在我国经济快速发展以及能源紧缺、环境污染、人力成本上升等问题日益严重的状况下，结合快速发展的伺服驱动技术，研发一种可实现挖掘机低能耗、高效可靠运行的新型液压节能系统，促进挖掘机的混合动力化、电动化以及自动化，是国内工程机械制造企业适应社会发展所亟需解决的问题之一，也是全世界科研机构及工程机械装备制造企业的研究热点之一。

电液控制系统可分为阀控和泵控系统。阀控系统，响应快、精度高，可单泵驱动多个执行元件，但节流损失大、能量效率低，在许多应用场合都受到电气传动的挑战，如Volvo推出了应用机电作动器的纯电挖掘机。与阀控系统相比，泵控系统几乎没有节流损失，且能回收制动能和重力势能，具有节能、发热小和和降低装机功率等多方面的优势。近年来，泵控系统中，采用变转速控制的电静液作动器得到了快速的发展，部分厂家开始推出工业型的电液作动器（Bosch Rexroth、KYB等），是目前电液控制技术的发展方向和研究热点之一，但在工程机械领域的研究尚属空白。

2019年1月，张树忠博士课题组联合芬兰阿尔托大学的Tatiana Minav、MattiPietola等在Automation in Construction杂志上发表了题为 “The effects of control methods on energy efficiency and position tracking of an electro-hydraulic excavator equipped with zonal hydraulics”的论文。该论文以微型液压挖掘机对研究对象，建立分布式直驱挖掘机的多学科整机模型，对模型进行了局部验证，并提出了基于流量匹配的复合控制方法。研究结果表明在三种典型的工况下，所提出复合控制方法较PID控制具有更好的动态性能和节能性。

图1采用单电机双泵分布式直驱液压的液压挖掘机原理图

在这项研究中，研究人员首先提出了基于流量匹配的复合控制方法，建立了涵盖机械、电气、液压、控制的多学科整机模型，包括电机、伺服驱动器、液压泵、液压缸、管路、蓄能器、油液、控制系统等子系统，并对模型进行了局部验证，结果表明所搭建的整机模型具有良好的准确性。

图2采用单电机双泵分布式直驱液压的液压挖掘机模型

以普度大学的典型挖掘循环、Japan Construction Mechanization Association的挖掘和平整循环三种工况作为模型输入，基于PID控制和所提出的复合控制开展了位置跟踪性、系统能耗、系统效率三方面的对比，结果表明采用所提出的控制策略后，位置跟踪均方根误和最大误差分别差减小了20-87%和35-83%，同时在不考虑能量回收的情况下能量消耗降低了15%、系统效率提高了11-24%，即所提出的控制策略显著地提高了系统的跟踪性能和系统的效率。

图3三种工况的位置跟踪性能、能耗、系统效率对比

下一步将建立分布式直驱挖掘机样机的测试平台开展试验研究。此外，通过不同的压力预紧方式来提高位置跟踪性能和系统效率，对直驱单元进行紧凑化、热平衡分析等，以进一步推动工程机械工业的电动化、自动化进程。

      我校张树忠博士为第一作者，同时该研究工作得到了芬兰阿尔托大学流体传动与控制中心MattiPietola教授课题团队的Tatiana Minav等的大力支持。