此后，國內(nèi)外主要挖掘機制造企業(yè)均開始了混合動力挖掘機的研制.

鑒于并聯(lián)式混合動力挖掘機在結(jié)構(gòu)布局和能耗方面具有優(yōu)勢，并聯(lián)式混合動力挖掘機在國內(nèi)外得到了廣泛研究［1－2］.動力系統(tǒng)控制器是混合動力挖掘機中的重要部件，直接影響動力系統(tǒng)的動力性能和工作能耗.

文獻［3］提出了以發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和電池SOC為優(yōu)化變量的控制策略，該策略通過檢測電池的SOC值實時調(diào)整發(fā)動機的工作點.文獻［4～5］提出了發(fā)動機雙模式轉(zhuǎn)矩均衡控制策略，該策略以負載工況與超級電容SOC為決策依據(jù)，實現(xiàn)發(fā)動機工作點的自適應(yīng)調(diào)節(jié).

論文以并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)為研究對象，以實現(xiàn)柴油機和電動機的動態(tài)協(xié)調(diào)控制為目標，以液壓泵扭矩、液壓泵轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC為輸入變量，以柴油機油門開度為輸出變量，開展混合動力系統(tǒng)控制器設(shè)計研究.

1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的并聯(lián)式混合動力挖掘機動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，動力系統(tǒng)由柴油機、電動機和液壓泵組成.蓄電池用于存儲電能.控制器用于協(xié)調(diào)控制柴油機和電動機的工作狀態(tài).當電動機處于電動狀態(tài)時，蓄電池給電動機供電.當電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，電動機給蓄電池充電.

圖1 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制器設(shè)計

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制器由功率預(yù)處理模塊、油門控制模塊和工作模式識別模塊構(gòu)成.控制器的輸入?yún)?shù)有3個，分別為液壓泵扭矩、液壓泵轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC，輸出參數(shù)為柴油機油門開度.功率預(yù)處理模塊的作用是根據(jù)液壓泵扭矩和液壓泵轉(zhuǎn)速估計動力系統(tǒng)的負載.油門控制模塊的作用是根據(jù)動力系統(tǒng)的負載和蓄電池SOC計算柴油機油門的開度.工作模式識別模塊的作用是根據(jù)液壓泵扭矩、液壓泵轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC確定動力系統(tǒng)的工作模式.

獲取柴油機油門開度后，通過查詢柴油機的工作特性曲線，可以獲取柴油機的輸出轉(zhuǎn)速和輸出扭矩.由于電動機和柴油機共軸連接，所以電動機的轉(zhuǎn)速等于柴油機的轉(zhuǎn)速.

圖2 混合動力系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)

2.2 油門控制模塊

鑒于建立柴油機油門控制器精確數(shù)值模型比較困難，論文提出了基于模糊控制的柴油機油門控制方法.模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，模糊控制器的輸入變量為動力系統(tǒng)負載和蓄電池SOC，輸出變量為柴油機油門開度.模糊控制器采用Mamdani推理系統(tǒng)，輸入變量隸屬度函數(shù)曲線采用吊鐘形，輸出變量隸屬度函數(shù)曲線采用三角形.

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)蓄電池的物理特性，蓄電池SOC取為0～1，0表示沒有電量，1表示滿電量.蓄電池正常工作時SOC取為0.5～0.7.以某型挖掘機為研究對象，實驗測試該挖掘機在挖掘作業(yè)和平整作業(yè)時的平均功率需求分別為25kW和13kW.柴油機正常工作時油門開度取為0.6～1.結(jié)合挖掘機混合動力系統(tǒng)的工作原理，設(shè)定了如圖4所示的模糊控制器控制規(guī)則.

圖4 模糊控制規(guī)則曲面

2.3 工作模式識別模塊

該模塊的作用是根據(jù)液壓泵扭矩、液壓泵SOCm轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC確定動力系統(tǒng)的工作模式.定義為蓄電池允許工作的最小值，結(jié)合挖掘機的工作過程，設(shè)定如下工作模式識別準則：

（1）當蓄電池的SOC＞SOCm，且液壓泵需求功率較小時，柴油機停機，電動機單獨工作.

（2）當液壓泵的需求功率小于柴油機最佳輸出功率時，電動機停機，柴油機單獨工作.

（3）當蓄電池的SOC＞SOCm，液壓泵的需求功率大于柴油機最佳輸出功率時，電動機輔助柴油機驅(qū)動液壓泵.

（4）當蓄電池的SOC接近SOCm，或柴油機最佳輸出功率大于液壓泵需求功率時，柴油機將提供的多余能量通過電動機的發(fā)電作用給蓄電池充電.

（5）當液壓系統(tǒng)需求功率為零、蓄電池SOC接近，SOCm柴油機處于最佳輸出功率狀態(tài)，柴油機對蓄電池充電.

（6）當液壓系統(tǒng)需求功率為零、蓄電池的SOC＞SOCm，柴油機停機.

3 控制器性能仿真

3.1 仿真模型

基于MATLAB的混合動力系統(tǒng)控制器仿真模型如圖5所示，該仿真模型的輸入?yún)?shù)為液壓泵需求扭矩、液壓泵轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC，輸出參數(shù)為柴油機油門開度.

圖5 控制器仿真模型

3.2 仿真分析

圖6是某型液壓挖掘機在挖掘工況和平整工況下液壓泵的輸出功率曲線，前100s為挖掘作業(yè)，接下來的50s為平整作業(yè)，兩種工況交替進行.蓄電池的SOC初始值設(shè)為0.6.

圖6 液壓泵輸出功率

基于圖5所建立的控制器仿真模型，對圖6所示的挖掘機作業(yè)過程進行了仿真研究.在整個作業(yè)過程中，柴油機輸出扭矩如圖7所示，電動機輸出扭矩如圖8所示，蓄電池SOC變化曲線如圖9所示，柴油機轉(zhuǎn)速曲線如圖10所示.從圖7和圖8可以看出，挖掘機處于挖掘工況時，液壓泵所需要的平均扭矩由柴油機提供，電動機需要頻繁切換工作狀態(tài)，以補充不足的扭矩或吸收富余的扭矩；挖掘機處于平整工況時，由于液壓泵的需求扭矩小于電動機的最大輸出扭矩，且蓄電池SOC值大于SOCm，液壓泵所需的扭矩全部由電動機提供.從圖8可以看出，當蓄電池的SOC值逼近SOCm時，柴油機會對蓄電池充電，促使蓄電池SOC值迅速上升.從圖10可以看出，在挖掘機的工作過程中，僅管液壓泵輸出功率變化幅度大，但是柴油機轉(zhuǎn)速基本保持不變，確保柴油機始終工作在設(shè)定的工作點.

圖7 柴油機輸出扭矩

圖8 電動機輸出扭矩

圖9 蓄電池SOC曲線

圖10 柴油機轉(zhuǎn)速曲線

4 結(jié) 論

以液壓泵扭矩、液壓泵轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC為輸入?yún)?shù)，柴油機油門開度為輸出參數(shù)，設(shè)計了挖掘機混合動力系統(tǒng)控制器，對挖掘工況和平整工況下的控制器性能進行了仿真分析.仿真結(jié)果表明：在整個工作過程中，柴油機的工作轉(zhuǎn)速基本不變；控制器能實現(xiàn)柴油機和電動機的協(xié)調(diào)控制.

［1］Huang Zhonghua，Xie Ya，Deng Yi.Hybrid Excavator Shafting Torsional Vibration Analysis［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，268－270：1262－1265.

［2］何清華，劉昌盛，龔 俊，等.一種液壓挖掘機并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略［J］.中國工程機械學報，2011，9（1）：48－53.

［3］肖 清，王慶豐，張彥廷，等.液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)建模及控制策略研究［J］.浙江大學學報（工學版），2007，41（3）：480－483，528.

［4］劉 剛，宋德朝，陳海明，等.并聯(lián)混合動力挖掘機系統(tǒng)建模及控制策略仿真［J］.同濟大學學報（自然科學版），2010，38（7）：1079－1084

［5］張梅芳，宋賢云，程 珩，等.混合動力挖掘機的建模與控制策略研究［J］.太原理工大學學報，2011，42（5）：487－489，498.

Excavator Hybrid Power System Controller Design

XIE Ya1，3，HUANG Zhong－h(huán)ua2，3，YU yong2
（1.School of Computer and Communication，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China；2.School of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104，China；3.The Cooperative Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

Controller of hybrid power system is designed to realize dynamic coordinated control.Controller is composed of power pretreatment module，throttle control module and the work pattern recognition module.Controller input parameters are hydraulic pump torque，hydraulic pump rotate speed and battery SOC.Controller output parameters are diesel engine throttle angle.Simulation model of controller performance based on MATLAB is established.Performance simulation under mining condition and formation condition is developed.Simulation results show that controller can adjust motor working status real time according to load change.Diesel engine rotate speed is almost constant during the working process.

excavator；hybrid power system；controller

TH113.1；TU321

A

1671－119X（2014）02－0026－04

2014－12－26

湖南省科技計劃項目（2013GK3030）；湖南省自然科學基金資助項目（14JJ5006）.

謝 雅（1982－），女，講師，研究方向：計算機仿真與控制.