全液压推土机直线行驶控制方法研究

JI Xiao-yan,ZHAO Cheng-long,KONG Yan-jun

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

推土机在工程建设中发挥着重要的作用，随着控制技术的发展，全液压推土机销量所占比重逐年增加，其在操控性，灵活性和操控舒适度上有着传统推土机无法比拟的优势。目前传统的机械式推土机由于采用机械齿轮等对称结构，其跑偏量容易控制。而全液压推土机多采用双泵双马达两侧独立式控制，受限于电磁阀等元件的不一致性、管路布置的差异以及液压元件的磨损情况，在不进行控制的情况下会出现跑偏的情况，进而对操控性能和作业性能产生不良影响。

本文主要对全液压推土机跑偏的原因进行分析，并提出全液压推土机的纠偏思路和控制策略，同时给出3种具体的实现算法，在山推DH17全液压推土机上进行试验，并对测试效果进行分析。

1 跑偏原因分析

1）液压元件及电磁阀不一致性 全液压推土机一般采用双泵双马达两侧独立式液压系统，虽然左右两侧液压系统采用同一规格型号的液压元件及电磁阀，但由于制造精度、材料性能等细微差别，其特性往往很难达到完全一致。通常大多数电磁阀电阻存在±5%的偏差，电阻的差异对其起始控制电流和终止控制电流也会产生影响。两侧独立液压系统液压马达布置虽然对称，但从液压泵到液压马达的液压管路可能长短不一，在一定程度上也会导致动作响应时间不同。上述问题的存在导致在没有纠偏控制的情况下，车辆会出现跑偏现象。

2）长时间的磨损 液压元件长时间工作必然会产生一定的磨损，同时履带等底盘零部件由于长时间工作，其涨紧程度、磨损情况会出现不一致，也会对系统的直线性产生一定的影响。

3）外部条件的不一致 在全液压推土机作业过程中，由于车辆的高低起伏及土壤的附着条件可能不同，在一定程度上也会造成两侧履带附着力的不一致，从而导致直线行驶跑偏现象的发生，因此在实际直线性能测试验证中，往往会对场地的平整性有一定的要求。

对作业质量要求比较高的机械，其跑偏量会有更为严格的标准，如摊铺机在高等级公路摊铺作业，多会配置如激光或超声波引导系统来控制直线行走的跑偏量。而对于推土机等绝大多数工况来说，没有严格的直线性要求，且目前国内尚未出台相应的行业标准，根据行业及实际作业经验，一般情况下直线行驶50m偏差小于0.5m即满足作业需求。

2 几种控制思路及其优劣对比

在控制思路和控制策略上，由于被控对象、控制系统以及所采集数据的处理方法不同，会产生不同的控制思路，下面就上述不同因素的控制方法进行介绍，并对其优缺点进行简要分析。

2.1 被控对象不同

按照控制对象可以分为泵单独控制和泵与马达同时控制两种方式，其优劣对比如表1所示，其中低速时是指仅有泵电流参与控制，高速时指泵和马达电流均参与控制。

表1 泵单独控制与泵和马达同时控制对比

2.2 被控系统不同

按照两侧液压系统选择的不同可以分为单侧纠偏、双侧纠偏以及混合纠偏3种方式，其优劣对比如表2所示。

表2 单侧、双侧及混合纠偏对比

2.3 数据时效性不同

由于液压系统属于有阻尼系统，从调整电流给定到液压系统电磁阀到控制器再次采集到给定电流产生的反馈速度会有一定的时间差，根据部分机型测试的结果时间延迟一般会有30～60ms，因此根据根据采集数据的时效性可以分为实时控制和累加控制，其优劣对比如表3所示，其中实时控制往往也会选择几个控制周期进行调整次，从而避免由于系统本身响应的延时产生超调现象；而累加纠偏控制方式则是根据一段时间左、右两侧速度偏差的累加趋势进行调整。

表3 实时纠偏与累加纠偏对比

3 控制算法的研究

为了保证推土机直线行驶时两侧马达速度的一致性，一般全液压推土机下线之初首先进行泵和马达电流参数的标定，其中电流参数标定主要包括泵起始电流、泵最大电流、马达起始电流和马达最大电流4个参数，而在行走过程采用直线行驶纠偏控制的方法。控制方法的关键均采用通过速度参数反馈求差值，进而进行电流参数调整的方式，控制基本模型如图1所示，其中常用的控制算法主要包括PID控制，查表法、小量逼近法等控制等。

图1 纠偏控制模型

以泵电流双侧纠偏控制方式为例，其基本控制流程如图2所示。

3.1 PID控制算法

PID算法是目前控制领域应用最为广泛的控制策略之一，具有算法简单、鲁棒性好、控制可靠的特点。常规的PID控制系统原理框图如图3所示。

该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。其中r(t)是给定值，即本系统中的左右马达速度允许跑偏误差e，c(t)是系统的实际输出值,即左右马达实际速度偏值，给定值与实际输出值构成控制偏差

e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律为

式中Kp——控制器的比例系数；

Ti——控制器的积分时间，也称积分系数；

Td——控制器的微分时间，也称微分系数。

图2 泵电流双侧纠编法控制流程图

图3 PID控制系统原理图

3.2 查表法

查表法主要是通过将设定数值进行调用，即根据控制偏差e(t)直接通过查表的方式进行控制调节量的选取，该方式调节量的选择可根据经验数据等方式实现，以表4为例。结合中间数据可通过二分法等进行计算。

表4 查表法参数设定表

3.3 小量逼近法

该算法主要是控制器每一扫描周期，系统调整一个较小的量值，如0.5mA,快速侧的泵电流减少一个量值，同时慢速侧的泵电流增加一个相同的量值，通过一段时间的运算达到两侧速度的平衡。这一方法的关键是量值的选取。如果量值过大，调节过程中会出现振荡的现象；如果量值过小，可能出现无法及时消除速度偏差，导致实时性较差。以左侧速度较右侧快为例，该算法采用的公式如下

3.4 单侧纠偏控制方法

实时检测左右马达两侧的转速，设定跟随左侧的转速，右侧快减电流，右侧慢加电流的方式，来减小两侧马达转速差。采用实时纠偏，只在直线行走的过程中才进行纠偏，转向时不进行纠偏。控制流程如图4所示。

图4 单侧纠偏法控制流程图

4 试 验

通过上述控制算法和被控对象等组合可衍生出多种控制方式，本试验采用上述的单侧泵控制实时纠偏的PID控制方式，采用50m测试场地，并对场地进行必要的平整，车体左侧放样标准直线，其中偏差数据采用引导轮中心与驱动轮中心处下方履带偏差求平均值的方式。

样机发动机转速设定2 000r/h，分别就3km/h、6km/h、10km/h 3个不同档位进行两侧数据测试，测试数据如表5所示，同时左右两侧马达转速及调整电流通过CAN总线仪进行实时采集，所采集部分对应曲线如图5所示。

表5 样机PID控制方法试验数据

图5 CAN总线仪实时采集数据

5 结 语

通过上述测试试验数据及实时采集图像可以可以得出，通过单侧泵控制实时纠偏的PID控制方式最大偏差为360mm,可以满足推土机直线行驶自动纠偏的作业要求。

本文通过对推土机直线行驶控制方法进行了较为深入的研究，并对各种不同的方法给出了优劣势的对比，并对部分算法进行实际测试验证。同时在试验验证方面上采用人工最终结果测量和工具实时数据采集相结合的方式，实现了较为全面的效果分析。

在实际应用过程中，根据推土机直线性精度的不同要求，根据各家厂商经验的不同，往往会采用不同的控制方法和算法。建议控制算法选取的原则是在满足直线性要求的情况下，首先采用相对简单的控制算法，便于问题的分析和处理。本方法的提出，实现了在推土机等产品上的应用，同时可推广应用到如摊铺机等其他全液压履带式工程机械。

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