液压挖掘机的半自动控制系统 _ 工程机械爱好者
现代挖掘机的液压操纵和控制系统
— Ｉ
■ 广 东江 门／ 艳 肖
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液压挖掘机 的作业操纵 系统
现代液压挖掘机 的作业操纵 系 统是 用来完成挖 掘作业 中各种动作
的操 纵 ，它是挖 掘机 的主要操纵 系 统。液压挖掘机挖 掘作业过 程 中主
３ ． 机械操纵系统
目前许多液压挖 掘机 采用机械 操纵 系统 ，其优点是结 构简单 ，工
配阀滑阀的 移动， 也是用液压导向
而进行 间接控 制的 ，所不 同的是 采 用了减压式先导阀。
速的调节。目 前应用在液压挖掘机
柴 油机上的控制装 置有 电子功率优 化 系统 、 自动怠速装 置、电子调速
在２ ～４ ｍｍ之间 。前 、后 终点之 ０ ０ 间 的操 纵 手 柄总 移 动 量 不应 超 过
３０ ｍ ４ ｍ
ｏ
其变量摆角来实现的
。
对
，
过节 调
根据控制形
液压挖 掘机的全 自动化 。人们对液 压挖掘机 的研究 ，逐步 向机 电液控 制 系统方 向转移 ，使挖掘机 由传统 的杠杆操纵逐 步发展到液压操纵 、 气压操纵 、电气操纵 、液压伺服 操 纵 、无线 电操纵 、电液比例操纵 和 计算 机直接操纵 。所以 ，对挖掘机 的机 电液一体化 的研 究 ，主要集 中 在液压挖掘机 的控制 系统上 。
压力发生式和 减压阀式两种 。压力 发 生式先导 阀操纵 ，这是一种远 距 离操 纵阀 ，驾驶 员利用先导 阀的压 力油 来操纵主分 配阀 ；减压 阀式先 导 阀操纵 ，与上述 的压 力发生式先 导阀操纵 一样 ，这种操纵 装置主分
功 率就增加 （ 小） 或减 ，由于输 出转 矩 基本 不变 ，所以柴油机 转速 也增 加（ 或减小 ） 不同的节 气门开度 ，即 对应着不 同的柴油机转速 。由此可 见 ，对柴油机控 制的 目的是 ，通过 对油门开度 的控 制来 实现柴油机转
液压机液压传动与控制系统设计手册
液压机液压传动与控制系统设计手册液压传动与控制系统是现代工程技术中不可或缺的一部分，广泛应用于各类工程机械、自动化设备等领域。
本文将从以下几个方面详细介绍液压传动与控制系统的设计、组成、应用及维护等方面的内容。
一、液压传动与控制系统的基本概念液压传动与控制系统是以液体为工作介质，利用压力传递能量的一种传动方式。
它具有传动比固定、输出力大、响应速度快、易于控制等优点，因此在工程领域得到了广泛应用。
二、液压传动与控制系统的设计原则和方法在设计液压传动与控制系统时，应遵循以下原则：1.确保系统工作安全、可靠；2.优化结构，降低成本；3.提高系统效率，降低能耗；4.易于维护和故障排除。
设计方法主要包括：1.确定系统的工作原理和性能要求；2.选择合适的液压元件；3.设计合理的系统结构；4.进行系统性能分析和优化；5.编制设计计算说明书。
三、液压传动与控制系统的组成及功能液压传动与控制系统主要由以下几部分组成：1.动力元件：如液压泵、电动机等；2.执行元件：如液压缸、液压马达等；3.控制元件：如阀门、压力开关等；4.辅助元件：如油箱、管路、接头等；5.传感器：如压力、流量、温度传感器等。
各部分功能如下：1.动力元件：为系统提供压力油；2.执行元件：将压力油转换为线性或旋转运动；3.控制元件：调节系统油液的流量、压力、流向等；4.辅助元件：保证系统油液的清洁、冷却、密封等；5.传感器：实时监测系统工作状态，为控制系统提供反馈信号。
四、液压传动与控制系统的设计步骤1.确定设计任务和要求；2.选择合适的液压元件；3.设计系统原理图；4.进行系统性能计算和分析；5.编制设计计算说明书；6.绘制设计图纸；7.审核和验收。
五、液压传动与控制系统的应用领域液压传动与控制系统在以下领域得到广泛应用：1.工程机械：如挖掘机、推土机等；2.自动化设备：如机器人、生产线等；3.交通运输：如汽车、船舶等；4.航空航天：如飞行器、卫星等；5.军事领域：如装甲车辆、舰艇等。
挖掘机-液压和控制系统
双泵定量 系统型式
双泵单回路系统（示例见教材图6-5） 双泵双回路系统（示例见教材图6-6）
第二章 挖掘机的构造
单斗液压挖掘机
二.变量系统（参见教材P221~229）
变量系统通过改变油泵的排量实现流量的变化，即变量系统是 通过容积调速来改变执行元件的动作速度。在变量范围内，执行 元件的动作速度随外载荷自动变化。
单斗液压挖掘机通常在主泵出口设置限压阀（安全阀）以限制系统的最 高压力。此外，还在某些元件的进出油口设置限压阀以限制其闭锁压力。
一般情况下，高压系统限压阀的调定压力不超过系统压力的25%，中高 压系统限压阀的调定压力可以调高到25%以上。
（二）卸荷回路（图6-24）
卸荷回路是在挖掘机不工作时，使液压泵尽可能以最低功率消耗进行空 转而不是溢流回油，以减少功率损失。
（六）双泵系统的合流供油（参见图6-20、6-22）
双泵系统 的合流供 油方式
手动合流：工作可靠、灵活性大，但动作繁杂。 自动合流：工作可靠、操作简单、灵活性较差。
第二章 挖掘机的构造
单斗液压挖掘机
2.5.4 液压系统的基本回路和辅助回路
（一）限压回路（图6-23）
限压回路用来限制系统压力或将系统某一部分的压力控制在一定的范围 内，以保护系统和元件不受损坏。常见的限压阀有溢流阀、减压阀、顺序阀 和压力继电器等。
b)先导信号压力解除回转停车制动。 c)先导信号压力会按照液压系统载荷的大小自动把行驶速度提高或降低。 d)先导信号压力控制直驶控制阀，使工作装置操作进行期间保持直驶。 e)先导信号压力控制装载或挖掘过程中阀类的动作。
第二章 挖掘机的构造
单斗液压挖掘机
（八）负荷传感控制系统
阀控系统实质上是节流式控制系统，其滑阀的微调性能和复合操作性能
挖掘机的液压系统
液压泵——轴向柱塞泵
挖掘机的主泵一般为柱塞泵泵。
液压控制阀
1. 流量控制阀 2. 压力控制阀 3. 方向控制阀
流量控制阀
• 主要控制流过管路的流量，通过 对流量的控制还可以对回路的压 力产生一定影响。注意节流会产 生损失。
液压回路的合流
• 合流：一般用于双泵和多 泵系统中。用合流阀或者 使两个回路中相应的换向 阀同时动作，让两个泵同 时向一个执行元件供油以 提高该执行元件的运动速 度，从而提高作业效率。
主控阀杆 泵1
合流阀杆 泵2
挖掘机液压回路合流：
动臂提升，斗杆、铲斗都实现双泵合流。
动臂提升合流
两泵在阀后实现合流，提高动臂提升速度
曲线上），每个泵就可传递发动机功率的50%，即才能全部利用 发动机的输出功率。
全功率控制变量泵
特点： 1. 两个泵由一个直接作用的调节器来调节，控制压力为两泵负载 压力之和，尽管两泵负载压力不等，但两个泵的输出流量相等 。 2. 只有当P1+P2在恒功率的压力范围内（即功率点在恒功率双曲 线上），每个泵就可传递发动机功率的50%，即才能全部利用 发动机的输出功率。
b c d ef g
无
控
制
油
A
压
B
a
KAWASAKI
B → A解锁
B → A解锁：c口封闭， B →a →b → 与g不通
g → f → e → d →环槽i → h→油箱
b c h die f g 有
控
制
油
A
压
B
a
液压蓄能器
原理：气体被压 缩后储存能量。 作用：吸收液压 膜片 振动和冲击并且 可以作为应急能 源使用。
如何正确使用挖掘机的控制系统
如何正确使用挖掘机的控制系统挖掘机是一种重型机械设备，广泛应用于建筑工程、矿山开采和土地开垦等领域。
而挖掘机的控制系统是其操作的关键，正确使用挖掘机的控制系统可以提高工作效率，确保施工安全。
本文将从挖掘机的控制系统介绍、操作技巧和维护保养等方面进行论述。
一、挖掘机的控制系统介绍挖掘机的控制系统主要由操作手柄、液压系统和电气控制系统组成。
操作手柄是操作者与挖掘机之间的桥梁，通过手柄的操作来控制挖掘机的动作。
液压系统是挖掘机的动力来源，通过液压油的压力来驱动挖掘机的各个部件。
电气控制系统则是对挖掘机进行电气控制的重要组成部分。
二、正确使用挖掘机的控制系统的操作技巧1. 熟悉挖掘机的控制系统在操作挖掘机之前，首先要熟悉挖掘机的控制系统。
了解每个手柄的功能和对应的动作，掌握液压系统的工作原理和电气控制系统的操作方法。
只有对挖掘机的控制系统有充分的了解，才能正确操作挖掘机。
2. 灵活运用手柄操作挖掘机的手柄操作是灵活多变的，需要根据不同的工作情况进行调整。
在进行挖掘作业时，要根据土壤的硬度和挖掘深度来调整手柄的操作力度和速度。
在转向时，要掌握好手柄的转向力度，避免过度转向或不足转向。
3. 注意挖掘机的平衡挖掘机在进行挖掘作业时，要注意保持机身的平衡。
在进行高空作业时，要注意挖掘机的稳定性，避免机身倾斜或侧翻。
同时，在进行挖掘作业时，要根据挖掘机的平衡状态来调整手柄的操作力度，确保挖掘机的稳定性。
4. 注意挖掘机的安全挖掘机是一种危险的工作机械，操作时要特别注意安全。
在进行挖掘作业时，要保持周围环境的清晰，避免与其他设备或人员发生碰撞。
在进行高空作业时，要使用安全带和防护设备，确保自身的安全。
三、挖掘机控制系统的维护保养1. 定期检查液压系统挖掘机的液压系统是其正常工作的关键，定期检查液压系统的工作状态是非常重要的。
检查液压油的压力、温度和泄漏情况，及时更换液压油和清洗液压系统，确保液压系统的正常运行。
2. 清洁电气控制系统挖掘机的电气控制系统容易受到灰尘和湿气的影响，定期清洁电气控制系统是保证其正常工作的关键。
挖掘机的液压控制系统解读
#$此外!这两种控制系统都能进行最大流量限制!系统的可靠性&稳定性&可维护性等都经过实践验证$总之!这两种控制系统各有优势!而各自的不足对整个控制系统没有多大影响!因此!这两种控制系统都得到了用户的认可$
图&两种控制系统操作过程与执行
机构动作的关系
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责任编辑’贺彩宏"
挖掘机的液压控制系统
王成虎!尹志红
"宇通重工有限公司产品开发处!河南郑州&#" " #%#
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现代液压挖掘机的液压控制系统主要是流量控制系统!流量控制系统分为节流控制和负荷传感控制!节流控制又分为负向流量控制和正向流量控制$目前!液压挖掘机上使用最多的是负向流量控制和负荷传感控制$使用负向流量控制的主机厂家主要有%大宇&詹阳&卡特&神钢&小松" 1%0#以及1%0#之前的机型#等!使用负荷传感控制的主机厂家主要有%日立&三一&小松" 1%01和1%0*机型#等$
负向流量控制中泵的流量!是随控制压力信号" #的
增大而减小的!控制压力信号"
#
液压挖掘机控制系统介绍
液压挖掘机控制系统介绍目前，机电液一体是液压挖掘机的要紧进展方向盘，其目的是实现液压挖掘机的全自动化，即人们对液压挖掘机的研究，逐步向机电液操纵系统方向转移，使挖掘机由传统的杠杆操纵逐步进展到液压操纵、气压操纵、电气操纵、液压伺服操纵、无线电操纵、电液比例操纵和运算机直截了当操纵。
因此，对挖掘机的机电液一体化的研究，要紧集中在液压挖掘机的操纵系统上。
液压挖掘机操纵系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压缸、液压马达）等所构成的动力系统进行操纵的系统。
按操纵功能，可分为位置操纵系统、速度操纵系统和力（或压力）操纵系统；按操纵元件，可分为发动机操纵系统、液压泵操纵系统、多路换向阀操纵系统、执行元件操纵系统和整机操纵系统。
目前，液压挖掘机操纵系统已进展到复合操纵系统。
发动机的操纵系统由柴油机的外型特性曲线可知，柴油机是近似的恒扭矩调剂，其输出功率的变化表现为转速的变化，但输出扭矩差不多不变化。
油门开度增加（或减小），柴油机输出功率就增加（或减小），由于输出扭矩差不多不变，因此柴油机转速也增加（或减小），即不同的油门开度对应着不同的柴油机转速。
由此可见，对柴油机操纵的目的是，通过对油门开度的操纵来实现柴油机转速的调剂。
目前应用在液压挖掘机柴油机上的操纵装置有电子功率优化系统、自动怠速装置、电子调速器、电子油门操纵系统等。
液压元件操纵系统对液压泵的操纵差不多上通过调剂其变量摆角来实现的。
依照操纵形式的不同，可分为功率操纵系统、流量操纵系统和组合操纵系统等三大类。
其中的功率操纵系统有恒功率操纵、总功率操纵、压力切断操纵和变功率操纵等；流量操纵系统有手动流量操纵、正流量操纵、负流量操纵、最大流量二段操纵、负荷传感操纵和电气流量操纵等；组合操纵系统是功率操纵和流量操纵的组合操纵，在液压操纵机上应用最多。
液压操纵阀操纵系统1）先导型操纵系统换向操纵阀的操纵形式有直动型（用手柄直截了当操纵换向阀主阀芯，目前少用）和先导型两种。
液压挖掘机半自动控制系统
液压挖掘机半自动控制系统Hirokazu Araya, Masayuki Kagoshima日本工程机械研究室Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271, 日本2000.6.7摘要：一种液压挖掘机半自动控制系统已经研制成功。
利用这个系统，操作不熟练的操作人员可以方便，准确地操作液压挖掘机。
人们构建了一个带有控制器的液压挖掘机的数学控制模型，并且通过模拟实验开发出了一个控制算法。
该算法应用于液压挖掘机并且对其有性能进行了评估。
通过正反馈加前馈控制，非线性补偿，状态反馈和增益调度等措施能够得到较高的控制精度、稳定性能。
自然杂志2001年拥有所有版权。
关键词：工程机械；液压挖掘机；前馈；状态反馈；操作1简介液压挖掘机是一种工程机械，可作为一大关节机器人。
挖掘和装载作业使用这台机器需要高度的技巧，而且容易引起疲劳，甚至对于相当熟练的操作人员也是如此。
另一方面，随着操作人员年龄的增长，熟练的操作人员数量也因此减少。
这种情况需要一种液压挖掘机，它可以任何人（1-5）很容易的操作。
液压挖掘机需要高度的技巧原因如下：1.在这些操作中，两个以上的杠杆必须同时操作并较好的调整。
2.杠杆操作的动作方向不同于臂杆的组件的运动方向。
例如，液压挖掘机的反铲水平动作，我们必须操作三个操作手柄（斗柄，动臂，铲斗）使铲斗的顶部沿着水平（图1）运动。
在这种情况下，杠杆操作指向执行器的方向，但是这个方向，不同于工作方向。
如果操作者只用一个杠杆而其余的是自动操作，操作变得非常容易。
我们称这个系统为半自动控制系统。
当我们开发这个半自动控制系统，这两个技术问题必须解决。
1.我们必须使用普通控制阀用于自动控制。
2.我们必须补偿液压挖掘机动态特性，以提高控制精度。
我们已经制定了控制算法来解决这些技术问题，并通过实际液压挖掘机实验确认这种控制算法的有效性。
使用此控制算法，我们已经完成了液压挖掘机的半自动控制系统。
工程机械“半闭式”液压系统技术介绍
"#ne&Lifting Forum吊装专栏工程机械“半闭式）液压系统技术介绍马广奇陈双双江苏天嘉车辆技术有限公司江苏扬州225224摘要以半闭式液压控制原理分析为例，详细描述了半闭式系统的控制原理、关键元件选型参数等技术要 求,并介绍了二类底盘改装除雪车的实际应用案例Y结果表明，半闭式系统是一种介于开式和闭式中间的系统，能够很好地吸收两种系统的优点，实现优势互补,具有一定的推广应用前景。
关键词液压系统半闭式工程机械中图分类号TQ082文献标识码B文章编号1672-9323（201,01-0031-03随着液压技术快速发展，工程机械产品越来越多地采用液压系统进行传动控制。
工程机械液压系统控制方式传统上分开式系统和闭式系统两种，用户可根据产品使用工况、使用压力、设计成本、布局空间尺寸来选择。
上述两种控制方式各有优缺点,都有一定的适用场合。
但在液压系统实际设计中还会遇到上述两种系统都不能满足设计要求的情况，比如二类底盘改装中,液压系统设计成本不能太高，无法采用闭式系统；又因工况需要，液压泵的排量很大，超过100mL/r并且有些是双泵系统,需要很大容积和尺寸的液压油箱,同时液压泵到油箱吸油口需要采用通径很大的管路，实际改装中具上述件的间，以开式系统理论设计上满足，而实际施工却无法满足。
为此,可以采用“半闭式”液压系统来满足上述要求。
1开式、闭式液压系统控制原理及优缺点介绍开式系统是液压吸，液压液压以动工机，液压液压的液压到液压油箱,形成一个开式回路。
开式系统具有结构简单、液压元件选择面较广且使用成本较低，液压系统散热性较好等优点，从而降低了液压系统的做功效率。
但同时该系统也存在液压元件布局尺寸较大，尤其是需要一个较大容积的液压油箱等缺陷。
闭式系统是指液压泵的进油管直接与执行元件（多为液压马达）的回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。
闭式系统结构较为紧凑，与气接触机会较少，空气不易渗入系统，故传动的平稳性好、做功效率较高。
工程机械的自动控制系统分析
（ 江苏河海科技 工程集 团有 限公 司，江苏 泰 兴 ２ ２ ５ ４ ０ ０）
摘要 ：文章 阐述了两种工程机械作业的操作控制系统，分别为液压挖掘机微机控制系统和推土机微机控制系 统 ，分析 了其 系统控 制原 理开 口 特 点 。最后介 绍 了当前 已有 的几种 技 术 ，分 别为传 感 器技 术 、微机控 制技 术 、
作装置 外，还要提 高作业效率和作 业质量 ，因此 ，要 同时
完成这 么大的工作量 其技术难度较 大。一般来说 ，挖掘机
坚实的理论保证和 技术实践 ，有可 能实现工程机械设备 的
微机 控 制 。
在进行作业 的时候是 停在某一处进 行挖 掘作业 的，表面看 起来好像 很简单 ，但 实际上 由于挖 掘机的作业装 置为多 自
电动 定 扭 矩 扳 手 的 数 量 和施 工 人 员 的 投入 能够 满足 要求 。
参考文献
［ １ 】 岑 阿毛．输 配电线路施 工技术 大全［ Ｍ】 ． 昆明：云南
科 技 出版 社 ，２ ０ ０ ４ ．
加大培训力 度 ，组织 电动定扭矩扳 手的操作人 员进行
统 一培训及现场 操作指 导，掌握操作 要领 ，避免 由于操作
电 力 出版 社 ，１ ９ ９ ８ ．
．
［ ３ 】 王 恒 昌．送 电线路施 工 （ 高级 工 ）［ Ｍ】 ．北京 ：中 国
［ ４ １ 国家电网公 司． １ ０ ０ ０ ｋ Ｖ架空送 电线路铁塔组立施工工
采用 以上方法 紧固 ，大 大提高 了钢 管塔法兰螺栓 的紧 固率，但 同时在实际应用 中也 出现 了许 多新 的问题 ，如部
不当致使扳手损坏。 构建沟通平 台 ，施工 单位及 时向厂 家反馈施工 中遇到 的问题 ，厂家应 在最短 的时间 内予 以解 决 ，保证现 场的连
美国卡特BH235DE液压挖掘机电气控制原理
美国卡特BH235DE液压挖掘机电气控制原理美国卡特BH235DE液压挖掘机是一种大型的工程机械设备，其电气控制原理是非常重要的。
以下是关于这款液压挖掘机电气控制原理的详细介绍：一、控制原理：美国卡特BH235DE液压挖掘机电气控制原理主要基于 PLC（可编程逻辑控制器）和CAN（控制器区域网络）两种技术。
这些技术通过编程和通信来控制机器的各个部分，如电动机、液压泵、液压缸、传感器和控制器等。
所有这些部件都集成在一起，形成了一个全局控制系统。
这个系统能够实现挖掘机的运行、操作和安全控制。
二、PLC 技术：PLC 技术是美国卡特BH235DE液压挖掘机电气控制系统的核心。
该系统使用的是兼容各种传感器、执行器和通信设备的高速微处理器。
PLC 可编程器通过编程来控制整个机器的各个部分，让液压挖掘机的各个部分协作运行。
例如，当驾驶员控制手柄时，PLC 将响应该指令，使液压泵和液压缸协调工作。
此外，PLC 能够控制液压排量、调整液压压力和保持系统平稳运行。
三、CAN 技术：CAN 技术也是美国卡特BH235DE液压挖掘机电气控制系统的一部分。
CAN 是一种控制器区域网络，用于实现数据通信。
CAN 技术通过一个标准的通用接口，将设备、传感器和执行器与 PLC 直接连接起来。
CAN 技术还能够在机器内部的不同控制板卡之间进行通信，增强了整个系统的可靠性和实时性。
四、具体应用：美国卡特BH235DE液压挖掘机电气控制系统应用了 PLC 和CAN 技术，可以实现数字、集成化和自动化的控制。
操作员使用驾驶舱内的控制面板，通过 PLC 控制挖掘机的转动、移动、提升、延伸和挖掘等动作。
同时，CAN 技术能够采集和传输机械设备的各种数据，如工作压力、机器速度、位置和温度等信息。
这些数据有助于优化液压挖掘机的操作效率，减少磨损和损坏，延长机器的使用寿命。
总之，美国卡特 BH235DE液压挖掘机电气控制系统是一种高效、先进的控制系统，能够实现挖掘机的自动化运作。
柳工挖掘机的液压系统及控制概论
柳工挖掘机的液压系统及控制概论
柳工挖掘机的液压系统结构主要包括液压泵、液压马达、液压缸、配压阀、控制阀等组成。
液压泵是液压系统的动力源，负责向液压系统供应高压液体。
液压马达则是将液体能量转换为机械能，驱动执行机构进行工作。
液压缸作为液压系统的执行机构，负责完成挖掘机的各项动作，如铲斗的提升、倾斜、回转等。
液压系统的工作原理是利用液体的流体性质，通过控制压力和流量来实现动力传递和工作机构的运动控制。
液压系统具有以下优点：一是能够实现很大的力矩和功率输出，适应各种大型工作需求；二是可靠性高，可在各种恶劣环境下稳定运行；三是动作平稳，操作灵活，能够实现多种工作方式和动作组合。
总结而言，柳工挖掘机的液压系统是挖掘机的核心部件，负责传递能源，控制机构的运动，实现挖掘机的各项动作和功能。
液压系统的结构和控制方式决定了挖掘机的工作效率和性能。
因此，对于柳工挖掘机的用户和维护人员来说，了解液压系统的原理和控制方法，对于提高挖掘机的使用效果和维修保养都有着重要的意义。
挖掘机的液压系统及控制完整版PPT
充满氮气
液压回路的串联
• 串联：多路换向阀 中上一个阀的回油 为下一个阀的进油 。液压泵的工作压 力是同时工作的执 行元件的总和，这 种油路可以做复合 动作，但是克服外 载荷的能力比较差 。
液压回路的并联
• 并联：多路换向阀中 各换向阀的进油口都 与泵的出油路相连， 各回油口都与油箱相 连。这种油路克服外 载荷的能力比较强， 但是几个执行元件同 时工作时负载小的先 动，负载大的后动， 复合动作不协调。
• 流量Q（单位L/min，升/分钟） 单位时间内输出液压油的体积。 Q=q×n（不考虑单位转换系数，下同） 其中n是泵的转速，单位rpm，转/分钟
• 泵的功率N（单位Kw，千瓦） N=P×Q
液压马达的基本性能参数
• 排量q（单位ml/r，毫升/转） 液压马达每转一周所排出液体的体积。排量不可变 的叫定量马达，排量可变的叫变量马达。
目的：动臂油缸大腔进油。 结果：在重力作用下,换向瞬间 大腔的油流回油箱，造成油缸 先缩回后伸出。
“点头”现象的解决方案
1.采用三位六通
换向阀；
2.在进油道设置
单向阀。
5
注：
1.管路5和12都是
进油道；
2.管路是回油。
12 10
二通插装阀
方 向 控 制 回 路
液压蓄能器
液压油 膜片
原理：气体被压 缩后储存能量。
顺序阀
泵的压力切断控制
Q
无压力切断控制
Q大 Q小
P 压力切断控制
• 泵输出压力在设定值以 上时，使泵的流量自动 减小，进行压力切断控 制（恒压控制），主要 目的是进一步减小高压 溢流损失。
泵的负流量控制
液压挖掘机的半自动控制系统
Semi-automatic control system for hydraulic shovelAbstract ：A semi-automatic control system for a hydraulic shovel has been developed. Using this system, unskilled operators canoperate a hydraulic shovel easily and accurately. A mathematical control model of a hydraulic shovel with a controller was constructed and a control algorithm was developed by simulation. This algorithm was applied to a hydraulic shovel and its effectiveness was evaluated. High control accuracy and high-stability performance were achieved by feedback plus feedforward control, nonlinear compensation, state feedback and gain scheduling according to the attitude. q2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.Keywords:Construction machinery; Hydraulic shovel; Feedforward; State feedback; Operation1.IntroductionA hydraulic shovel is construction machinery that can be regarded as a large articulated robot. Digging and loading operations using this machine require a high level of skill, and cause considerable fatigue even in skilled operators. On the other hand, operators grow older, and the number of skilled operators has thus decreased. The situation calls for hydraulic shovels, which can be operated easily by any person 1–5.The reasons why hydraulic shovel requires a high level of skill are as follows.. 1. More than two levers must be operated simultaneously and adjusted well in such operations.The direction of lever operations is different from that of a shovel’s attachment movement.For example, in level crowding by a hydraulic shovel, we must operate three levers （arm, boom, bucket ）simultaneously to move the top of a bucket along a level surface(Fig. 1 .) In this case, the lever operation indicates the direction of the actuator, but this direction differs from the working direction.If an operator use only one lever and other freedoms are operated automatically, the operation becomes very easily. We call this system a semi-automatic control system.When we develop this semi-automatic control system, these two technical problems must be solved.1. We must use ordinary control valves for automatic control.2. We must compensate dynamic characteristics of a hydraulic shovel to improve the precision of controlWe have developed a control algorithm to solve these technical problems and confirm the effect of this control algorithm by experiments with actual hydraulic shovels. Using this control algorithm, we have completed a semi-automatic control system for hydraulic shovels. We then report these items.2. Hydraulic shovel modelTo study control algorithms, we have to analyze numerical models of a hydraulic shovel. The hydraulic shovel, whose boom, arm, and bucket joints are hydraulically driven, is modeled as shown in Fig.2. The details of the model are described in the following.2.1. Dynamic model 6Supposing that e ach attachment is a solid body,from Lagrange’s equations of motion, the following expressions are obtained:WhereAnd g=gravitational acceleration. θi is the joint angle, τi is the supply torque, li is the attachment length, lgi is the distance between the fulcrum and the center of gravity, mi is the mass of the attachment, Iiis the moment of inertia around the centerofgravity (subscripts i=1–3, meanboom,arm, and bucket, respectively ).Hydraulic modelEach joint is driven by a hydraulic cylinder whose flow is controlled by a spool valve, as shown in Fig.3. We can assume the following:1. The open area of a valve is proportional to the spool displacement.2. There is no oil leak.3. Nopressuredropoccurswhenoilflowsthrough piping.4. The effective sectional area of the cylinder is the same on both the head and the rod sides.In this problem, for each joint, we have the following equation from the pressure flow characteristics of the cylinder:When；where, Ai=effective cross-sectional area of cylinder; hi=cylinder length; Xi=spool displacement; Psi=supply pressure; P1i=cylinder head-side pressure; P2i=cylinder rod-side pressure; Vi=oil volume in the cylinder and piping; Bi=spool width; γ=oil density; K=bulk modulus of oil; and c=flow coefficient.Link relationsIn the model shown in Fig. 1, the relation between the cylinder length change rate and the attachment rotational angular velocity is given as follows 1) boom(2 )arm(3) bucketwhen 时，Torque relationsFrom the link relations of Section 2.3, the supply torque τi is given as follows, taking cylinder friction into consideration:Where, Cciis the viscous friction coefficient and Fi is kinetic frictional force of a cylinder.Response characteristics of the spoolSpool action has a great effect on control characteristics. Thus, we are assuming that the spool hasthe following first-order lag against the reference input.Where, is the reference input of spool displacement and is a time constant.3.Angle control systemAs shown in Fig. 4, the angle θis basically controlled to follow the reference angleθγby position feedback. In order to obtain more accurate control, nonlinear compensation and state feedback are added to the position feedback. We will discuss details of these algorithms as follows.3.1. Nonlinear compensationIn the ordinary automatic control systems, new control devices such as servo valves are used. In our semi-automatic system, in order to realize the coexistence of manual and automatic operations, we must use the main control valves, which are used in manual operation. In these valves, the relation between spool displacement and open area is nonlinear.Then, in automatic operation, using this relation, the spool displacement is inversely calculated from the required open area, and the nonlinearity is compensated (Fig. 5 .)3.2. State feedbackBased on the model discussed in Section 2, if the dynamic characteristics for boom angle control are linearized in the vicinity of a certain standard condition (spool displacement X 10 , cylinder differential pressure P 110, and boom angleθ10), the closed-loop transfer function can be expressed bywhere, Kp is position feedback gain; andThis system has a comparatively small coefficient a1, so the response is oscillatory. For instance, if in our large SK-16 hydraulic shovel, X10 is 0, the coefficients are given as a0=2.7⨯102-,a1=6.0⨯106-,a2=1.2⨯103-Addingthe acceleration 2 feedback of gain K , to this (the upper loop in Fig. 4). the closed loop transfer function is given asAdding this factor, the coefficient of S2becomes larger, thus, the system becomes stable. In this way, acceleration feedback is effective in improving the response characteristics.However, it is generally difficult to detect acceleration accurately. To overcome this difficulty, cylinder force feedback was applied instead of acceleration feedback (the lower loop in Fig. 4). In this case, cylinder force is calculated from detected cylinder pressure and filtered in its lower-frequency portion [7，8]. This is called pressure feedback.4. Servo control systemWhen one joint is manually operated and another joint is controlled automatically to follow the manual operation, a servo control system must be required. For example, as shown in Fig. 6, in the level crowding control, the boom is controlled to keep the arm end height Z(calculated fromθ1 andθ2.to refer- 1 2 ence Zr. In order to obtain more accurate control, the following control actions are introduced.Fig. 6. Block diagram of control systemŽZ..4.1. Feedforward controlCalculating Z from Fig. 1, we obtainDifferentiating both sides of Eq. Ž8. with respect to time, we have the following relation,The first term of the right-hand side can be taken as the expression(feedbackportion)to convert Z˙ to.1, and the second term of the right-hand side is theexpression(feedforward portion)to calculate how muchθ1should be changed whenθ2 is changed manuallyActually, θ2 is determined using the difference 2value of △θ2 . To optimize the feedforward rate, feedforward gain Kff is tunedThere may be a method to detect and use the arm operating-lever condition(i.e. angle)instead of arm angular velocity, since the arm is driven at an angular velocity nearly proportional to this lever condition.4.2. Adaptive gain scheduling according to the attitudeIn articulated machines like hydraulic shovels, dynamic characteristics are greatly susceptible to the attitude. Therefore, it is difficult to control the machine stably at all attitudes with constant gain. Tosolve this problem, the adaptive gain scheduling according to the attitude is multiplied in the feedback loop(Fig. 6). As shown in Fig. 7, the adaptive gain (KZ or Kθ)ischaracterized as a function of two variables, 2 and Z. 2 means how the arm is extended, and Z means the height of the bucket.5. Simulation resultsThe level crowding control was simulated by applying the control algorithm described in Section 4 to the hydraulic shovel model discussed in Section 2. (In the simulation, our large SK-16 hydraulic shovelwas employed) Fig. 8 shows one of the results. Five seconds after the control started, load disturbance was applied stepwise. Fig. 9 shows the use of feedforward control can reduce control error.Fig. 7 Gain scheduling according to the attitude.Fig. 8 Simulation result of level crowdingFig. 9 Effect of feedforward control on control error of Z.6. Semi-automatic control systemBased on the simulation, a semi-automatic control system was manufactured for trial, and applied to the SK-16 shovel. Performance was then ascertained by field tests. This section will discuss the configuration and functions of the control system.Fig. 10 Schema of control system6.1. ConfigurationAs illustrated in Fig. 10, the control system consists of a controller, sensors,man–machine interface, and hydraulic control system.The controller is based on a16-bit microcomputer which receives angle input signals of the boom, arm, and bucket from the sensor; determines the condition of each control lever; selects control modes and calculates actuating variables; and outputs the results from the amplifier as electrical signals. The hydraulic control system generates hydraulic pressure proportional to the electrical signals from the electromagnetic proportional-reducing valve, positions the spool of the main control valve, and controls the flow rate to the hydraulic cylinder. In order to realize high-speed, high-accuracy control, a numeric data processor is employed for the controller, and a high-resolution magnetic encoder is used for the sensor. In addition to these, a pressure transducer is installed in each cylinder to achieve pressure feedback.The measured data are stored up to the memory, and can be taken out from the communication port.6.2. Control functionsThis control system has three control modes, which are automatically switched in accordance with lever operation and selector switches. These functions are the following(1)Level crowding mode: during the manual arm pushing operation with the levelcrowding switch, the system automatically controls the boom and holds the arm end movement level. In this case, the reference position is the height of the arm end from the ground when the arm lever began to be operated. Operation of the boom lever can interrupt automatic control temporarily, because priority is given to manual operation.(2)Horizontal bucket lifting mode: during the manual boom raising operation withthe horizontal bucket lifting switch, the system automatically controls the bucket. Keeping the bucket angle equal to that at the beginning of operationprevents material spillage from the bucket.(3)Manual operation mode: when neither the level crowding switch nor thehorizontal bucket lifting switch are selected, the boom, arm, and bucket arecontrolled by manual operation only.The program realizing these functions is primarily written in C language, and has well-structured module to improve maintainability.7. Results and analysis of field testWe put the field test with the system. We confirmed that the system worked correctly and the effects of the control algorithm described in Chaps. 3 and 4 were ascertained as follows.7.1. Automatic control tests of individual attachmentsFor each attachment of the boom, arm, and bucket, the reference angle was changed±5ºstepwise from the initial value, and the responses were measured; thus, the effects of the control algorithm described in Chap. 3 were ascertained.7.1.1. Effect of nonlinear compensationFig. 11 shows the test results of boom lowering.Because dead zones exist in the electro-hydraulic systems, steady-state error remains when simple position feedbackwithout compensation is applied (OFF in the figure) Addition of nonlinear compensation (ON in the figure)can reduce this errorFig. 11 Effect of nonlinear compensation on boom angle7.1.2. Effect of state feedback controlFor the arm and bucket, stable response can be obtained by position feedback only, but adding acceleration or pressure feedback can improve fast-response capability. As regards the boom, with onlythe position feedback, the response becomes oscillatory. Adding acceleration or pressure feedback made the response stable without impairing fast-response capability. As an example, Fig. 12 shows the test results when pressure feedback compensation was applied during boom lowering.Fig.12 Effect of pressure feedback control on boom angle.7.2. Level crowding control testControl tests were conducted under various control and operating conditions to observe the control characteristics, and at the same time to determine the optimal control parameters (such as the control gains shown in Fig. 6).7.2.1. Effects of feedforward controlIn the case of position feedback only, increasing gain Kpto decrease error△Z causes oscillation due to the time delay in the system, as shown by OFF in Fig. 13. That is, Kp cannot be increased. Applying the feedforward of the arm lever value described in Section 4.1 can decrease error without increasing Kp as shown by ON in the figure.Fig. 13.Effect of feedforward control on control error of Z.7.2.2. Effects of compensation in attitudeLevel crowding is apt to become oscillatory at the raised position or when crowding is almost completed. This oscillation can be prevented by changing gain Kp according to the attitude, as has been p discussed in Section 4.2. The effect is shown in Fig. 14. This shows the result when the level crowding was done at around 2 m above ground. Compared to the case without the compensation, denoted by OFF in the figure, the ON case with the compensation provides stable response.]Fig. 14 Effect of adaptive gain control on control error of Z.7.2.3. Effects of control intervalThe effects of control interval on control performance were investigated. The results are:1.when the control interval is set to more than 100 ms, oscillation becomes greaterat attitudes with large moments of inertia;2.when the control interval is less than 50 ms, control performance cannot beimproved so much.Consequently, taking calculation accuracy into account, the control interval of 50 ms was selected for this control system.7.2.4. Effects of loadA shovel with this control system carried out actual digging to investigate the effects of loading.No significant difference was found in control accuracy from that at no load.8.ConclusionsThis paper has shown that combining state feedback and feedforward controls makes it possible to accurately control the hydraulic shovel, and also showed that nonlinear compensation makes it possible to use ordinary control valves for automaticcontrols. The use of these control techniques allows even unskilled operators to operate hydraulic shovels easily and accurately. We will apply these control techniques to other construction machinery such as crawler cranes, and improve the conventional construction machinery to the machines which can be operated easily by anyone.References：[1] J. Chiba, T. Takeda, Automatic control in construction machines, Journal of SICE 21 8 1982 40–46.[2] H. Nakamura, A. Matsuzaki, Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 55–62.[3] T. 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