一种液压挖掘机功率自适应控制系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种液压挖掘机功率自适应控制系统和方法，旨在实现挖掘机在变负荷工况下发动机功率输出与外负载功率需求之间的动态实时匹配。本发明专利技术通过采集主泵压力信号和先导压力信号，据此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，同时对动力系统的状态参数进行在线调节，使动力单元的功率输出能够对外负载进行匹配控制。本发明专利技术在保证挖掘机动力性的前提下提高了其经济性，实现挖掘机在变负荷工况下发动机功率输出与外负载功率需求之间的动态实时匹配，有效降低了单位土方量的燃油消耗率。

【技术实现步骤摘要】
一种液压挖掘机功率自适应控制系统
本技术属于液压挖掘机控制领域，具体涉及一种液压挖掘机功率自适应控制系统。
技术介绍
挖掘机在工作工程中，外负载的变化十分剧烈和频繁，导致液压系统的压力随之急剧变化，为了保证挖掘机的动力性能，传统的动力匹配方式实现了泵与发动机的功率动态匹配，但不能及时跟随外负载的功率波动，造成发动机功率浪费或燃油燃烧不充分，节能效果不理想。发动机功率与外界载荷的匹配关系体现在如下两个方面：当外负载大于发动机极限功率时，外负载应适应发动机。此时应降低泵的吸收功率到发动机的最大功率，以保护发动机。目前挖掘机广泛采用的ESS控制系统能够较好的防止发动机过载，当外负载超过发动机最大功率时，发动机保持最大功率输出。当外负载小于发动机极限功率时，发动机应该适应外负载。此时应调节喷油量和泵排量，使发动机功率能够及时跟随外负载的变化，实现发动机功率与外负载的动态实时匹配。发动机转速控制方法是一种近似的恒功率控制，其控制思想是使外负载适应发动机。当外负载的功率需求超过发动机的额定功率时，转速控制方式有效的防止了发动机过载，保护了发动机；当外负载的功率需求小于发动机额定功率时，转速控制方式通过增加作业速度来使外负载适应发动机的功率，此时系统的经济性能恶化。挖掘机是一种多用途工程机械，在不同的作业工况下，其功率需求往往差别很大，如挖深沟、装车等工况的功率需求较大，精细作业、夯实等工况的功率需求较小。传统的发动机功率匹配方法是由操作者预先估计外负载的大小并手动选择发动机的油门开度，控制器对发动机进行转速控制。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档位，在实际工作中，由挖掘机操作手根据工况选择合适的油门档位，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，其原因有：实际工况复杂，操作手难以准确估计，选择的油门档位与外界功率需求不匹配；有时候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。本专利技术就是通过自动计算和预测外负载的功率需求和操作者的速度期望，自动调节发动机油门开度和泵的吸收功率，使得当外负载功率需求小于发动机额定功率时，挖掘机动力单元的功率输出能够及时跟随外负载。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过自动计算和预测外负载的功率需求和操作者的速度期望，自动调节发动机油门开度和泵的吸收功率，使得当外负载功率需求小于发动机额定功率时，挖掘机动力单元的功率输出能够及时跟随外负载。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。本专利技术的技术方案是通过采集主泵压力信号和先导压力信号，据此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。本专利技术的方案如下：一种液压挖掘机功率自适应控制系统，具有主压力传感器，能够在线检测主液压系统压力；具有先导压力传感器，能够在线检测先导液压系统压力；具有功率控制模块，该模块通过对主液压系统压力信号和先导液压系统压力信号进行计算和处理，可以在线调节发动机油门开度、发动机目标转速和液压泵的变量机构。进一步的，功率控制模块工作内容如下：其输入信号包括挖掘机主液压系统压力信号、先导液压系统压力信号、发动机转速、主泵排量等信息中的部分或全部；其输出信号包括对发动机油门开度的调节信号、发动机目标转速信号和液压泵排量调节信号的部分或全部；其数据处理方法包括对输入信号进行代数运算、模糊推理或人工神经网络方法中的一种或几种；其功能包括对外负载的大小进行在线计算和预测、对操作者的作业方式期望进行模式识别、对操作者的作业速度期望进行计算和预测。进一步的，功率控制模块包括两个模块：负载计算器和模糊油门控制器；负载计算器的输入量是主泵压力信号和先导压力信号，其输出量是负载的计算值；模糊油门控制器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。进一步的，负载计算器的计算过程如下：在一个工作循环内将检测到的主系统压力进行加权平均，根据重载挖掘时的功率需求，在0—1之间赋值；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0—1间赋值；将上述两个值相乘，得到一个0—1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，对动力系统输出功率进行自适应控制，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。进一步的，模糊油门控制器的组成模块包括：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。进一步的，转速偏差变化计算模块，其计算公式如下：e=n1-n0ec=n2-n1其中：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。同时，本专利技术提出了一种液压挖掘机功率自适应控制方法，包括以下步骤：在线采集主液压系统压力信号和先导液压系统压力信号，输入功率控制模块，对上述信号进行计算和处理；功率控制模块根据对输入信号的计算和处理结果，在线调节发动机油门开度和目标转速；功率控制模块根据对输入信号的计算和处理结果，在线调节主液压泵的变量机构；进一步的，功率控制模块对输入信号的计算和处理方法包括对输入信号进行代数运算、模糊推理或人工神经网络方法中的一种或几种。本专利技术的优点是本专利技术在保证挖掘机动力性的前提下提高了其经济性，实现挖掘机在变负荷工况下发动机功率输出与外负载功率需求之间的动态实时匹配，有效降低了单位土方量的燃油消耗率。附图说明图1是本专利技术控制系统方框图；图2是负载计算器控制方框图；图3是模糊油门控制器方框图；图4是发动机理想调节曲线图；图5是语言变量隶属函数图。具体实施方式下面通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案：本专利技术的控制方式如图1所示，，负载计算器模块采集主系统压力和先导系统压力信号，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，通过对主系统压力和先导系统压力信号进行实时处理和计算，得到负载需求的计算值。负载计算器的控制方框图如图2所示；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。其控制方框图如图3所示。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，本项目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的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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液压挖掘机功率自适应控制系统，其特征在于，系统具有主压力传感器，能够在线检测主液压系统压力；系统具有先导压力传感器，能够在线检测先导液压系统压力；系统具有功率控制模块，该模块通过对主液压系统压力信号和先导液压系统压力信号进行计算和处理，可以在线调节发动机油门开度、发动机目标转速和液压泵的变量机构。

【技术特征摘要】
1.一种液压挖掘机功率自适应控制系统，其特征在于，系统具有主压力传感器，能够在线检测主液压系统压力；系统具有先导压力传感器，能够在线检测先导液压系统压力；系统具有功率控制模块，该模块通过对主液压系统压力信号和先导液压系统压力信号进行计算和处理，可以在线调节发动机油门开度、发动机目标转速和液压泵的变量机构；所述功率控制模块工作内容如下：其输入信号包括挖掘机主液压系统压力信号、先导液压系统压力信号、发动机转速、主泵排量信息中的部分或全部；其输出信号包括对发动机油门开度的调节信号、发动机目标转速信号和液压泵排量调节信号的部分或全部；其数据处理方法包括对输入信号进行代数运算、模糊推理或人工神经网络方法中的一种或几种；其功能包括对外负载的大小进行在线计算和预测、对操作者的作业方式期望进行模式识别、对操作者的作业速度期望进行计算和预测；所述功率控制模块包括两个模块：负载计算器和模糊油门控制器；负载计算器的输入量是主泵压力信号和先导压力信号，其输出量是负载的计算值；模糊油门控制器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；所述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，根据重载挖掘时的功率需求，在0—1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0—1间赋值；3)将上述两个值相乘，得到一个0——1之间的数值，该数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，对动力系统输出功率进行自适应控制，当计...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩慧仙，曹显利，
申请(专利权)人：湖南机电职业技术学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43