CN100422451C - 挖掘机全功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种挖掘机全功率控制***及方法，其特点是对主泵压力和主泵负流量压力进行检测，将检测得到的信号送到前馈—反馈调节器进行处理，并将经前馈—反馈调节器处理后的信号与PID调节器信号迭加后驱动电液比例阀；前馈—反馈调节器加入调节是在主泵负流量开始下降起之后的一段时间ΔT为20～150ms之间内。PID调节器作为主要的调节器来调节油泵的吸收功率。其优点是节能、提高功率利用率、增强作业效率、消除冲击，改善柴油机曲线的平滑性、可以调节油泵的吸收功率，保证柴油机转速能稳定在给定值。实现油泵的吸收功率与柴油机的输出功率完全匹配；不仅提高了工作效率而且还具有节能环保的功能。

Description

挖掘机全功率控制方法

技术领域

本发明是涉及一种挖掘机全功率控制方法。

背景技术

在原来挖掘机设计时，功率匹配采用的方式是让油泵吸收的最大功率略小于柴油机对应油门位置的最大功率。或者说只要油泵的驱动扭矩略小于柴油机对应油门位置的净输出扭矩，就能满足***稳定工作的最基本条件，如附录图1所示。由于恒功率泵的特性曲线是两条不同斜率的直线构成的近似恒功率的双曲线，如图2所示：当负载压力超过主泵工作的起调压力时，沿特性曲线dcb自动调节。正常工作时负载变化是不定的，如果柴油机转速恒定，其输出的功率也是恒定，但由于负载变化不定，其吸收的功率也是变化的。这样柴油机输出的功率很多就被浪费掉了。图3就是在原来功率匹配方式下柴油机输出的转速曲线：图中的一条直线表示挖掘机工作时所希望稳定的转速(给定值2100rpm)。当负载较轻时，柴油机的转速高于或接近给定值。如果负载较重，此时柴油机掉速严重，而且长时间低于给定值。这种情况下，柴油机的利用率很低，而且工作装置动作明显减慢。为了克服上述的缺点，可以通过调节器来调节油泵的吸收功率，从而达到控制机器工作在恒功率的状态下。人工是无法进行调节的，如果采用简单的过程控制，由于控制精度低，同时由于一些部件动作滞后，在负载较轻的情况下才能勉强达到控制要求。故只有采用微处理器为核心的控制***才能达到准确控制。实现油泵与柴油机的全功率匹配。

经过试验，采用传统的PID闭环控制其效果达不到理想的控制要求。其闭环控制框图如附录图4所示。此时柴油机输出曲线如图5所示：从上图可以看出，柴油机工作时基本能稳定在给定值。但是还不够平滑。而且每次操纵手柄开始进行挖掘时冲击较大，柴油机掉速较多。

采用传统的PID闭环控制过程如下：测量柴油机自带的转速传感器的信号作为反馈信号，将此反馈信号通过数字PID控制算法运算后得出控制电流的值，从而驱动电液比例阀。电液比例阀产生的液压压力来调节油泵的吸收功率。使油泵的最大吸收功率不大于柴油机的输出功率。通过这样一个闭环实现了柴油机与油泵的功率匹配。当电液比例阀给定的电流增大时油泵的吸收功率增加，减小时油泵吸收功率减小。

从图4可以发现尽管使用PID闭环控制后有了明显的效果，但是控制精度还不是很好。

发明内容

本发明的目的就是提供一种节能、提高功率利用率、提高作业效率、消除冲击，改善柴油机输出转速曲线的平滑性、可以调节油泵的吸收功率，保证柴油机转速能稳定在给定值下的误差范围。实现油泵的吸收功率与柴油机的输出功率完全匹配；不仅提高了工作效率而且还具有节能环保的挖掘机全功率控制方法。

本发明的解决方案是：设计一种挖掘机全功率控制***，该***：

(1)、具有主泵压力传感器，对主泵压力进行检测；

(2)、具有主泵负流量压力传感器，对主泵负流量压力进行检测；

(3)、具有前馈-反馈调节功能，通过检测主泵压力传感器和主泵负流量传感器送出的数据，进行前馈-反馈控制运算，并将运算后的输出信号与PID调节器信号迭加后驱动电液比例阀。

在上述控制***中，采用如下方法进行控制：

(1)、对主泵压力和负流量压力进行检测；将检测到的数据送到前馈-反馈调节器中按照近似模糊控制算法进行处理；计算出前馈-反馈输出信号的大小。

(2)、对柴油机的转速进行检测；通过数字PID控制算法计算出PID调节信号的大小。

(3)、在检测到负载突然增大，主泵负流量开始下降起在之后的一段时间ΔT为20～150ms之间内，将前馈-反馈输出信号与PID调节信号进行迭加后驱动电液比例阀。

本发明的优点是节能、提高功率利用率、增强作业效率、消除冲击，改善柴油机输出转速曲线的平滑性、可以调节油泵的吸收功率，保证柴油机转速能稳定在给定值下的误差范围，实现油泵的吸收功率与柴油机的输出功率完全匹配；不仅提高了工作效率而且还具有节能环保。

附图说明

附图1是传统液压***油泵P-Q和输入扭矩曲线。

附图2是传统恒功率变量泵液压***的单泵性能曲线。

附图3是原有功率匹配方式下柴油机的转速曲线。

附图4是采用传统PID闭环控制的***框图。

附图5是使用PID闭环控制时柴油机的转速曲线。

附图6是在附图5的控制***下主泵的特性曲线。

附图7是采用原有功率匹配时液压***压力与柴油机转速变化图。

附图8是正态型隶属度。

附图9是本发明采用前馈-反馈PID控制的***框图。

附图10是本发明采用前馈-反馈PID控制时柴油机转速曲线图。

附图11是本发明控制***的原理框图。

具体实施方式

本发明中，对于控制***包括有：

(1)、具有主泵压力传感器，对主泵压力进行检测；

(2)、具有主泵负流量压力传感器，对主泵负流量压力进行检测；

(3)、具有前馈-反馈调节功能，用于接收主泵压力传感器和主泵负流量传感器送出的数据，进行前馈-反馈控制运算，并将运算后的输出信号与PID调节信号迭加后驱动电液比例阀。

对于上述***，负载变化时负流量压力变化早于柴油机转速的变化。如图7所示。可以看出，在柴油机的转速下降到给定值之前，负流量压力已经开始下降，存在时间差ΔT。经实际测量该时间差ΔT，其范围在20～150ms之间。这个时间差已经足够进行调节了。通过图7也可以看出主泵压力与负载变化的对应关系。如果能通过检测主泵压力和负流量压力，提前进行控制，等负载上升一定的程度后PID调节器再起主要作用。

因此，本发明采用的控制方法为：

(1)、对主泵压力和负流量压力进行检测；将检测到的数据送到前馈-反馈调节器中按照近似模糊控制算法进行处理：计算出前馈-反馈输出信号的大小。

(2)、对柴油机的转速进行检测；通过数字PID控制算法计算出PID调节信号的大小。

(3)、在检测到负载突然增大，主泵负流量开始下降起在之后的一段时间ΔT为20～150ms之间内，将前馈-反馈输出信号与PID调节信号进行迭加后驱动电液比例阀。

给这个前馈-反馈控制器建立一个精确的数学模型有一定的困难，因此采取近似的模糊控制算法来建立模型。目前运用较广泛的是二维模糊控制器，控制效果比较明显。其两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化EC。而我们的输入变量有两个：主泵压力和负流量压力。为了能运用二维模糊控制器。将两者分别建立成一个二维模糊控制器。最后将两者输出量求和后作为前馈-反馈的信号。对于由负流量压力建成的二维模糊控制器我们称模糊控制器1；对于由主泵压力建成的另一个二维模糊控制器我们称模糊控制器2：

对于模糊控制器1所述的二维模糊控制算法的规则为：

(1).采用的输入和输出变量的词集为：{负大，负小，零，正小，正大}；

(2)、当偏差为正大时，且偏差变化率为负，这时有误差增大的趋势，应取控制量为正大；当偏差为正小时，且偏差变化率为正，这时有误差减小的趋势，应取控制量为负大；当偏差为负，***本身已有减少偏差的趋势，所以不输出。输入变量为偏差和偏差变化率，输出变量为电流。

模糊控制规则表1

	EC负大	EC负小	EC零	EC正小	EC正大
						E负大	0	0	0	0	0
E负小	0	0	0	0	0
						E零	0	0	0	0	0
E正小	正大	正小	0	正小	正大0
						E正大	0	正大	0	0	0

对于模糊控制器2所述的二维模糊控制算法的规则为：

(1)、采用的输入和输出变量的词集为：{负大，负小，零，正小，正大}；

(2)、当偏差为正大时，且偏差变化率为正，这时有误差增大的趋势，应取控制量为正小；当偏差为正小时，且偏差变化率为负，这时有误差减小的趋势，应取控制量为负小；当偏差为负，***本身已有减少偏差的趋势，所以不输出。输入变量为偏差和偏差变化率，输出变量为电流。

模糊控制规则表2

	EC负大	EC负小	EC零	EC正小	EC正大
						E负大	0	0	0	0	0
E负小	0	0	0	0	0
						E零	0	0	0	0	0
E正小	负小	负小	0	0	0
						E正大	0	0	0	正小	正小

在实际使用中仅在负载冲击较大时启用前馈-反馈控制。即负载增长较快时选择控制量以尽快消除冲击为主；其他时间由PID控制器控制为主。这样模糊控制算法与传统的PID控制算法结合。这样解决了柴油机与油泵的全功率匹配。称之为前馈-反馈PID控制。其控制框图如附图9所示。

由于理想PID微分控制在实际使用中控制效果并不理想。所以采用实际PID微分控制算法。其传递函数为：

$\frac{U\left(s\right)}{E\left(S\right)}=\mathrm{Kp}(1+\frac{1}{\mathrm{TiS}}+\frac{\mathrm{TdS}}{1+\frac{\mathrm{Td}}{\mathrm{Kd}}S})$

其中Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，Kd为微分增益。

由于是数字PID控制算法，必须消除积分的一些积分的不灵敏区间和积分饱和的影响，上述算法在编程过程中做适当调整，消除不利影响。

经实际使用，采用前馈-反馈PID控制时测得柴油机转速曲线图如附图10所示。

从图10可以看出，通过该控制***就可以调节油泵的吸收功率，保证柴油机转速能稳定在给定值。实现油泵的吸收功率与柴油机的输出功率完全匹配；不仅提高了工作效率而且还具有节能环保等。该控制***可以作为一些挖掘机的升级换代产品，也可以提高挖掘机整机性能等等。

Claims (6)

1. 一种挖掘机全功率控制方法，其特征在于：

(1)、对主泵压力和负流量压力进行检测；将检测到的数据送到前馈-反馈调节器中按照近似模糊控制算法进行处理；计算出前馈-反馈输出信号的大小；

(2)、对柴油机的转速进行检测；通过数字PID控制算法计算出PID调节信号的大小，

(3)、在检测到负载突然增大，主泵负流量开始下降起在之后的一段时间ΔT为20～150ms之间内，将前馈-反馈输出信号与PID调节信号进行迭加后驱动电液比例阀。

2. 根据权利要求1所述的挖掘机全功率控制方法，其特征在于所述的近似模糊控制算法是采用二维模糊控制算法。

3. 根据权利要求2所述的挖掘机全功率控制方法，其特征在于所述的二维模糊控制算法采用两个模糊控制器，一个是对于由负流量压力建成的二维模糊控制器1；对于由主泵压力建成的另一个二维模糊控制器2。

4. 根据权利要求3所述的挖掘机全功率控制方法，其特征在于所述的二维模糊控制器1的算法规则为：

(1)、采用的输入和输出变量的词集为：{负大，负小，零，正小，正大}；

(2)、当偏差为正大时，且偏差变化率为负，这时有误差增大的趋势，应取控制量为正大；当偏差为正小时，且偏差变化率为正，这时有误差减小的趋势，应取控制量为负大；当偏差为负，***本身已有减少偏差的趋势，所以不输出，输入变量为偏差和偏差变化率，输出变量为电流。

5. 根据权利要求3所述的挖掘机全功率控制方法，其特征在于所述的二维模糊控制器2的算法规则为：

(1)、采用的输入和输出变量的词集为：{负大，负小，零，正小，正大}；

(2)、当偏差为正大时，且偏差变化率为正，这时有误差增大的趋势，应取控制量为正小；当偏差为正小时，且偏差变化率为负，这时有误差减小的趋势，应取控制量为负小；当偏差为负，***本身已有减少偏差的趋势，所以不输出，输入变量为偏差和偏差变化率，输出变量为电流。

6. 根据权利要求1所述的挖掘机全功率控制方法，其特征在于所述的数字PID控制算法是采用实际PID微分控制算法进行计算。

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