工作装置动力总成的匹配与控制技术

一、 挖掘机现有的节能措施分析

挖掘机的工作过程是柴油的化学能经过发动机、 主泵、 主阀、 执行元件等一系列的能量转换与能量传递环节后对外负载做功的过程。每一个能量转换和传递环节都要消耗一定的能量 （如发动机带动电动机等附件及发动机冷却和排气要消耗能量， 主泵、 主阀、 执行器等要克服自身摩擦和惯性等）， 最后经由执行器对外界负载做功的能量只是总能量中很少的一部分。 功率流动情况示意如图4－4所示。

图4－4 挖掘机功率流动示意图

针对各个环节的能耗情况， 现有挖掘机已经采取了相应的节能措施， 在此基础上增加或改进的节能措施如表4－1所示。

表4－1 挖掘机节能范围与措施

现有挖掘机采取的节能措施及其控制思想如下：

（1） 自动怠速控制。

当所有先导操作机构回中位后约3.5s，发动机转速降至1350r／min，发动机进入自动怠速状态； 当检测到有先导操作动作时， 发动机恢复到原目标转速。

（2） 发动机转速感应控制 （ESS）。

当油门挡位和功率模式给定时， 控制器给出唯一的目标转速。 控制器通过转速传感器检测发动机实际转速， 并依据目标转速与实际转速的差值对主泵排量进行PID调节， 使该差值保持在一定范围内。

（3） 发动机功率模式控制。

挖掘机操作手可以设定发动机某一油门挡位下的功率输出模式：H模式下输出最大功率； S模式下输出90％最大功率； L模式下输出80％最大功率。

（4） 主泵排量负控制。

通过在主阀中位设置节流孔， 检测主泵流量供给与执行器流量需求之间的差异， 并将该流量误差压力信号反馈到主泵排量控制机构，以此对主泵排量进行校正。

（5） 主阀防溢流控制。

主溢流阀开启压力为 26.9 MPa／2 L／min， 压力增加率为0.01MPa／L／min，当溢流流量达到某一设定值时， 开始减小泵排量，进行防溢流控制。

（6） 微动溢流控制。

通过电控程序对微动作时的流量进行精确匹配， 防止微动作时主溢流阀和二次溢流阀打开。

（7） 工作装置再生油路控制。

斗杆回收采用再生油路设计。

（8） 回油背压改善控制。

回油背压由3MPa降至1.2MPa， 减少发热量。

现有挖掘机采取的节能措施均以部件或子系统作为节能目标， 不能实现整体节能的最优控制。 本书对现有节能措施进行了改进， 增加了部分节能措施， 力图实现系统节能的最优控制。

在挖掘机工作过程中， 负载突变是导致能耗过大的主要原因， 是挖掘机动力性和经济性相统一的主要障碍。 只有将负载引入节能控制系统加以研究， 结合挖掘机自身的固有特性和操作人员的操作意图，将操作人员—挖掘机—外负载作为一个系统通盘考虑， 才能实现全局节能的最优控制。本书在现有挖掘机节能措施的基础上， 将节能控制的范围延伸到人—机—负载，其增加和改进的节能措施包括以下几方面：

（1） 主泵排量正控制。

以先导压力控制主泵排量， 减少了主阀中位能量损失， 改善了流量供需之间的动态匹配性能， 增加了操作舒适性。

（2） 改进的自动怠速控制。

挖掘机所有先导手柄回中位后， 发动机转速立即降低100r／min，约3.5s后， 发动机转速分两步降至自动怠速转速， 进入怠速状态；当检测到有先导压力后， 发动机转速分两步升至原目标转速。

（3） 限制发动机空载最高转速。

发动机在额定功率点工作时， 若负载突然降低， 发动机会趋向于空载最高转速。 通过电控手段可以避免该情况发生。

（4） 基于负载估计和模糊油门控制器的功率自适应控制系统。

通过对先导压力进行模式识别， 取得操作人员的工作模式和速度期望， 通过在线检测主压力和先导压力计算挖掘机的实时功率需求，据此对发动机油门开度进行模糊控制， 使动力系统的功率能够及时跟随外负载的变化， 同时满足用户的操作期望。 功率自适应控制系统全面考虑了人—机—负载等因素， 以实现全局节能最优控制。

下面分别叙述上述节能措施的技术方案设计。

二、 挖掘机电子节能控制技术设计

1． 主泵排量正控制

正流量控制是指主泵排量与先导压力成正比。 目前， 挖掘机主泵排量正控制方式包括液压正控制和电气正控制两种。 液控正流量控制是通过梭阀组将先导压力的最大值检出， 直接控制主泵排量， 其控制直接可靠； 电控正流量控制是通过传感器将先导压力信号输入控制器，控制器对先导压力信号进行加工、 修正后控制主泵电比例阀电流， 进而控制主泵排量， 其流量匹配效果更理想。

液控正流量系统其连接方式如图4－5所示。

图4－5 液控正流量控制系统

电控正流量系统在先导管路中安装了压力传感器， 用以检测各个先导压力信号并输入控制器。 主控制器根据先导压力信息对系统流量需求进行实时计算， 并据此给出主泵排量电比例阀电流值， 对主泵排量进行正控制。

电控正流量方式可以实现流量需求与流量供给更精确的匹配。 控制器根据执行元件的最大速度确定最大流量， 并以流量的调解范围与先导压力的范围进行线性匹配。 在试验中可以根据实际速度要求对匹配方式进行修正处理。

下面以SY210F为例对主泵排量电气正控制进行技术设计。

液压泵采用KPM提供的K3V112DTP1E9R－9T7L－V型斜盘式轴向柱塞泵， 其主要性能参数为主泵最大排量：102.5×2m L， 先导泵排量：10m L， 额定转速：2050r／min， 主泵工作压力：34.3MPa。

该泵为三联式通轴驱动泵， 其液压原理如图4－6所示。

SY210F挖掘机采用的手阀压力范围为0～4.5MPa， 可调节范围为0.64～2.25MPa； 脚阀的压力范围为0～4.0MPa， 可调节范围为0.5～2.2MPa。

前泵排量由下列先导压力决定： 斗杆回收、 斗杆打开、 左回转、右回转、 左行走、 动臂上升； 后泵排量由下列先导压力决定： 斗杆回收、 斗杆打开、 右行走、 铲斗挖掘、 铲斗卸载、 动臂上升、 动臂下降。

当挖掘机单独动作时， 以先导压力的可调范围和主泵排量范围进行线性匹配， 排量调节受总功率控制的限制； 当挖掘机复合动作时，可以根据复合动作总流量需求对主泵排量进行匹配。

单独动作时SY210F挖掘机先导压力范围与主泵排量范围的匹配如图4－7所示。

在实际运行中， 主泵排量的大小还受双泵总功率控制的制约， 控制器采集双泵出口处的实时压力， 并根据当前发动机输出功率在线计算双泵的最大允许排量。 当正控制匹配的主泵排量小于最大允许排量时， 按照先导需求进行排量匹配； 当正控制匹配的主泵排量大于最大允许排量时， 总功率限制匹配主泵排量。 因此， 双泵总功率控制对主泵排量的匹配具有较高的优先级。

图4－6 K3V112DTP1E9R－9T7L－V型斜盘式轴向柱塞泵液压原理

图4－7 SY210F挖掘机先导压力范围与主泵排量范围的匹配

复合动作时， 每个泵的排量由多个先导压力中与本泵相关先导压力中较大者决定。

2． 改进的自动怠速控制

先导手柄全部回中位时， 目标转速立即降低n， 零先导压力持续3.5s后， 目标转速降低至1350r／min， 进入自动怠速状态。 其控制曲线如图4－8所示。

图4－8 自动怠速控制曲线

①1bar＝0.1MPa。

n的取值如表4－2所示。

表4－2 不同挡位转速的取值

续表

手柄回中位后， 发动机转速立即降低n， 可以防止空载最高转速状态下比油耗急剧升高的情况发生， 在节能的同时也降低了整机的噪声水平。

3． 限制发动机空载最高转速

挖掘机在循环作业过程中， 其负载基本是突变性的。 其液压功率示意图如图4－9所示。

图4－9 作业循环功率示意图

在图4－9所示突变负载中， 当液压功率由很大突变为很小时， 发动机在额定功率点附近突然升速至空载最高转速附近， 其比油耗急剧升高， 如图4－10所示。

图4－10 发动机功率特性

发动机在高转速、 低功率输出状态的比油耗非常高， 噪声增大，不经济、 不环保， 对发动机寿命影响也很大， 应设法限制此状态出现。

以SY210F配备ISUZUBB－6BG1TRP－02发动机为例。 由图4－11发动机功率曲线可知， 当转速超过2220r／min时， 进入调速区。为防止发动机深入调速区过多，可以设置一个警戒转速为2250r／min，当发动机实际转速不超过该警戒转速时， 按照常规方式进行发动机转速感应控制； 当发动机实际转速超过警戒转速时， 在原转速感应控制的基础上将发动机的目标转速降低一个值， 该值可以是实际转速与警戒转速的差值的函数， 使系统具有惩罚性负反馈。

图4－11 ISUZUBB－6BG1TRP－02发动机功率曲线

例如： 当发动机实际转速超过警戒转速时， 在原转速感应控制的基础上将发动机的目标转速降低f （n）：

f（n） ＝k×n＝k× （ns－nj） （4－1）

式中 ns——发动机实际转速；

nj——发动机警戒转速；

n——发动机超过警戒转速的值；

k——惩罚系数。

为了确保发动机转速调整的快速性和稳定性， 惩罚系数k的取值在试验中确定。

4． 动力系统功率自适应控制

目前， 国内外挖掘机节能控制主要采用分工况控制。 挖掘机在实际工作时的工况有挖深沟、 装车、 精细平整等， 不同的工况对动力系统的功率需求集聚在几个功率点附近， 其示意图如图4－12所示。

图4－12 功率需求分配示意图

由图4－12可见， 不同的工况对发动机的输出功率要求集中在几个功率点附近， 所以对发动机的功率调节可以采用离散调节方式。 将发动机输出功率分成若干个挡位， 分别对应相应的油门挡位。 在挖掘机工作过程中， 功率自适应控制系统在若干油门挡位之间调节， 既能有效匹配系统功率， 还防止了对发动机油门过度频繁的调节。

为了实现发动机功率与外负载的匹配， 传统的做法是将发动机输出功率离散为几个挡位， 在实际工作中， 由挖掘机操作手根据工况选择合适的油门挡位， 进而实现动力系统与负载的功率匹配， 这种分工况控制在原理上能够做到动力系统与外负载之间的功率匹配， 从而较大幅度地节省燃油。但在实际应用中，节能效果并不理想，其原因如下：

（1） 实际工况复杂， 操作手难以准确估计， 选择的油门挡位与外界功率需求不匹配；

（2） 有时操作手并不进行工况估计， 而是将油门置于最大位置，以适应所有的工况。

解决此问题的方法是通过实时负载计算实现油门开度的自动控制。 其难点在于外负载功率需求的在线计算和油门开度的动态调节方式。

挖掘机动力系统功率自适应控制是在我国现有挖掘机控制系统的基础上， 通过采集主泵压力信号和先导压力信号， 对铲斗阻力的大小和用户对铲斗速度的期望进行在线计算， 进而计算出挖掘机工作的实时功率需求； 根据功率需求及其变化趋势对发动机油门位置进行离散模糊控制， 使发动机工作在预定的功率输出点附近。 同时对发动机进行短时超载和防溢流控制， 使整机动力系统的功率匹配实现自动化和智能化。

挖掘机动力单元控制方框图如图4－13所示。

在图4－13中， 在原有的发动机转速PID调节的基础上， 增加功率自适应反馈环节和前馈环节。 负载计算器模块对主系统压力和先导系统压力进行实时处理和计算， 得到负载的计算值； 模糊油门控制器接收负载计算器的计算结果并对其进行模糊化， 通过模糊运算和处理，输出油门开度的控制量。 通过油门开度与负载的在线匹配， 实现动力系统功率的自适应控制。

图4－13 挖掘机动力单元控制方框图

下面分别叙述负载计算器和模糊油门控制器的实现过程。

1） 负载计算器

负载计算模块的输入量是两个主泵压力信号和8个先导压力信号，其输出量是负载的计算值， 方框图如图4－14所示。

图4－14 负载计算方框图

主泵压力体现了土壤的坚实程度， 先导压力体现了操作者的速度期望， 二者的综合可以表征负载的功率需求。 负载计算器的计算过程如下：

（1） 在一个工作循环内将检测到的主系统压力进行加权平均， 重点突出重载挖掘时的功率需求， 在1～10之间赋值；

（2） 在一个工作循环内将检测到的先导压力进行全程平均， 将结果在1～10之间赋值；

（3） 将上述两个值相乘， 得到一个0～100之间的数值， 该值即为主泵角功率的百分数。 当计算出的外界功率需求小于发动机额定功率时， 对动力系统进行自适应控制； 当计算出的外界功率需求大于发动机额定功率时， 保持发动机额定功率输出。

对于上述计算过程， 有以下几点需要说明：

（1） 挖掘机在工作过程中， 由负载决定的主泵压力一般都是突变性的， 其频率成分较为复杂， 一般不能直接用于功率计算。 可以对采集到的主泵压力信号进行滤波处理， 滤掉波形中的高频分量。

（2） 两个主泵压力信号中， 选用较大者作为计算依据。

（3） 多个先导压力信号中， 选用较大者作为计算依据。

（4） 采集到的压力信号是离散信号， 其处理方式也相应的为离散处理。

2） 模糊油门控制器

挖掘机工作过程中， 外负载的变化频率较高， 变化幅度较大， 目前的ESS控制通过调节泵的吸收功率来适应外负载， 而不是实时调节油门开度。 如此控制的结果是发动机经常工作在高油耗区域， 在确保动力性的同时忽略了燃油经济性。 这是ESS控制方式的主要缺点之一。

挖掘机动力系统具有较大的非线性、 时变性和分布参数等特点，难以建立精确的数学模型， 为克服传统的PID控制超调量过大、 系统稳定性差等缺点， 本书采用二维增量式模糊控制器对发动机油门进行控制。

二维模糊控制器能够较严格地反映受控过程中输入变量的动态特性， 且控制规则和算法相对简单， 具有较高的控制性能且容易设计。控制器的输入变量取为转速误差E和误差变化EC，使模糊控制器具有PD控制规律， 有利于保证系统的稳定性， 并可减少响应过程的超调量和震荡现象。

模糊油门控制器 （Accelerograph Fuzzy Controller） 的输入值是负载计算器的计算结果和检测到的发动机实际转速， 输出值是油门开度。其方框图如图4－15所示。

图4－15 模糊油门控制器方框图

本书在挖掘机外负载功率需求实时计算的基础上， 对发动机油门开度实行动态调节， 使发动机经常工作在最低油耗区， 即最低油耗曲线附近， 在保证挖掘机动力性的同时实现经济性。 其理想调节曲线如图4－16所示。

图4－16 发动机输出功率曲线

在图4－16中， 图线1为发动机外特性曲线， 对应某一油门开度下的最大功率； 图线2为发动机经济功率曲线， 对应某一油门开度下最低油耗点处的输出功率。

在实际应用中， 发动机工作在经济功率曲线附近的一个区间范围内，该区间范围的转速宽度即为发动机的调节精度， 现确定为±100r／min。在比油耗曲线上的最低油耗点±100r／min范围内， 油耗的变化很小， 经济性对转速不敏感。

如何实现油门开度的在线调节并对发动机进行新型转速感应控制，是挖掘机动力系统功率自适应控制的核心内容。

下面详细介绍模糊油门控制器 （Accelerograph Fuzzy Controller） 的实现过程。

由模糊油门控制器的方框图可知， 其主要组成模块包括： 转速偏差变化计算模块； 输入量的模糊化处理模块； 模糊推理和模糊决策模块； 模糊数据精确化处理模块。

1） 转速偏差及其变化计算

转速偏差是发动机实际转速与目标转速的偏差。 转速偏差变化是指相邻两个采样点的转速偏差， 其计算公式如下：

e＝n1－n0（4－2）

ec＝n2－n1（4－3）

式中 e——发动机转速偏差；

ec——转速偏差变化；

n0——发动机目标转速；

n1——发动机在t1时刻的转速；

n2——发动机在t2时刻的转速（t1＜t2）。

2） 输入数据的模糊化处理

模糊控制器的输入量和输出量的确定：

模糊控制器的输入量确定为发动机转速偏差e和偏差变化ec，输出量为发动机油门信号增量u。 转速偏差e的基本论域为 ［－200， 200］，转速偏差变化ec的基本论域为［－50，50］。

输入量的模糊语言变量分别为E和EC， 输出量的模糊语言变量为U， 模糊量E、 EC、 U的基本论域均为 ［－6， －5， －4， －3， －2，－1，0， ＋1， ＋2， ＋3， ＋4， ＋5， ＋6］， 模糊量E、 EC、 U的模糊变量均赋值为 ［NL、 NM、 NS、 O、 PS、 PM、 PL］。

各语言变量在其论域上的隶属函数确定：

模糊控制的实践证明， 模糊控制过程对语言变量隶属函数的形状不敏感， 对隶属函数的范围有一定的敏感性， 本书选择三角形隶属函数， 其形状如图4－17所示。

图4－17 三角形隶属函数

根据此隶属度函数图形可以建立语言变量的赋值表。

3） 模糊推理与模糊决策

模糊控制规则确定： 模糊推理和决策是控制过程中的经验总结。模糊油门控制器的模糊规则见表4－3。

表4－3 模糊油门控制器的模糊规则

续表

4） 模糊决策的精确化处理

由误差E1和误差变化EC1通过模糊控制算法求得的U1是模糊量，必须把模糊量转换为精确量u用来执行控制。 本书采用加权平均法计算执行量u， 公式如下：

u＝∑u（xi） xi／∑u（xi） （4－4）

式中 xi——论域元素；

∑u（xi） ——相应于xi的隶属度。

5） 控制表的获取

对于任意的误差E1和误差变化EC1，均有唯一的U1与其对应。据此可以列出模糊控制器的控制表， 如表4－4所示。

表4－4 模糊控制器的控制

续表

模糊油门控制器的建造是离线进行的， 模糊控制器的建造结果是取得控制表， 控制表以查询表的形式存储在控制器中。 在进行挖掘机模糊油门控制时， 对于给定的转速偏差和转速偏差变化， 只要对其进行模糊化处理并查表， 即可得到模糊控制变量， 该模糊变量精确化后直接控制油门电动机。

控制过程的具体实施过程如下：

控制器将采样与变换得到的转速偏差e和转速偏差变化ec，分别乘以量化因子ke＝6／a和kec＝6／b，得到查表所需的论域元素e和ec，查控制表得到控制变量u， 乘以比例因子c／6， 便得到实际的控制步进电动机的控制增量。

影响模糊油门控制器性能的主要因素是输入输出变量e、ec的基本论域范围和模糊控制表中u的取值。 上述控制参数将在样机试验中验证和修订。