CN101802417A - 执行适应性流动控制的致动器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种致动器控制系统(26)。致动器控制系统可以具有泵(30)和至少一个致动器(36A)。致动器控制系统还可以具有能够控制至少一个致动器的致动器阀(46)。致动器控制系统还可以具有能够确定泵压力值的泵压力传感器(64)和能够确定载荷压力值的载荷压力传感器(66)。致动器控制系统另外可以具有能够接收泵压力值和载荷压力值的控制器(56)。该控制器还能够将泵压力值与载荷压力值进行比较，并且基于该比较选择性地执行主要控制策略和辅助控制策略。

Description

执行适应性流动控制的致动器控制系统
技术领域
本发明整体上涉及一种控制系统，更具体而言，涉及一种执行适应性流动控制的致动器控制系统。
背景技术
诸如挖掘机、装载机、推土机、平地机和其它类型的重型设备等的机械利用多个致动器来完成各项任务，其中，通过发动机驱动的泵向所述多个致动器供以液压流体。这些致动器通常为先导控制的，使得当操作员操作例如操纵杆的输入装置时，一定量的先导流体被引向控制阀以使控制阀运动。随着控制阀运动，成比例的流体量被从泵引向致动器。各种液压控制策略已经被执行来控制在泵和致动器之间流动的流体流量，所述液压控制策略包括载荷传感控制策略。载荷传感控制策略测量泵输出压力和多个致动器的最大载荷压力之间的压差。控制器通常接收压差数据并且控制泵的排量以输出最大载荷需要量。更具体地，载荷传感控制系统试图控制泵排量，以保持泵输出压力和最大载荷压力之间具有期望的缓冲压力。由于可变排量泵响应载荷压力变化缓慢是已知的，因此通常控制泵以超压输送流体，从而确保在致动器上施加最大载荷压力。因此，通常需要泵输出比所需更大的压力，以克服其自身存在的对载荷需要量响应慢的问题。
Izumi等人的美国专利No.5129230(’230专利)中描述了这种载荷传感控制系统的一个例子。具体地，’230专利公开了一种应用可变排量泵、两个液压缸、两个控制阀和一个卸载阀的液压控制系统。另外，’230专利公开了一种用于从两个液压缸感测最大载荷的载荷压力传感器以及一种泵旋转斜盘位置检测器。基于来自载荷压力传感器和旋转斜盘位置检测器的感测值，可以确定泵和最大载荷之间的压差并将其传送到控制器。控制器指令可变排量泵输出超量压力，以确保泵输出压力大于最大载荷压力。卸载阀定位在泵和控制阀之间，用于保持压差小于设定值。因此，’230专利能够在泵和最大载荷之间的压差较小或较大时控制泵的输送速率。
虽然载荷传感泵控制本身在一些情况下是合适的，但偶尔也会是受限的并且低效的。即，泵控制对所需的载荷压力变化的响应缓慢。并且，泵控制系统必须保持相对大的压差以确保泵压力足以满足最大载荷的需求。这些高压力可能会在机械上产生不必要的应变，由此导致泵过度工作并且功率源低效地使用燃料。
发明内容
本发明的致动器控制系统旨在克服上述一个或多个问题。
在一方面，本发明涉及一种致动器控制系统。致动器控制系统可以包括泵和至少一个致动器。致动器控制系统还可以包括能够控制至少一个致动器的致动器阀。致动器控制系统也可以包括能够确定泵压力值的泵压力传感器和能够确定载荷压力值的载荷压力传感器。致动器控制系统另外可以包括能够接收泵压力值和载荷压力值的控制器。该控制器还能够将泵压力值与载荷压力值进行比较，并且基于该比较选择性地执行主要控制策略和辅助控制策略。
在另一方面，本发明涉及一种控制致动器的方法。该方法可以包括感测泵压力值并感测载荷压力值。该方法还可以包括将泵压力值与载荷压力值进行比较。该方法也可以包括基于该比较选择性地执行主要控制策略和辅助控制策略。
附图说明
图1是一种示例性公开的机械的侧视图；
图2是用于图1中机械的一种示例性公开的液压控制系统的示意图；以及
图3是示出操作图2的液压控制系统的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种示例性的机械10。机械10可以是用于执行与诸如矿业、建筑业、农业、运输等产业或者现有技术中已知的任何其它产业相关的一些操作类型的固定式或活动式机械。例如，机械10可以是运土机，诸如挖掘机、推土机、装载机、反铲挖土机、平地机、翻斗车，或者任何其它运土机。机械10可以包括机架12、至少一个作业执行器14、操作员站16、功率源18，和至少一个牵引装置20。功率源18可以响应于由操作员站16接收的指令来驱动牵引装置20和作业执行器14运动。
机架12可以包括用于支撑机械10和/或作业执行器14运动的任何结构单元。机架12例如可以是连接功率源18与牵引装置20的固定基架、连接系统的活动机架构件，或者现有技术中已知的任何其它机架。
作业执行器14可以包括在执行任务中使用的任何装置。例如，作业执行器14可以包括铲斗、铲刀、铲子、耙子、翻斗、锤子、螺旋钻，或者任何其它适当的任务执行装置。作业执行器14能够相对于机架12枢转、旋转、滑动、摆动或者以现有技术中已知的任何其它方式运动。
操作员站16可以位于机械10上并且包括操作员界面装置22。操作员界面装置22能够接收来自机械操作员的用于指示期望的机械运动的输入。可以想到的是，该输入替代地可以是来自辅助操作员的自动系统或者替代操作员执行操作的自控系统的计算机生成的指令。操作员界面装置22可以包括多轴操纵杆并且可以是能够定位和/或定向作业执行器14的比例式控制器，其中，作业执行器14的运动速度与操作员界面装置22围绕致动轴线的致动位置相关联。可以想到，操作员站16中可以包括附加的和/或不同的操作员界面装置，例如方向盘、球形柄、推拉装置、开关和现有技术中已知的其它操作员界面装置。
功率源18可以是发动机，例如柴油机、汽油机、天然气发动机、或现有技术中已知的任何其它发动机。可以想到，功率源18替代地可以是另外的功率源，例如燃料电池、储能装置和电动机、或者现有技术中已知的另外的功率源。
牵引装置20可以包括位于机械10两侧(图中仅示出了一侧)的履带。替代地，牵引装置20可以包括车轮、带或其它牵引装置。牵引装置20可以是可转向的，也可以是不可转向的。
如图2所示，机械10可以包括液压系统24，该液压系统24具有多个相互协作以使作业执行器14运动(参照图1)和/或驱使机械10的流体部件。具体地，液压系统24可以包括保持流体供应的贮箱28，能够对流体加压并且将加压流体引导至一个或多个液压缸36A-36C(图2中仅示出了缸36A和36B)、一个或多个流体马达(未示出)、和/或现有技术中已知的任何其它附加的流体致动器的泵30。液压系统24也可以包括与液压系统24的流体部件通信的控制系统26。可以想到，液压系统24可以包括附加的和/或不同的部件，例如蓄能器、节流孔、减压阀、备用阀、压力平衡通道和现有技术中已知的其它部件。
贮箱28可以构成能够保持流体供应的容器。流体例如可以包括专用液压油、发动机润滑油、传动系统润滑油、或者现有技术中已知的任何其它流体。机械10中的一个或多个液压系统可以从贮箱28抽吸流体，并且可以使流体返回到贮箱28。还可以想到，液压系统24可以连接到多个独立的流体贮箱。
泵30能够产生加压流体流，并且例如可以包括可变排量泵、定量泵或变量输送泵。泵30例如可以通过副轴34、带(未示出)、电路(未示出)或任何其它适当的方式可驱动地连接到机械10的功率源18。替代地，泵30可以经由变矩器、齿轮箱或任何其它适合的方式间接地连接到功率源18。泵30可以改变液压流体的排量和/或输送。例如，可变排量泵可以包括可调节旋转斜盘(未示出)，该可调节旋转斜盘可以基于来自操作员输入装置22的操作员输入信号和/或来自多个机械传感器(未示出)的机械输入信号来进行电子控制，以允许对泵输出进行可变控制。可以想到，多个泵可以相互连接，以向液压系统24供应加压流体。
泵30可提供的流速可以通过感测旋转斜盘在泵30中的角度或者通过观察发送至泵30的实际指令来确定。可以想到，泵30可提供的流速可以替代地通过能够测量来自泵30的实际流量输出的传感装置来确定。泵30可提供的流速可以基于各种原因减小或增大，所述原因例如为确保在高的泵压力下所需泵功率不超出(来自功率源18的)可用输入功率、或者为改变液压系统24中的压力。
液压缸36A-36C可以经由直接枢轴、连接系统、或者任何其它适合的方式将作业执行器14连接到机架12(参照图1)，其中，液压缸36A-36C中的每一个在该连接系统中形成为一个构件。液压缸36A-36C中的每一个可包括管38和设置在管38中的活塞组件40。管38和活塞组件40中的一个可以枢转地连接到机架12，而管38和活塞组件40中的另一个可以枢转地连接到作业执行器14。可以想到，管38和/或活塞组件40可以替代地固定连接到机架12或作业执行器14，或者连接在机架12的两个或多个构件之间。液压缸36A-36C中的每个可以包括由活塞组件40隔开的第一室42和第二室44。第一室42和第二室44可以被选择性地供以加压流体并且加压流体可以被排出以使活塞组件40在管38中移动，由此改变液压缸36A-36C的有效长度。液压缸36A-36C的扩张和缩小可以用于辅助作业执行器14运动。
活塞组件40可以包括与管38轴向对准并且设置在管38中的活塞41和可连接到机架12和作业执行器14之一(参照图1)的活塞杆43。活塞41可以包括两个反向的液压表面，一个液压表面与第一室42相关联，另一个液压表面与第二室44相关联。活塞组件40上力的不平衡会导致活塞组件40在管38中轴向地移动。例如，由第一液压室42中流体压力作用在第一液压表面上的力大于由第二液压室44中流体压力作用在反向的第二液压表面上的力，这会导致活塞组件40移动，从而增加液压缸36A-36C的有效长度。类似地，当总的第二力大于总的第一力时，活塞组件40可以在管38中缩回，以减小液压缸36A-36C的有效长度。
液压缸36A-36C中的每个可以包括用于计量从泵30流向第一液压室42和第二液压室44之一的加压流体的至少一个比例控制阀46和用于使流体从第一室42和第二室44中的另一个排出到贮箱28的至少一个放泄阀(未示出)。比例控制阀46可以包括弹簧偏压的比例阀机构，该比例阀机构是电磁致动的并且能够在第一位置和第二位置之间运动，在该第一位置，允许流体流入第一室42和第二室44之一，在该第二位置，流体被阻止流入第一室42和第二室44。阀机构在第一位置和第二位置之间的位置可以确定流入和流出相关联的第一室42和第二室44的加压流体的流速。阀机构可以响应于产生作业执行器14的期望运动的所需流速而在第一位置和第二位置之间运动。放泄阀可以包括弹簧偏压的阀机构，该阀机构是电磁致动的并且能够在第一位置和第二位置之间运动，在该第一位置，允许流体从第一室42和第二室44流动，在该第二位置，流体被阻止从第一室42和第二室44流动。可以想到，比例控制阀46和放泄阀可以替代地是液压致动的、机械致动的、气动致动的或者以任何其它适当的方式致动的。
泵30可以经由液压管路48与比例控制阀46流体连通。另外，每个比例控制阀46可以经由液压管路50与液压缸36A-36C连通。
液压系统24也可以包括与每个液压缸36A-36C相关联的后补偿阀(post compensating valve)52和单向阀54。可以想到，后补偿阀52和单向阀54可以用于在致动器之间平衡载荷压力并且辅助载荷分配。更具体地，每个后补偿阀52可以相互连接并且以相同的压力差操作。因此，任何一个致动器的最大载荷压力可以经由后补偿器54施加到所有致动器上。这样，当泵输出不足以满足任何一个液压缸36A-36C的需求时，所有液压缸36A-36C的速度可以基本上均匀地减小。
此外，液压系统24可以包括载荷传感装置70，例如用于感测液压缸36A-36C的最大流体压力的梭阀。替代地，载荷传感装置70可以是用于识别多个使用装置的最大载荷压力的任何已知的机构。
控制系统26可以包括控制器56。控制器56可以体现为单个微处理器或多个微处理器中，所述微处理器包括用于控制液压系统24的操作的装置。多种商业上可以获得的微处理器能够执行控制器56的功能。应当理解的是，控制器56可以容易地具体化为能够控制机械的多种功能的通用机械微处理器。控制器56可以包括存储器、辅助存储装置、处理器和用于运行应用程序的任何其它部件。各种其他电路可以与控制器56相关联，例如供电电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路和其它类型的电路。
控制器56能够接收来自操作员界面装置22的输入并且响应于该输入控制流向液压缸36A-36C的加压流体的流速。具体地，控制器56可以经由通信线路58与液压缸36A-36C的每个比例控制阀46通信，并且经由通信线路60与操作员界面装置22通信。控制器56可以接收由操作员界面装置22产生的比例信号，并且选择性地致动比例控制阀46中的一个或多个以选择性地填充与液压缸36A-36C相关联的第一或第二致动室，从而使作业工具按照期望运动。
控制器56可以经由通信线路62与泵控制装置32通信，并且能够响应于加压流体的需求改变泵30的操作。具体地，控制器56能够确定按照机械操作者的期望使机械运动所需的并且经由操作者界面装置22指示的加压流体的流速(总的期望流速)。可以想到，流动图(未示出)可以存储在控制器56的存储器中并且向控制器56提供用于确定所需要的泵流速的指示。流动图可以基于操作员输入信号和各种机械输入信号向控制器56提供满足操作员期望的机械运动所需的泵流速。操作员输入可以包括来自操作员输入装置22的信号。机械输入可以包括来自与控制阀46相关联的位置检测器(未示出)的指示控制阀位置的信号。另外，机械输入可以包括指示来自其它机械系统的对泵30进行限制的信号。例如，另外的机械信号可以包括指示施加到泵30的扭矩大小的信号。具体而言，扭矩传感器(未示出)可以向控制器56传输指示施加到泵30的受限功率源扭矩的信号。在接收所有操作员输入和机械输入之后，控制器56可以基于输入信号应用流动图，以向泵控制装置32发送所需泵流速的指令。此外，泵控制装置32可以由控制器56以电子方式操作。
控制系统26可以包括两个压力传感器：泵压力传感器64和载荷压力传感器66。泵压力传感器64可以位于泵30附近，以监测流出泵30的流体的压力。另外，泵压力传感器64可以经由通信线路68与控制器56通信，以向控制器56传输泵压力数据。载荷压力传感器66可以经由液压管路72与载荷传感装置70流体连通，从而载荷传感装置70可以允许在液压流体的压力与液压缸36A-36C的最大压力相等时液压流体通过。此外，载荷压力传感器66可以经由通信线路74与控制器56通信，以向控制器56传输最大载荷压力数据。替代地，控制系统26可以包括压差传感器(未示出)，以替代泵压力传感器64和载荷压力传感器66，或者作为泵压力传感器64和载荷压力传感器66的补充。
如控制器56所确定的，测量的泵压力值和测量的载荷压力值之差的函数可以定义为差数压力值(margin pressure value)。因此，差数压力可以用作对由泵产生的过量流体压力的测量手段，以确保致动器具有足够大的流体压力。可以期望设置包括范围下限值(例如，500KPa)和范围上限值(例如，2000KPa)的差数范围值。当差数压力值落在范围下限值之下时，控制系统26的操作稳定性和可靠性降低。当差数压力超出范围上限值时，控制系统26的操作效率低。可以想到，控制系统26可以执行主要控制策略，即，当差数压力值在范围下限值和范围上限值内时由泵调节。此外，可以想到，控制系统26可以执行辅助控制策略，即，当差数压力在范围下限值和范围上限值之外时由阀调节。换句话说，主要控制策略可以在正常操作状态下当泵压力和最大载荷压力之间的压差在预设差数范围内时执行。相反，辅助控制策略可以在泵压力和最大载荷压力之间的压差在预设差数范围之外时选择性地执行。
图3示出了通过执行主要控制策略和辅助控制策略来控制液压系统24的方法的流程图。以下部分将对图3进行详细的讨论。
工业实用性
本发明的控制系统可以用于涉及稳定、可靠和有效液压控制的任何机械中。本发明的控制系统可以经由执行泵控制的主要控制策略和执行阀控制的辅助控制策略来调节液压流体。当泵压力和最大载荷压力之间的压差在预设差数范围之外时，辅助控制策略可以执行致动器控制系统，该致动器控制系统可以将压差缩小到预设差数范围内。以下将对液压控制系统26的操作进行说明。
参照图3，控制系统26可以在机械起动时开始调节液压系统24。在起动时，可以利用执行泵控制的主要控制策略(步骤76)。因此，控制器56在接收输入信号之后可以访问存储的流动图，以基于操作员输入装置22确定所需的泵流速。
但是，在特定状况下，主要控制策略可能不足以满足系统需要，并且可能需要辅助控制策略。例如，当差数压力在预设差数范围(PMR)之外时，可能需要更具响应性的辅助控制策略来满足致动器压力的需要。否则，当差数压力在预设差数范围之上时液压系统24可能不那么有效，并且当差数压力在预设差数范围之下时液压系统24不能在载荷之间提供充分的流量分配。
为了确定何时可能需要辅助控制策略，可以由控制器56接收各种系统输入。例如，可以从泵压力传感器64接收泵压力值(PPV)，并且可以从载荷压力传感器66接收最大载荷压力值(LPV)。泵压力传感器64和载荷压力传感器66可以分别经由通信线路68和74向控制器56传输泵压力值和最大载荷压力值(步骤78)。
控制器56可以计算作为最大载荷压力值和泵压力值之差的函数的差数压力值(MPV)，并且将差数压力值与预设差数范围进行比较(步骤80)。预设差数范围可以被限定为包括在预设目标差数值之上和之下的限值的压力范围。预设差数范围可以包括预设目标差数值、范围上限和范围下限。范围上限和范围下限可以基于与预设目标差数值偏离的预定范围进行选择。例如，预设差数范围的预设目标差数值为1250KPa、上限值为2000KPa和下限值为500KPa，其中，从预设目标差数值偏离的预定范围可以是750KPa。预设目标差数值和从预设目标差数值偏离的预定范围可以根据给定液压系统的需要进行调节，以使系统性能最优。基于比较，控制器56可以确定差数压力值是否在预设差数范围的范围上限和范围下限内(步骤82)。例如，如果预设差数范围的范围下限为500KPa，范围上限为2000KPa，那么差数压力值1100KPa在预设差数范围内。如在这种情况中，当差数压力值在预设范围内时，控制器56可以确定当前是否正在执行辅助控制策略(步骤86)。如果辅助控制策略当前正被执行，那么控制器56可以暂停辅助控制策略(即，返回到主要控制策略)，因为此时不再需要辅助控制策略(步骤88)。替代地，取代当差数压力值在预设差数范围内时暂停辅助控制策略，可以期望地保持辅助控制策略当前被执行以确保差数压力值保持在预设差数范围内。一旦控制器56暂停辅助控制策略或者识别到辅助控制策略当前未被执行，那么控制器56可以继续重复步骤78-82以确定响应于控制系统输入的变化是否需要辅助控制策略。
但是，如果预设差数范围的范围下限为500KPa，范围上限为2000KPa，那么确定差数压力值300KPa在预设差数范围之外并且控制器56可以执行辅助控制策略(步骤84)。更具体地，控制器56可以确定差数压力值是否在预设差数范围之上或之下(步骤90)。在这种情况中，差数压力值300KPa在范围下限500KPa之下，并且可以期望增加差数压力，以确保系统保证并保持载荷之间的流量分配。为了增加差数压力，控制器56可以指示控制阀46朝着闭合位置移动(步骤92)。另外，如果差数压力在范围上限之上，那么可以期望减小差数压力，以提高系统效率。为了减小差数压力，控制器56可以指示控制阀46朝着打开位置移动(步骤94)。一旦辅助控制策略已经被执行，控制器56可以连续地重复步骤78-82，以确定响应于控制系统输入的改变是否仍然需要辅助控制策略。
控制器56可以指示控制阀46以与差数压力值在预设差数范围之外的量成比例地打开或闭合。例如，如果差数压力值仅比预设差数范围上限值大50KPa，那么控制阀46可以微微打开以减小差数压力。相反，如果差数压力值比预设差数范围上限值大600KPa，那么控制阀46可以打开较大以更快速地减小差数压力。
在正常操作过程中，当差数压力值保持在预设差数范围内时，经由主要控制策略的泵控制可以足以保持可靠、稳定和有效的液压系统控制。当系统干扰、诸如摩擦或其它效率损失致使流动图对泵输出与给定控制阀位置之间的匹配识别有误时，可能出现与正常操作相比的偏差。在这种情况下，控制阀46可以独立于泵30来控制以调节差数压力。可以想到，主要控制策略可以在系统的操作过程中连续地执行。因此，优选地，辅助控制策略与主要控制策略并行操作。因此，主要控制策略和辅助控制策略可以独立于彼此地执行。例如，即使当差数压力值在预设差数范围之外时，可以基于操作员和系统输入根据流动图同时执行泵控制。
执行独立操作的泵和致动器控制策略可以提供可靠、稳定和有效的液压系统控制。最需要注意的是，致动器控制可以通过减小确保多个致动器充分操作所需的差数压力来改进液压系统控制效率。因此，除了可从双控制策略获得附加的可靠性和稳定性之外，也可以从致动器控制获得比普通泵控制更具响应性的改进的效率。
本领域技术人员清楚，在不脱离本发明范围的情况下可以对本发明的控制系统进行各种变型和改变。考虑到这里公开的控制系统的说明书和实践，控制系统的其它实施方式对于本领域技术人员而言也是清楚的。说明书和例子应仅作为示例性的进行考虑，本发明的真正范围由权利要求书及其等效物来指明。

Claims (10)

1.一种致动器控制系统(26)，包括：
泵(30)；
至少一个致动器(36A)；
致动器阀(46)，其能够控制所述至少一个致动器；
泵压力传感器(64)，其能够确定泵压力值；
载荷压力传感器(66)，其能够确定载荷压力值；以及
控制器(56)，其能够：
接收所述泵压力值和所述载荷压力值；
将所述泵压力值与所述载荷压力值进行比较；并且
基于所述比较选择性地执行主要控制策略和辅助控制策略。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还能够向所述泵和所述致动器阀独立地传输指令。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还能够通过计算作为所述泵压力值和所述载荷压力值之差的函数的差数压力值来比较所述泵压力值和所述载荷压力值。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器还能够将所述差数压力值与差数范围进行比较，其中，所述差数范围包括范围下限和范围上限。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器还能够发送指令到所述致动器阀，以当所述差数压力值在所述差数范围之外时执行所述辅助控制策略。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还能够指令所述致动器阀朝着闭合位置调节，以在所述差数压力值在所述范围下限之下时增加差数压力，并且指令所述致动器阀朝着打开位置调节，以在所述差数压力值在所述范围上限之上时减小差数压力。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还能够在所述差数压力值在所述差数范围内时暂停所述辅助控制策略。
8.一种控制致动器的方法，包括：
感测泵压力值(78)；
感测载荷压力值；
将所述泵压力值与所述载荷压力值进行比较(80)；
基于所述比较选择性地执行主要控制策略和辅助控制策略(82)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，选择性地执行所述主要控制策略包括控制泵操作，选择性地执行所述辅助控制策略包括控制致动器阀操作。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述泵压力值与所述载荷压力值进行比较包括计算作为所述泵压力值和所述载荷压力值之差的函数的差数压力值。
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