CN103064404B - 汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统，包括：仿真设备，模拟汽车起重机的动力传动系统，并产生输出信息；中央控制器，获取输出信息，应用输出信息计算发动机的匹配转速，进一步将仿真设备中的发动机转速调整至匹配转速；监控设备，显示输出信息和匹配转速，并且中央控制器的参数和算法通过监控设备进行修改。本发明具有节省成本、便于调试等优点。

Description

汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统

技术领域

本发明涉及工程机械设备，尤其是涉及一种汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统。

背景技术

随着全球环保意识的提高和石油资源的日益减少，世界各国的主要工程机械设备生产厂家均把电子节能及控制技术作为工程机械技术发展的主要方向。

应用于工程机械设备中的中央控制器较为复杂，使得中央控制器在开发中需要反复调试，才能最终实现预期的控制功能。但是在整体控制器的开发过程中，实车试验成本很高。而且，因为首次试验的中央控制器会有许多诸如软件、硬件方面的缺陷，如果直接将中央控制器组装于工程机械设备中，一方面不便于对中央控制器的初期调试，另一方面，控制器的严重缺陷还会导致工程机械设备的损坏或发生安全事故，造成不必要的损失。因此，一般情况下，不宜直接将中央控制器安装在工程机械设备中。

申请人针对定量泵液压系统做出功率匹配控制的研究并希望将之应用于汽车起重机中。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种经济、安全便于调试的汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统，包括：仿真设备，模拟汽车起重机的动力传动系统，并产生输出信息；汽车起重机的动力传动系统包括发动机、定量泵、主控制阀、液压油缸和/或液压马达，发动机驱动定量泵输出液压油，液压油经主控制阀到达液压油缸或液压马达，以带动负载；中央控制器，获取并应用输出信息计算发动机的匹配转速，进一步将仿真设备中的发动机转速调整至匹配转速；监控设备，显示输出信息和匹配转速，并且中央控制器的参数和算法通过监控设备进行修改；功率匹配控制仿真测试系统完成发动机、定量泵和负载三者功率匹配控制算法的测试。

其中，功率匹配仿真测试系统进一步包括仿真监测计算机，该仿真检测计算机显示仿真设备的输出信息，模拟动力传动系统的三维运动状态，并且通过仿真监测计算机修改仿真设备的应用程序。

其中，仿真设备包括动力传动模型和实时处理器，动力传动模型包括发动机万有特性模型、定量泵模型、主控制阀模型、液压油缸模型和/或液压马达模型，以及负载模型，实时处理器根据动力传动模型运算并产生输出信息。

其中，输出信息包括主控制阀的先导压力、发动机的扭矩和转速、液压油缸和/或液压马达的压力和流量。

其中，仿真设备进一步包括模拟量模块、数字量模块、高频信号模块和通讯模块，模拟量模块取得并输出主控制阀的先导压力、液压油缸和/或液压马达的压力；数字量模块取得并输出开关信号；高频信号模块取得并输出液压油缸和/或液压马达的流量；通讯模块取得并输出发动机的扭矩和转速；主控制阀的先导压力、液压油缸和/或液压马达的压力和流量以及开关信号通过IO信号线输出至中央控制器；发动机的扭矩和转速通过CAN总线输出至中央控制器。

其中，仿真设备进一步包括信号调理模块，模拟量模块、数字量模块和高频信号模块获取的输出信息通过信号处理模块校正后通过IO信号线输出至中央控制器。

其中，仿真设备进一步包括用于产生主控制阀的先导压力的操作机构。

其中，发动机万有特性模型、定量泵模型、主控制阀模型、液压油缸模型、液压马达模型和负载模型的应用程序由仿真监测计算机进行修改。

其中，仿真监测计算机输入控制主控制阀的开度的模拟量以控制主控制阀的先导压力。

其中，发动机的匹配转速的计算方式如下：根据发动机的万有特性曲线得出发动机的扭矩对应的经济转速n₀；发动机工作的最低转速为：n_e=f₆(P_i)；其中，n_e代表最低转速，P_i代表先导压力；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：区别于现有技术的情况，本发明汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统采用仿真设备模拟汽车起重机的动力传动系统，采用仿真监测计算机模拟动力传动系统的三维运动状态并修改仿真设备的应用程序，进而通过仿真测试系统完成发动机、定量泵和负载三者功率匹配控制算法的测试。与实车试验相比，既不会发生损坏工程机械设备的情形，亦不浪费能源，从而大大节省成本；而且在应用的过程中能及时修正中央控制器中的软、硬件缺陷，既便于对中央控制器进行调试，亦不会发生安全事故。

附图说明

图1是本发明汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统的结构示意图；

图2是图1所示仿真测试系统的模型框架图；

图3是先导压力与主阀流量的试验拟合曲线图；

图4是图1所示仿真测试系统中发动机的万有特性图；

图5是图4所示发动机的经济曲线图。

具体实施方式

请一并参阅图1和图2，本发明汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统包括仿真设备、仿真监测计算机、中央控制器和监控设备。

仿真设备模拟汽车起重机的动力传动系统，并产生输出信息。汽车起重机的动力传动系统包括发动机、定量泵、主控制阀、液压油缸和液压马达。发动机驱动定量泵输出液压油，液压油经主控制阀到达液压油缸或液压马达，以带动负载。

仿真设备具体包括汽车起重机的动力传动模型、实时处理器、模拟量IO（Input-Output，输入-输出）模块、数字量IO模块、高频信号模块、通讯模块和信号调理模块。

本发明中，仿真设备是采用dSPACE硬件平台的专用设备，动力传动模型由MATLAB/Simulink编写软件创建。dSPACE硬件平台中的处理器具有高速的计算能力，实时性好，可靠性高，并配备了丰富的接口。MATLAB/Simulink编写软件具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点。

动力传动模型具体包括发动机模型、定量泵模型、主控制阀模型、液压油缸和/或液压马达模型，以及负载模型。主控制阀模型、液压油缸和/或液压马达模型共同构成液压系统模型的主要组成部分。动力传动模型的建立后文将详细介绍。

实时处理器根据动力传动模型运算并产生输出信息。输出信息包括主控制阀的先导压力、发动机的扭矩和转速、液压油缸和/或液压马达的压力和流量。

具体来说，模拟量模块取得并输出主控制阀的先导压力以及液压油缸和/或液压马达的压力。数字量模块取得并输出开关信号。高频信号模块取得并输出液压油缸和/或液压马达的流量。通讯模块取得并输出发动机的扭矩和转速。

模拟量模块、数字量模块和高频信号模块与信号调理模块相连。且信号调理模块矫正模拟量模块、数字量模块和高频信号模块分别获得的输出信息后通过IO信号线输出至中央控制器。换句话说，主控制阀的先导压力、液压油缸和/或液压马达的压力和流量以及开关信号通过IO信号线输出至中央控制器。通讯模块通过CAN总线与中央控制器相连，将发动机的扭矩和转速输出至中央控制器。中央控制器根据主控制阀的先导压力和发动机的扭矩运算得出发动机的匹配转速，并将发动机的转速调整至匹配转速。中央控制器计算发动机的匹配转速的过程将在后文进行详细描述。

动力传动模型的具体设计方法如下：

1）发动机万有特性模型

利用发动机厂家提供的数据及一定的现场试验可获得发动机稳态输出扭矩与发动机转速的关系及发动机在各种转速下的燃油消耗率的关系，对各种数据进行分析处理，找出不同功率下的最佳工况点后，可得出发动机功率、扭矩、转速及燃油消耗率的数学关系，即发动机万有特性模型，如下式所示：

g_e=f(n_e,M_e)

其中，g_e--发动机比油耗

n_e--发动机转速

M_e--发动机输出扭矩

本发明具体的发动机发有特性模型的具体计算公式如下：

g_e=141.2+0.007152*n_e-0.2107*M_e-(9.997e-6)*n_e*M_e+0.0002368*M_e ²

2）液压系统模型

液压系统建模主要是对动力传动系统的定量泵、主控制阀、液压油缸及液压马达等进行建模，通过分析各部件的主要物理特性及物理规律，然后在MATLAB/Simulink软件中采用功率流的方法来进行建模，下面对一些主要部件的规律及方程进行说明。

2.1定量泵模型

定量泵模型与发动机模型之间的关系：ω_p=2πn_e

基于定量泵工作原理对定量泵进行建模，计算如下：

q_p=D_p·ω_p-k_p·p_p

$M_p=\frac{D_p\·p_p}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ml}}}$

p_p＝p_m-p_n

其中，q_p-定量泵输出流量

D_p-定量泵每弧度输出排量

ω_p—定量泵旋转角速度

k_p—定量泵泄露系数

M_p—定量泵输入力矩

η_m1—定量泵机械效率

p_p—定量泵进出口压差

p_m,p_n—定量泵出口及进口测量压力

2.2主控制阀模型

主控制阀的流量小于等于定量泵的流量。

主控制阀模型主要是模拟流量与压力之间的关系，计算如下：

$q_v=x_v{C}_D{b}_v\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\ρ}}(p_s-\mathrm{abs}(p_x-p_y))}\mathrm{sign}(p_x-p_y)$

其中，q_v-阀通过流量

x_v—主控制阀阀芯位移

b_v—主控制阀节流孔宽度

C_D—节流孔流量系数

ρ—液压油密度

C_D-供油压力

Px—主控制阀流至液压油缸或液压马达的油液压力

Py—液压油缸或液压马达流回主控制阀的油液压力

2.3液压油缸模型

液压油缸的流量取决于主控制阀的流量。

在液压油缸模型建模过程中，摩擦、活塞惯性并入负载部分考虑，计算如下：

F=A_Ap_A-A_Bp_B

q_A=A_Av

q_B=A_Bv

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=v$

其中，F-液压缸输出力

v-液压缸活塞运动速度

A_A—无杆腔有效截面积

A_B—有杆腔有效截面积

p_A—无杆腔油液压力

p_B—有杆腔油液压力

q_A—无杆腔油液流量

q_B—有杆腔油液流量

x—活塞运动位移

2.4液压马达模型

液压马达的流量亦取决于主控制阀的流量。

液压马达模型与定量泵模型基本类似，计算如下：

q_m=D_m·ω_m+k_m·p_m

M_m=D_m·p_m·η_m2

p_m＝p_c-p_d

其中，q_m—液压马达流量

D_m—液压马达每弧度排量

ω_m—液压马达旋转角速度

k_m—液压马达泄露系数

M_m—液压马达输出力矩

η_m2-液压马达机械效率

p_m-液压马达进出口压差

p_c,p_d-液压马达进口及出口测量压力

3）负载模型

建立简化的弹性阻尼负载模型，计算如下：

对于平动负载：F=-k(x-x₀)-bv

对于转动负载：M_m=-k(θ-θ₀)-bω_m

其中，F-负载驱动力

M_m-负载驱动力矩，亦即液压马达输出力矩

k-弹簧弹性系数

b-阻尼系数

v—负载平动线速度

x—负载平动位移

x₀—负载平动初始位置

ω_m—负载转动角速度，亦即液压马达旋转角速度

θ—负载转动角位移

θ₀—负载转动初始位置

动力传动模型除需建立前述包括负载模型在内5个模型外，还需针对减压阀、溢流阀、平衡阀等液压元件进行建模，这些液压元件的建模可利用MATLAB/Simulink软件自带的模型进行建模，本说明书中不做详细描述。

仿真监测计算机通过数据交换卡和无线网络与仿真设备连接。仿真监测计算机获取并显示仿真设备的输出信息以供使用者实时监测，建造动力传动系统的三维模型并模拟动力传动系统的三维运动状态。进一步地，仿真监测计算机根据获取的液压油缸和/或液压马达的压力和流量对仿真设备中的发动机模型、定量泵模型、主控制阀模型、液压油缸和/或液压马达模型，以及负载模型的应用程序进行修改，修正仿真过程中的漏洞和缺失，使仿真过程更加精确。

仿真设备进行仿真实验时，需要对主控制阀输入多个先导压力进行实验和验证。先导压力的产生方式主要有两种。一种通过仿真设备直接进行输入，即仿真设备进一步包括操作机构，在仿真设备处于工作模式时，使用者手持操作机构即可产生先导压力，使仿真测试系统进行自动测试。除此之外，在仿真设备处于工作模式时，还可以通过仿真监测计算机输入控制主阀开度的模拟量以模拟操作机构从而产生先导压力。当然，上述两种产生先导压力的方式亦可以同时存在。

中央控制器获取仿真设备的输出信息，应用该输出信息计算发动机的匹配转速，并进一步将仿真设备中的发动机调整至匹配转速。

中央控制器计算发动机的匹配转速过程如下：

（一）计算发动机的最低转速：

（1）本发明控制系统中，发动机、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－发动机转速

M_e－发动机输出扭矩

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）液压油缸/或液压马达所需流量与其对应的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，分别代表不同的液压油缸或液压马达

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－各主阀单元开度

Q_i－各液压油缸/液压马达所需流量

C_i、ΔP₀是常量，因此：

Q_i=K₁A_i  ②

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

（3）先导压力与各液压油缸/液压马达的主阀单元开度之间满足：

A_i=f₁(P_i)   ③

（4）由公式②和公式③得出：

Q_i=f₂(P_i) ④

一般情况下，从操作机构位移、先导压力、主阀单元开度到各液压油缸/液压马达所需流量、负载运行速度为一线性关系，则公式④亦可表达为：

Q_i=K_iP_i

其中，K_i代表各主阀单元系数，通过实验方法测量得到。

负载所需流量为各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）定量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单元后的损耗压力，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：

n₁=K₂n_s⑦

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：

n₁=f₅(Q_L)⑧

结合公式⑤和⑧得出：

n₁=f₆(P_i)⑨

因而，在控制过程中，该通过公式⑨计算得到的n₁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3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3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：

n₁=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，

n₁=f₆(P_i)

（二）确定发动机的匹配转速

（1）发动机的输出扭矩与转速之间的关系：

请一并结合图4，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5为与图4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）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5，发动机输出扭矩为600N-m（牛-米）时，经济转速为n₂。当利用公式⑦计算得到小于经济转速n₂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n₂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n₂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时才能够满足负载需求流量，此时，若选用经济转速n₂则发动机不能带动负载工作，因此选择最低转速n₁为匹配转速。当经济转速n₂与最低转速n₁相等，匹配转速等于经济转速n₂同时亦等于最低转速n₁。

综上，匹配转速n为：若n₁>n₂，则n=n₁；若n₁<n₂，则n=n₂；若n₁=n₂，则n=n₁=n₂。

值得注意的是，每台发动机都有一个转速范围，通过公式⑦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。

监控设备，显示仿真设备的输出信息以及中央控制器计算得出的匹配转速。中央控制器中录入的参数和算法亦可以通过监控设备进行修正。

通过上述方式，汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统完成发动机、定量泵和负载三者功率匹配控制算法的测试。

与现有技术相比，本发明汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统采用仿真设备模拟汽车起重机的动力传动系统，采用仿真监测计算机显示仿真设备的三维运动状态并修改仿真设备的应用程序，进而通过仿真测试系统完成发动机、定量泵和负载三者功率匹配控制算法的测试。与实车试验相比既不会发生损坏工程机械设备的情形，亦不浪费能源，从而大大节省成本；而且在应用的过程中能及时修正中央控制器中的软、硬件缺陷，既便于对中央控制器进行调试，亦不会发生安全事故。

以上所述仅为本发明的实施方式，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)

1.一种汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述功率匹配控制仿真测试系统包括：

仿真设备，模拟汽车起重机的动力传动系统，并产生输出信息；所述汽车起重机的动力传动系统包括发动机、定量泵、主控制阀、液压油缸和/或液压马达，所述发动机驱动所述定量泵输出液压油，所述液压油经所述主控制阀到达所述液压油缸或所述液压马达，以带动负载；

中央控制器，获取并应用所述输出信息计算所述发动机的匹配转速，进一步将所述仿真设备中的发动机转速调整至所述匹配转速；

监控设备，显示所述输出信息和所述匹配转速，并且所述中央控制器的参数和算法通过所述监控设备进行修改。

2.根据权利要求1所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述功率匹配仿真测试系统进一步包括仿真监测计算机，所述仿真检测计算机显示所述仿真设备的所述输出信息，模拟所述动力传动系统的三维运动状态，并且通过所述仿真监测计算机修改所述仿真设备的应用程序。

3.根据权利要求2所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述仿真设备包括动力传动模型和实时处理器，所述动力传动模型包括发动机万有特性模型、定量泵模型、主控制阀模型、液压油缸模型和/或液压马达模型，以及负载模型，所述实时处理器根据所述动力传动模型运算并产生输出信息。

4.根据权利要求3所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述输出信息包括所述主控制阀的先导压力、所述发动机的扭矩和转速、所述液压油缸和/或所述液压马达的压力和流量。

5.根据权利要求4所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述仿真设备进一步包括模拟量模块、数字量模块、高频信号模块和通讯模块，所述模拟量模块取得并输出所述主控制阀的先导压力、所述液压油缸和/或所述液压马达的压力；所述数字量模块取得并输出开关信号；所述高频信号模块取得并输出所述液压油缸和/或所述液压马达的流量；所述通讯模块取得并输出所述发动机的扭矩和转速；所述主控制阀的先导压力、所述液压油缸和/或液压马达的压力和流量以及所述开关信号通过IO信号线输出至所述中央控制器；所述发动机的扭矩和转速通过CAN总线输出至所述中央控制器。

6.根据权利要求5所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述仿真设备进一步包括信号调理模块，所述模拟量模块、所述数字量模块和所述高频信号模块获取的所述输出信息通过所述信号处理模块校正后通过所述IO信号线输出至所述中央控制器。

7.根据权利要求3所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述仿真设备进一步包括用于产生所述主控制阀的先导压力的操作机构。

8.根据权利要求3所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述发动机万有特性模型、所述定量泵模型、所述主控制阀模型、所述液压油缸模型、所述液压马达模型和所述负载模型的应用程序由仿真监测计算机进行修改。

9.根据权利要求3所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述仿真监测计算机输入控制所述主控制阀的开度的模拟量以控制所述主控制阀的先导压力。

10.根据权利要求4所述的功率匹配控制仿真测试系统，其特征在于，所述发动机的匹配转速的计算方式如下：

根据所述发动机的万有特性曲线得出所述发动机的扭矩对应的经济转速n₀；

计算所述发动机工作的最低转速n₁，其中所述最低转速n₁由所述先导压力决定；

所述经济转速n₀和所述最低转速n₁中较大的一个为所述匹配转速。