一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)和方法，旨在實現(xiàn)挖掘機在變負荷工況下發(fā)動機功率輸出與外負載功率需求之間的動態(tài)實時匹配。本發(fā)明通過采集主泵壓力信號和先導壓力信號，據(jù)此對鏟斗阻力的大小和用戶對鏟斗速度的期望進行在線計算，進而計算出挖掘機工作的實時功率需求；根據(jù)功率需求及其變化趨勢對發(fā)動機油門位置進行離散模糊控制，使發(fā)動機工作在預定的功率輸出點附近，同時對動力系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)，使動力單元的功率輸出能夠?qū)ν庳撦d進行匹配控制。本發(fā)明在保證挖掘機動力性的前提下提高了其經(jīng)濟性，實現(xiàn)挖掘機在變負荷工況下發(fā)動機功率輸出與外負載功率需求之間的動態(tài)實時匹配，有效降低了單位土方量的燃油消耗率。
【專利說明】一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領域】
[0001]本技術(shù)屬于液壓挖掘機控制領域，具體涉及一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]挖掘機在工作工程中，外負載的變化十分劇烈和頻繁，導致液壓系統(tǒng)的壓力隨之急劇變化，為了保證挖掘機的動力性能，傳統(tǒng)的動力匹配方式實現(xiàn)了泵與發(fā)動機的功率動態(tài)匹配，但不能及時跟隨外負載的功率波動，造成發(fā)動機功率浪費或燃油燃燒不充分，節(jié)能效果不理想。
[0003]發(fā)動機功率與外界載荷的匹配關系體現(xiàn)在如下兩個方面:
當外負載大于發(fā)動機極限功率時，外負載應適應發(fā)動機。此時應降低泵的吸收功率到發(fā)動機的最大功率，以保護發(fā)動機。目前挖掘機廣泛采用的ESS控制系統(tǒng)能夠較好的防止發(fā)動機過載，當外負載超過發(fā)動機最大功率時，發(fā)動機保持最大功率輸出。
[0004]當外負載小于發(fā)動機極限功率時，發(fā)動機應該適應外負載。此時應調(diào)節(jié)噴油量和泵排量，使發(fā)動機功率能夠及時跟隨外負載的變化，實現(xiàn)發(fā)動機功率與外負載的動態(tài)實時匹配。
[0005]發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制方法是一種近似的恒功率控制,其控制思想是使外負載適應發(fā)動機。當外負載的功率需求超過發(fā)動機的額定功率時，轉(zhuǎn)速控制方式有效的防止了發(fā)動機過載，保護了發(fā)動機；當外負載的功率需求小于發(fā)動機額定功率時，轉(zhuǎn)速控制方式通過增加作業(yè)速度來使外負載適應發(fā)動機的功率，此時系統(tǒng)的經(jīng)濟性能惡化。
[0006]挖掘機是一種多用途工程機械，在不同的作業(yè)工況下，其功率需求往往差別很大，如挖深溝、裝車等工況的功率需求較大，精細作業(yè)、夯實等工況的功率需求較小。傳統(tǒng)的發(fā)動機功率匹配方法是由操作者預先估計外負載的大小并手動選擇發(fā)動機的油門開度，控制器對發(fā)動機進行轉(zhuǎn)速控制。
[0007]為了實現(xiàn)發(fā)動機功率與外負載的匹配，傳統(tǒng)的做法是將發(fā)動機輸出功率離散為幾個檔位，在實際工作中，由挖掘機操作手根據(jù)工況選擇合適的油門檔位，進而實現(xiàn)動力系統(tǒng)與負載的功率匹配，這種分工況控制在原理上能夠做到動力系統(tǒng)與外負載之間的功率匹配，從而較大幅度地節(jié)省燃油。但在實際應用中，節(jié)能效果并不理想，其原因有:實際工況復雜，操作手難以準確估計，選擇的油門檔位與外界功率需求不匹配；有時候操作手并不進行工況估計，而是將油門置于最大位置，以適應所有的工況。
[0008]解決此問題的方法是通過實時負載計算實現(xiàn)油門開度的自動控制。其難點在于外負載功率需求的在線計算和油門開度的動態(tài)調(diào)節(jié)方式。
[0009]本發(fā)明就是通過自動計算和預測外負載的功率需求和操作者的速度期望，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度和泵的吸收功率，使得當外負載功率需求小于發(fā)動機額定功率時，挖掘機動力單元的功率輸出能夠及時跟隨外負載。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是通過自動計算和預測外負載的功率需求和操作者的速度期望，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度和泵的吸收功率，使得當外負載功率需求小于發(fā)動機額定功率時，挖掘機動力單元的功率輸出能夠及時跟隨外負載。
[0011]挖掘機工作過程中，外負載的變化頻率較高，變化幅度較大，目前的ESS控制通過調(diào)節(jié)泵的吸收功率來適應外負載，而不是實時調(diào)節(jié)油門開度。如此控制的結(jié)果是發(fā)動機經(jīng)常工作在高油耗區(qū)域，在確保動力性的同時忽略了燃油經(jīng)濟性。這是ESS控制方式的主要缺點之一。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案是通過采集主泵壓力信號和先導壓力信號，據(jù)此對鏟斗阻力的大小和用戶對鏟斗速度的期望進行在線計算，進而計算出挖掘機工作的實時功率需求；根據(jù)功率需求及其變化趨勢對發(fā)動機油門位置進行離散模糊控制，使發(fā)動機工作在預定的功率輸出點附近。
[0013]本發(fā)明的方案如下:
一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)，具有主壓力傳感器，能夠在線檢測主液壓系統(tǒng)壓力；具有先導壓力傳感器，能夠在線檢測先導液壓系統(tǒng)壓力；具有功率控制模塊，該模塊通過對主液壓系統(tǒng)壓力信號和先導液壓系統(tǒng)壓力信號進行計算和處理，可以在線調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度、發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速和液壓泵的變量機構(gòu)。
[0014]進一步的，功率控制模塊工作內(nèi)容如下:
其輸入信號包括挖掘機主液壓系統(tǒng)壓力信號、先導液壓系統(tǒng)壓力信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、主泵排量等信息中的部分或全部；
其輸出信號包括對發(fā)動機油門開度的調(diào)節(jié)信號、發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速信號和液壓泵排量調(diào)節(jié)信號的部分或全部；
其數(shù)據(jù)處理方法包括對輸入信號進行代數(shù)運算、模糊推理或人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法中的一種或幾種；
其功能包括對外負載的大小進行在線計算和預測、對操作者的作業(yè)方式期望進行模式識別、對操作者的作業(yè)速度期望進行計算和預測。
[0015]進一步的，功率控制模塊包括兩個模塊:負載計算器和模糊油門控制器；
負載計算器的輸入量是主泵壓力信號和先導壓力信號，其輸出量是負載的計算值；
模糊油門控制器的輸入值是負載計算器的計算結(jié)果和檢測到的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，輸出值是油門開度。
[0016]進一步的，負載計算器的計算過程如下:
在一個工作循環(huán)內(nèi)將檢測到的主系統(tǒng)壓力進行加權(quán)平均，根據(jù)重載挖掘時的功率需求，在0—1之間賦值；
在一個工作循環(huán)內(nèi)將檢測到的先導壓力進行全程平均，將結(jié)果在O— I間賦值；
將上述兩個值相乘，得到一個O— I之間的數(shù)值，該值即為主泵角功率的百分數(shù)；當計算出的外界功率需求小于發(fā)動機額定功率時，對動力系統(tǒng)輸出功率進行自適應控制，當計算出的外界功率需求大于發(fā)動機額定功率時，保持發(fā)動機額定功率輸出。
[0017]進一步的，模糊油門控制器的組成模塊包括:轉(zhuǎn)速偏差變化計算模塊、輸入量的模糊化處理模塊、模糊推理和模糊決策模塊、模糊數(shù)據(jù)精確化處理模塊。
[0018]進一步的，轉(zhuǎn)速偏差變化計算模塊，其計算公式如下: e=nl_n0
ec=n2_nl
其中:e:發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏差 ec:轉(zhuǎn)速偏差變化 nO:發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速 η 1:發(fā)動機在tl時刻的轉(zhuǎn)速 n2:發(fā)動機在t2時刻的轉(zhuǎn)速。
[0019]同時，本發(fā)明提出了一種液壓挖掘機功率自適應控制方法，包括以下步驟:
在線采集主液壓系統(tǒng)壓力信號和先導液壓系統(tǒng)壓力信號，輸入功率控制模塊，對上述信號進行計算和處理；
功率控制模塊根據(jù)對輸入信號的計算和處理結(jié)果，在線調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度和目標轉(zhuǎn)速；
功率控制模塊根據(jù)對輸入信號的計算和處理結(jié)果，在線調(diào)節(jié)主液壓泵的變量機構(gòu)；
進一步的，功率控制模塊對輸入信號的計算和處理方法包括對輸入信號進行代數(shù)運算、模糊推理或人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法中的一種或幾種。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明在保證挖掘機動力性的前提下提高了其經(jīng)濟性，實現(xiàn)挖掘機在變負荷工況下發(fā)動機功率輸出與外負載功率需求之間的動態(tài)實時匹配，有效降低了單位土方量的燃油消耗率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)方框圖；
圖2是負載計算器控制方框圖；
圖3是模糊油門控制器方框圖；
圖4是發(fā)動機理想調(diào)節(jié)曲線圖；
圖5是語言變量隸屬函數(shù)圖。

【具體實施方式】
[0022]下面通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案:
本發(fā)明的控制方式如圖1所示，，負載計算器模塊采集主系統(tǒng)壓力和先導系統(tǒng)壓力信號，主泵壓力體現(xiàn)了土壤的堅實程度，先導壓力體現(xiàn)了操作者的速度期望，二者的綜合可以表征負載的功率需求，通過對主系統(tǒng)壓力和先導系統(tǒng)壓力信號進行實時處理和計算，得到負載需求的計算值。負載計算器的控制方框圖如圖2所示；
模糊油門控制器接收負載計算器的計算結(jié)果并對其進行模糊化，通過模糊運算和處理，輸出油門開度的控制量。通過油門開度與負載的在線匹配，實現(xiàn)動力系統(tǒng)功率的自適應控制。其控制方框圖如圖3所示。
[0023]挖掘機動力系統(tǒng)具有較大的非線性、時變性和分布參數(shù)等特點，難以建立精確的數(shù)學模型，為克服傳統(tǒng)的PID控制超調(diào)量過大、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點，本項目采用二維增量式模糊控制器對發(fā)動機油門進行控制。
[0024]二維模糊控制器能夠較嚴格的反映受控過程中輸入變量的動態(tài)特性，且控制規(guī)則和算法相對簡單，具有較高的控制性能且容易設計?？刂破鞯妮斎胱兞咳檗D(zhuǎn)速誤差E和誤差變化EC，使得模糊控制器具有ro控制規(guī)律，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可減少響應過程的超調(diào)量和震蕩現(xiàn)象。
[0025]模糊油門控制器(Accelerograph Fuzzy Controller)的輸入值是負載計算器的計算結(jié)果和檢測到的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，輸出值是油門開度。
[0026]由模糊油門控制器的方框圖可知，其主要組成模塊有:
轉(zhuǎn)速偏差變化計算模塊
輸入量的模糊化處理模塊模糊推理和模糊決策模塊模糊數(shù)據(jù)精確化處理模塊
模糊油門控制器的建造過程是離線進行的，模糊控制器的建造結(jié)果是取得控制表?？刂票硪圆樵儽淼男问酱鎯υ诳刂破髦小Ｔ谶M行挖掘機模糊油門控制時，對于給定的轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化，只要對其進行模糊化處理并查表，即可得到模糊控制變量，該模糊變量精確化后直接控制油門馬達。
[0027]功率自適應控制系統(tǒng)的輸入量包括包括挖掘機主液壓系統(tǒng)壓力信號、先導液壓系統(tǒng)壓力信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、主泵排量等，其輸出信號包括對發(fā)動機油門開度的調(diào)節(jié)信號、發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速信號和液壓泵排量調(diào)節(jié)信號，其數(shù)據(jù)處理方法包括對輸入信號進行代數(shù)運算、模糊推理或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)方法中的一種或幾種；其功能包括對外負載的大小進行在線計算和預測、對操作者的作業(yè)方式期望進行模式識別、對操作者的作業(yè)速度期望進行計算和預測。本例在主泵排量正控制方式挖掘機上實現(xiàn)動力系統(tǒng)功率自適應控制，主泵排量由先導系統(tǒng)控制。功率自適應控制系統(tǒng)的任務就是在用戶要求的速度期望(同時決定了主泵排量)和現(xiàn)場土壤的堅實程度下，匹配發(fā)動機最佳輸出功率和轉(zhuǎn)速，使得發(fā)動機工作在最經(jīng)濟工作點附近。功率自適應系統(tǒng)包括兩個模塊:負載計算器和模糊油門控制器，其實現(xiàn)方式如下:
負載計算模塊的輸入量是兩個主泵壓力信號和八個先導壓力信號，其輸出量是負載的計算值，主泵壓力體現(xiàn)了土壤的堅實程度，先導壓力體現(xiàn)了操作者的速度期望，二者的綜合可以表征負載的功率需求。負載計算器的計算過程如下:
在一個工作循環(huán)內(nèi)將檢測到的主系統(tǒng)壓力進行加權(quán)平均，重點突出重載挖掘時的功率需求，在O — I之間賦值；
在一個工作循環(huán)內(nèi)將檢測到的先導壓力進行全程平均，將結(jié)果在O— I間賦值；
將上述兩個值相乘，得到一個O— I之間的數(shù)值，該值即為主泵角功率的百分數(shù)。當計算出的外界功率需求小于發(fā)動機額定功率時，對動力系統(tǒng)輸出功率進行自適應控制，當計算出的外界功率需求大于發(fā)動機額定功率時，保持發(fā)動機額定功率輸出。
[0028]對于上述計算過程，如下幾點需要說明:
挖掘機在工作過程中，由負載決定的主泵壓力一般都是突變性的，其頻率成分較為復雜，不能直接用于計算。需對主泵壓力信號濾波，濾掉其高頻分量。
[0029]兩個主泵壓力信號中，選用較大者作為計算依據(jù)。
[0030]多個先導壓力信號中，選用較大者作為計算依據(jù)。
[0031]采集到的壓力信號是離散信號，其處理方式也相應地為離散處理。
[0032]模糊油門控制器(Accelerograph Fuzzy Controller)的輸入值是負載計算器的計算結(jié)果和檢測到的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，輸出值是油門開度。在挖掘機外負載功率需求實時計算的基礎上，對發(fā)動機油門開度實行動態(tài)調(diào)節(jié)，使發(fā)動機經(jīng)常工作在最低油耗區(qū)，即最低油耗曲線附近，在保證挖掘機動力性的同時實現(xiàn)經(jīng)濟性。其理想調(diào)節(jié)曲線如附圖4所示。附圖4中黑色線為發(fā)動機外特性曲線，對應某一油門開度下的最大功率；紅色線為發(fā)動機等功率曲線和等油耗曲線的切點的連線，對應某一油門開度下的最低油耗點處的輸出功率。
[0033]在實際應用中，發(fā)動機工作在經(jīng)濟功率曲線附近的一個區(qū)間范圍內(nèi)，該區(qū)間范圍的轉(zhuǎn)速寬度即為發(fā)動機的調(diào)節(jié)精度，現(xiàn)確定為±100rpm。在比油耗曲線上的最低油耗點土 10rpm范圍內(nèi)，油耗的變化很小，經(jīng)濟性對轉(zhuǎn)速不敏感。
[0034]如何實現(xiàn)油門開度的在線調(diào)節(jié)并對發(fā)動機進行新型轉(zhuǎn)速感應控制，是挖掘機動力系統(tǒng)功率自適應控制的核心內(nèi)容。下面詳細介紹模糊油門控制器(Accelerograph FuzzyController)的實現(xiàn)過程。
[0035]由模糊油門控制器的方框圖可知，其主要組成模塊有:
轉(zhuǎn)速偏差變化計算模塊
輸入量的模糊化處理模塊模糊推理和模糊決策模塊模糊數(shù)據(jù)精確化處理模塊
①、轉(zhuǎn)速偏差及其變化計算
轉(zhuǎn)速偏差是發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速的偏差。轉(zhuǎn)速偏差變化是指相鄰兩個采樣點的轉(zhuǎn)速偏差。其計算公式如下:e=nl_n0ec=n2_nl
其中:e:發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏差
ec:轉(zhuǎn)速偏差變化
nO:發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速
η 1:發(fā)動機在tl時刻的轉(zhuǎn)速
n2:發(fā)動機在t2時刻的轉(zhuǎn)速(tl〈t2)；
②、輸入數(shù)據(jù)的模糊化處理
模糊控制器的輸入量和輸出量的確定:
模糊控制器的輸入量確定為發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏差e和偏差變化ec，輸出量為發(fā)動機油門信號增量U。轉(zhuǎn)速偏差e的基本論域為[-200，200]，轉(zhuǎn)速偏差變化ec的基本論域為[-50，50]。輸入量的模糊語言變量分別為E和EC，輸出量的模糊語言變量為U,模糊量E、EC、U的基本論域均為[_6，-5, -4, -3, -2, -1, O, +1, +2, +3, +4, +5, +6],模糊量 E、EC、U 的模糊變量均賦值為[NL、NM、NS、0、PS、PM、PL]；
模糊控制的實踐證明，模糊控制過程對語言變量隸屬函數(shù)的形狀不敏感，對隸屬函數(shù)的范圍有一定的敏感，本例選擇三角形隸屬函數(shù)，其形狀如附圖5所示。根據(jù)此隸屬度函數(shù)圖形可以建立語言變量的賦值表下:

【權(quán)利要求】
1.一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)具有主壓力傳感器，能夠在線檢測主液壓系統(tǒng)壓力；系統(tǒng)具有先導壓力傳感器，能夠在線檢測先導液壓系統(tǒng)壓力；系統(tǒng)具有功率控制模塊，該模塊通過對主液壓系統(tǒng)壓力信號和先導液壓系統(tǒng)壓力信號進行計算和處理，可以在線調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度、發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速和液壓泵的變量機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率控制模塊工作內(nèi)容如下: 其輸入信號包括挖掘機主液壓系統(tǒng)壓力信號、先導液壓系統(tǒng)壓力信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、主泵排量等信息中的部分或全部； 其輸出信號包括對發(fā)動機油門開度的調(diào)節(jié)信號、發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速信號和液壓泵排量調(diào)節(jié)信號的部分或全部； 其數(shù)據(jù)處理方法包括對輸入信號進行代數(shù)運算、模糊推理或人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法中的一種或幾種； 其功能包括對外負載的大小進行在線計算和預測、對操作者的作業(yè)方式期望進行模式識別、對操作者的作業(yè)速度期望進行計算和預測。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率控制模塊包括兩個模塊:負載計算器和模糊油門控制器；負載計算器的輸入量是主泵壓力信號和先導壓力信號，其輸出量是負載的計算值；模糊油門控制器的輸入值是負載計算器的計算結(jié)果 和檢測到的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，輸出值是油門開度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)，其特征在于，所述負載計算器的計算過程如下: 在一個工作循環(huán)內(nèi)將檢測到的主系統(tǒng)壓力進行加權(quán)平均，根據(jù)重載挖掘時的功率需求，在0—1之間賦值； 在一個工作循環(huán)內(nèi)將檢測到的先導壓力進行全程平均，將結(jié)果在O— I間賦值； 將上述兩個值相乘，得到一個O— I之間的數(shù)值，該值即為主泵角功率的百分數(shù)；當計算出的外界功率需求小于發(fā)動機額定功率時，對動力系統(tǒng)輸出功率進行自適應控制，當計算出的外界功率需求大于發(fā)動機額定功率時，保持發(fā)動機額定功率輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊油門控制器的組成模塊包括:轉(zhuǎn)速偏差變化計算模塊、輸入量的模糊化處理模塊、模糊推理和模糊決策模塊、模糊數(shù)據(jù)精確化處理模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種液壓挖掘機功率自適應控制系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速偏差變化計算模塊，其計算公式如下:
e=nl_nO
ec=n2_nl 其中:e:發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏差 ec:轉(zhuǎn)速偏差變化 nO:發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速 η 1:發(fā)動機在tl時刻的轉(zhuǎn)速 n2:發(fā)動機在t2時刻的轉(zhuǎn)速。
7.一種液壓挖掘機功率自適應控制方法，其特征在于，在線采集主液壓系統(tǒng)壓力信號和先導液壓系統(tǒng)壓力信號，輸入功率控制模塊，對上述信號進行計算和處理；功率控制模塊根據(jù)對輸入信號的計算和處理結(jié)果，在線調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度和目標轉(zhuǎn)速；功率控制模塊根據(jù)對輸入信號的計算和處理結(jié)果，在線調(diào)節(jié)主液壓泵的變量機構(gòu)。
8.一種液壓挖掘機功率自適應控制方法，其特征在于，功率控制模塊對輸入信號的計算和處理方法包括對輸入信號進行代數(shù)運算、模糊推理或人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法中的一種或幾種。
9.一種液壓挖掘機，其特征在于具有權(quán)利要求1-6任一項所述的功率自適應控制系統(tǒng)。
【文檔編號】E02F9/22GK104074225SQ201410320145
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】韓慧仙, 曹顯利 申請人:湖南機電職業(yè)技術(shù)學院