CN102942118B - 一种闭式起升机构防失速控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭式起升机构防失速控制系统，所述闭式起升机构包括起升泵和附加负载，所述闭式起升机构防失速控制系统包括控制单元、高低压检测单元、附加负载比例阀及发动机，所述高低压检测单元与所述控制单元的输入端相连，所述附加负载比例阀安装在所述附加负载上，并与所述控制单元的输出端相连，所述发动机与所述控制单元的第一总线接口相连。本发明通过动态匹配附加负载与当前载荷的对应关系使得附加负载的投入量跟随载荷的变化，既提高了附加负载的响应速度又确保了附加负载的投入量具有良好的跟随性和自适应性，发动机始终处于最佳工作状态，提升了闭式起升机构在进行下降操作时作业的安全性。

Description

一种闭式起升机构防失速控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及工程机械控制领域，特别是涉及一种闭式起升机构防失速系统及其方法。

背景技术

起重机闭式起升机构由于具有结构简单、功耗较小、微动性好及系统响应快等优点，因此广泛应用于大吨位起重机，但闭式起升机构中未设置平衡阀，在重物下降的过程中，重物通过势能对发动机做功，从而使发动机承受负扭矩，如果这种负扭矩无法被系统吸收，则重物下降的速度会越来越快，同时致使发动机转速越来越快，最终导致发动机失速，发生“飞车”事故。

目前针对闭式起升机构的失速问题，一般采用的技术方案有两种：

1：当检测到发动机失速时，直接对发动机实施废气控制，减小发动机的排气，增大发动机阻力，从而吸收一定的负扭矩；如果发动机转速继续增大，则通过切断发动机燃油电磁阀，使发动机停机。

2：在闭式起升机构的液压控制系统中增加附加负载，当检测到发动机失速时，通过附加负载的开关电磁阀将附加负载打开，从而吸收因重物做功而产生的负扭矩。

第一种方案采用限制发动机排气的方式增大发动机阻力，需要专门的发动机排气装置，不仅成本较高而且长期使用会对发动机及液压系统造成一定损害。第二种方案采用开关阀控制附加负载的投入量，除了会对系统产生冲击外，还会因为投入的附加负载为固定负载，其投入量无法适应液压系统载荷及速度的变化。在系统载荷小、速度慢时，附加负载的投入量可能冗余，加大系统发热量，造成不必要的能量损耗，而在系统载荷大、速度快时，附加负载又可能太小，无法吸收系统产生的负扭矩，发动机存在失速的安全隐患。另外采用开关阀控制附加负载时，只有当检测发动机产生失速时才能采取相关控制措施，不具备实时调控预防隐患风险的功能。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种闭式起升机构防失速控制系统及其方法，在发动机承受负扭矩时该系统能够提高附加负载的响应速度并保证附加负载具有良好的自适应性和跟随性，消除发动机失速的安全隐患。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种闭式起升机构防失速控制系统，其中，闭式起升机构包括起升泵和附加负载，闭式起升机构防失速控制系统包括：控制单元；高低压检测单元，高低压检测单元与控制单元的输入端相连，用于采集起升泵每次起降操作的高压值及低压值并传输给控制单元，控制单元计算高压值及低压值的压差，并据此统计和储存不同载荷所对应的附加负载的预设电流；附加负载比例阀，附加负载比例阀安装在附加负载上，并与控制单元的第一输出接口相连，用于控制附加负载的投入量；以及发动机，发动机与控制单元的第一总线接口相连；其中，控制单元对发动机负载率实时监控，并将发动机负载率与安全设定范围进行比较，当控制单元检测到发动机负载率在安全设定范围外时，控制单元以当前载荷对应的附加负载的预设电流与通过闭环控制算法得到的反馈补偿电流之和作为附加负载比例阀的控制电流，以调节附加负载的投入量。

其中，所述闭式起升机构防失速控制系统进一步包括：控制手柄，控制手柄分别与控制单元的第一输入接口及第二输入接口相连，用于控制闭式起升机构的起升和下降；人机界面，人机界面与控制单元的第二总线接口相连，用于显示和检测控制单元输出的各种状态信号参数，并具有报警和应急操作提示的功能；起降比例阀，起降比例阀安装在起升泵上，并与控制单元相连，用于比例控制起升泵的正向排量和反向排量；制动电磁阀，制动电磁阀安装在闭式起升机构的制动器上，并与控制单元的开关信号输出接口相连，用于控制制动器的开启和关闭。

其中，起降比例阀包括：起升比例阀，起升比例阀与控制单元的第二输出接口相连，用于比例控制起升泵的正向排量；以及下降比例阀，下降比例阀与控制单元的第三输出接口相连，用于比例控制起升泵的反向排量。

其中，高低压检测单元包括：高压腔压力传感器，高压腔压力传感器安装在起升泵的高压腔上，并与控制单元的第三输入接口相连，用于采集起升泵的所述高压值；以及低压腔传感器，低压腔压力传感器安装在起升泵的低压腔上，并与控制单元的第四输入接口相连，用于采集起升泵的低压值；控制单元储存压差与附加负载的预设电流的对应表，当检测到发动机负载率在安全设定范围外时，控制单元通过查选对应表得出当前载荷的附加负载的预设电流。

其中，所述闭式起升机构防失速控制系统进一步设置安全保护定时器，当控制单元检测到发动机负载率处于安全设定范围外时，安全保护定时器开始计时，当安全保护定时器的计时到达设定安全设定值，控制单元未能将发动机负载率调整至安全设定范围内时，控制单元切断控制系统的下降操作同时复位对所述附加负载比例阀的输出控制，并发出报警信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种闭式起升机构防失速控制方法，包括上述的闭式起升机构防失速控制系统，所述方法包括以下步骤：

判断是否启动闭式起升机构执行下降操作；

在启动闭式起升机构执行下降操作时，控制单元实时检测闭式起升机构的发动机状态信息，得到发动机负载率；

控制单元将发动机负载率与预设的安全设定范围进行比较，判断发动机负载率是否在安全设定范围内，若在安全设定范围之内，则保持附加负载比例阀的控制电流不变；若在安全设定范围外，则根据闭式起升机构起升泵的高压腔和低压腔的压差确定当前载荷对应的附加负载的预设电流；

控制单元将预设电流与通过闭环控制算法得到的反馈补偿电流之和作为附加负载比例阀的控制电流，以调节附加负载的投入量。

其中，判断是否启动闭式起升机构执行下降操作步骤包括：

控制单元循环扫描各输入接口，当检测到控制手柄有下降操作信号输入时，控制单元根据控制手柄的信号量大小对起升泵的输出进行比例控制，并根据起升泵的高压腔和低压腔之间的压差与闭式起升机构的启动设定值的比较，对制动电磁阀进行开关控制，启动闭式起升机构。

其中，判断发动机负载率是否在安全设定范围内步骤进一步包括如下步骤：

控制单元记录所述起升泵每次起降操作时其高压腔和低压腔分别对应的高压值及低压值，并计算高压值及低压值的压差，统计和储存不同载荷所对应的压差与附加负载的预设电流的对应表。

其中，判断发动机负载率是否在安全设定范围内步骤进一步包括如下步骤：

当检测到发动机负载率在安全设定范围外时，控制单元通过查询对应表确定当前载荷的附加负载的预设电流。

其中，判断发动机负载率是否在安全设定范围内步骤进一步包括如下步骤：

若在所述安全设定范围之内，则将安全保护定时器进行清零处理；若在所述安全设定范围外，启动所述安全保护定时器开始计时，并判断所述安全保护定时器的计时是否已到设定值；

若安全计时未到，所述发动机负载率处于在所述安全设定范围内，则跳转至所述判断是否启动闭式起升机构执行下降操作步骤进行循环扫描；

若安全计时已到，所述发动机负载率处于在所述安全设定范围外，则所述控制单元切断所述闭式起升机构的下降操作，同时复位相关输出控制，并发出报警信号。

与现有技术相比，本发明以发动机负载率为控制指标，根据控制系统当前载荷所对应的附加负载的预设电流对附加负载进行闭环反馈的超前补偿控制，通过设置附加负载比例电磁阀实现对附加负载的投入量进行比例控制，使附加负载的投入量跟随载荷的变化，既提高了附加负载的响应速度又确保了附加负载的投入量具有良好的跟随性和自适应性。本发明通过动态匹配附加负载与当前载荷的对应关系使得发动机始终处于最佳工作状态，杜绝了因发动机失速导致的安全问题，大大提升了闭式起升机构在进行下降操作时作业的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是本发明的闭式起升机构防失速系统的控制原理示意图；

图2是本发明的闭式起升机构防失速系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1是本发明的闭式起升机构防失速系统的控制原理示意图。本发明提供一种闭式起升机构防失速控制系统，闭式起升机构包括起升泵和附加负载(图中未画出)，闭式起升机构防失速控制系统包括控制单元1、高低压检测单元2、附加负载比例阀3及发动机4，控制单元1的输入端设有第一输入接口101、第二输入接口102、第三输入接口103及第四输入接口104，控制单元1的输出端设有第一输出接口105、第二输出接口106、第三输出接口107及开关信号输出接口108，控制单元1还设有第一总线接口109及第二总线接口110，控制单元1对输入端的输入信号进行实时监控并进行逻辑运算处理，再经过输出端进行输出控制。高低压检测单元2与控制单元1的输入端相连，用于采集起升泵每次起降操作的高压值及低压值并传输给控制单元1。其中，高低压检测单元2包括高压腔压力传感器201及低压腔压力传感器202，高压腔压力传感器201安装在起升泵的高压腔上，并与控制单元1的第三输入接口103相连，用于采集起升泵的高压值；低压腔压力传感器202安装在起升泵的低压腔上，并与控制单元1的第四输入接口104相连，用于采集起升泵的低压值；控制单元1计算高压值及低压值的压差，对每次起降操作起升泵的高压腔与低压腔的压差进行储存，该压差直接反映了闭式起升机构载荷的大小，不同载荷对应的附加负载的预设电流也不同，控制单元1据此统计和储存不同载荷所对应的附加负载的预设电流，从而得到并储存压差与附加负载的预设电流的对应表，当检测到发动机负载率在安全设定范围外时，控制单元1通过查选对应表得出当前载荷的附加负载的预设电流。附加负载比例阀3安装在附加负载上，并与控制单元1的第一输出接口105相连，用于控制附加负载的投入量，附加负载比例阀3的控制电流越大，附加负载的投入量也越大，所能吸收的负扭矩也越大。发动机4与控制单元1的第一总线接口109相连，控制单元1通过CAN总线方式与发动机3进行通讯，对发动机负载率实时监控，发动机负载率反映了发动机3实时承受的载荷比，发动机负载率较大时发动机3所承受的载荷也较大，发动机负载率较小时发动机3所承受的载荷也较小，当发动机负载率为零甚至出现负值时，发动机3承受负扭矩，此时控制单元1将发动机负载率与安全设定范围进行比较，当控制单元1检测到发动机负载率在安全设定范围外时，控制单元1以当前载荷对应的附加负载的预设电流与通过闭环控制算法得到的反馈补偿电流之和作为附加负载比例阀3的控制电流，以调节附加负载的投入量。

请继续参阅图1，闭式起升机构防失速控制系统进一步包括控制手柄5、人机界面6、起降比例阀7及制动电磁阀8，控制手柄5分别与控制单元1的第一输入接口101及第二输入接口102相连，用于控制闭式起升机构的起升和下降。控制手柄5的正向信号与反向信号分别对应闭式起升机构的起升和下降操作，信号量的大小则对应起升或下降的速度；人机界面6与控制单元1的第二总线接口110相连，并通过CAN总线方式与控制单元1进行通讯，用于显示和检测控制单元1输出的各种状态信号参数，当液压系统发生故障时，人机界面6会及时报警并进行应急操作提示；起降比例阀7安装在起升泵上，并与控制单元1相连，用于比例控制起升泵的正向排量和反向排量，排量越大，闭式起升机构起升和下降的速度也越快，其中，起降比例阀7包括起升比例阀701及下降比例阀702，起升比例阀701与控制单元1的第二输出接口106相连，用于比例控制起升泵的正向排量；下降比例阀702与控制单元1的第三输出接口107相连，用于比例控制起升泵的反向排量。制动电磁阀8安装在闭式起升机构的制动器上，并与控制单元1的开关信号输出接口108相连，用于控制制动器的开启和关闭，当闭式起升机构进行起升或下降操作时，控制单元1通过开关信号输出接口108向制动电磁阀8输出开关控制信号。

闭式起升机构防失速控制系统进一步设置安全保护定时器，该安全保护定时器优选为一软件定时器。当控制单元1检测到发动机负载率处于安全设定范围外时，安全保护定时器开始计时，当安全保护定时器的计时到达设定安全设定值，控制单元1未能将发动机负载率调整至安全设定范围内时，则认为发动机3存在失速的危险，此时控制单元1切断控制系统的下降操作同时复位相关输出控制，并发出报警信号。

本发明还提供一种上述的闭式起升机构防失速控制系统的控制方法，请参阅图2所示，本发明闭式起升机构防失速控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S100:判断是否启动闭式起升机构执行下降操作。

在此步骤中，控制单元循环扫描各输入接口，当检测到控制手柄有下降操作信号输入时，判断需要启动闭式起升机构执行下降操作，并进入步骤S101。

当控制单元循环扫描各输入接口，未检测到控制手柄有下降操作信号输入时，判断不需要启动闭式起升机构执行下降操作，返回步骤S100,继续扫描各输入接口。

步骤S101:启动闭式起升机构，执行下降动作。

在此步骤中，控制单元根据控制手柄的信号量大小和方向对起升泵的输出进行比例控制，并采集起升泵上的高压腔压力传感器与低压腔压力传感器的高压值和低压值，控制单元1将起升泵的高压腔和低压腔之间的压差与闭式起升机构的启动设定值的比较，当压差达到启动设定值时，控制单元通过开关信号输出接口对制动电磁阀进行开关控制，启动闭式起升机构，并进入步骤S102。

步骤S102:启动闭式起升机构执行下降操作时，控制单元实时检测闭式起升机构的发动机状态信息，得到发动机负载率。

在此步骤中，当闭式起升机构执行下降操作时，控制单元通过第一总线接口实时检测闭式起升机构的发动机状态信息，得到发动机负载率，同时控制单元根据发动机负载率所对应的最大负扭矩计算下降比例阀最大允许开度，并通过第三输出接口控制输出下降比例阀的最大控制电流，控制下降比例阀的控制电流越大，起升泵的反向排量也越大，闭式起升机构下降的速度也越快，控制单元通过控制输出下降比例阀的控制电流从而控制闭式起升机构的下降速度。

步骤S103:控制单元将发动机负载率与预设的安全设定范围进行比较，判断发动机负载率是否在安全设定范围内。

在此步骤中，控制单元将发动机负载率与预设的安全设定范围进行比较，判断发动机负载率是否在安全设定范围内，若在安全设定范围之内，则进入步骤S104；若在安全设定范围外，进入步骤S105。

步骤S104:控制单元将安全保护定时器进行清零处理，并保持附加负载比例阀的控制电流不变，返回步骤100，继续扫描个输入接口；

步骤S105：启动安全保护定时器，开始计时。

在此步骤中，安全保护定时器对附加负载的调节时间进行计时，并进入步骤S106。

步骤S106：控制单元计算闭式起升机构起升泵的高压腔和低压腔的压差，查取压差与附加负载的预设电流的对应表，并根据压差得出当前载荷下附加负载的预设电流。

在步骤S106查取压差与附加负载的预设电流的对应表之前，本方法进一步包括步骤S111：

控制单元记录起升泵每次起降操作时其高压腔和低压腔分别对应的高压值及低压值，并计算高压值及低压值的压差，统计和储存不同载荷所对应的压差与附加负载的预设电流的对应表。

步骤S107：控制单元启用闭环控制算法，将附加负载的预设电流与通过闭环控制算法得到的反馈补偿电流之和作为附加负载比例阀的控制电流，并进入步骤S108。

步骤S108：控制单元将由步骤S107计算得到附加负载比例阀的控制电流驱动附加负载电磁阀，以比例调节附加负载的投入量，同时进入步骤109。

步骤S109：控制单元判断安全保护定时器的计时是否已到安全设定值。

在此步骤中，若安全保护定时器的计时未到安全设定值，发动机负载率处于在安全设定范围内，则将返回步骤104；若保护定时器的计时已到安全设定值，发动机负载率处于在安全设定范围外，则进入步骤S110。

步骤110：控制单元切断闭式起升机构的下降操作，同时复位相关输出控制，并发出报警信号。

综上所述，本发明以发动机负载率为控制指标，根据控制系统当前载荷所对应的附加负载的预设电流对附加负载进行闭环反馈的超前补偿控制，通过设置附加负载比例电磁阀实现对附加负载的投入量进行比例控制，使附加负载的投入量跟随载荷的变化，附加负载的投入量具有非常好的跟随性，既提高了附加负载的响应速度又确保了附加负载的投入量具有良好的跟随性和自适应性。

本发明通过动态匹配附加负载与当前载荷的对应关系使得发动机始终处于最佳工作状态，杜绝了因发动机失速导致的安全问题，大大提升了闭式起升机构在进行下降操作时作业的安全性。

需要指出的是，在本发明一实施例中提到的“第一”、“第二”等用语仅是根据需要采用的文字符号，在实务中并不限于此，并且该文字符号可以互换使用。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种闭式起升机构防失速控制系统，所述闭式起升机构包括起升泵和附加负载，其特征在于，所述闭式起升机构防失速控制系统包括：

控制单元；

高低压检测单元，所述高低压检测单元与所述控制单元的输入端相连，用于采集所述起升泵每次起降操作的高压值及低压值并传输给所述控制单元，所述控制单元计算所述高压值及低压值的压差，并据此统计和储存不同载荷所对应的所述附加负载的预设电流；

附加负载比例阀，所述附加负载比例阀安装在所述附加负载上，并与所述控制单元的第一输出接口相连，用于控制所述附加负载的投入量；以及

发动机，所述发动机与所述控制单元的第一总线接口相连；

其中，所述控制单元对发动机负载率实时监控，并将所述发动机负载率与安全设定范围进行比较，当所述控制单元检测到发动机负载率在所述安全设定范围外时，所述控制单元以当前载荷对应的所述附加负载的预设电流与通过闭环控制算法得到的反馈补偿电流之和作为所述附加负载比例阀的控制电流，以调节所述附加负载的投入量。

2.根据权利要求1所述的闭式起升机构防失速控制系统，其特征在于，所述闭式起升机构防失速控制系统进一步包括：

控制手柄，所述控制手柄分别与所述控制单元的第一输入接口及第二输入接口相连，用于控制所述闭式起升机构的起升和下降；

人机界面，所述人机界面与所述控制单元的第二总线接口相连，用于显示和检测所述控制单元输出的各种状态信号参数，并具有报警和应急操作提示的功能；

起降比例阀，所述起降比例阀安装在所述起升泵上，并与所述控制单元相连，用于比例控制所述起升泵的正向排量和反向排量；

制动电磁阀，所述制动电磁阀安装在所述闭式起升机构的制动器上，并与所述控制单元的开关信号输出接口相连，用于控制所述制动器的开启和关闭。

3.根据权利要求2所述的闭式起升机构防失速控制系统，其特征在于，所述起降比例阀包括：

起升比例阀，所述起升比例阀与所述控制单元的第二输出接口相连，用于比例控制所述起升泵的正向排量；以及

下降比例阀，所述下降比例阀与所述控制单元的第三输出接口相连，用于比例控制所述起升泵的反向排量。

4.根据权利要求2所述的闭式起升机构防失速控制系统，其特征在于，所述高低压检测单元包括：

高压腔压力传感器，所述高压腔压力传感器安装在所述起升泵的高压腔上，并与所述控制单元的第三输入接口相连，用于采集所述起升泵的所述高压值；以及

低压腔压力传感器，所述低压腔压力传感器安装在所述起升泵的低压腔上，并与所述控制单元的第四输入接口相连，用于采集所述起升泵的所述低压值；

所述控制单元储存所述压差与所述附加负载的预设电流的对应表，当检测到所述发动机负载率在所述安全设定范围外时，所述控制单元通过查选所述对应表得出当前载荷的所述附加负载的预设电流。

5.根据权利要求1所述的闭式起升机构防失速控制系统，其特征在于，所述闭式起升机构防失速控制系统进一步设置安全保护定时器，当所述控制单元检测到所述发动机负载率处于所述安全设定范围外时，所述安全保护定时器开始计时，当所述安全保护定时器的计时到达设定安全设定值，所述控制单元未能将所述发动机负载率调整至所述安全设定范围内时，所述控制单元切断所述控制系统的下降操作同时复位对所述附加负载比例阀的输出控制，并发出报警信号。

6.一种闭式起升机构防失速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

判断是否启动闭式起升机构执行下降操作；

在启动所述闭式起升机构执行下降操作时，控制单元实时检测所述闭式起升机构的发动机状态信息，得到发动机负载率；

所述控制单元将所述发动机负载率与预设的安全设定范围进行比较，判断所述发动机负载率是否在所述安全设定范围内，若在所述安全设定范围之内，则保持附加负载比例阀的控制电流不变；若在所述安全设定范围外，则根据所述闭式起升机构起升泵的高压腔和低压腔的压差确定当前载荷对应的附加负载的预设电流；

所述控制单元将所述预设电流与通过闭环控制算法得到的反馈补偿电流之和作为附加负载比例阀的控制电流，以调节附加负载的投入量。

7.根据权利要求6所述的闭式起升机构防失速控制方法，其特征在于，所述判断是否启动闭式起升机构执行下降操作步骤包括：

所述控制单元循环扫描各输入接口，当检测到控制手柄有下降操作信号输入时，所述控制单元根据所述控制手柄的信号量大小对所述起升泵的输出进行比例控制，并根据所述起升泵的高压腔和低压腔之间的压差与所述闭式起升机构的启动设定值的比较，对制动电磁阀进行开关控制，启动所述闭式起升机构。

8.根据权利要求6所述的闭式起升机构防失速控制方法，其特征在于，所述判断所述发动机负载率是否在所述安全设定范围内步骤进一步包括如下步骤：

所述控制单元记录所述起升泵每次起降操作时其高压腔和低压腔分别对应的高压值及低压值，并计算所述高压值及低压值的压差，统计和储存不同载荷所对应的所述压差与所述附加负载的所述预设电流的对应表。

9.根据权利要求6所述的闭式起升机构防失速控制方法，其特征在于：所述判断所述发动机负载率是否在所述安全设定范围内步骤进一步包括如下步骤：

当检测到所述发动机负载率在所述安全设定范围外时，所述控制单元通过查询所述对应表确定当前载荷的所述附加负载的预设电流。

10.根据权利要求6所述的闭式起升机构防失速控制方法，其特征在于，所述判断所述发动机负载率是否在所述安全设定范围内步骤进一步包括如下步骤：

若在所述安全设定范围之内，则将安全保护定时器进行清零处理；若在所述安全设定范围外，启动所述安全保护定时器开始计时，并判断所述安全保护定时器的计时是否已到设定值；

若安全计时未到，所述发动机负载率处于在所述安全设定范围内，则跳转至所述判断是否启动闭式起升机构执行下降操作步骤进行循环扫描；

若安全计时已到，所述发动机负载率处于在所述安全设定范围外，则所述控制单元切断所述闭式起升机构的下降操作，同时复位相关输出控制，并发出报警信号。