基于模型标定与泵阀动态匹配的液压挖掘机启动压力冲击改善

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.07.029

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (7): 1784-1793.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.07.029

• 工程前沿 • 上一篇

基于模型标定与泵阀动态匹配的液压挖掘机启动压力冲击改善

郭煜杰¹^,²(), 陈俊翔¹^,², 艾超¹^,²(), 孔祥东¹^,²

^1.燕山大学起重机械关键技术全国重点实验室, 秦皇岛, 066004
^2.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室, 秦皇岛, 066004

收稿日期:2025-07-21 出版日期:2026-07-25 发布日期:2026-08-18
通讯作者: 艾超
作者简介:郭煜杰，男，1999年生，博士研究生。研究方向为液压元件、控制系统优化设计。发表论文5篇。E-mail：guoyujie@stumail.ysu.edu.cn
艾超^*（通信作者），男，1982年生，教授、博士研究生导师。研究方向为液压元件优化设计、流体传动与控制。E-mail：aichao@ysu.edu.cn。
第一联系人：张济民^*（通信作者），男，1969年生，教授，博士研究生导师。研究方向为车辆系统动力学。发表论文45篇。E-mail：zjm2011@tongji.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金(52475073);河北省自然科学基金(E2025203189);广西科技基地和人才专项(桂科AD25069008)

Improvement of Starting Pressure Impact on Hydraulic Excavator Based on Model Calibration and Dynamic Matching of Pump Valve

GUO Yujie¹^,²(), CHEN Junxiang¹^,², AI Chao¹^,²(), KONG Xiangdong¹^,²

^1.State Key Laboratory of Crane Technology，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004
^2.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

Received:2025-07-21 Online:2026-07-25 Published:2026-08-18
Contact: AI Chao

摘要/Abstract

摘要：

针对液压挖掘机启动阶段泵阀匹配滞后导致的压力冲击大与速度振荡问题，提出了基于动力学参数标定与泵阀动态匹配的旁路节流-进油节流混合调速方法。构建含连续可微摩擦项的拉格朗日动力学模型，采用激励轨迹优化与最小二乘法辨识惯性参数和摩擦模型参数，并设计基于神经网络的压力反馈控制器，实现主泵排量与卸荷阀开度的动态匹配。试验表明，该方法在保持速度响应的同时使启动压力冲击减小19.12%~35.43%，提高了启动平稳性与操控性。

关键词: 液压挖掘机, 动力学模型, 泵阀匹配, 压力冲击

Abstract:

This paper addresses the problem of excessive pressure surge and speed oscillation during the start-up phase of a hydraulic excavator， caused by lag in pump-valve matching. A hybrid speed regulation method is proposed based on dynamic parameter calibration and pump-valve dynamic matching. A Lagrangian dynamic model with a continuously differentiable friction term is constructed. The inertia parameters and friction model coefficients are identified via excitation trajectory optimization and the leasts-quares method. A neural-network-based pressure feedback controller is designed to achieve dynamic matching between the main pump displacement and the unloading valve opening. Experimental results show that the proposed method reduces the start-up pressure surge by 19.12% to 35.43% without compromising speed response， and significantly enhances start-up stability and maneuverability.

Key words: hydraulic excavator, dynamic modeling, pump-valve matching, pressure surge

中图分类号:

TP601

郭煜杰, 陈俊翔, 艾超, 孔祥东. 基于模型标定与泵阀动态匹配的液压挖掘机启动压力冲击改善[J]. 中国机械工程, 2026, 37(7): 1784-1793.

GUO Yujie, CHEN Junxiang, AI Chao, KONG Xiangdong. Improvement of Starting Pressure Impact on Hydraulic Excavator Based on Model Calibration and Dynamic Matching of Pump Valve[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(7): 1784-1793.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2026.07.029

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2026/V37/I7/1784

图/表 13

图1 带旁路补偿阀的电液流量匹配系统

Fig.1 Electro-hydraulic flow matching system with bypass compensation valve

图2 电液流量匹配控制框图

Fig.2 Electro-hydraulic flow matching control block diagram

图3 液压挖掘机运动学模型

Fig.3 Kinematic model of hydraulic excavator

图4 液压挖掘机动力学参数辨识

Fig.4 Identification of dynamic parameters of hydraulic excavator

图5 激励轨迹曲线

Fig.5 Excitation trajectory curve

图6 基于阀口独立液压系统的液压挖掘机试验平台

Fig.6 Hydraulic excavator test platform based on load port independent hydraulic system

表1 各关节摩擦参数辨识值

Tab.1 Identification results of friction model parameters for each joint

关节	α₁	α₂	α₃	γ₁	γ₂	γ₃
动臂	160.5	196.6	36.18	20.39	6.02	11.32
斗杆	129.6	145	36.55	6.74	2.76	46.82
铲斗	100.2	167.5	11.98	26.03	3.93	7.76

图7 各关节摩擦模型的参数辨识拟合结果

Fig.7 Identification results of friction torque models for each joint

表2 刚体动力学参数辨识值

Tab.2 Identification results of rigid-body dynamic parameters

最小惯性参数	辨识结果
$m 1 L A G 1 c o s (β 4) + m 2 L 1 + m 3 L 1 / (k g · m)$	329.1
$m 1 L A G 1 s i n (β 4) / (k g · m)$	31.03
$I 1 + m 1 L A G 1 2 + m 2 L 12 + m 3 L 12 / (k g · m 2)$	564.4
$m 2 L B G 2 c o s (β 5) + m 3 L 2 / (k g · m)$	109.3
$m 2 L B G 2 s i n (β 5) / (k g · m)$	2.965
$I 2 + m 2 L B G 2 2 + m 3 L 22 / (k g · m 2)$	111.5
$m 3 L C G 3 s i n (β 6) / (k g · m)$	12.07
$m 3 L C G 3 c o s (β 6) / (k g · m)$	19.32
$I 3 + m 3 L C G 3 2 / (k g · m 2)$	9.695

表2 刚体动力学参数辨识值

Tab.2 Identification results of rigid-body dynamic parameters

最小惯性参数	辨识结果
$m 1 L A G 1 c o s (β 4) + m 2 L 1 + m 3 L 1 / (k g · m)$	329.1
$m 1 L A G 1 s i n (β 4) / (k g · m)$	31.03
$I 1 + m 1 L A G 1 2 + m 2 L 12 + m 3 L 12 / (k g · m 2)$	564.4
$m 2 L B G 2 c o s (β 5) + m 3 L 2 / (k g · m)$	109.3
$m 2 L B G 2 s i n (β 5) / (k g · m)$	2.965
$I 2 + m 2 L B G 2 2 + m 3 L 22 / (k g · m 2)$	111.5
$m 3 L C G 3 s i n (β 6) / (k g · m)$	12.07
$m 3 L C G 3 c o s (β 6) / (k g · m)$	19.32
$I 3 + m 3 L C G 3 2 / (k g · m 2)$	9.695

图8 液压挖掘机各关节的力矩曲线

Fig.8 Torque curves for joints of hydraulic excavator

表3 预测性能评价指标

Tab.3 Prediction performance evaluation metrics

评价指标		MAE	RMSE	R²/%
动臂	M1	23.21	44.03	93.75
动臂	M2	33.16	56.49	89.71
斗杆	M1	52.08	73.35	97.14
斗杆	M2	57.9	81.13	95.50
铲斗	M1	21.91	38.54	97.49
铲斗	M2	45.08	59.01	94.11

图9 动臂4种工况下的液压缸特性曲线

Fig.9 Characteristic curve of hydraulic cylinder under four working conditions of boom

表4 动臂4种工况下的启动压力振荡值

Tab.4 Start-up pressure oscillation values of the boom under four working conditions

参数	最高压力/MPa		最低压力/MPa		w_p /%
参数	C1	C2	C1	C2	w_p /%
工况1	7.368	7.683	6.794	6.712	35.43
工况2	8.344	8.903	7.143	7.012	31.76
工况3	4.143	4.319	3.718	3.713	29.28
工况4	4.526	4.631	4.082	4.108	19.12

参考文献 21

[1]	葛磊，董致新，李运华，等. 系列化液压挖掘机数字样机研究［J］. 机械工程学报， 2019， 55（14）： 186-196.
	GE Lei， DONG Zhixin， LI Yunhua， et al. Research on Digital Prototypes of Serial Hydraulic Excavators［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2019， 55（14）： 186-196.
[2]	程敏，侯严迪，丁孺琦. 负载口独立控制系统非线性滤波振动抑制方法［J］. 西安交通大学学报， 2024， 58（4）： 200-210.
	CHENG Min， HOU Yandi， DING Ruqi. A Nonlinear Filtering Method of Vibration Suppression for the Independent Metering Control System［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2024， 58（4）： 200-210.
[3]	石运序，岳宗曙，黄伟迪，等. 正流量控制挖掘机泵阀响应特性及匹配优化研究［J］. 机床与液压， 2024， 52（10）： 38-42.
	SHI Yunxu， YUE Zongshu， HUANG Weidi， et al. Study on Response Characteristics and Matching Optimization of Positive Flow Control Excavator Pump Valve［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2024， 52（10）： 38-42.
[4]	徐兵，程敏，杨华勇，等. 带旁路压力补偿的电液流量匹配系统［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2015， 49（9）： 1762-1767.
	XU Bing， CHENG Min， YANG Huayong， et al. Electrohydraulic Flow Matching System with Bypass Pressure Compensation［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2015， 49（9）： 1762-1767.
[5]	赵小龙，赵丁选，王建涛，等. 定量泵负载敏感系统卸荷压力冲击抑制研究［J］. 农业机械学报， 2020， 51（9）： 408-417.
	ZHAO Xiaolong， ZHAO Dingxuan， WANG Jiantao， et al. Suppression of Unloading Pressure Shock in Load Sensitive System of Constant Displacement Pump［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（9）： 408-417.
[6]	XU Bing， CHENG Min， YANG Huayong， et al. A Hybrid Displacement/Pressure Control Scheme for an Electrohydraulic Flow Matching System［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2015， 20（6）： 2771-2782.
[7]	CHENG Min， XU Bing， ZHANG Junhui， et al. Pump-based Compensation for Dynamic Improvement of the Electrohydraulic Flow Matching System［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（4）： 2903-2913.
[8]	CHENG Min， LUO Shaqi， DING Ruqi， et al. Dynamic Impact of Hydraulic Systems Using Pressure Feedback for Active Damping［J］. Applied Mathematical Modelling， 2021， 89： 454-469.
[9]	FU Wenbo， YUAN Xiaoming， LI Yongquan， et al. Research on Acceleration Performance Optimization of Large Inertia Hydraulic Actuator Based on Main Valve Input Shaping［J］. Machines， 2022， 10（11）： 987.
[10]	黄伟男，权龙，黄家海，等. 进出口独立控制液压挖掘机回转系统运行特性［J］. 机械工程学报， 2016， 52（20）： 159-167.
	HUANG Weinan， QUAN Long， HUANG Jiahai， et al. Excavator Swing System Controlled with Separate Meter-in and Meter-out Method［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52（20）： 159-167.
[11]	Litong LYU， CHEN Zheng， YAO Bin. Energy Saving Motion Control of Independent Metering Valves and Pump Combined Hydraulic System［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2019， 24（5）： 1909-1920.
[12]	AXIN M， ERIKSSON B， KRUS P. Flow versus Pressure Control of Pumps in Mobile Hydraulic Systems［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2014， 228（4）： 245-256.
[13]	DU C， PLUMMER A R， JOHNSTON D N. Performance Analysis of a New Energy-efficient Variable Supply Pressure Electro-hydraulic Motion Control Method［J］. Control Engineering Practice， 2017， 60： 87-98.
[14]	ZHANG Junhui， ZHANG Fu， CHENG Min， et al. Parameter Identification of Hydraulic Manipulators Considering Physical Feasibility and Control Stability［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2024， 71（1）： 718-728.
[15]	丁孺琦，王振，程敏，等. 基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪［J］. 机械工程学报， 2023， 59（14）： 298-309.
	DING Ruqi， WANG Zhen， CHENG Min， et al. Model-based Control of the Hydraulic Manipulator for the High-precision Trajectory Tracking［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2023， 59（14）： 298-309.
[16]	杨中华，俞经虎，俞哲，等. 应用于动力学参数辨识的激励轨迹优化研究［J］. 机械传动， 2024， 48（11）： 37-47.
	YANG Zhonghua， YU Jinghu， YU Zhe， et al. Optimization Study of Excitation Trajectories for Dynamic Parameter Identification［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2024， 48（11）： 37-47.
[17]	SHEN Jun， ZONG Huaizhi， CHENG Min， et al. Force Soft Measurement Based on Cylinder Decoupling Model and Stepwise Parameter Identification for Hydraulic Manipulators［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2024， 73： 7504912.
[18]	LIAO Jian， ZHOU Fuming， ZHENG Jianbo. An Improved Parameter Identification Algorithm for the Friction Model of Electro-hydraulic Servo Systems［J］. Sensors， 2023， 23（4）： 2076.
[19]	CHANG Siyuan， WANG Jiang， ZHU Yulin， et al. Nonlinear Dynamical Modeling of Neural Activity Using Volterra Series with GA-enhanced Particle Swarm Optimization Algorithm［J］. Cognitive Neurodynamics， 2023， 17（2）： 467-476.
[20]	LIANG Xianglong， YAO Zhikai， DENG Wenxiang， et al. Adaptive Control of N-link Hydraulic Manipulators with Gravity and Friction Identification［J］. Nonlinear Dynamics， 2023， 111（20）： 19093-19109.
[21]	周宁，姚建勇，邓文翔. 基于神经网络的比例伺服阀阀芯液动力补偿鲁棒智能控制［J］. 机械工程学报， 2024， 60（4）： 126-133.
	ZHOU Ning， YAO Jianyong， DENG Wenxiang. Neural Network-based Robust Intelligent Control of Proportional Servo Valve Center with Flow Force Compensation［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2024， 60（4）： 126-133.

基于模型标定与泵阀动态匹配的液压挖掘机启动压力冲击改善

Improvement of Starting Pressure Impact on Hydraulic Excavator Based on Model Calibration and Dynamic Matching of Pump Valve

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	张敏杰, 王庆九, 管成. 并联式油液混合动力挖掘机动力系统仿真研究 [J]. J4, 201016, 21(16): 1932-1936.
[2]	赖荣燊, 朱小腾, 权云晴, 苗克非, 叶绍干, 鲍岳, 刘会祥, 赵守军. 耦合滑靴副和配流副的柱塞泵振动及润滑特性研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(2): 275-284.
[3]	徐毓泽, 卢钟岳, 朱一鸣, 罗自荣. 全向运动仿生腿运动学及动力学建模与实验[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 811-820.
[4]	尤勇1, 2, 孟云龙1, 2, 吴景涛1, 2, 王长青3. 基于鲸鱼优化算法支持向量回归的汽车运动状态估计[J]. 中国机械工程, 2024, 35(06): 973-981，992.
[5]	于树博, 刘占生, 赵辰. 动力学仿真数据驱动的域自适应智能诊断方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(23): 2832-2841.
[6]	李佳豪, 任志贵, 庞晓平, 王军利, 曹书生, 俞松松. 主挖力臂配比对主挖区界定及挖掘性能评价的影响研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(17): 2124-2141.
[7]	郑杰基, 陈凌宇, 范大鹏, 谢馨. 双电机精密传动机构消隙方法研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(22): 2684-2692.
[8]	刘文兰, 于海霞, 瞿怀宇, 马鹏飞, 高小钧, 王建森. 叠加Ⅱ级杆组的正铲液压挖掘机工作机构型综合[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1919-1927.
[9]	晋超, 权龙, 夏连鹏, 葛磊, 赵斌. 储能液压缸协同驱动重型机械臂系统研究与优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1287-1293,1301.
[10]	马艺, 陈宇涛, 孟祥铠, 赵文静, 彭旭东, . 牙轮钻头用单金属密封瞬态启动动力学模型与密封性能[J]. 中国机械工程, 2022, 33(07): 777-785.
[11]	严升, 张润锋, 杨绍琼, 牛文栋, 张宇航, 李保玉, . 水下滑翔机纵垂面变浮力过程建模与控制优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(01): 109-117.
[12]	孙晓军, 宋代平, 林敬周, 韩伟航. 风洞上攻角机器人轨迹规划算法研究与实现[J]. 中国机械工程, 2021, 32(16): 1963-1971.
[13]	朱玉田;王宗磊;刘钊. 考虑行走弹性影响下的车辆换挡过程分析[J]. 中国机械工程, 2020, 31(03): 299-305,313.
[14]	刘延伟1;朱云学1;林子越1;赵克刚2;黄谢鑫3. 考虑自锁元件动态特性的超越离合器-齿轮系统模型研究[J]. 中国机械工程, 2019, 30(15): 1765-1775.
[15]	王桥医;朱媛;过山;张秋波. 高速冷轧机辊系非线性动力学模型及控制参数优化[J]. 中国机械工程, 2019, 30(08): 896-901.