工程机械功率匹配与控制概述

一、 国内外对工程机械节能技术研究的现状

国外工程机械节能技术主要集中于大型工程机械制造企业， 如美国的卡特彼勒公司和特雷克斯公司， 日本的小松制作所和日立建机，德国的博世力士乐、 利勃海尔等。 其中， 德国博世力士乐公司在工程机械液压系统节能方面占据领先地位， 力士乐液压泵具有恒功率控制、总功率控制、 正控制、 负控制、 恒压控制、 DA控制、 EP控制、 HD控制等多种控制方式， 其液压多路阀具有负载敏感 （LS） 控制、 与负载无关的流量分配 （LUDV） 控制等控制方式， 其液压电动机具有负载自适应控制等节能控制技术。 为了协调液压泵与发动机的功率匹配，力士乐推出了以发动机和液压系统为控制对象的机电液一体化的节能控制技术——功率极限载荷控制 （LLC） 技术， 使其节能研究超越了液压元件和液压系统， 实现了从功率供给到功率传输的全过程功率管理。

另外， 以日立建机等企业为代表的日本挖掘机生产厂家开发了覆盖发动机和液压泵的节能控制系统， 检测发动机实时转速并与预定转速进行比较， 如果转速差超过预先设定的最大值， 则认为发动机和液压泵的功率不匹配， 即控制器对液压泵排量进行越权控制， 使发动机转速重新回到设定转速附近的一个小范围内。

国内的工程机械节能技术主要集中于大学和研究机构， 如浙江大学、 吉林大学、 同济大学等， 三一重工针对其生产的工程机械进行了节能技术研究和试验， 取得了一定成果。 其中， 浙江大学以冯培恩教授为代表的研究团队， 以国家重点实验室为依托， 针对工程机械液压系统和混合动力系统进行了长时间的研究， 培养了大批博士和硕士，成果显著。 吉林大学赵丁选教授、 同济大学黄宗益教授针对挖掘机液压系统和动力系统进行了电子节能技术的研究， 并发表了大量专业文献。 三一重工对液压挖掘机、 液压平地机、 混凝土泵车和沥青摊铺机等全液压工程机械的节能技术进行了长时间的研究和试验， 取得了大量的专利技术， 成果显著。

二、 目前对工程机械节能技术研究的不足

目前， 国内外对工程机械节能技术研究的对象包括液压元件、 发动机、 液压系统、 发动机和液压泵、 发动机和液压系统， 由于研究对象范围的限制， 其节能控制技术具有一定的局限性， 主要表现在： 其节能最优控制仅为局部最优， 不是全局最优； 片面追求节能效果， 而忽视了工程机械的动力性； 只关注功率的传递效率， 而忽略了功率的最终作业效率。

随着工程机械的作业性能不断提高、 能耗水平不断降低、 操作舒适性不断提高， 局部的节能控制已不能满足用户的要求， 工程机械节能技术的全局化程度将不断增加； 只为节能而节能， 忽略工程机械动力性的做法与用户的需求背道而驰， 应将工程机械的动力性和经济性统一起来研究， 在确保作业性能不降低的前提下进行节能控制； 功率的最终作用是完成作业任务， 所以， 节能研究不应该只关注功率传递，还应该关注不同功率流协同作业时的最终作业效果。

针对工程机械节能技术的不足和发展趋势， 目前工程机械节能研究主要集中在全局节能、 广义节能和最终效果节能方面。 扩大节能研究的范围， 将发动机、 液压系统、 控制系统、 作业机构等纳入节能控制范围来统筹控制； 根据工况进行动力控制和节能控制， 使工程机械的动力性能和经济性能统一起来； 将不同功率流的协同作业效果作为反馈信息构成闭环控制系统， 在节能的同时提高工程机械的作业效率。

工程机械的工作过程， 从能量的角度看， 是能量的转换、 传递和对外做功的过程。 对工程机械的节能研究离不开对其功率流程的分析，图4－1所示为典型工程机械的功率流。

图4－1 典型工程机械功率流

对于以柴油机为动力的工程机械， 所有的动力来源于柴油的化学能， 柴油机将燃油的化学能转化输出为机械能——转速和转矩。 目前采取全程调速或电控喷油等控制技术改善柴油机的动力特性和能耗特性； 液压泵吸收柴油机的机械能并转化为液压能——压力和流量， 目前一般采取恒功率控制、 压力切断、 正流量控制等， 以改善泵的动力特性和能耗特性； 柴油机和液压泵是能量的供方和需方的关系， 为了改善供求关系， 一般对发动机和液压泵采取转速感应控制或功率极限载荷控制等， 以改善二者联合工作时的动力特性和能耗特性； 液压阀吸收液压泵输出的液压能， 经过调节液压系统的压力、 流量和方向后输出压力和流量给相应的执行机构， 一般采取可变流量控制以使多执行机构协同动作， 或采取LUDV技术以克服并联回路中负载差异对流量分配的干扰； 在阀控系统中， 液压阀受操作者控制， 其状态一般可以代表操作意图和流量需求， 所以， 液压泵和液压阀的关系是流量的供方和需方的关系， 为了匹配供求关系， 一般采用负流量控制或负荷传感控制； 液压阀输出的液压能被油缸或电动机吸收， 并输出机械能——力和位移或转速和转矩， 执行元件输出的机械能部分或全部对外负载做功， 执行元件对外负载的有效做功构成其有效功率。

由以上对工程机械功率流的执行层和控制层的分析可见， 目前的元件效率控制技术、 部件功率控制技术和子系统功率控制技术都只能做到局部最优控制， 而未能从整机作业系统的高度进行节能分析和控制。 由前面分析可见， 所有的能量转换和传递的最终目的是对外负载有效做功， 即输出有效功率。 根据工程机械往往是多执行机构协同作业的特点， 输出有效功率取决于两个因素： 功率的有效传递和不同功率支流之间的有效配合。 目前的节能控制往往专注于功率的有效传递和供求双方的动态匹配上， 而忽略了不同功率流之间的有效配合。

作业效率是指工程机械单位时间的作业量。 作业效率与节能往往是矛盾的， 提高一方性能往往会使另一方的性能降低。 只有在相同作业效率下的能耗数据才具有可比性。

由上述分析可知， 节能不仅取决于功率传递的效率和功率供求双方的动态匹配， 还取决于不同功率流之间的有效配合， 并与作业效率有关。

三、 广义节能与全局节能

广义节能的概念包含了四点要求： 效率、 动态匹配、 不同功率流之间的有效配合和作业效率。 为了实现广义节能意义下的节能控制，需要以作业系统 （整机和负载） 作为研究对象， 将传统节能控制技术、 多执行机构的协同控制和作业效率三者统一在一个共同的节能目标下， 实现广义节能意义下的最优节能控制。

为了定量分析节能效果， 可以定义如下全局节能指标：

全局节能指标是在单位时间内、 单位油耗下机械对外输出的有效做功， 是有效功率与油耗的比值， 考虑了作业效率、 多执行机构协同作业和传统节能控制三方面的内容， 该指标能够全面评价和比较工程机械的节能特性。

以全局节能指标为总目标， 可以建立多层次、 全方位的工程机械节能控制体系， 如图4－2所示。

图4－2 工程机械全局节能控制体系

在图4－2中， 全局节能目标可以分解为作业效率目标、 协同作业目标和传统节能目标三个维度， 每个维度又可以分解为系统级节能目标、 部件级节能目标和元件级节能目标。 这样构建的节能体系有以下优点：

（1） 各个层次、 各个部件的节能控制目标一致；

（2） 以全局为控制对象， 能够实现全局最优控制；

（3） 节能目标是作业快速性和经济性的统一；

（4） 节能评价更合理， 节能效果具有可比性。

四、 基于全电控系统的柔性匹配节能控制技术

传统的节能控制已经在局部最优意义下取得了一定的成果， 只有突破传统的节能控制范畴才能取得更大的节能成果。 可以在以下几方面突破传统的节能技术体系：

（1） 突破固定参数的功率匹配，实现分工况的柔性参数动态功率匹配；

（2） 采用作业模式识别技术， 建立基于作业模式的动态功率分配系统；

（3） 识别驾驶员的操作意图， 建立基于操作模式的作业效率管理系统。

为了实现上述技术突破， 需要建立全电控的执行层和分布式的控制层， 构建全新的工程机械功率控制体系。

1． 全电控的功率系统

采用电控喷油柴油机和电比例液压泵、 电比例控制阀、 电比例液压电动机， 构建全电控的传动系统， 由于采用了全电控的功率传递和转换元件， 故可以实现硬件功能的最小化， 增加硬件的通用化程度，这样可以实现更深入的感知和更广泛的智能控制。

由于系统的控制功能和专用功能是由软件承担的， 所以可以在机械工作过程中根据工作情况和操作情况对控制参数进行在线调节， 实现参数匹配柔性化， 以获取更好的、 广义的、 全局的节能效果。

2． 基于总线的分布式控制系统

建立全电控的功率系统， 特别是全电控的液压系统后， 控制程序需要对液压系统的压力信号进行处理， 这对控制系统的响应速度提出了非常高的要求， 以目前工程机械控制器的技术条件， 尚无法满足对压力信号及时处理的要求。

如前所述， 可以开发专门的基于总线的液压泵控制器、 液压阀控制器和发动机控制器， 各个控制器与高速总线连接， 建立基于总线的分布式控制系统。

基于总线的分布式控制系统的结构如图4－3所示。 在图4－3中，发动机控制器根据发动机运行状态的数据和用户指令控制发送机喷油，并将相关数据发送到总线， 从总线上接收其他控制器的控制指令； 液压泵控制器根据泵出口的压力信号对其排量信号进行调节， 并将相关数据发送到总线， 从总线上接收其他控制器的控制指令； 液压阀控制器接收操作人员的操作指令， 据此对液压阀进行控制， 并将相关数据发送到总线， 从总线上接收其他控制器的控制指令。

图4－3 基于总线的分布式控制系统

由以上分析可见， 传统的节能控制具有多种缺陷， 突破传统节能控制技术体系的有效途径是建立全电控的功率系统和基于总线的分布式控制系统， 该技术可以实现分工况的柔性参数动态功率匹配， 建立基于作业模式的动态功率分配系统和基于操作模式的作业效率管理系统， 为工程机械节能开辟了巨大的技术空间， 引导着现代工程机械节能技术的发展方向。