Dynamic simulation and optimal control strategy for a parallel hybrid hydraulic excavator

The primary focus of this study is to investigate the control strategies of a hybrid system used in hydraulic excavators. First, the structure and evaluation target of hybrid hydraulic excavators are analyzed. Then the dynamic system model including batteries, motor and engine is built as the simulation environment to obtain control results. A so-called multi-work-point dynamic control strategy, which has both closed-loop speed PI (proportion integral) control and direct torque control, is proposed and studied in the simulation model. Simulation results indicate that the hybrid system with this strategy can meet the power demand and achieve better system stability and higher fuel efficiency.

Motion Planning Based Coordinated Control for Hydraulic Excavators

Hydraulic excavator is one type of the most widely applied construction equipment for various applications mainly because of its versatility and mobility. Among the tasks performed by a hydraulic excavator, repeatable level digging or flat surface finishing may take a large percentage. Using automated functions to perform such repeatable and tedious jobs will not only greatly increase the overall productivity but more importantly also improve the operation safety. For the purpose of investigating the technology without loss of generality, this research is conducted to create a coordinate control method for the boom, arm and bucket cylinders on a hydraulic excavator to perform accurate and effective works. On the basis of the kinematic analysis of the excavator linkage system, the tip trajectory of the end-effector can be determined in terms of three hydraulic cylinders coordinated motion with a visualized method. The coordination of those hydraulic cylinders is realized by controlling three electro-hydraulic proportional valves coordinately. Therefore, the complex control algorithm of a hydraulic excavator can be simplified into coordinated motion control of three individual systems. This coordinate control algorithm was validated on a wheeled hydraulic excavator, and the validation results indicated that this developed control method could satisfactorily accomplish the auto-digging function for level digging or flat surface finishing.

Modeling and control of hydraulic excavator's arm

In order to find a feasible way to control excavator’s arm and realize autonomous excavation, the dynamic model for the boom of excavator’s arm which was regarded as a planar manipulator with three degrees of freedom was constructed with Lagrange equation. The excavator was retrofitted with electrohydraulic proportional valves, associated sensors (three inclinometers) and a computer control system (the motion controller of EPEC). The full nonlinear mathematic model of electrohydraulic proportional system was achieved. A discontinuous projection based on an adaptive robust controller to approximate the nonlinear gain coefficient of the valve was presented to deal with the nonlinearity of the whole system, the error was dealt with by robust feedback and an adaptive robust controller was designed. The experiment results of the boom motion control show that, using the controller, good performance for tracking can be achieved, and the peak tracking error of boom angles is less than 4°.

CONSTANT WORK-POINT CONTROL FOR PARALLEL HYBRID SYSTEM WITH CAPACITOR ACCUMULATOR IN HYDRAULIC EXCAVATOR

Limitations of various accumulators in hybrid hydraulic excavator are analyzed. A program using capacitor as the accumulator based on constant work-point control is put forward. A simulating experimental system of hybrid construction machinery is established, and experimental study on constant work-point control for parallel hybrid system with capacitor accumulator is carried out using the pressure and flow rate derived from boom cylinder of hydraulic excavator in actual work as the simulating loads. A program of double work-point control is proposed and proved by further experiments.

Research on hydraulic slotting technology controlling coal-gas outbursts

Measured to control serious coal-gas outburst in coal seam were analyzed by theory and experimented in test site.A new technique to distress the coal-bed and drain methane,called hydraulic slotting,was described in detail,and the mechanism of hydrau- lic slotting was put forward and analyzed.The characteristic parameter of hydraulic slotting was given in Jiaozuo mining area and the characteristic of validity,adaptability and secu- rity was evaluated.The results show that the stress surrounding the strata and the gas in coal seam is released efficiently and thoroughly while new techniques are taken,as slot- ting at heading face by high pressure large diameter jet.The resistance to coal and gas outbursts is increased dramatically once the area of slotting is increased to a certain size. In the process of driving 2 000 m tunnel by hydraulic slotting excavation,coal and gas outburst never occurre.The technique could be used to prevent and control potential coal-gas outburst in the proceeding of tunnel driving,and the speed tunneling could be as high as more than 2 times.

基于DEM-MBD耦合的液压挖掘机动力学仿真分析

在实际工况下,液压挖掘机工作装置受到的载荷较大且具有强时变性,因此工作装置各组成杆件及液压缸较易出现各种形式的失效。针对以上问题,选取某型号液压挖掘机作为研究对象,根据液压挖掘机工作装置实际挖掘物料工况,利用多体动力学软件ADAMS建立液压挖掘机虚拟样机模型并利用离散元软件EDEM建立物料模型。通过DEM-MBD耦合仿真分析方法,对液压挖掘机工作装置进行动力学仿真分析,主要获取挖掘物料过程中铲斗受力变化曲线、不同时刻铲斗受力云图,通过对其分析,能够获取铲斗在挖掘作业过程中受力变化情况,为铲斗的有限元分析、优化设计提供理论依据。

挖掘机液压混合动力系统跟踪控制研究

由于挖掘机混合动力系统参数的不确定性和系统的非线性给挖掘机的跟踪控制带来了巨大的困难。对此,构建了挖掘机液压混合动力系统模型,并采用改进的自适应鲁棒控制(ARC)实现挖掘机液压混合动力系统的跟踪控制。根据挖掘机液压混合动力系统,对液压系统、挖掘机动力学和发动机进行数学建模。利用线性稳定反馈控制规律,采用改进的自适应鲁棒控制,使挖掘机液压混合动力系统具有足够大的反馈增益。最后对斗杆、动臂和铲斗的倾角进行跟踪仿真实验,给出了系统模型位置和速度的跟踪误差,并与PI控制进行比较分析。结果表明:相比于PI控制,ARC控制下的斗杆、动臂和铲斗倾角的最大振幅波动率和倾角的波动范围都有所降低,且回转位置和速度的跟踪误差超调较小。说明采用ARC控制的挖掘机混合动力系统控制方法,能够更好的补偿系统模型的非线性,具有较好的控制稳定性以及跟踪精度。

考虑多关节时滞的液压挖掘机轨迹跟踪研究

为了减小多关节系统的时滞特性对液压挖掘机工作装置轨迹跟踪精度的影响,本文设计了考虑时滞的长短期记忆-广义回归级联网络和一种基于该网络模型的多关节控制系统。利用几何法分析闭式链运动状态,建立以摇臂关节为末端反馈关节的含闭式链的工作装置运动学逆解,通过4-3-3-3-4多项式轨迹规划算法在关节空间上生成轨迹。结合LSTM的时序处理能力和GRNN的强非线性映射能力,以比例阀信号和关节转角的各阶延迟以及目标转角作为网络输入特征,通过多关节联动辨识建立起输出信号和输入特征的映射关系模型,将关节模型作为逆控制器实现多关节轨迹跟踪。经AMESim-Simulink仿真验证:在空载或变载荷作用下,与不考虑时滞的LSTM系统比,考虑时滞的多关节控制系统能更准确、更迅速、更平滑地跟踪规划轨迹,误差小,并且系统具有较强鲁棒性。

基于线性扩张状态观测器的挖掘机电液系统滑模控制

无人驾驶挖掘机器人实际工作环境恶劣,为提高铲斗在负载扰动下的轨迹跟踪精度,建立了挖掘机电液系统非线性数学模型,设计了基于线性扩张状态观测器的滑模控制器(Sliding mode controller based on linear extended state observer,SMC-LESO)。根据铲斗油缸活塞杆位移信号,利用设计的线性扩张状态观测器对系统的速度、加速度及负载扰动和不确定因素进行估计,解决了系统参数难以测量的问题。在此基础上,设计了滑模控制器,并证明了该控制器的Lyapunov稳定性。为进一步验证该控制器的有效性,建立了挖掘机电液比例控制系统的联合仿真模型,并与PID控制器、滑模控制器的轨迹跟踪精度进行对比。仿真结果表明,该控制器可以有效抑制扰动,位移跟踪精度高、鲁棒性强。

河道内源治理与水力冲挖综合技术的研究与应用

为研究河道内源污染治理方式,对河道防洪标准和水质产出目标进行分析,确定污染河道清淤范围和施工方法。分析了潮水水位和河道行洪能力,圈定了清淤范围和纵向清淤深度。分析内源污染污染物负荷和底泥物化性质,确定河道清淤厚度及泥浆处理要求。为实现河道环保清淤施工,采用水力冲挖排干清淤施工方法,实现目标污染物的有效去除,降低了河道清淤方量。通过控制多级泵送系统传输压力,实现了长距离、高陡坡泥浆传输。

挖掘机斗杆独立进油节能技术研究

通过开发高效液压阀,降低其进油和回油节流损失,是降低挖掘机燃油消耗的主要手段之一。针对节能目标,以挖掘机液压阀能量损失机理为基础,明确了通过设计新的斗杆阀来降低能量损失的思路,进行基于斗杆独立进油的液压阀的设计,包括独立进油阀的设计和斗杆主阀芯的设计,并针对独立进油阀和斗杆主阀芯再生及回油的控制进行算法开发。将设计的液压主阀在一台21 t挖掘机上进行装机,经电控调试后满足操控性要求,并与另一台相同吨位且配套相同发动机和液压主泵的挖掘机进行了相同工况的平地操作对比验证,结果表明所设计的液压阀节油效果更好。

基于互联与阻尼分配框架的电液伺服系统轨迹跟踪策略

在中大型挖掘机电液伺服系统中存在复杂耦合非线性、模型不确定性,以及外部载荷不确定性等因素,都会造成挖掘机轨迹跟踪误差大,导致电液伺服系统的动态性能差。针对这一问题,提出了一种基于互联和阻尼分配(IDA)框架的反演控制器,以提高挖掘机工作装置在挖掘任务中的跟踪性能,并加强其鲁棒性。首先,利用先导阀、阀控非对称缸和阀控非对称缸模型构建了电液伺服系统的状态空间模型,并进一步基于哈密顿理论将该状态空间模型构造为具有扰动的三阶开环端口哈密顿系统(pH)。根据从pH系统中获得的互联矩阵和阻尼矩阵结构,逐步设计了虚拟控制信号,得到了控制律;然后,构造了一个匹配方程,以简化在其他系统上的设计和计算过程,并将期望的能量函数作为候选李雅普诺夫函数,根据李雅普诺夫稳定性定理证明了闭环系统在期望轨迹上的收敛性和稳定性;最后,以挖掘机铲斗及其电液伺服系统为对象,采用数值仿真实验验证了基于IDA框架的反演控制算法的轨迹跟踪性能。研究结果表明:在不考虑模型不确定性的情况下,所提出的控制器与其他三种控制器相比,在位置控制上的收敛速度可提高1.9%~6.3%;在轨迹跟踪上可保持优秀的收敛速度,且最大跟踪误差降低70%~81%;在模型不确定和时变负载的情况下,所提出的控制器与其他三种控制器相比,面对冲击时的最大跟踪误差仅增加0.004 m,调节所需控制输入降低4%~20%。这表明上述控制算法具有更优秀的综合跟踪性能和更强的鲁棒性。

单双泵控混合分布式挖掘机液压系统性能分析

针对泵控非对称缸中存在流量不平衡问题和挖掘机(动臂、斗杆及铲斗)各液压缸的多象限工况,提出一种单双泵控混合分布式挖掘机液压系统。基于挖掘作业时工作装置的各液压缸速度-负载特性,为二象限工况的动臂设计单泵控液压单元,四象限工况的斗杆及铲斗设计双泵并联式泵控液压单元。以微型挖掘机为对象,在MATLAB/Simulink中建立多体动力学模型和液压系统模型,设计PID位置控制器,在典型挖掘工况下进行仿真分析。结果表明:单泵式的效率与双泵并联式的基本相当,但后者在负载力突变时,几乎不产生速度波动;在典型挖掘工况下,所提出的单双泵控混合分布式挖掘机液压系统的总效率为62%。

中型挖掘机泵控系统与阀控系统的能效对比

为降低传统液压挖掘机动力系统的能量消耗,提出一种单定量泵控缸的分布式直驱液压系统,开展中型挖掘机泵控系统与阀控系统的能效对比。首先,对双泵双回路阀控液压系统和分布式泵控液压系统的原理进行分析;随后,在MATLAB/Simulink中建立机械多体动力学模型、泵控液压系统模型和速度前馈PID位置反馈控制器;根据GB/T 36695—2018中的典型挖掘机循环,分别进行阀控系统实验和泵控系统仿真;最后将实验结果和仿真结果进行对比分析。结果表明:在同一工况下,两者的工作装置能耗基本相当(泵控系统比阀控系统高8.5%),但泵控系统效率(62.1%)是阀控系统效率(23.5%)的2.6倍,泵控系统总能耗降低了62.4%。

巷道掘进液压锚杆钻机自动控制系统设计

针对煤矿巷道掘进液压锚杆钻机作业中存在的自动化程度不高、作业效率较低等问题,提出以PLC技术为基础的液压锚杆钻机自动化控制系统。该系统可实现对锚杆钻机的自动化控制,具有操作简单、性能稳定等优点。该系统由PLC、变频器、传感器和执行机构等部分组成,其中PLC负责接收传感器信号并控制变频器工作,以保证传感器工作的准确性和稳定性;传感器负责采集液压锚杆钻机工作时所处位置的温度和压力信息,并将这些数据传递至执行机构来完成锚杆钻机的自动钻进和回退操作。试验结果表明,在应用该系统后,锚杆钻机工作效率明显提升,有利于进一步缩短施工周期。

左江山秀船闸扩能工程高边坡开挖施工技术

以广西左江山秀船闸扩能工程为例,研究引航道高边坡施工开挖与支护施工技术。结合施工现场实际与引航道高边坡的特征,制定了高边坡施工的开挖和支护方法,以确保工程的安全性和可行性。研究结果表明,在左江山秀船闸扩能工程中采用该方法进行施工,两岸边坡的稳定性问题得到解决,确保了施工的安全进行,同时保障了既有航道的正常通航。

矿用正铲液压挖掘机人机协同控制研究

针对矿用正铲液压挖掘机的人机协同控制进行研究,通过切换人机协同控制模式,动臂和铲斗液压缸能够较好地跟随所规划的轨迹运动,铲斗姿态角基本保持不变,齿尖坐标基本保持在作业高度上,满足水平推压作业要求。与驾驶员手动操作相比,人机协同控制模式能够提高作业的准确性和效率。

液压支架自动调节技术在煤炭掘进中的应用与优化

随着工业自动化的不断推进,液压支架作为煤矿开采中的重要设备,其自动调节技术的需求日益凸显,首先介绍了液压支架的基本原理和结构,以及液压支架自动调节技术的原理和应用。接着从煤炭掘进中的应用出发,分析了技术现状和评估,提出了现有技术的优缺点以及改进方向和优化方向。随后讨论了可能的改进策略和技术创新,包括智能化控制、节能减排和集成物联网技术。最后,提出了模块化设计作为改进策略的一部分。这些措施有望提高液压支架自动调节技术的精度、稳定性和智能化水平,为煤炭掘进过程中的应用带来显著的效益。

前馈模糊PID控制的直驱双泵控三腔缸系统

针对液压挖掘机在工作过程中大量动臂势能被浪费,提出一种复合速度前馈与模糊PID控制的直驱双泵控三腔缸系统。在MATLAB/Simulink中,建立直驱泵控差动缸系统模型,通过试验验证其正确性,在该模型基础上搭建直驱泵控三腔缸系统模型,设计速度前馈模糊PID控制器,建立挖掘机动力学模型,将所提出节能系统应用于挖掘机动臂。通过仿真,对动臂在典型挖掘工况下的运行性能及能耗特性进行分析。结果表明,相比于直驱泵控差动缸系统,所提出系统峰值功率降低25.12%和节能33.11%;同时所设计控制器将位移跟踪误差控制在3%,与传统PID、速度前馈PID相比,响应速度快、超调小、位置跟踪精度更高。

基于Fuzzy-PID的负载敏感挖掘机位姿控制策略

挖掘机执行机构轨迹的精确控制是实现其智能化、无人化发展的基础。针对泵控/阀控相耦合的负载敏感(Load Sensitive,LS)系统挖掘机,提出了一种自适应的模糊PID控制方法(Fuzzy-PID)以实现LS挖掘机执行机构位姿的精确控制。该方法不依赖离线计算,可实现作业过程中PID参数的整定。建立LS挖掘机联合仿真模型对Fuzzy-PID的控制性能进行验证,结果表明,Fuzzy-PID控制精度更高,与PID相比,其均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)减少了23.85%。进一步,通过发动机转速及斗杆运行速度验证了Fuzzy-PID稳定性和响应性。研究结果可为负载敏感系统液压挖掘机智能化升级提供理论指导及工程应用价值。