正流量控制技术

挖掘机是最重要的工程机械产品， 其产品复杂程度、 作业性能要求和技术含量等均为工程机械各个产品之最， 堪称工程机械之王。 目前， 主流的单斗液压挖掘机全部采用液压传动， 液压系统不但传递发动机输出的动力， 还参与了动力传动系统的控制。

液压系统的功率形式是压力和流量， 几乎所有液压控制都可以归结为压力控制和流量控制。 挖掘机是一种土石方施工机械， 其工作时，发动机的动力通过液压系统驱动工作装置对外做功， 液压系统工作压力的大小由负载决定， 压力不是液压系统的固有参数。 从控制的角度来讲， 压力是系统对外载荷的响应。 所以， 对挖掘机液压系统的控制其实就是对液压系统流量的控制。

一、 挖掘机液压系统的体系结构和性能分析

根据液压系统的流量控制方式， 液压系统可以分为泵控液压系统和阀控液压系统， 其中， 泵控液压系统是通过改变液压泵或液压电动机的排量来控制液压系统流量的， 阀控液压系统是通过改变液压阀的开度来控制液压系统的流量的。 下面分别分析液压泵和液压阀的流量控制机理。

液压泵的理论流量公式如下：

Qb＝Ne×Vb（2－3）

式中 Qb——液压泵流量，单位为L／min；

Ne——液压泵输入转速，单位为r／m；

Vb——液压泵排量，单位为L／r。

由式 （2－3） 可见，改变液压泵的排量和转速都可以改变其流量，进而改变执行机构的速度，其中， 通过调节液压泵转速来调速的控制方式称为变频调速， 通过调节液压泵排量来调速的方式称为容积调速。

挖掘机在工作过程中， 一般要求柴油机转速稳定或相对稳定， 即使由于外负载的变化而导致发动机转速失稳， 也要通过一定的控制手段使发动机转速恢复稳定， 所以， 在对液压泵的流量进行控制时， 可以假定输入转速是恒定的。 可见， 对液压泵的流量控制主要是对液压泵排量的控制。

液压阀对液压泵输出的流量进行二次调节。液压阀的流量公式如下：

式中 Qf——液压阀的流量，单位为L／min；

Cq——流量系数，需查表获得；

A——液压阀的开度；

ΔP——液压阀上的压降， 单位为MPa；

ρ——液压油的密度。

由式 （2－4） 可见， 液压阀的流量主要由两个变量决定： 液压阀的开度A和阀上的压降ΔP。 由于液压系统的压力是由外负载决定的，而外负载往往是不可预知的， 所以， 目前对液压阀的流量控制只能通过控制其开度A实现， 即通过PWM电流信号驱动电磁铁推动阀芯产生位移， 阀芯位移产生一个阀的开度A， 从而得到液压阀的输出流量。

泵控调速方式是通过改变液压泵的排量来实现的， 属于容积调速，所以调速过程中液压系统没有流量损失， 也就没有功率损失， 经济性好；同时，由于调节液压泵的斜盘倾角需要推动斜盘、 柱塞、 滑靴等一系列的质量元件和摩擦副，惯性较大， 其排量的响应时间较长， 经实验室测试，力士乐A11VO130液压泵的排量响应时间为300～500ms。

阀控调速方式是通过改变并联回路之间的相对液阻来实现的， 因此， 大部分流量经控制阀进入执行元件对外做功， 多余的流量经控制阀回油箱， 这部分流量是浪费的流量。 可见， 阀控流量控制方式存在不做功的流量， 其经济性不好； 同时， 由于改变液压阀的开度只需要通过电磁铁推动阀芯移动， 而阀芯的质量远远小于液压泵的运动质量。因此， 阀控方式的响应速度一般取决于电磁铁的响应频率。 目前， 一般的液压阀的电磁铁的响应频率在10Hz左右， 高速电磁铁的响应频率可超过20Hz。

由上述分析可见， 泵控调速方式和阀控调速方式是优势互补的，如果能将二者的优势结合起来， 克服各自的缺点， 则是一种较为理想的流量控制方式。 目前川崎精机等挖掘机液压系统成套设备供应商所提供的负流量液压系统和正流量液压系统， 其流量控制正是这样一种控制方式， 即变量泵＋比例阀的流量控制方式。

二、 正流量液压系统分析

正流量系统是针对负流量系统的应用性能缺陷而提出的。 在负流量控制系统中， 操作人员直接对比例阀进行控制， 通过主阀中位的剩余流量对变量泵的排量进行间接控制。 变量泵的排量受主阀中位流量的控制， 二者变化方向相反。 变量泵输出的流量通过主阀去工作， 主阀中位的剩余流量回来对液压泵的排量进行调节， 这种结构对系统流量构成了闭环控制。

从控制系统的角度来看， 负流量液压系统是一种流量偏差的闭环控制系统， 前向通道包括液压泵和液压阀， 操作手对液压阀开度的操作表现为对液压阀流量需求的干扰， 液压阀中位剩余流量对液压泵排量的控制构成了反馈通道， 反馈压力对液压泵变量活塞的驱动实现了对液压泵变量机构的增量控制， 使液压泵与液压阀的流量供需重新回到平衡， 从而消除了操作手的操作对液压阀流量需求的干扰作用。

负流量液压系统对流量的控制存在诸多缺陷， 流量控制的快速性、准确性和稳定性都有问题， 其性能缺陷的根源是系统的延时特性和闭环特性。 负流量系统在挖掘机上进行实际应用时存在操控性差、 液压泵变量机构磨损快、 执行机构容易产生震荡等问题， 这些问题都与负流量系统的控制缺陷有关。

为了克服负流量液压系统的诸多缺陷， 正流量液压系统应运而生。正流量液压系统的液压原理如图2－16所示。

由图2－16可见， 在正流量液压系统中， 液压泵的排量与液压阀的开度受同一个操作信号控制， 液压泵和液压阀都是直接通过开环控制的， 这与负流量液压系统中液压泵排量受操作信号的间接控制不同。

图2－16 正流量液压系统的液压原理

在正流量液压系统中， 对比例阀的操作信号同时控制着液压泵的排量， 这种方式是有依据的。 操作人员对液压阀的操作信号中包含了对挖掘机执行机构的速度期望， 这种速度期望直接体现为比例阀对液压泵的流量需求和排量需求。 在正流量液压系统中， 通过对液压泵排量控制通道的压力——排量匹配设计和延时特性设计， 可以实现液压泵与比例阀流量供需之间的准确性、 及时性和稳定性。 正流量液压系统的这些性能优势是由系统的开环特性和直接控制决定的， 可见， 开环系统的控制性能不一定比闭环系统差。

三、 正流量液压系统的控制性能分析

操作人员的控制信号对负流量系统和正流量系统的意义完全不同。

对负流量系统而言， 操作人员的控制信号直接控制液压阀的开度，改变了液压阀对液压泵的流量需求， 这种对液压阀流量需求的改变打破了原有的流量供需平衡关系， 从某种意义上讲， 操作人员的控制信号是对负流量系统的干扰。 为了克服操作信号的干扰作用， 负流量系统采用反馈通道对液压泵的排量进行控制， 以求重新达到液压泵与液压阀之间的流量供需平衡。 负流量系统这种流量跟随和事后补偿的控制机制决定了其在实际应用中的诸多性能缺陷。

对正流量系统而言， 操作人员的控制信号并不是系统的干扰信号，而是指令信号。 正流量系统的控制结构如图2－17所示。

图2－17 正流量系统的控制结构

由上述正流量系统的控制结构图可见， 系统有两个开环控制通道：操作信号对液压阀开度的开环控制和操作信号对液压泵排量的开环控制。 这种控制结构相对负流量系统而言具有明显的优势： 液压泵和液压阀这两个控制点均采用开环控制， 克服了闭环控制的诸多缺陷； 操作信号对系统而言是开环控制的信号源， 而不对系统构成干扰； 两个共用信号源的开环控制通道实现了液压泵和液压阀的流量匹配问题，其中， 操作信号对液压阀的开环控制实现流量快速性， 操作信号对液压泵的开环控制实现准确性， 开环控制本身实现稳定性。

正流量系统的控制优势是相对负流量系统而言的， 并不说明正流量系统是完美的， 正流量系统也有一些控制缺陷。

操作人员与挖掘机是控制者与被控对象的关系， 液压系统直接接受操作人员的控制信号而驱动挖掘机工作， 部分或全部实现操作人员的意图。 操作人员总是希望有完美的操控性， 即操作人员希望挖掘机的实际动作总是与操作人员预想的一致。 正流量系统克服了负流量系统的诸多缺陷， 操控性得到了明显提升， 但仍然不能完全实现操作人员的控制意图， 让操作人员得到完美的手感， 因为正流量系统仍然不能克服负载对系统流量的影响。

通过液压阀的实际流量与负载有关， 负载通过系统压力影响系统的流量， 对于操作人员发出的同样的控制信号， 当负载较大时， 挖掘机的动作速度会降低， 操作人员会感觉到负载对挖掘机速度的影响。这种特性虽然没有完全执行操作人员的速度控制意图， 但也向操作人员传递了一些有用信息， 让操作人员感觉到挖掘机负载的大小。

综上所述， 挖掘机液压系统从负流量控制到正流量控制的转变，是一种技术发展和进步， 而这种技术进步的意义， 更多地体现在控制系统的层面上。 正流量系统通过简单而优化的控制结构， 实现了液压系统流量匹配的准确性、 稳定性和快速性， 具有突出的控制优势。

正流量系统的意义主要体现在其控制结构上， 这种控制结构克服了系统自身的控制缺陷， 消除了因系统固有结构和固有参数导致的系统误差。 正流量系统也不是完美的， 其控制性能缺陷源于其对外负载的干扰作用。 正流量系统的动作速度对外负载的变化表现出一定的速度刚度， 也具有表征外负载大小的积极意义。

在正流量系统的基础上， 挖掘机液压系统的后续改进方向之一是液压系统流量和功率对外负载的自适应控制， 使液压系统对外负载具有较强的速度刚度， 从而使操作人员得到更好的操控手感和随心所欲的操作乐趣。