CN101225668B - 并联式混合动力液压挖掘机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联式混合动力液压挖掘机的控制方法。基于多工作点工况自识别方法，根据发动机万有特性曲线引入了4个高效工作点，分别满足液压挖掘机在待机、轻载、中载以及重载工况下高效节能控制的需求，并且其采用电池组SOC滞环比较法和工况自识别方法进行工作点切换。改进了原有的单工作点、双工作点控制方法的动态响应特性，实现了工作点的稳定性以及工作点切换的平稳快速，提高了柴油发动机的输出功率与挖掘机工况需求功率的匹配度，实现了更高效的燃油经济性以及排放性能。

Description

并联式混合动力液压挖掘机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种并联式混合动力液压挖掘机的控制方法。

背景技术

混合动力液压挖掘机，即指通过在能量输出端接入发动机、发电/电动机和电池组，使得发动机能工作在高效油耗区提供负载需求的平均功率，而发电/电动机充当削峰填谷的作用，在发动机输出能量过多或者制动时发电储存能量到电池，在发动机能量不足时电动起助动作用，电池充当能量中转的角色。按照电机与发动机的连接方式，混合动力液压挖掘机可分为串联式、并联式以及混联式三种，基于油耗、效率以及成本的考虑，并联式混合动力液压挖掘机是目前的研究重点以及最具发展潜力的系统架构。

目前，为了进一步提高汽车的油耗性能以及排放性能，混合动力设计方法逐渐在汽车上普遍应用，基于混合动力汽车的各类控制方法也相继被提出，譬如优化控制、模糊控制、PI控制、神经网络控制等等，但是基于混合动力方法来研究液压挖掘机的节能控制目前相对较少。液压挖掘机工作强度大、工作周期性明显，单位时间内绝对耗油量、废气排量量大，因而其潜在的节能降排空间很大，而传统的节能控制方法在油耗、排放方面已难以取得突破性的进展，因此在经济可行性与技术可行性的基础上可以考虑应用混合动力设计方法来进一步提高液压挖掘机的节能降排特性。

控制方法以及能量分配方法是并联式混合动力液压挖掘机研究的核心。在混合动力汽车上，已经有很多控制方法，但是由于汽车的工况与液压挖掘机的工况相差很大，因此不能简单的借鉴混合动力汽车的控制方法。在并联式混合动力液压挖掘机的控制方法上目前有单工作点控制方法、双工作点控制方法、动态控制方法等。单工作点控制方法系统工作稳定，但无法满足液压挖掘机柴油机与工况的完全匹配，不能提高各个工况下挖掘机的节能特性与工作效率；双工作点控制方法改进了单工作点控制方法的弊端，能实现对轻载与重载的切换控制，但相对还是不能实现无极工况匹配，匹配度较低，节能特性不是特别理想；动态控制方法基本上采用SOC来判断决策工作点切换问题，工作点切换的动态响应特性需要改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联式混合动力液压挖掘机的控制方法，基于多工作点工况自识别方法，改进了原有的单工作点、双工作点控制方法的动态响应特性，能控制柴油发动机的输出功率以及永磁同步电机的工作模式，引入发动机多工作点控制方法能实现混合动力液压挖掘机在待机、轻载、中载以及重载工作环境下高效节能的控制，并且其采用电池组SOC滞环比较法和工况自识别系统能实现平滑、稳定、快速的工作点切换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该控制方法根据液压挖掘机所用的柴油机万有特性曲线确定4个高效工作点，分别对应待机、轻载、中载以及重载的工作环境。

所述的工作点采用电池组SOC滞环比较法确定长期柴油机工作点与工作环境的匹配度，进行工作点切换，和采用对泵出口压力进行滤波处理的工况自识别方法确定短期柴油机工作点与工作环境的匹配度，进行工作点切换。

电池组SOC滞环比较法与工况自识别方法整合在一起，共同决策工作点的设定与切换。

通过电池组SOC滞环比较法与工况自识别方法，其确定的最佳工作点的转速与柴油机的实际工作转速进行闭环PI控制，保证柴油机工作于指定的最佳工作点。

多工作点自识别动态控制方法是基于液压挖掘机的负载工况特点提出的控制方法以及能量分配方法，有两大特征：1、多工作点；2、自识别。为了满足液压挖掘机在待机、轻载、中载以及重载的工作环境下，始终能实现高效节能控制，因而将液压挖掘机柴油机确定了数个高效工作点，分别对应不同的工作环境。多工作点的控制方法是为了保证液压挖掘机柴油机在各种工况下都能实现高效节能，多工作点概念的引入必然会带来工作点切换的控制决策问题。在实际控制方法中，采用a、电池组SOC滞环比较切换工作点法；b、工况自识别系统。其中方法a偏重于考虑系统的稳定性，借助间接变量电池组SOC值来判断工况与工作点的匹配问题，其比较适用长期的累积效应，能使电池组高效稳定工作，延长镍氢电池的工作周期。方法b偏重于考虑系统的实时响应特性，利用液压泵输出压力值，通过RC滤波器判断当前工况特征，从而决策当前的工作点是否与工况相匹配。将a、b两种方法通过一定的权重和时延整合在一起，运用系统全局最优设计方法，能使系统在决策工作点、切换工作点时取得非常好的稳定性以及动态响应性能。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1)根据柴油机的万有特性曲线选定的4个高效工作点分别对应于待机、轻载、中载、重载的工况，能实现多个典型工况下挖掘机的节能降排控制目标。在原有的控制方法上，实现了更高效的燃油经济性以及排放性能；

2)多工作点设置/切换决策方法基于电池组SOC滞环比较法之上，加入了工况自识别方法，两种控制方法按照一定的权重整合，能实现工作点的稳定性以及动态响应特性。

本发明的并联式混合动力液压挖掘机的控制方法以及能量分配方法，尤其是对并联式混合动力液压挖掘机柴油机、电机、镍氢电池等动力源部件的控制。

附图说明

图1是本发明多工作点自识别动态控制方法的框图。

图2是本发明多工作点自识别动态控制方法的工作流程图。

图3是本发明液压挖掘机重载挖掘时泵出口压力波动曲线。

图4是本发明液压挖掘机轻载载挖掘时泵出口压力波动曲线。

图5是本发明液压挖掘机重载挖掘时泵出口压力(滤波后)波动曲线。

图6是本发明液压挖掘机轻载挖掘时泵出口压力(滤波后)波动曲线。

图7是本发明的一个实施例的并联式混合动力液压挖掘机多工作点工况自识别控制方法转矩动态响应特性。

图8是本发明的一个实施例的并联式混合动力液压挖掘机多工作点工况自识别控制方法转速动态响应特性。

图9是本发明的一个实施例的并联式混合动力液压挖掘机多工作点工况自识别控制方法电池组SOC变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种并联式混合动力液压挖掘机的控制方法，其控制原理为：液压泵出口压力P和电池组SOC值输入到多工作点自识别控制方法模块中，由该模块进行柴油机实时工作点的设置与切换决策，并输出相应的柴油机目标转速n_ei。柴油机实时转速n_eo。与柴油机目标转速n_ei构成系统闭环控制的外环，经电机转速闭环PI控制器输出电机目标转矩值T_mi，电机空间矢量控制器构成转矩内环，最终永磁同步电机输出实际转矩T_mo，并与外负载转矩T_L进行比较，得出柴油机目标转矩T_e，T_e经由柴油机万有特性曲线折算出相对应的柴油机实际转速值n_ei。

如图2所示，多工作点自识别动态控制方法的流程为：

步骤1：系统初始化自检，设定控制系统初始控制参数，判断系统正常工作后进入控制方法主循环，否则根据预先设定的错误校验表进行系统自校正；

步骤2：检测电池组SOC值以及泵出口压力值；

步骤3：将SOC、泵出口压力输入到多工作点自识别动态控制方法模块，对泵出口压力进行RC滤波得到工况预判值，根据以下两种判断方法进行工作点切换决策；

a、SOC预判工作点：对于SOC值进行滞环比较，将当前SOC值与门限SOC值进行比较，得到切换工作点的控制信号。

If(SOC_i＞SOC_upper)

Then  Q_c＝Q_c-0.1

Else if(SOC_i＜SOC_lower)

Then Q_c＝Q_c+0.1

Else

Q_c＝Q_c

End

b、泵出口压力RC滤波预判工况法：将泵出口压力经过RC滤波，得到轻载以及重载的工况识别，从而迅速切换工作点。

If(W_c＝W_h1)

Then Q_c＝Q_sh

Else(w_c＝W₁₁)

Then Q_c＝Q_s1

End

其中：

SOC_i       当前电池SOC值

SOC_uper    电池SOC设定的上限值

SOC_lower   电池SOC设定的下限值

Q_c         当前发动机油门位置

Q_sh        重载工况油门设定位置

Q_s1        轻载工况油门设定位置

W_c         当前工况

W_h1        重载工况

w₁₁             轻载工况

步骤4：通过转速闭环PI控制器调节系统的响应特性，当工作点切换/外负载波动时导致工作点漂移，PI控制器调整发动机实际转速到目标转速，从而实现工作点精确闭环控制。

如下表所示是在基于发动机油耗特性、电池组SOC变化特性之上，按照所采用的常柴发动机ZN485Q万有特性曲线，挑选4个工作点，分别为主工作点Qm、重载次工作点Qsh、轻载次工作点Qsl和待机工作点Qi，其中Qm、Qsh和Qsl属于经济高效点，而Qi不属于高效点，是在发动机待机状态时采用的工作点。

工作点	油门位置	转速(r/min)	转矩(N.m)	功率(kw)	油耗率(g/kwh)
						Qm	0.7	1910	96	19.1	234.7
Qsl	0.6	1772	92.5	17.2	233.3
						Qsh	0.8	2096	114.8	25.1	233.5
Qi	0.5	1635	74.2	12.7	242.7

如图3，图4所示为手动操纵挖掘机进行重载挖掘和轻载场地平整时泵输出压力的记录。从中可以看出，轻载状态下泵输出压力峰值普遍较低，而重载时泵输出压力峰值普遍较高，这就为工况的自动识别提供了依据，只要在挖掘机液压泵出口处加装压力传感器就能实现。因为挖掘机器人工作时的负载压力基本上都是突变的，因此泵输出压力不能直接用于工况估计。在混合动力液压挖掘机控制方法研究中，采用模拟电路中比较常用的RC滤波器，将其数字化后用于泵输出压力的处理，其输出值作为工况判断的依据。描述RC低通滤波器的微分方程式为： $\mathrm{RC}\frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+y\left(t\right)=x\left(t\right).$

式中：y(t)    滤波器输出

      x(t)    滤波器输入

将上式加以离散化后，可得到其差分方程表达式如下：

$y(n+1)=(1-\frac{1}{\mathrm{RC}})y\left(n\right)+\frac{1}{\mathrm{RC}}x\left(n\right).$

如图5，图6所示为经过RC滤波后得到的液压挖掘机重载挖掘和轻载场地平整时泵输出压力的记录，从中可以看出不同的工况，泵出口压力的滤波值存在较大的差异，可作为工况自识别方法的判断依据。

如图7～图9所示为并联式混合动力液压挖掘机采用多工作点自识别控制方法得出的转速、转矩、SOC等参数的动态变化曲线。其中：图8为负载转矩在发动机输出转矩和电机电动/发电转矩之间动态分配特性图，可以看出周期往复的负载转矩体现在电机转矩的震荡跟随，而发动机的输出转矩能较好地稳定于恒定的转矩值附近，因此控制方法在分配负载转矩上表现出了良好的性能。图7为发动机实际转速与其目标转速的实时比较曲线，从中可以看出负载波动，造成了发动机工作点不断在漂移。

本发明的工作过程是：混合动力液压挖掘机系统上电自检，判断动力源各个组件以及控制板状态正常情况下，初始化工作点设定表、SOC设定表等系统状态信息，点火起动柴油机，设定默认的柴油机工作点以及默认的电机工作模式。启动双泵出口压力检测传感器，将检测到的压力值循环往复地输入到自识别控制模块中进行工况匹配度判断。启动电池组SOC滞环比较模块，由电池控制板检测镍氢电池组的实时SOC值，并且根据设定的临界SOC值进行动态工作点切换决策。启动发动机转速闭环PI控制器，维持发动机实时转速跟踪其设定的目标转速，从而实现发动机指定时间内“定工作点”的工作模式。启动永磁同步电机空间矢量控制器，控制永磁同步电机输出相应的转矩值。

结合一具体的实施例说明，混合动力液压挖掘机系统自检通过，启动各个动力源组件，其中发动机工作点采用重载次工作点Qsh，此时油门开度为0.8，发动机目标转速为2096r/min，目标转矩为114.8N.m，额定输出功率为25.1Kw，油耗率为233.5g/kwh，系统第一阶段(0～约165秒)工作在工作点Qsh，发动机实际输出转矩在90～110N.m范围内波动，电机实际输出转矩跟随外负载(如图8所示)。发动机转速围绕目标转速，在1950～2140r/min之间波动(如图7所示)。此时电池组SOC值始终在上扬，从0.59上扬到0.71，但仍然距离SOC上限切换值0.8有一段距离(如图9所示)。如果只采用电池组SOC滞环法切换工作点，则仍需要一段时间才能触发工作点切换，意味着发动机工作点与工况不匹配的状况将持续更长时间，从而影响发动机的燃油经济性和排放特性。在约165秒，发动机工作点切换到主工作点Qm，此时油门开度为0.7，发动机目标转速为1910r/min，目标转矩为96N.m，额定输出功率为19.1Kw，油耗率为234.7g/kwh，引发工作点切换的判据是系统工况自识别模块通过不断检测滤波计算液压泵出口压力值，得出系统的设定油门高于工况的需求。工作点切换瞬间，发动机输出转矩和输出转速有较大的波动，但在一段很短的时间内就趋向于新工作点的目标值(如图7，图8所示)。切换后发动机一直运行在主工作点，SOC值继续上扬，但上扬幅度减小(如图9所示)，工作点与工况匹配度加强，发动机燃油效率提升。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种并联式混合动力液压挖掘机的控制方法，该控制方法根据液压挖掘机所用的柴油机万有特性曲线确定4个高效工作点，分别对应待机、轻载、中载以及重载的工作环境；其特征在于，控制方法如下：

启动双泵出口压力检测传感器，将检测到的压力值循环往复地输入到自识别控制模块中进行工况匹配度判断；启动电池组SOC滞环比较模块，由电池控制板检测镍氢电池组的实时SOC值，并且根据设定的临界SOC值进行动态工作点切换决策；启动发动机转速闭环PI控制器，维持发动机实时转速跟踪其设定的目标转速，从而实现发动机指定时间内定工作点的工作模式；启动永磁同步电机空间矢量控制器，控制永磁同步电机输出相应的转矩值。

2.根据权利要求1所述的一种并联式混合动力液压挖掘机的控制方法，其特征在于：所述的工作点采用电池组SOC滞环比较法确定长期柴油机工作点与工作环境的匹配度，进行工作点切换，和采用对泵出口压力进行滤波处理的工况自识别方法确定短期柴油机工作点与工作环境的匹配度，进行工作点切换。

3.根据权利要求2所述的一种并联式混合动力液压挖掘机的控制方法，其特征在于：电池组SOC滞环比较法与工况自识别方法整合在一起，共同决策工作点的设定与切换。

4.根据权利要求3所述的一种并联式混和动力液压挖掘机的控制方法，其特征在于：通过电池组SOC滞环比较法与工况自识别方法，其确定的最佳工作点的转速与柴油机的实际工作转速进行闭环PI控制，保证柴油机工作于指定的最佳工作点。

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