CN101790614B - 基于任务进行控制的工作机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于机械(10)的控制系统(34)。该控制系统可以包括功率源(12)、能够生成指示希望的功率源操作模式的第一信号的操作员输入设备(45)以及由功率源驱动的作业工具(32)。该控制系统还可具有与功率源和操作员输入设备通信的控制器(48)。该控制器能够对作业工具当前执行的任务进行分类并基于作业工具当前执行的任务分类和第一信号选择输出映射。该控制器还能够利用所述输出映射控制功率源操作。

Description

基于任务进行控制的工作机械

技术领域

本发明整体涉及机械系统，更具体地涉及基于机械系统的作业工具的分类任务对机械系统的功率源进行控制。

背景技术

移动机械，包括轮式装载机、推土机、平地机以及其他类型的重型设备被用来进行各种操作。为了完成这些操作，机械通常包括原动机，例如内燃机。原动机通常连接至牵引设备以推进机械并且还能够为附装到机械上的作业工具提供功率。

机械通常具有“高怠速”操作模式。在使用高怠速操作模式期间，通常将原动机的输出设定到足以向牵引设备和/或作业工具快速产生最大输出的水平。换句话说，为了确保机械在所有条件下都具有足以使机械和/或作业工具移动的功率，原动机的输出(即，速度、转矩或者速度和转矩的结合)被设定在高的水平，即使机械执行的当前操作的需求小于该高的输出水平也如此。尽管将原动机的输出设定到高的水平允许立即可用的功率，但可能效率很差并会造成过量的燃料燃烧、废气排放和发动机噪声。

1987年10月6日授予Okabe等人的美国专利No.4697418(’418专利)公开了控制原动机输出的一种方法。’418专利涉及用于液压挖掘机的控制系统。该挖掘机具有原动机、由原动机驱动的可变排量液压泵、由来自泵的加压流体驱动的至少一个致动器、用于感测致动器的操作状态的设备以及与致动器相关联的工作元件。用于感测致动器操作状态的设备包括用于感测移动电机是否运行的压力开关和感测用于驱动前部连接件的动臂油缸、大臂油缸或铲斗油缸以及用于旋转回转装置的回转电机是否运行的压力开关。该挖掘机还具有用于为每个工作元件选择操作模式的选择部件。该选择部件包括适用于重度挖掘操作的功耗模式(P模式)和适用于轻度挖掘操作的经济模式(E模式)。

基于来自传感器和选择部件的输出信号，控制器选择原动机的最大转数和泵的最大排量的组合(例如，控制器可根据是在功耗模式挖掘或在经济模式挖掘而选择不同的原动机和泵设置)。控制部件然后设定原动机的最大转数和液压泵的最大排量。根据选择部件和致动器的操作模式设定原动机的最大转数和泵的最大排量可帮助减少燃料燃烧和噪声。

尽管’418专利的建筑机械可通过根据选择部件和致动器的操作模式设定原动机的最大转数和泵的最大排量来改善燃料效率和噪声，但仍然不是最优的。’418专利的控制系统只检测致动器是否运行(即运行或者停止)，而不检测致动器运行时在完成何种操作(即，提升铲斗、倾倒材料、挖掘等)。换句话说，’418专利的控制系统可能通过将原动机的最大转数和泵的最大排量设定到对于正在执行的操作来说太高或太低的水平来对致动与前部连接件相关联的压力开关的任何操作做出反应。而且，’418专利的控制系统只通过设定最大转数来控制原动机的操作，这会限制用于特定任务的机械的对地速度并由此限制其生产率。

发明内容

本发明的机械系统旨在克服上述的一个或多个问题。

在一个方面，本发明提供一种机械控制系统。该控制系统可包括功率源、能够生成指示希望的功率源操作模式的第一信号的操作员输入设备以及由功率源驱动的作业工具。该控制系统还可包括与功率源和操作员输入设备通信的控制器。该控制器能够对作业工具当前执行的任务进行分类并基于作业工具当前执行的任务分类和第一信号选择输出映射。该控制器还能够利用所述输出映射控制功率源操作。

在另一方面，本发明提供一种操作机械的方法。该方法可包括接收指示希望的功率输出生成模式的使用者输入，产生功率输出，并引导功率输出以致动作业工具。该方法还可包括对作业工具当前执行的任务进行分类并基于作业工具当前执行的任务和希望的功率输出生成模式选择输出关系。该方法还可包括利用所述输出关系调节功率输出生成。

附图说明

图1是一种示例性公开的机械的示意图；

图2是用于图1的机械的一种示例性公开的控制系统的示意图；

图3是一种示例性输出映射的曲线图；

图4是一种示例性输出映射的另一曲线图；

图5是一种示例性输出映射的另一曲线图；和

图6是描述图2中所示的控制系统的一种示例性操作的流程图。

具体实施方式

图1示出了机械10的一种示例性实施方式。机械10可以是执行例如与采矿、建筑、农业等行业或本领域已知的其他行业相关联的一些类型的任务或操作的移动机械。例如，机械10可以是土方机械，例如轮式装载机、挖掘机、反铲挖土机、平地机，或者是本领域已知的任何其他合适的土方机械。机械10可包括传动系11、至少一个牵引设备14、作业工具32和操作员站20。

如图2所示，传动系11可包括功率源12、变速器16和变矩器18。这些部件可相互配合以推进机械10。功率源12可体现为发动机，例如柴油机、汽油机、气体燃料发动机(例如，天然气发动机)，或者本领域已知的任何其他类型的内燃机。功率源12可以替代地体现为非燃烧式功率源，例如燃料电池、功率存储设备、电动机或者其他类似设备。功率源12可连接至驱动牵引设备14(见图1)，由此推进机械10。功率源12可具有可控的输出速度和转矩。

变速器16可将功率从功率源12传输至牵引设备14。特别地，变速器16可体现为具有多个前进档、一个或多个倒档、一个或多个离合器(未示出)的多速、双向机械变速器。变速器16可选择性地致动离合器以接合产生希望输出档的预定齿轮组合(未示出)。变速器16可以是自动式变速器，其中，基于功率源速度、操作员选定的最大传动比和控制器内储存的换挡映射来进行换挡。替代地，变速器16可以是手动变速器，其中操作员手动选择接合的齿轮。变速器16可通过变矩器18连接至功率源12。变速器16的输出可通过轴23旋转地驱动牵引设备14，由此推进机械10。

再次参照图1，牵引设备14可将变速器16提供的旋转运动转换成机械10的平移运动。牵引设备14可包括定位在机械10的每侧上的轮子。替代地，牵引设备14可包括履带、皮带或其他驱动牵引设备。

作业工具32可包括用来执行特定任务的任何设备，例如铲斗、铲刀、吊斗、粗齿锯或者本领域已知的任何其他任务执行设备。一个或多个作业工具32能够附接到单个机械10上并能够通过操作员站20进行控制。作业工具32可借助直接枢轴、联动系统、一个或多个液压缸、电机或者以任何其他合适的方式连接到机械10。作业工具32可以本领域已知的任何方式相对于机械10枢转、旋转、滑动、摆动、提升或移动。

如图2进一步示出的，机械10可包括液压系统22和控制系统34。液压系统22可包括相互配合以致动作业工具32的多个部件。特别地，液压系统22可包括一个或多个液压缸24、泵28、罐30和控制阀42。可以通过泵28从罐30抽吸流体并对流体加压。一旦被加压，流体可由控制阀42定量供给并被供应至液压缸24或者机械10的其他部件以执行有用的工作。低压流体可返回罐30以进一步由泵28加以利用。可以想到，液压系统22可包括另外或不同的部件，例如蓄能器、单向阀、压力释放阀或备用阀、压力补偿元件、节流孔和本领域已知的其他液压部件。

通过在设置于每个液压缸24的管27内的活塞组件25上形成不平衡力可以实现液压缸24的轴向位移。具体来说，每个液压缸24可包括由活塞组件25分开的第一室和第二室。活塞组件25可包括两个相对的液压表面，其分别与第一室和第二室相关联。可选择性地向第一室和第二室供应加压流体和从第一室和第二室排出加压流体，以在两个表面上形成不平衡力。不平衡力可引起活塞组件25在管27内轴向位移。

液压缸24可被用来为机械10的各个部件，例如作业工具32提供致动力。作业工具32可通过直接枢轴或联动系统连接至机械10的框架，此时，液压缸24是枢轴或联动系统的一个构件。随着液压缸24轴向位移，枢轴或联动系统可以平移或旋转，由此使操作员能够利用作业工具32执行希望的任务。可以想到，可在枢轴或联动系统中使用多个液压缸24来使作业工具32进行另外自由度的运动。

泵28可产生机械10使用的加压流体流。泵28可体现为可变排量泵、固定排量泵、变流量泵或者本领域已知的任何其他加压流体源。泵28可例如通过副轴36、皮带(未示出)、电路(未示出)或者以任何其他合适的方式能够驱动地连接至功率源12。尽管图2示出的泵28专门用于只向液压缸24供应加压流体，但可以想到，泵28可向机械10的其他液压部件供应加压流体。

罐30可体现为能够保持流体供应的容器。流体可包括液压油或者本领域已知的任何其他液压流体。泵28可从罐30抽吸流体并向罐30返回流体。可以想到，泵28可连接至多个单独的罐30。

控制阀42可定量供给在泵28和液压缸24之间连通的流体。控制阀42可通过供应管线38连接至泵28并通过排放管线40连接至罐30。控制阀42可包括至少一个阀元件，其定量供给流向液压缸24内的第一室和第二室中的一个的加压流体，同时允许流体从第一室和第二室中的另一个排至罐30。

控制阀42可以克服弹簧偏置被先导致动，以在若干位置之间移动。这些位置可包括允许流体流入第一室且从第二室向罐30排放流体的第一位置、阻止流体流向第一室和第二室的第二中间位置、以及与第一位置的流体流动方向相反的第三位置。第一、第二和第三位置之间的阀元件位置可决定流入和流出第一室和第二室的加压流体的流量和相应的致动速度。可以想到，控制阀42可替代地用独立控制每个液压缸24的每个第一室和第二室的填充和排放功能的多个独立的计量阀所代替。还可以想到，控制阀42可替代地由电致动、机械致动或者以任何其他合适的方式致动。

操作员站20(见图1)可以是操作员控制机械10的操作的地方。操作员站20可位于机械10上或脱离机械10并可以包括一个或多个操作员输入设备21，例如操作模式选择器45和节气门锁定选择器46。操作员输入设备21可位于操作员座位附近并可以与控制台相联。操作员输入设备21可体现为单轴或多轴操纵杆、方向盘、旋钮、推拉设备、按钮、踏板、开关和/或本领域已知的其他操作员输入设备。

操作模式选择器45可以是接收操作员输入、指示希望的操作模式的设备。在一种实施方式中，操作模式选择器45可以是具有两个可选位置的摇杆开关。摇杆开关的每个位置可对应于一个操作模式，例如正常模式和经济模式。正常模式可允许机械10的标准操作。经济模式可通过调节功率源12改善燃料效率、废气排放和发动机噪声。可以想到，操作模式选择器45可具有与操作模式相关的任何数量的可选位置。

节气门锁定选择器46可接收操作员输入并指示功率源12要求的节气门设定。节气门锁定选择器46可包括用于致动或解除节气门锁(例如，通断开关、按钮或转盘)的部件和用于输入要求的节气门设定的部件(未示出)。节气门设定部件可体现为单独的设备(例如，单独的踏板、转盘或电子键盘)或者可集成到致动部件(例如，具有与功率源12要求的节气门设定相关联的可选的断开位置和一系列接通位置的单个转盘)中。当节气门锁定选择器46被致动时，功率源12可保持在要求的节气门设定。可以想到，节气门锁定选择器46的要求的节气门设定可根据一个或多个输入自动调节。

控制系统34可监测并调节机械10及其部件的性能。具体地，控制系统34可包括任务传感器44和控制器48。控制器48可借助通信线路52与功率源12通信、借助通信线路50与操作模式选择器45通信、借助通信线路58与节气门锁定选择器46通信、借助通信线路54与泵28通信，以及借助通信线路56与任务传感器44通信。可以想到，控制器48还可与变速器16、控制阀42和/或机械10的其他部件通信。

一个或多个任务传感器44可向控制器48提供可用来对当前任务进行分类的信息。每个任务传感器44例如可体现为作业工具位置和/或速度传感器、机械行进速度传感器、变速器档位传感器、功率源速度传感器、操作员输入设备传感器、与驱动作业工具32的加压流体相关的压力传感器以及与机械10的性能、操作和/或生产率相关的任何其他传感器。使用的传感器的类型和数量可根据应用来改变。例如，位置和/或速度任务传感器可体现为分压计、流速计或者光学编码器。压力任务传感器可体现为压电换能器、电容传感器或者应力计。控制器48可利用来自以任意组合的一个或多个任务传感器44的信息对当前执行的任务进行分类。

控制器48可体现为包括用于控制机械10的操作的部件的单个微处理器或多个微处理器。很多能够买到的微处理器可执行控制器48的功能，应当理解，控制器48可简单地体现为能够控制机械的多种功能的通用机械微处理器。控制器48可包括内存、次级存储设备、处理器和用于运行应用程序的任何其他部件。各种其他电路可与控制器48相关，例如供电电路、信号调节电路、数据采集电路、信号输出电路、信号放大电路和本领域已知的其他类型的电路。

控制器48可使用任何合适的控制算法，例如开关控制、比例控制、比例积分微分控制、自适应控制、基于模型的控制、基于逻辑的控制或本领域已知的任何其他控制方法。控制器48可使用开放式回路、前馈和/或反馈控制。

可以想到，控制器48可包括存储在控制器48的内存中的一个或多个映射。这些映射中的每一个可包括表格、曲线和/或等式形式的数据集合。特别地，控制器48可包括任务映射，控制器48可使用该任务映射来识别作业工具32当前执行的任务。每个任务映射可包括与预先编程的作业工具任务有关的预设数据范围和/或特定数据值。数据例如可包括作业工具位置、作业工具速度、机械行进速度、变速器档位、功率源速度、操作员输入设备位置、作业工具流体压力和/或本领域已知的有关机械的任何其他数据(可以设想该数据是依赖机械的数据)。预先编程的作业工具任务可包括挖掘任务、穿越任务、卸载任务和其他作业工具任务。每个预先编程的作业工具任务可以是高功率任务或者低功率任务。例如，挖掘任务可以是高功率任务，卸载任务可以是低功率任务。可以想到，也可以包括中间任务水平(即，中功率任务)。

控制器48可包括将任务映射内的预设数据与任务传感器信息和/或其他模拟信息进行比较的内部逻辑。内部逻辑可使作业工具当前执行的任务与预先编程的作业工具任务中的一个相关联，由此将作业工具当前执行的任务分为高功率任务或低功率任务。可以想到，可利用任务传感器信息或操作员提供的信息对预设的数据范围或数据值进行更新。

如图3-5所示，控制器48还可包括用于控制功率源输出的一个或多个映射。该输出映射可包括功率源速度(X轴)和功率源转矩(Y轴)之间的关系。输出映射可包括高功率映射60和低功率映射62。高功率映射60可对应于功率源转矩和功率源速度的最大范围(功率源转矩和功率源速度的最大范围可由管理员设置或者由机械10的物理限制设置)。对于低功率映射62，功率源转矩和功率源速度中的至少一个会受到高功率映射60给出的最大功率源转矩和/或功率源速度的限制。例如，如图3所示，速度限制映射62a可以限制可用功率源速度。在图4所示的另一例子中，转矩限制映射62b可限制作为可用功率源速度的函数的可用功率源转矩，但仍可实现最大功率源速度。在图5所示的最后例子中，转矩速度限制映射62c可限制可用功率源速度和作为可用功率源速度的函数的可用功率源转矩。可以想到，控制器48可例如通过降低和/或增加喷射的燃料量、流入的空气量、流入空气的压力、功率源定时和/或功率源12的阀门定时来调节功率源12的速度和/或转矩。

控制器48可基于模式选择(例如正常模式或经济模式)和作业工具的任务分类(例如高功率任务或低功率任务)来选择输出映射。控制器48可选择输出映射来提供实现作业工具当前执行的任务所要求的必要功率，而不会造成不必要的燃料燃烧。可以想到，控制器48选择的输出映射可更改当前的节气门锁定设置。还可以想到，控制器48选择的输出映射可更改液压系统22可用的功率。功率源输出和液压系统22可用的功率之间的关系可包括在控制逻辑中，以确保有充足的可用功率来操作作业工具32。可以想到，泵28的排量可由控制器48调节，以增加用于操作作业工具32的可用功率。还可以想到，可以调节泵28的排量以减少功率源12的负载并由此减少燃料燃烧。

工业实用性

本发明的控制系统可应用于希望控制功率源的任何机械。特别地，本发明的控制系统可提供多个可选操作模式，包括至少一个经济模式。此外，本发明的控制系统可基于选择的功率源操作模式和低功率任务和高功率任务的分类自动调节功率源输出。这种根据当前任务进行的调节可使燃料燃烧、废气排放和发动机噪声整体降低。现在描述控制系统34的操作。

如图6所示，操作员可(通过操作模式选择器45)在若干可用的机械操作模式之间进行选择(步骤100)。在接收模式选择后，控制器48可确定操作员选择了经济操作模式还是正常操作模式(步骤110)。当操作员选择了正常操作模式时，控制器48可利用高功率映射60控制功率源12(步骤120)。在为了机械10的响应性和/或容量而牺牲经济性时，操作员可为任务选择正常模式。控制器48可保持在正常模式，直到操作员选择新的操作模式。

当操作者选择经济操作模式时，控制器48可与任务传感器44通信以接收与机械10当前执行的任务有关的信息。控制器48然后可以根据本发明的控制算法将作业工具当前执行的任务分为高功率任务或低功率任务(步骤130)。

例如，机械10可以是执行装载循环的轮式装载机。该装载循环可基本包括挖掘任务、穿越任务和卸载任务。在装载循环中，控制器48可从任务传感器44接收有关作业工具位置、作业工具速度、机械行进速度、变速器档位、功率源速度和/或负载、操作员输入设备位置和/或作业工具流体压力的测量结果。控制器48可将这些测量结果与其内存中存储的任务映射进行关联以对作业工具当前执行的任务进行分类。例如，当作业工具32处于降低的位置、变速器16处于较低的前进档、且功率源12被加载时可确定在执行挖掘任务。控制器48可将挖掘任务识别为高功率任务并通过实施高功率映射60进行自动响应(步骤120)。控制器48可持续利用高功率映射60，直到轮式装载机不再执行高功率任务和/或控制器48将作业工具当前执行的任务分类为低功率任务，例如穿越任务或卸载任务(步骤140)。

控制器48可选择有效实现作业工具的分类任务的低功率映射62。例如，要求高功率源转矩但仅需要有限功率源速度的作业工具任务可利用速度限制映射62a来完成。替代地，要求高功率源速度(例如，该任务要求高的运行速度)但仅需要有限功率源转矩的作业工具任务可利用转矩限制映射62b来完成。要求有限的功率源转矩和功率源速度的作业工具任务可利用转矩速度限制映射62c来完成。

本发明的控制系统可实现多个好处。具体来说，该控制系统可提供多个可选的机械操作模式并在任务要求高功率操作时自动调节功率源输出。可选操作模式和自动任务调节的结合可提高效率，又不会增加操作员输入的复杂性。本发明的系统还可基于当前执行的任务选择性地控制功率源转矩和速度，以提高机械效率，而基本不会降低生产率。

本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明范围的条件下可以对公开的任务调节的经济模式系统进行各种修改和变型。通过考虑本文公开的机械控制系统的详述和实践，本领域技术人员可以想到机械控制系统的其他实施方式。这些详述和实施例应当仅仅被认为是示例性的，本发明的真正范围由权利要求书及其等同范围指明。

Claims (10)

1.一种机械控制系统(34)，包括：

功率源(12)；

操作模式选择器(45)，所述操作模式选择器能够生成指示选择的功率源操作模式的第一信号；

作业工具(32)，其由所述功率源驱动；和

控制器(48)，其与所述功率源、能够提供任务信息的任务传感器(44)、以及所述操作模式选择器通信，该控制器能够：

基于所述任务信息对作业工具当前执行的任务进行分类；

基于作业工具当前执行的任务的分类和指示选择的功率源操作模式的所述第一信号选择输出映射；

利用所述输出映射控制功率源操作。

2.如权利要求1所述的机械控制系统，其中，所述输出映射包括可用功率源速度和可用功率源转矩之间的关系。

3.一种机械控制方法，包括：

接收指示选择的功率输出生成模式的使用者输入；

产生功率输出；

引导所述功率输出以致动作业工具(32)；

接收任务信息；

基于所述任务信息对作业工具当前执行的任务进行分类；

基于作业工具当前执行的任务的分类和选择的功率输出生成模式选择输出关系；

利用所述输出关系调节功率输出生成。

4.如权利要求3所述的方法，其中：

所述输出关系使可用功率输出速度和可用功率输出转矩发生联系；和

所述输出关系选自多个输出关系，其中，所述多个输出关系包括高功率关系和低功率关系。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述低功率关系涉及限制以下项中的至少一个：

可用功率输出速度；

作为功率输出速度的函数的可用功率输出转矩；或

可用功率输出速度和作为功率输出速度的函数的可用功率输出转矩。

6.如权利要求5所述的方法，其中，限制涉及调节节气门锁定设置和用于产生功率输出的燃料量。

7.如权利要求6所述的方法，其中，接收使用者输入包括接收指示经济模式或正常模式的至少一个的使用者输入。

8.如权利要求7所述的方法，还包括生成指示作业工具位置、作业工具速度和功率输出速度的至少一个的信号，其中，所述信号用于对作业工具当前执行的任务进行分类。

9.如权利要求8所述的方法，其中，选择涉及在以下情况时选择高功率关系：

作业工具当前执行的任务被分类为高功率任务；和

当前选择的功率源操作模式是经济模式。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述高功率任务是挖掘任务。

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