CN103030064B - 一种工程机械设备的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械设备的控制系统，该工程机械设备包括动力源、定量泵、主阀、操控机构以及执行机构，动力源以转动方式驱动定量泵输出液压油，液压油经主阀到达执行机构，以驱动执行机构，操控机构控制主阀的开度，以对液压油进行流量调节，控制系统包括第一检测装置、第二检测装置以及控制装置，第一检测装置用于检测执行机构的负载状态，第二检测装置用于检测主阀的开度，控制装置根据负载状态以及开度计算动力源的匹配转速。本发明工程机械设备的控制系统根据检测到的负载状态和主阀的开度计算出所需的动力源匹配转速，从而降低工程机械设备的使用能耗。

Description

一种工程机械设备的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械设备的控制系统及控制方法。

背景技术

请参照图1，一种应用于中小吨位汽车起重机中的控制系统包括油门踏板、动力源、液压泵、主阀、操控机构、执行机构和油箱。液压泵是定量泵。油箱为定量泵、主阀和执行机构提供油路。

通过控制油门踏板启动动力源转动，定量泵将动力源的动能转换为液压能，自定量泵流出的液压油到达主阀。动力源的转速越快，单位时间自定量泵流至主阀的油量越大。操控机构控制主阀的开关及开度大小；打开主阀，液压油流经主阀到达并驱动执行机构。当单位时间内定量泵流至主阀的油量足够大，操控机构的开度越大则流经主阀的油量越大，执行机构的动作越快；反之，若操控机构的开度越小则流经主阀的油量越小，执行机构的动作越慢。

上述控制系统应用中需同时控制油门踏板和操控机构，容易造成发动机油耗过高，而导致不必要的浪费。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种具有节能效果的工程机械设备的控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种工程机械设备的控制系统，工程机械设备包括动力源、定量泵、主阀、操控机构以及执行机构，动力源以转动方式驱动定量泵输出液压油，液压油经主阀到达执行机构，以驱动执行机构，操控机构控制主阀的开度，以对液压油进行流量调节，控制系统包括第一检测装置、第二检测装置以及控制装置，第一检测装置用于检测执行机构的负载状态，第二检测装置用于检测主阀的开度，控制装置根据负载状态以及开度计算动力源的匹配转速，控制装置进一步将动力源调节至匹配转速。

其中，执行机构的负载状态包括吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力。

其中，控制装置根据吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力计算执行机构的吊重和起重力矩进而得到负载压力，并根据负载压力和开度计算动力源的转速。

其中，操控机构为手柄，手柄产生用于控制主阀的开度的先导压力，第二检测装置检测先导压力，控制装置根据先导压力确定开度。

其中，动力源是发动机；发动机的匹配转速的计算方式如下：发动机的所需输出扭矩计算方式为：M_e＝P_LV_S，其中，M_e代表发动机的所需输出扭矩，P_L代表负载压力，V_S代表定量泵的每转排量；根据发动机的万有特性曲线得出所需输出扭矩对应的经济转速n₀；计算发动机工作的最低转速n_e，其中最低转速n_e由先导压力决定；经济转速n₀和最低转速n_e中较大的一个为匹配转速。

其中，先导压力是关于主阀的流量的分段函数。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种工程机械设备的控制方法，工程机械设备包括动力源、定量泵、主阀、操控机构以及执行机构，动力源以转动方式驱动定量泵输出液压油，液压油经主阀到达执行机构，以驱动执行机构，操控机构控制主阀的开度，以对液压油进行流量调节，控制方法包括：检测执行机构的负载状态；检测主阀的开度；根据负载状态和开度计算动力源的匹配转速；调节动力源的转速至匹配转速。

其中，检测执行机构的负载状态的步骤包括：检测执行机构的吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力。

其中，根据负载状态和开度计算动力源的匹配转速的步骤进一步包括：根据吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力计算执行机构的吊重和起重力矩进而得到负载压力；根据负载压力和开度计算动力源的匹配转速。

其中，检测主阀的开度的步骤进一步包括：检测主阀的开度的先导压力；根据负载状态和开度计算动力源的转速的步骤进一步包括：计算发动机的所需输出扭矩：M_e＝P_LV_S，其中，M_e代表发动机的所需输出扭矩，P_L代表负载压力，V_S代表定量泵的每转排量；根据发动机的万有特性曲线得出所需输出扭矩对应的经济转速n₀；计算发动机工作的最低转速n_e，其中最低转速n_e由先导压力决定；选取经济转速n₀和最低转速n_e中较大的一个为匹配转速。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明工程机械设备的控制系统根据检测到的负载状态和主阀的开度计算出所需的动力源匹配转速，并进一步将动力源的转速调节至该匹配转速，使得在动力源的带动下流经定量泵的液压油完全流经主阀并到达执行机构，保证动力源在工作状态中的任意时刻均保持较高的输出效率，从而降低工程机械设备的使用能耗。

附图说明

图1是一种现有工程机械设备的部分构件连接示意图；

图2是本发明工程机械设备的控制系统与其他构件连接的示意图；

图3是图2所示控制装置的示意图；

图4是图2所示控制系统的输入/输出信号表。

图5是先导压力与主阀流量的试验拟合曲线图；

图6是图2所示工程机械设备的发动机的万有特性曲线图；

图7是图6所示发动机的油耗经济曲线图；

图8是本发明工程机械设备的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

请参照图2所示本发明工程机械设备的控制系统。工程机械设备包括动力源、定量泵、主阀、操控机构、执行机构以及控制系统。动力源以转动方式驱动定量泵输出液压油，液压油经过主阀到达执行机构以驱动执行机构带动负载；操控机构用于控制主阀的开度，以对液压油进行流量调节。

控制系统包括第一检测装置、第二检测装置以及控制装置。第一检测装置用于检测执行机构的负载状态，第二检测装置用于检测主阀的开度；控制装置根据负载状态以及主阀的开度按照匹配算法计算动力源的匹配转速，从而将动力源调节至该匹配转速，使在动力源的带动下流经定量泵的液压油完全流经主阀并到达执行机构，从而降低工程机械设备的使用能耗。

请一并参照图3，本实施例中，控制装置包括计算单元和控制单元。其中，计算单元根据负载状态以及主阀的开度计算动力源的匹配转速；控制单元进一步将动力源调节至匹配转速。匹配转速的推导过程后文将详细描述。通过控制装置的控制单元将动力源调节至匹配转速省去了人工调节动力源的动作，自动化程度高。

实际应用中，动力源一般由发动机和变速器组成。发动机的转速较低，通过变速器的设置使动力源能够到达较高的转速。发动机可以选择柴油发动机、电动机或混合发动机。

定量泵的输出特性为：转速恒定的情况下输出油液的流量恒定，动力源输出的转速越高，定量泵输出油液的流量越大。因工程机械设备中执行机构的负载普遍较高，故实际应用中，在动力源输出转速恒定的情况下，为了提高定量泵输出油液的流量，可以采用两个以上同时由动力源带动的定量泵。

工程机械设备的执行机构通常包括多个执行单元。以汽车起重机为例，汽车起重机的执行机构包括主卷扬起升机构、副卷扬起升机构、回转机构、变幅机构、伸缩机构等五个执行单元。因此主阀亦包括与每个执行单元对应的主阀单元。

操控机构，例如手柄，通过控制手柄的不同方向控制不同的主阀单元，从而执行与该主阀单元连接的执行单元动作。具体来说，手柄产生用于控制不同的主阀单元的开度的先导压力，第二检测装置检测该先导压力并将该先导压力反馈至控制装置的计算单元，控制装置的计算单元根据该先导压力确定该主阀单元的开度。

第一检测装置用于检测执行机构的负载状态，负载状态包括吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力，且第一检测装置将该检测结果反馈至控制装置的计算单元。控制装置的计算单元根据吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力计算出执行机构的吊重和起重力矩进而得出负载压力；计算单元进一步根据负载压力和主阀单元的开度计算动力源的匹配转速。

控制装置的计算单元进一步将该匹配转速反馈至控制单元。工程机械设备进一步包括ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)，ECU与控制装置及动力源通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线连接；使控制单元将动力源转速调节至匹配转速，从而实现半自动作业控制。

当CAN总线失效时，根据计算单元计算出的匹配转速通过人工作业的方式将动力源调节至该匹配转速。

除前述实施例外，第一检测装置还可以是力矩限制器，力矩限制器检测执行机构的吊臂长度、变幅油缸压力和变幅角度并综合计算得到吊重和起重力矩并将吊重和起重力矩反馈至控制装置的计算单元。控制装置的计算单元综合吊重、起重力矩以及第二检测装置反馈的主阀开度计算得到动力源的匹配转速。

请一并参照图4，图4是控制系统的输入/输出信号表。

以下，将介绍通过计算单元计算得到的动力源的匹配转速。

(一)计算动力源的最低转速：

(1)本发明控制系统中，动力源、定量泵和负载的功率相等，即：

n_eM_e＝n_SP_SV_S＝P_LQ_L  ①

其中：

n_e－动力源转速

M_e－动力源输出扭矩

n_S－定量泵转速

P_S－定量泵出口压力

V_S－定量泵每转排量

P_L－负载压力

Q_L－负载所需流量

(2)各执行机构所需流量与执行机构的主阀单元开度之间满足：

$Q_i=C_i{A}_i\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}{P}_0}{\mathrm{\ρ}}}$

其中：

i＝1、2、3、4、5分别代表主卷扬起升机构、副卷扬起升机构、回转机构、变幅机构、伸缩机构五个执行机构

C_i－各主阀单元流量系数

ΔP₀－压力补偿阀设定压差

ρ－液压油密度

A_i－各执行机构的主阀单元开度

Q_i－各执行机构所需流量

C_i、ΔP₀是常量，因此：

Q_i＝K₁A_i  ②

其中， $K_1=C_i\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}{P}_0}{\mathrm{\ρ}}}.$

(3)先导压力与各执行机构的主阀单元开度之间满足：

A_i＝f₁(P_i)  ③

(4)结合公式②和公式③得出：

Q_i＝f₂(P_i)  ④

一般情况下，从手柄位移、先导压力、主阀单元开度到各执行机构所需流量为一线性关系，则公式④亦可表达为：

Q_i＝K_iP_i

其中，K_i代表各执行机构的主阀单元系数，通过实验方法测量得到。

负载所需流量为各执行机构的主阀单元所需流量之和，即：

$Q_L=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i{P}_i$

简单来说：

Q_L＝f₃(P_i)  ⑤

(5)汽车起重机的液压系统为抗饱和流量负载传感比例系统，压力与流量具有自适应性，因而：

P_S＝P_L+ΔP_LS

ΔP_LS是由定量泵至流出的液压油流出各主阀后的损耗压力，根据该液压系统特性，一般情况下，ΔP_LS为较小的定值，因此，可认为P_L≈P_S，与公式①相结合，可得出：

n_SV_S＝Q_L

$n_S=\frac{Q_L}{V_S}$

由于定量泵每转的排量V_S为定值，故定量泵转速为：

n_s＝f₄(Q_L)  ⑥

而对于动力源-定量泵的传动过程来说，动力源的最低转速与定量泵的转速之间满足：

n_e＝K₂n_s  ⑦

动力源的转速大于等于定量泵的转速，因此，K₂大于等于1。

将公式⑥入公式⑦中后得到：

n_e＝f₅(Q_L)  ⑧

结合公式⑤和⑧得出：

n_e＝f₆(P_i)  ⑨

因而，在控制过程中，该通过公式⑨计算得到的n_e即为满足负载需求流量的发动机最低需求转速，发动机最低需求速度由先导压力决定。

下面换种方式解释发动机最低需求转速与先导压力之间的关系：

图5为汽车起重机先导压力与通过主阀的液压油流量的试验拟合曲线图。由图5得知，先导压力Pi是关于主阀流量的分段函数。主阀流量即负载所需流量Q_L。实验结果表明，当先导压力小于等于0.8MPa时，主阀流量为一个较小的恒定值；先导压力在0.8～3.2MPa之间时，先导压力与主阀流量呈线性关系；先导压力大于等于3.2MPa时，主阀流量为一个较大的恒定值。该试验拟合曲线通过分段函数式编入控制装置的计算单元中。

简单来说：

Q_L＝f₃(P_i)

本发明工程机械设备中应用的液压系统为定量泵系统，因此定量泵的转速为：

$n_s=\frac{Q_L}{V_S}$

故，

n_s＝f₄(Q_L)

而对于动力源-定量泵的传动过程来说，动力源的最低转速与定量泵的转速之间满足：

n_e＝K₂n_s

动力源的转速大于等于定量泵的转速，因此，K₂大于等于1。

综上，

n_e＝f₆(P_i)

(二)确定动力源的匹配转速

(1)动力源的输出扭矩与转速之间的关系：

请一并结合图5，以QY25V汽车起重机的发动机为例，在发动机的万有特性图中，横坐标代表发动机的转速，纵坐标代表发动机的有效输出扭矩，图上画出一些等油耗曲线，即形成发动机的万有特性曲线图。

发动机的转速、输出扭矩及燃油消耗率存在以下关系：

g＝f(n,M)

其中：

g—发动机比油耗

n—发动机转速

M—发动机输出扭矩

在万有特性图中，最内层的等油耗曲线是最经济的区域，燃油消耗率最低；曲线愈向外，经济性愈差，从中就很容易找出不同负载压力(发动机输出扭矩)下最经济的转速。

图6为与图5对应的发动机经济曲线。当输出扭矩确定，则从该发动机经济曲线图中就能找出与该输出扭矩对应的最经济的转速值。

(2)确定动力源扭矩

因动力源转速等于定量泵转速，故，动力源需求输出扭矩为：

M_e＝P_SV_S＝(P_L+ΔP_LS)V_S

ΔP_LS为较小的定值，因此，可认为P_L≈P_S，则：

M_e＝P_LV_S

由于V_S为定值，因而动力源需求输出扭矩仅与负载压力有关；换句话说，在负载压力一定的情况下，动力源的需求输出扭矩唯一。

(3)根据最低转速和经济转速确定动力源匹配转速

请进一步参照图6，发动机输出扭矩为600N-m(牛-米)时，经济转速为n₀。当利用公式⑦计算得到小于经济转速n₀的最低转速n₁，则意味着当发动机的转速大于或等于最低转速n₁时能够满足负载需求流量，但最低转速n₁的油耗高于经济转速n₀的油耗，因此选择经济转速为匹配转速。当利用公式⑦计算得到大于经济转速n₀的最低转速n₂，则意味着当发动机的转速大于或等于最低转速n₂时才能够满足负载需求流量，此时，若选用经济转速n₀则发动机不能带动负载工作，因此选择最低转速n₂为匹配转速。

综上，当使用手柄进行操作时，手柄操作所带来的先导压力对应的发动机需求转速小于等于相应的发动机经济转速时，选择发动机经济转速为最佳转速，以满足节省燃油消耗目标；当手柄操作所带来的先导压力对应的发动机需求转速大于相应的发动机经济转速时，选择需求转速为发动机的最佳转速。

值得注意的是，每台发动机都有一个转速范围，通过公式⑨计算得到的最低转速不能大于发动机自身转速范围的最大值。

本发明进一步提供一种工程机械设备的控制方法，工程机械设备与前述控制系统实施例中应用的工程设备相同，不再赘述。请一并参照图7，该控制方法的第一实施例包括：

步骤S11，检测执行机构的负载状态。

当负载被加载至工程机械设备后，执行机构的负载状态确定。具体来说，利用第一检测装置检测执行机构负载状态包括检测执行机构的吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力。

步骤S12，检测主阀的开度。

操控机构产生用于控制主阀开度的先导压力，第二检测装置检测该先导压力并将该先导压力反馈至控制装置的计算单元，控制装置的计算单元根据该先导压力确定主阀单元的开度。

值得注意的是，步骤S11和步骤S12并无先后顺后之分。

步骤S13，根据负载状态和主阀的开度计算动力源的匹配转速。

在本步骤中，首先根据该吊臂长度、变幅角度和变幅油缸压力计算执行机构的吊重和起重力矩并进而得到负载压力。

接下来，计算所述发动机的所需输出扭矩：M_e＝P_LV_S，其中，Me代表发动机的所需输出扭矩，P_L代表负载压力，V_S代表所述定量泵的每转排量。

得到所述输出扭矩之后，根据所述发动机的万有特性曲线得出所述所需输出扭矩对应的经济转速n₀。

计算所述发动机工作的最低转速：n_e＝f₆(P_i)；其中，n_e代表所述最低转速，Pi代表所述先导压力。

最后，选取所述经济转速n₀和所述最低转速n_e中较大的一个为所述匹配转速。

步骤S14，将动力源的转速调节至匹配转速。

具体来说，控制装置的计算单元将计算得到的匹配转速反馈至控制单元，控制单元通过CAN总线将动力源转速调节至匹配转速，从而实现半自动作业控制。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明工程机械设备的控制系统根据检测到的负载状态和主阀的开度计算出所需的动力源匹配转速并进一步将动力源的转速调节至该匹配转速，使得在动力源的带动下流经定量泵的液压油完全流经主阀并到达执行机构，保证动力源在工作状态中的任意时刻均保持较高的输出效率，从而降低工程机械设备的使用能耗。

以上所述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)

1.一种工程机械设备的控制系统，其特征在于，所述工程机械设备包括动力源、定量泵、主阀、操控机构以及执行机构，所述动力源以转动方式驱动所述定量泵输出液压油，所述液压油经所述主阀到达所述执行机构，以驱动所述执行机构，所述操控机构控制所述主阀的开度，以对所述液压油进行流量调节，所述控制系统包括第一检测装置、第二检测装置以及控制装置，所述第一检测装置用于检测所述执行机构的负载状态，所述第二检测装置用于检测所述主阀的所述开度，所述控制装置根据所述负载状态以及所述开度计算所述动力源的匹配转速，所述控制装置进一步将所述动力源调节至所述匹配转速。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述执行机构的负载状态包括吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述控制装置根据所述吊臂长度、所述变幅角度以及所述变幅油缸压力计算所述执行机构的吊重和起重力矩并进而得到负载压力，并根据所述负载压力和所述开度计算所述动力源的匹配转速。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述操控机构为手柄，所述手柄产生用于控制所述主阀的所述开度的先导压力，所述第二检测装置检测所述先导压力，所述控制装置根据所述先导压力确定所述开度。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述动力源是发动机；所述发动机的匹配转速的计算方式如下：

所述发动机的所需输出扭矩计算方式为：M_e＝P_LV_S，其中，M_e代表发动机的所需输出扭矩，P_L代表负载压力，V_S代表所述定量泵的每转排量；

根据所述发动机的万有特性曲线得出所述所需输出扭矩对应的经济转速n₀；

计算所述发动机工作的最低转速n_e，其中所述最低转速n_e由所 述先导压力决定；

所述经济转速n₀和所述最低转速n_e中较大的一个为所述匹配转速。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述先导压力是关于所述主阀的流量的分段函数。

7.一种工程机械设备的控制方法，其特征在于，所述工程机械设备包括动力源、定量泵、主阀、操控机构以及执行机构，所述动力源以转动方式驱动所述定量泵输出液压油，所述液压油经所述主阀到达所述执行机构，以驱动所述执行机构，所述操控机构控制所述主阀的开度，以对所述液压油进行流量调节，所述控制方法包括：

检测所述执行机构的负载状态；

检测所述主阀的所述开度；

根据所述负载状态和所述开度计算所述动力源的匹配转速；

调节所述动力源转速至所述匹配转速。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述检测所述执行机构的负载状态的步骤包括：

检测所述执行机构的吊臂长度、变幅角度以及变幅油缸压力。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述负载状态和所述开度计算所述动力源的匹配转速的步骤包括：

根据所述吊臂长度、所述变幅角度以及所述变幅油缸压力计算所述执行机构的吊重和起重力矩并进而得到负载压力；

根据所述负载压力和所述开度计算所述动力源的匹配转速。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，

所述检测所述主阀的所述开度的步骤进一步包括：

检测所述主阀的开度的先导压力；

所述根据所述负载状态和所述开度计算所述动力源的转速的步骤进一步包括：

计算所述发动机的所需输出扭矩：M_e＝P_LV_S，其中，M_e代表发动机的所需输出扭矩，P_L代表负载压力，V_S代表所述定量泵的每转 排量；

根据所述发动机的万有特性曲线得出所述所需输出扭矩对应的经济转速n₀；

计算所述发动机工作的最低转速n_e，其中所述最低转速n_e由所述先导压力决定；

选取所述经济转速n₀和所述最低转速n_e中较大的一个为所述匹配转速。