面向复杂工况的工程机械电液复合控制系统建模与仿真分析

引言

当前，工程机械在交通建设、矿山开采、城市维护等场景中应用广泛，其工作环境通常伴随载荷突变、路径不确定和环境扰动等复杂工况，对系统的稳定性与控制精度提出了更高要求。传统液压控制系统虽然具备较强的驱动力输出能力，但在动态响应和智能化控制方面存在一定瓶颈。电液复合控制系统通过将电气控制的高响应特性与液压系统的大功率密度相结合，已成为提升复杂工况适应性的有效方案。针对工程机械在非结构化环境下的控制难点，本文以多自由度液压执行机构为对象，建立了电液协同驱动系统的数学模型，并结合多种控制策略展开仿真分析，旨在为智能工程装备的发展提供理论依据与工程支撑。

一、工程机械电液复合系统建模基础

1.1 电液控制系统构成与工作机理

工程机械电液控制系统主要包括电机、伺服驱动器、比例或伺服阀、液压泵、液压缸以及位置、压力等传感器。系统工作原理可简述为：控制器发出信号驱动伺服电机，调节液压泵的排量或转速，改变输出流量；同时通过比例阀/伺服阀精确控制液压油的流向和流量，最终实现液压缸速度和位置的控制。在该系统中，电动执行部分可快速响应控制指令，而液压部分则提供大功率传动能力，二者互为补充，形成快速、精准、高载荷的控制回路。对于多关节工程机械如挖掘机、装载机等，需多通道协调运行，电液复合控制系统需具备多自由度联合建模能力，以有效反映各执行部位的运动协同关系和负载耦合效应。

1.2 控制对象建模方法与数学表达

为实现对系统响应特性的准确描述，本文采用模块化建模方式，从执行器、控制器、液压网络等层次构建系统模型。其中液压缸部分采用力平衡和流量连续性方程建模，考虑柱塞运动惯性、液压油压缩性及摩擦损失等影响；电气控制单元则基于时域控制原理，采用状态空间表达形式嵌入 PWM 信号调制特性；比例阀部分引入非线性死区模型与滞后特性描述；此外，还对液压管路内的阻尼和容积效应进行适当简化处理，提升仿真效率。通过 Simscape 与 Simulink 联合仿真平台，实现模型组件的参数化搭建，确保模型具有良好的扩展性与适配能力。

二、面向复杂工况的动态控制策略设计与仿真

2.1 复杂工况建模与扰动设置

在实际应用中，工程机械常面临陡坡作业、高原环境、冲击载荷等复杂工况，这些环境因素显著影响液压系统的压力稳定性与流量控制精度。本文将环境扰动建模为输入信号的阶跃扰动、外部负载的周期扰动以及液压油温度变化引发的系统参数漂移。以履带式液压挖掘机为例，通过设置臂杆在不同回转角度下的负载变化，对控制系统抗扰能力和动态调整性能进行验证。

2.2 控制策略设计与比较

为增强系统在复杂工况下的稳定性，本文设计并对比三类典型控制策略。其一是经典 PID 控制，通过参数整定使系统在稳态精度和响应速度之间取得平衡，适用于负载变化较小的工况；其二是滑模控制方法，该方法具有对系统不确定性和外部扰动的鲁棒性优势，适合多扰动、多参数不确定场景；其三是模糊自适应控制，能够根据系统状态实时调整控制规则与权重，具有良好的非线性控制能力，适用于非结构化环境下的复杂系统控制。仿真结果表明，模糊控制在系统输入频繁变化时表现出更优的响应速度和稳态误差控制能力，而 PID控制在负载平稳时具有更好的能耗表现。

2.3 仿真分析与结果讨论

基于上述控制策略，本文在 Simulink 平台完成多种工况下的系统仿真。结果显示，在负载突变情况下，模糊控制系统上升时间约为 1.2 秒，超调率控制在 8% 以内，优于传统 PID 控制系统的 2.1 秒与 15% ；在持续周期扰动下，滑模控制保持误差波动在 ±3% 范围内，显著优于 PID 控制的 ±7% 。此外，在考虑温度漂移引起的油液粘度变化情况下，模糊控制系统通过规则自适应调整，实现稳定控制输出。综合仿真分析可见，控制器的适应性与鲁棒性是保障系统稳定运行的关键。

三、基于工程案例的验证与分析

为验证模型与控制策略的工程可行性，本文选取一台某品牌履带式液压挖掘机作为验证平台，采集其臂杆升降机构在多工况下的实际运动数据，并对关键结构参数与液压控制参数进行系统性标定，确保仿真模型具备足够的工程代表性与精度。将建立的系统仿真模型与实测控制信号进行对比，误差波动控制在 ±5% 以内，说明模型能够较好反映系统动态行为，验证其建模方法的合理性与有效性。在实际控制测试中，应用模糊自适应控制策略对臂杆典型操作任务进行控制，操作响应时间相比传统 PID 方案缩短约 23% ，系统震荡时间缩短约 34% ，且系统在扰动响应期间表现出更高的稳定性和控制精度，有效避免了液压冲击及振荡累积问题，进一步证明了所提控制策略在复杂动态工况下具备优越的适应能力与工程实用价值。该验证不仅为研究成果的工程化应用提供了坚实支撑，也为后续工程机械智能控制系统的设计优化提供了实验基础和思路参考。

四、结论

本文围绕复杂工况下工程机械电液复合控制系统的建模与仿真分析问题，提出了模块化建模思路并构建多物理域耦合的数学模型。通过引入多种控制策略进行仿真与对比，发现模糊自适应控制在非线性、强扰动工况下展现出优越的鲁棒性与响应特性。结合典型工程案例进行验证，证明所构建模型具备较高的精度与工程适应能力。未来研究可进一步拓展系统建模的精细化水平，引入深度学习等智能算法实现控制策略的自学习与智能调参，并开展基于数字孪生的实时监测与远程协同控制研究，推动工程机械朝向更加智能、高效、可持续方向发展。

参考文献

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