專利名稱：挖掘機全功率控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明是涉及一種挖掘機全功率控制系統(tǒng)及方法。
背景技術：
在原來挖掘機設計時，功率匹配采用的方式是讓油泵吸收的最大功率略小于柴油機對應油門位置的最大功率?；蛘哒f只要油泵的驅動扭矩略小于柴油機對應油門位置的凈輸出扭矩，就能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的最基本條件，如附錄圖1所示。由于恒功率泵的特性曲線是兩條不同斜率的直線構成的近似恒功率的雙曲線，如圖2所示當負載壓力超過主泵工作的起調壓力時，沿特性曲線dcb自動調節(jié)。正常工作時負載變化是不定的，如果柴油機轉速恒定，其輸出的功率也是恒定，但由于負載變化不定，其吸收的功率也是變化的。這樣柴油機輸出的功率很多就被浪費掉了。圖3就是在原來功率匹配方式下柴油機輸出的轉速曲線圖中的一條直線表示挖掘機工作時所希望穩(wěn)定的轉速(給定值2100rpm)。當負載較輕時，柴油機的轉速高于或接近給定值。如果負載較重，此時柴油機掉速嚴重，而且長時間低于給定值。這種情況下，柴油機的利用率很低，而且工作裝置動作明顯減慢。為了克服上述的缺點，可以通過調節(jié)器來調節(jié)油泵的吸收功率，從而達到控制機器工作在恒功率的狀態(tài)下。人工是無法進行調節(jié)的，如果采用簡單的過程控制，由于控制精度低，同時由于一些部件動作滯后，在負載較輕的情況下才能勉強達到控制要求。故只有采用微處理器為核心的控制系統(tǒng)才能達到準確控制。實現(xiàn)油泵與柴油機的全功率匹配。
經(jīng)過試驗，采用傳統(tǒng)的PID閉環(huán)控制其效果達不到理想的控制要求。其閉環(huán)控制框圖如附錄圖4所示。此時柴油機輸出曲線如圖5所示從上圖可以看出，柴油機工作時基本能穩(wěn)定在給定值。但是還不夠平滑。而且每次操縱手柄開始進行挖掘時沖擊較大，柴油機掉速較多。
采用傳統(tǒng)的PID閉環(huán)控制過程如下測量柴油機自帶的轉速傳感器的信號作為反饋信號，將此反饋信號通過數(shù)字PID控制算法運算后得出控制電流的值，從而驅動電液比例閥。電液比例閥產(chǎn)生的液壓壓力來調節(jié)油泵的吸收功率。使油泵的最大吸收功率不大于柴油機的輸出功率。通過這樣一個閉環(huán)實現(xiàn)了柴油機與油泵的功率匹配。當電液比例閥給定的電流增大時油泵的吸收功率增加，減小時油泵吸收功率減小。
從圖4可以發(fā)現(xiàn)盡管使用PID閉環(huán)控制后有了明顯的效果，但是控制精度還不是很好。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是提供一種節(jié)能、提高功率利用率、提高作業(yè)效率、消除沖擊，改善柴油機輸出轉速曲線的平滑性、可以調節(jié)油泵的吸收功率，保證柴油機轉速能穩(wěn)定在給定值下的誤差范圍。實現(xiàn)油泵的吸收功率與柴油機的輸出功率完全匹配；不僅提高了工作效率而且還具有節(jié)能環(huán)保的挖掘機全功率控制系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明的解決方案是設計一種挖掘機全功率控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)(1)、具有主泵壓力傳感器，對主泵壓力進行檢測；(2)、具有主泵負流量壓力傳感器，對主泵負流量壓力進行檢測；(3)、具有前饋-反饋調節(jié)功能，通過檢測主泵壓力傳感器和主泵負流量傳感器送出的數(shù)據(jù)，進行前饋-反饋控制運算，并將運算后的輸出信號與PID調節(jié)器信號迭加后驅動電液比例閥。
在上述控制系統(tǒng)中，采用如下方法進行控制(1)、對主泵壓力和負流量壓力進行檢測；將檢測到的數(shù)據(jù)送到前饋-反饋調節(jié)器中按照近似模糊控制算法進行處理；計算出前饋-反饋輸出信號的大小。
(2)、對柴油機的轉速進行檢測；通過數(shù)字PID控制算法計算出PID調節(jié)信號的大小。
(3)、在檢測到負載突然增大，主泵負流量開始下降起在之后的一段時間ΔT為20～150ms之間內，將前饋-反饋輸出信號與PID調節(jié)信號進行迭加后驅動電液比例閥。
本發(fā)明的優(yōu)點是節(jié)能、提高功率利用率、增強作業(yè)效率、消除沖擊，改善柴油機輸出轉速曲線的平滑性、可以調節(jié)油泵的吸收功率，保證柴油機轉速能穩(wěn)定在給定值下的誤差范圍，實現(xiàn)油泵的吸收功率與柴油機的輸出功率完全匹配；不僅提高了工作效率而且還具有節(jié)能環(huán)保。


附圖1是傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)油泵P-Q和輸入扭矩曲線。
附圖2是傳統(tǒng)恒功率變量泵液壓系統(tǒng)的單泵性能曲線。
附圖3是原有功率匹配方式下柴油機的轉速曲線。
附圖4是采用傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。
附圖5是使用PID閉環(huán)控制時柴油機的轉速曲線。
附圖6是在附圖5的控制系統(tǒng)下主泵的特性曲線。
附圖7是采用原有功率匹配時液壓系統(tǒng)壓力與柴油機轉速變化圖。
附圖8是正態(tài)型隸屬度。
附圖9是本發(fā)明采用前饋-反饋PID控制的系統(tǒng)框圖。
附圖10是本發(fā)明采用前饋-反饋PID控制時柴油機轉速曲線圖。
附圖11是本發(fā)明控制系統(tǒng)的原理框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明中，對于控制系統(tǒng)包括有(1)、具有主泵壓力傳感器，對主泵壓力進行檢測；(2)、具有主泵負流量壓力傳感器，對主泵負流量壓力進行檢測；(3)、具有前饋-反饋調節(jié)功能，用于接收主泵壓力傳感器和主泵負流量傳感器送出的數(shù)據(jù)，進行前饋-反饋控制運算，并將運算后的輸出信號與PID調節(jié)信號迭加后驅動電液比例閥。
對于上述系統(tǒng)，負載變化時負流量壓力變化早于柴油機轉速的變化。如圖7所示?？梢钥闯?，在柴油機的轉速下降到給定值之前，負流量壓力已經(jīng)開始下降，存在時間差ΔT。經(jīng)實際測量該時間差ΔT，其范圍在20～150ms之間。這個時間差已經(jīng)足夠進行調節(jié)了。通過圖7也可以看出主泵壓力與負載變化的對應關系。如果能通過檢測主泵壓力和負流量壓力，提前進行控制，等負載上升一定的程度后PID調節(jié)器再起主要作用。
因此，本發(fā)明采用的控制方法為(1)、對主泵壓力和負流量壓力進行檢測；將檢測到的數(shù)據(jù)送到前饋-反饋調節(jié)器中按照近似模糊控制算法進行處理；計算出前饋-反饋輸出信號的大小。
(2)、對柴油機的轉速進行檢測；通過數(shù)字PID控制算法計算出PID調節(jié)信號的大小。
(3)、在檢測到負載突然增大，主泵負流量開始下降起在之后的一段時間ΔT為20～150ms之間內，將前饋-反饋輸出信號與PID調節(jié)信號進行迭加后驅動電液比例閥。
給這個前饋-反饋控制器建立一個精確的數(shù)學模型有一定的困難，因此采取近似的模糊控制算法來建立模型。目前運用較廣泛的是二維模糊控制器，控制效果比較明顯。其兩個輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC。而我們的輸入變量有兩個主泵壓力和負流量壓力。為了能運用二維模糊控制器。將兩者分別建立成一個二維模糊控制器。最后將兩者輸出量求和后作為前饋-反饋的信號。對于由負流量壓力建成的二維模糊控制器我們稱模糊控制器1；對于由主泵壓力建成的另一個二維模糊控制器我們稱模糊控制器2；對于模糊控制器1所述的二維模糊控制算法的規(guī)則為(1)、采用的輸入和輸出變量的詞集為{負大，負小，零，正小，正大}；
(2)、當偏差為正大時，且偏差變化率為負，這時有誤差增大的趨勢，應取控制量為正大；當偏差為正小時，且偏差變化率為正，這時有誤差減小的趨勢，應取控制量為負大；當偏差為負，系統(tǒng)本身已有減少偏差的趨勢，所以不輸出。輸入變量為偏差和偏差變化率，輸出變量為電流。
模糊控制規(guī)則表1

對于模糊控制器2所述的二維模糊控制算法的規(guī)則為(1)、采用的輸入和輸出變量的詞集為{負大，負小，零，正小，正大}；(2)、當偏差為正大時，且偏差變化率為正，這時有誤差增大的趨勢，應取控制量為正??；當偏差為正小時，且偏差變化率為負，這時有誤差減小的趨勢，應取控制量為負??；當偏差為負，系統(tǒng)本身已有減少偏差的趨勢，所以不輸出。輸入變量為偏差和偏差變化率，輸出變量為電流。
模糊控制規(guī)則表2

在實際使用中僅在負載沖擊較大時啟用前饋-反饋控制。即負載增長較快時選擇控制量以盡快消除沖擊為主；其他時間由PID控制器控制為主。這樣模糊控制算法與傳統(tǒng)的PID控制算法結合。這樣解決了柴油機與油泵的全功率匹配。稱之為前饋-反饋PID控制。其控制框圖如附圖9所示。
由于理想PID微分控制在實際使用中控制效果并不理想。所以采用實際PID微分控制算法。其傳遞函數(shù)為U(s)E(S)=Kp(1+1TiS+TdS1+TdKdS)]]>其中Kp為比例增益，Ti為積分時間，Td為微分時間，Kd為微分增益。
由于是數(shù)字PID控制算法，必須消除積分的一些積分的不靈敏區(qū)間和積分飽和的影響，上述算法在編程過程中做適當調整，消除不利影響。
經(jīng)實際使用，采用前饋-反饋PID控制時測得柴油機轉速曲線圖如附圖10所示。
從圖10可以看出，通過該控制系統(tǒng)就可以調節(jié)油泵的吸收功率，保證柴油機轉速能穩(wěn)定在給定值。實現(xiàn)油泵的吸收功率與柴油機的輸出功率完全匹配；不僅提高了工作效率而且還具有節(jié)能環(huán)保等。該控制系統(tǒng)可以作為一些挖掘機的升級換代產(chǎn)品，也可以提高挖掘機整機性能等等。
權利要求
1.一種挖掘機全功率控制系統(tǒng)，其特征是(1)、具有主泵壓力傳感器，對主泵壓力進行檢測；(2)、具有主泵負流量壓力傳感器，對主泵負流量進行檢測；(3)、具有前饋-反饋調節(jié)功能，用于接收主泵壓力傳感器和主泵負流量傳感器送出的數(shù)據(jù)，進行前饋-反饋控制運算，并將運算后的輸出信號與PID調節(jié)信號迭加后驅動電液比例閥。
2.一種挖掘機全功率控制方法，其特征在于(1)、對主泵壓力和負流量壓力進行檢測；將檢測到的數(shù)據(jù)送到前饋-反饋調節(jié)器中按照近似模糊控制算法進行處理；計算出前饋-反饋輸出信號的大小。(2)、對柴油機的轉速進行檢測；通過數(shù)字PID控制算法計算出PID調節(jié)信號的大小。(3)、在檢測到負載突然增大，主泵負流量開始下降起在之后的一段時間ΔT為20～150ms之間內，將前饋-反饋輸出信號與PID調節(jié)信號進行迭加后驅動電液比例閥。
3.根據(jù)權利要求2所述的挖掘機全功率控制方法，其特征在于所述的近似模糊控制算法是采用二維模糊控制算法。
4.根據(jù)權利要求3所述的挖掘機全功率控制方法，其特征在于所述的二維模糊控制算法采用兩個模糊控制器，一個是對于由負流量壓力建成的二維模糊控制器1；對于由主泵壓力建成的另一個二維模糊控制器2。
5.根據(jù)權利要求4所述的挖掘機全功率控制方法，其特征在于所述的二維模糊控制器1的算法規(guī)則為(1)、采用的輸入和輸出變量的詞集為{負大，負小，零，正小，正大}；(2)、當偏差為負大時，且偏差變化率也為負，這時有誤差增大的趨勢，為盡快消除已有的負大偏差并抑制偏差變化率變大，應取控制量為正大；當偏差為負大，且偏差變化率為正時，系統(tǒng)本身已有減少偏差的趨勢，這時有誤差增大的趨勢，所以為盡快消除已有的偏差且不超調，取控制量較小，輸入變量為偏差和偏差變化率，輸出變量為電流。
6.根據(jù)權利要求4所述的挖掘機全功率控制方法，其特征在于所述的二維模糊控制器2的算法規(guī)則為(1)、采用的輸入和輸出變量的詞集為{負大，負小，零，正小，正大}；(2)、當偏差為正大時，且偏差變化率為正，這時有誤差增大的趨勢，應取控制量為正?。划斊顬檎r，且偏差變化率為負，這時有誤差減小的趨勢，應取控制量為負小；當偏差為負，系統(tǒng)本身已有減少偏差的趨勢，所以不輸出。輸入變量為偏差和偏差變化率，輸出變量為電流。
7.根據(jù)權利要求2所述的挖掘機全功率控制方法，其特征在于所述的數(shù)字PID控制算法是采用實際PID微分控制算法進行計算。
全文摘要
一種挖掘機全功率控制系統(tǒng)及方法，其特點是對主泵壓力和主泵負流量壓力進行檢測，將檢測得到的信號送到前饋－反饋調節(jié)器進行處理，并將經(jīng)前饋－反饋調節(jié)器處理后的信號與PID調節(jié)器信號迭加后驅動電液比例閥；前饋－反饋調節(jié)器加入調節(jié)是在主泵負流量開始下降起之后的一段時間ΔT為20～150ms之間內。PID調節(jié)器作為主要的調節(jié)器來調節(jié)油泵的吸收功率。其優(yōu)點是節(jié)能、提高功率利用率、增強作業(yè)效率、消除沖擊，改善柴油機曲線的平滑性、可以調節(jié)油泵的吸收功率，保證柴油機轉速能穩(wěn)定在給定值。實現(xiàn)油泵的吸收功率與柴油機的輸出功率完全匹配；不僅提高了工作效率而且還具有節(jié)能環(huán)保的功能。
文檔編號E02F9/22GK1651665SQ20051020018
公開日2005年8月10日 申請日期2005年3月28日 優(yōu)先權日2005年3月28日
發(fā)明者蔡登勝, 孫金泉, 張二平, 初長祥, 羅維, 彭兵 申請人:廣西柳工機械股份有限公司