千噸級(jí)以上的大型履帶起重機(jī)屬于重大技術(shù)裝備，是重大基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備之一，2002 年特雷克斯推出世界首臺(tái)千噸級(jí)履帶起重機(jī)。為了擺脫國(guó)內(nèi)重大設(shè)備吊裝對(duì)進(jìn)口履帶起重機(jī)的依賴，徐工建機(jī)針對(duì)國(guó)家大型施工設(shè)施建設(shè)，開(kāi)發(fā)了XGC88000 型超大噸位履帶起重機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白，為國(guó)家大型建設(shè)項(xiàng)目的吊裝提供了設(shè)備保障。本文介紹該型起重機(jī)采用的閉式負(fù)扭矩控制、前后機(jī)協(xié)調(diào)控制、多機(jī)構(gòu)同步控制等關(guān)鍵智能控制技術(shù)。

一、整機(jī)結(jié)構(gòu)

     該型履帶起重機(jī)最大起吊質(zhì)量為3600t，最大起吊力矩為88000t·m。整機(jī)分為前機(jī)和后機(jī)2個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力及履帶行駛系統(tǒng)，前機(jī)安裝起重臂、超起桅桿、卷?yè)P(yáng)及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，后機(jī)安裝超起配重。該型起重機(jī)前機(jī)可拆分成1 臺(tái)1600t 履帶起重機(jī)。為了提高吊裝作業(yè)效率，該型起重機(jī)卷?yè)P(yáng)、回轉(zhuǎn)、行駛液壓系統(tǒng)采用閉式回路。為了保證起重機(jī)設(shè)備及人員作業(yè)安全，該型起重機(jī)設(shè)置了總線通訊多級(jí)安全冗余控制系統(tǒng)，其特有的回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、多機(jī)構(gòu)同步控制系統(tǒng)解決了超

大型起重機(jī)控制滯后、控制穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

二、控制特點(diǎn)

1. 負(fù)扭矩控制

（1）扭矩特性分析

     履帶起重機(jī)起吊重物無(wú)論起升、下落時(shí)都要保證平穩(wěn)可靠。該型起重機(jī)卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)采用閉式回路控制。起升時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)變量泵，卷?yè)P(yáng)變量泵通過(guò)閉式回路驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)馬達(dá)使重物提升。下降時(shí)，重物對(duì)卷?yè)P(yáng)馬達(dá)產(chǎn)生的

扭矩T l，通過(guò)卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)閉式回路傳遞至卷?yè)P(yáng)變量泵，再傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)。重物下降的重力（負(fù)載）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩方向相同，由此會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)被重物拖動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩為負(fù)值，

即負(fù)扭矩T′p，該負(fù)扭矩造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速難以控制。我們對(duì)閉式回路卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)扭矩特性進(jìn)行了分析，如圖1 所示。

      根據(jù)閉式回路液壓原理，卷?yè)P(yáng)馬達(dá)的負(fù)載扭矩T L 使閉式回路的高壓油路與低壓油路形成壓力差（P H － P L），該壓力差（P H － P L）與卷?yè)P(yáng)馬達(dá)的負(fù)載扭矩T L 及卷?yè)P(yáng)馬達(dá)排量V m、

傳動(dòng)效率η m 成下式關(guān)系：

式中：P H——高壓油路油壓，MPa；

P L——低壓油路油壓，MPa；

T L——負(fù)載折算到卷?yè)P(yáng)馬達(dá)的負(fù)載扭矩，

N ?m；

V m——卷?yè)P(yáng)馬達(dá)排量，L；

ηm——卷?yè)P(yáng)馬達(dá)傳動(dòng)效率。

    卷?yè)P(yáng)馬達(dá)使閉式回路形成的壓力差（P H-P L）反饋到卷?yè)P(yáng)變量泵，使卷?yè)P(yáng)變量泵輸出扭矩。卷?yè)P(yáng)變量泵與發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)分動(dòng)箱剛性連接，卷?yè)P(yáng)變量泵輸出扭矩傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出負(fù)扭矩T′p。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出負(fù)扭矩T′p 與閉式回路形成的壓力差（P H-P L）及卷?yè)P(yáng)變量泵結(jié)構(gòu)參數(shù)排量V P 及效率η P 符合下式關(guān)系：

式中：T′p——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出負(fù)扭矩，N·m；

V P——卷?yè)P(yáng)變量泵排量，L；

η P——卷?yè)P(yáng)變量泵傳動(dòng)效率。

將式（1）代入式（2）可得：

    從式（3）中可以看出，如果不考慮卷?yè)P(yáng)變量泵、卷?yè)P(yáng)馬達(dá)傳動(dòng)效率，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的負(fù)扭矩T′p 與負(fù)載扭矩T L、卷?yè)P(yáng)變量泵排量V P 成正比，與卷?yè)P(yáng)馬達(dá)排量V m 成反比。由于負(fù)載質(zhì)量在每次吊裝作業(yè)中是固定不變的，即負(fù)載扭矩T L 不變，所以可通過(guò)調(diào)節(jié)卷?yè)P(yáng)變量泵排量V P 和馬達(dá)排量V m 控制傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)本身具有一定的負(fù)扭矩/ 負(fù)功率吸收能力，例如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣阻力、機(jī)械摩擦、發(fā)動(dòng)機(jī)附件（水泵、機(jī)油泵、發(fā)電機(jī)、風(fēng)扇、增壓器等）的功率損失產(chǎn)生的阻力，卷?yè)P(yáng)變量泵、卷?yè)P(yáng)馬達(dá)內(nèi)泄及消耗效率。由于這些負(fù)功率、內(nèi)泄及消耗效率的不確定性，難以精確計(jì)算，且在消耗這些負(fù)扭矩時(shí)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一定程度上提高。如果負(fù)載造成的負(fù)扭矩不大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高后可以自己穩(wěn)定在另一個(gè)轉(zhuǎn)速值，這種狀態(tài)下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)并無(wú)傷害，且還具有節(jié)油功能，系統(tǒng)可不予調(diào)節(jié)。但當(dāng)?shù)踺d較重，超出發(fā)動(dòng)機(jī)本身的吸收能力，使發(fā)動(dòng)機(jī)升速超過(guò)額定的最高轉(zhuǎn)速，則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害。發(fā)動(dòng)機(jī)不足以“鉗制”負(fù)載，便會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)“飛車”和負(fù)載失控等現(xiàn)象。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成永久損壞，還可造成負(fù)載急速著地。此時(shí)不僅可使被吊的物體報(bào)廢，而且會(huì)使履帶起重機(jī)防后傾系統(tǒng)承受瞬時(shí)的反沖力，造成履帶起重機(jī)失穩(wěn)的重大安全事故。

（2）控制方法

     對(duì)閉式液壓系統(tǒng)控制的最終目的是保證卷?yè)P(yáng)馬達(dá)或重物能夠快速、可控地達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，且在這種狀態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和卷?yè)P(yáng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速在合理范圍內(nèi)。

因控制過(guò)程并非處于平穩(wěn)狀態(tài)，若等到發(fā)動(dòng)機(jī)升速至最大允許轉(zhuǎn)速再進(jìn)行干預(yù)則很難實(shí)現(xiàn)。且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被拖動(dòng)升至最大值、負(fù)載卻仍在加速下落時(shí)，無(wú)論調(diào)節(jié)卷?yè)P(yáng)馬達(dá)還是調(diào)節(jié)卷?yè)P(yáng)變量泵，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。為使負(fù)載下落時(shí)的速度得到控制，我們結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)變量泵控制器的輸入、輸出特性，設(shè)計(jì)了閉環(huán)負(fù)反饋控制方案，如圖2 所示。

該方案以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速作為反饋值，將其與油門(mén)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值比較，然后根據(jù)差值修正手柄控制的卷?yè)P(yáng)變量泵的排量。根據(jù)實(shí)際測(cè)試效果，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)油門(mén)設(shè)定轉(zhuǎn)速200r/min 以上時(shí)，立即降低控制器輸出至卷?yè)P(yáng)變量泵變量電流值，以降低卷?yè)P(yáng)變量泵的排量，直至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)降下雖然用誤差積分調(diào)節(jié)算法能減少系統(tǒng)超調(diào)量，但這會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。因起升系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差沒(méi)有嚴(yán)格限制，所以控制器的調(diào)節(jié)采用比例控制算法，不需引入誤差的積分調(diào)節(jié)算法，比例控制算法可滿足使用要求。

（3）測(cè)試

     我們對(duì)比例控制算法的控制器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

0 ～ 3s（A 線）對(duì)應(yīng)時(shí)間是扳動(dòng)手柄后控制器輸出至卷?yè)P(yáng)變量泵電流值（此時(shí)卷?yè)P(yáng)馬達(dá)制動(dòng)器已打開(kāi)，重物開(kāi)始下落），3.5 s 之后（B 線）對(duì)應(yīng)時(shí)間是檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)失速200r/min 后控制器降低卷?yè)P(yáng)變量泵電流值。從圖中可以看到，當(dāng)卷?yè)P(yáng)變量泵電流值降至470mA 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小到1400r/min以內(nèi)，從而抑制了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)失速的趨勢(shì)，驗(yàn)證了“降低卷?yè)P(yáng)變量泵排量能夠減小負(fù)扭矩”的理論依據(jù)。

2. 前機(jī)與后機(jī)協(xié)調(diào)控制

      XGC88000 型履帶起重機(jī)由前機(jī)和后機(jī)2個(gè)獨(dú)立動(dòng)力單元組成，因此需要考慮前、后機(jī)協(xié)調(diào)控制。例如，當(dāng)需要調(diào)整起重機(jī)超起配重位置時(shí)，需使后機(jī)垂直于前機(jī)行駛（十字行走）；當(dāng)需要改變起重機(jī)位置時(shí)，前機(jī)、后機(jī)需平行行駛（蟹型行走）；當(dāng)需要回轉(zhuǎn)時(shí)，后機(jī)需繞前機(jī)行駛，以驅(qū)動(dòng)前機(jī)回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)。如此需要多種行走、回轉(zhuǎn)方式，使得該起重機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)控制更加復(fù)雜。下面以最為常用的后機(jī)驅(qū)動(dòng)前機(jī)回轉(zhuǎn)為例，介紹該起重機(jī)的前、后機(jī)協(xié)調(diào)控制原理。

（1）回轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)

      起重機(jī)回轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)由前機(jī)1、后機(jī)2、連接梁3、套筒4、長(zhǎng)度傳感器5、后機(jī)回轉(zhuǎn)編碼器6、前機(jī)回轉(zhuǎn)編碼器7 和控制器8 組成，如圖4 所示。

（2）回轉(zhuǎn)控制方法

     整機(jī)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)后機(jī)相對(duì)前機(jī)角度θ 、后機(jī)相對(duì)前機(jī)所允許的最大偏移角度δ 、后機(jī)相對(duì)前機(jī)所允許的最大偏移位置λ 實(shí)現(xiàn)同步控制。為了使后機(jī)相對(duì)前機(jī)角度θ 具有向量的意義，定義后機(jī)履帶與前機(jī)履帶成90 °，且后機(jī)前進(jìn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)θ 為0 °；前機(jī)不動(dòng)，后機(jī)向內(nèi)為0°～ 180°原地回轉(zhuǎn)，向外為0°～ 180°原地回轉(zhuǎn)。

（3）工作原理

     回轉(zhuǎn)準(zhǔn)備 當(dāng)整機(jī)開(kāi)始回轉(zhuǎn)時(shí)， 首先由控制器根據(jù)前、后機(jī)回轉(zhuǎn)編碼器（7、6） 判斷當(dāng)前后機(jī)相對(duì)前機(jī)的角度θ， 如果θ 處于-90o ～ 90o 之間，則認(rèn)為后機(jī)需要圍繞前機(jī)進(jìn)行逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，并根據(jù)當(dāng)前角度值自動(dòng)調(diào)整角度θ 為0°，調(diào)整后機(jī)履帶與前機(jī)履帶成90°，由此完成回轉(zhuǎn)前的準(zhǔn)備工作?；剞D(zhuǎn) 根據(jù)當(dāng)前回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算后機(jī)2 條履帶行走差速比，經(jīng)控制器處理輸出電流信號(hào)至

行走馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)減速器動(dòng)作，使后機(jī)圍繞前機(jī)以近似圓形的路線行走。如果開(kāi)始回轉(zhuǎn)時(shí)，判斷后機(jī)相對(duì)前機(jī)角度處于90o ～ 180 o 或-90 o ～ -180 o 時(shí)，則認(rèn)

為后機(jī)需要圍繞前機(jī)進(jìn)行順時(shí)針回轉(zhuǎn)，其控制方式與上述逆時(shí)針回轉(zhuǎn)相同，只不過(guò)變化角度檢測(cè)值。修正 控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)編碼器及長(zhǎng)度傳感器發(fā)送的偏移角度δ 及偏移位置λ 的信號(hào)，并與預(yù)定偏差值進(jìn)行比較。當(dāng)實(shí)測(cè)的偏移角度δ 或偏移位置λ 超過(guò)預(yù)設(shè)的范圍L 時(shí)，則認(rèn)為當(dāng)前回轉(zhuǎn)路線已偏離設(shè)定路線，需要原地回轉(zhuǎn)以調(diào)整行走軌跡。此時(shí)后機(jī)自動(dòng)原地回轉(zhuǎn)，直至偏移角度δ 達(dá)到預(yù)設(shè)范圍，切換回差速行走狀態(tài)，繼續(xù)完成整機(jī)回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)控制系統(tǒng)修正控制流程如圖5 所示。

3. 多機(jī)構(gòu)同步控制

      該起重機(jī)多機(jī)構(gòu)同步控制包括卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的同步控制及行走機(jī)構(gòu)的同步控制等，本文以多個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)同步控制為例，介紹該起重機(jī)多機(jī)構(gòu)同步控制原理。

（1）控制方法

     該起重機(jī)采用4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)滑輪組提升同1 個(gè)吊鉤。在起吊時(shí)，4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)同時(shí)提升或下落。若4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)的出繩量不相等，將導(dǎo)致吊鉤的滑輪組偏斜，造成滑輪損壞或鋼絲繩加速磨損?；喗M偏斜還會(huì)使4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)的負(fù)荷不同，若起重機(jī)滿載吊重，其中必然會(huì)有1個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)出現(xiàn)超載。為了避免滑輪損壞、鋼絲繩磨損以及卷?yè)P(yáng)機(jī)超載，必須控制4 個(gè)卷?yè)P(yáng)的出繩、收繩速度保持一致，即必須控制4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)收放鋼絲繩長(zhǎng)度的差值△ L 小于目標(biāo)值。為保證4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)同步工作，需要對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。我們?cè)O(shè)計(jì)了4 個(gè)卷

揚(yáng)機(jī)同步控制原理，如圖6 所示。

利用4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)累計(jì)計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)4 個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)同步運(yùn)行控制。先比較4 個(gè)卷?yè)P(yáng)馬達(dá)運(yùn)行中累計(jì)的誤差，再利用PLC 控制器采集誤差信號(hào)，然后進(jìn)行邏輯判斷及預(yù)測(cè)，最后將計(jì)算結(jié)果通過(guò)PWM 電信號(hào)（脈沖寬度調(diào)制信號(hào)）輸送至4 個(gè)卷?yè)P(yáng)泵的電比例控制系統(tǒng)。

（2）監(jiān)測(cè)

      為更好的驗(yàn)證同步控制效果，我們開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線傳感的閉環(huán)控制系統(tǒng)。我們?cè)诘蹉^上設(shè)置了無(wú)線傾角傳感器，用于實(shí)施監(jiān)測(cè)吊鉤的水平度，以取得冗余控制效果。我們借助LabView 軟件設(shè)計(jì)了同步控制監(jiān)控程序，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖7 所示。

     在此基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入控制程序，以控制吊鉤平穩(wěn)地逐漸過(guò)渡到水平狀態(tài)，達(dá)到同步運(yùn)行效果。

三、使用效果

     XGC88000 型履帶起重機(jī)的閉式負(fù)扭矩控制消除了發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)帶來(lái)的吊物墜落及整機(jī)失衡傾翻風(fēng)險(xiǎn)；前、后機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)通過(guò)對(duì)兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)同控制，解決了超大噸位履帶起重機(jī)因配重不同步造成的整機(jī)回轉(zhuǎn)、行走困難等問(wèn)題，并能實(shí)現(xiàn)多種行走模式，從而提高了作業(yè)的便利性；采用閉環(huán)多機(jī)構(gòu)同步控制使該超大型起重機(jī)的起升、下降性能更加穩(wěn)定。這3 項(xiàng)技術(shù)較好的體現(xiàn)了該起重機(jī)技術(shù)水平，該起重機(jī)這些智能化性能，已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)國(guó)際同行產(chǎn)品