CN103362666B - 功率匹配控制设备、方法、系统以及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率匹配控制设备、方法、系统以及包含该系统的工程机械，所述功率匹配控制设备包括：接收装置，用于接收发动机负荷率，该发动机驱动液压泵工作；以及控制装置，用于根据所述发动机负荷率，调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量，以使得所述发动机负荷率位于该发动机的下限允许负荷率与上限允许负荷率之间。通过上述技术方案，由于负荷率可全面的反映出发动机的负载变化，因此根据负荷率进行功率匹配控制可更为准确地使发动机的负荷率处于下限允许负荷率与上限允许负荷率之间，提高了发动机的效率及稳定性。

Description

功率匹配控制设备、方法、系统以及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种功率匹配控制设备、方法、系统以及包含该系统的工程机械。

背景技术

现有技术中，工程机械都是通过液压泵吸收发动机的输出功率，提供给液压系统作业。工程机械的功率控制都是基于底盘发动机的转速-功率特性数据设定多种转速，即工作档位，输出不同功率，以满足不同工况需求。然而在现场，工作档位是由机手选择的，而负载是千差万别的，不可避免会出现输出功率不能很好匹配负载的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率匹配控制设备、方法、系统以及包含该系统的工程机械。

为了实现上述目的，本发明提供一种功率匹配控制设备，该设备包括：接收装置，用于接收发动机负荷率，该发动机驱动液压泵工作；以及控制装置，用于根据所述发动机负荷率，调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量，以使得所述发动机负荷率位于该发动机的下限允许负荷率与上限允许负荷率之间。

相应的，本发明还提供一种功率匹配控制方法，该方法包括：接收发动机负荷率，该发动机驱动液压泵工作；以及根据所述发动机负荷率，调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量，以使得所述发动机负荷率位于该发动机的下限允许负荷率与上限允许负荷率之间。

相应的，本发明还提供一种功率匹配系统，该系统包括：发动机；液压泵；油门机构，用于调节所述发动机的转速；排量阀，用于调节所述液压泵的排量；以及上述功率匹配控制设备。

相应的，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包含上述功率匹配系统。

通过上述技术方案，由于负荷率可全面的反映出发动机的负载变化，因此根据负荷率进行功率匹配控制可更为准确地使发动机的负荷率处于下限允许负荷率与上限允许负荷率之间，提高了发动机的效率及稳定性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的功率匹配系统的结构示意图；

图2为本发明提供的功率匹配控制方法流程图；

图3为发动机转速调节流程图；以及

图4为液压泵排量调节流程图。

附图标记说明

10接收装置20控制装置

30发动机31油门机构

40液压泵41排量阀

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在对本发明的技术方案进行介绍之前，首先对本发明基于的理念进行介绍。

发动机的负荷率指发动机在某一转速的输出扭矩与其在该转速下的额定扭矩之比，其亦可被表示为发动机在某一转速下的负载吸收功率与该转速下的额定功率之比，具体推导过程如下：

在工程机械动力传递过程中，发动机的输出扭矩M_e大致等于液压泵的吸收扭矩M_b，函数表达式为：

M_e=f₁(M_b)(0.1)

液压泵的吸收扭矩M_b与工作负载压力P及液压泵泵排量r之间的函数表达式为：

M_b=f₂(P,r)(0.2)

发动机的输出功率P_e与发动机的输出扭矩M_e及发动机转速n_e之间的函数关系表达式为：

P_e=f₃(M_e×n_e)=f₃[f₁(M_b),n_e](0.3)

=f₃{f₁[f₂(P,r)],n_e}=f(P,r,n_e)

因为f₃()为一次过原点函数，所以发动机在转速n_e下的输出功率P_en与额定功率P_eN的比值即为发动机在转速n_e下的输出扭矩M_en与额定扭矩M_eN的比值，亦即反映了负荷率而得出以下公式：

其中，所述发动机在转速n_e下的输出功率P_en与额定功率P_eN可以通过底盘总线获取，从而可根据该输出功率P_en与额定功率P_eN计算出发动机的负荷率。

负荷率可全面反映出发动机的负载变化（包含了工程机械中的主液压系统及其他配套功耗系统），本发明则是基于该负荷率进行控制，以实现发动机与液压泵之间的功率匹配。从节能减排角度来说，要尽量使负载吸收功率尽可能等于发动机输出功率，尽量减少空闲功率的浪费；从发动机的稳定性来说，也要尽量使底盘不要达到最大允许负荷率，避免发动机冒黑烟甚至熄火，减少对发动机的损害。所以功率匹配控制目标是使发动机工作在最佳的经济转速，输出功率完全匹配负载，又允许负载一定范围的波动。

图1为本发明提供的功率匹配控制系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种功率匹配控制系统，该系统包括：发动机30及控制该31油门的油门机构、液压泵40及控制该液压泵排量的排量阀41、以及功率匹配控制设备，该设备包括：接收装置10，用于接收发动机负荷率，该发动机驱动液压泵工作；以及控制装置20，用于根据所述发动机负荷率，调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量，以使得所述发动机负荷率位于该发动机的下限允许负荷率与上限允许负荷率之间。负荷率可全面的反映出发动机30的负载变化，因此根据负荷率进行功率匹配控制可更为准确地使发动机30的负荷率处于下限允许负荷率与上限允许负荷率之间，提高了发动机30的效率及稳定性。

图2为本发明提供的功率匹配控制方法流程图。如图2所示，所述控制装置20用于执行以下操作至少一者：在所述发动机负荷率大于所述上限允许负荷率的情况下，以上限允许负荷率为目标负荷率，调节所述发动机30的目标转速（但该目标转速不大于发动机的最高允许转速）；在所述发动机负荷率小于或等于所述上限允许负荷率且大于经济负荷率的情况下，以该经济负荷率为目标负荷率，调节所述液压泵40的排量；以及在所述发动机负荷率小于所述下限允许负荷率且持续时间超过预定时间段的情况下，以下限允许负荷率为目标负荷率，调节所述发动机30的目标转速（但该目标转速不小于发动机的最低允许转速）。藉此，可控制负荷率在所述经济负荷率周围波动，提高了发动机30的效率及稳定性。上述对发动机转速及液压泵排量的调节均可采用PID算法进行。

其中，所述经济负荷率指发动机油耗最低的负荷率，它由发动机本身的特性决定的，不同发动机会有所不同，一般为80%-90%中的某一值。所述上下限允许负荷率亦是根据发动机的特性来定的，例如该上下限允许负荷率所构成的负荷率区间可为75%-95%。当发动机负荷率超过上限值时，发动机会出现掉速，这时候调节排量不足以满足负载的变化，所以需要增加发动机的目标转速来提高发动机的输出功率，使负荷率回到上限允许负荷率，之后再经由以经济负荷率为目标负荷率的调节而使所述负荷率回到所述经济负荷率附近。如果发动机的负荷率不超过上下限允许负荷率所构成的负荷率区间，则说明功率匹配性很好，已进入恒功率区，只需以经济负荷率为目标值，对液压泵的排量进行调节即可。如果负荷率在一预定时间段期间均小于下限允许负荷率，则说明发动机输出功率偏高，出现功率浪费，这就需要减小发动机目标转速（例如，可根据负荷率来减小发动机目标转速），以使得发动机负荷率回到下限允许负荷率，之后再经由以经济负荷率为目标负荷率的调节而使所述负荷率回到所述经济负荷率附近。

需要说明的是，在负荷率在一预定时间段期间均小于下限允许负荷率时进行的调节不能过快、过大，可采用目标转速微调（该微调是相较于所述在所述发动机负荷率大于所述上限允许负荷率的情况进行发动机目标转速的调整而言的，因为在所述发动机负荷率大于所述上限允许负荷率的情况下，很可能造成发动机熄火，所以需迅速调整）。

图3为发动机转速调节流程图。如图3所述，在确定好目标转速之后，控制装置20可通过控制油门机构31来调节发动机的转速，并根据实际转速的反馈来进行进一步调节，直至实际转速等于目标转速为止。在此亦可为控制装置20将发动机的目标转速发送至发动机的ECU，由发动机ECU通过控制油门机构来调节发动机的转速。

图4为液压泵排量调节流程图。控制装置20根据发动机的目标负荷率及所反馈的实际负荷率来输出一控制电流至排量阀41，从而调节液压泵40的排量。液压泵40的排量变化之后可影响发动机30的实际负荷率，该实际负荷率之后进一步被反馈至控制装置20，控制装置20继续根据目标负荷率及所反馈的实际负荷率进行下一循环的控制，直至目标负荷率与所反馈的实际负荷率相等为止。

所述以该经济负荷率为目标来调节所述液压泵的排量可满足以下公式：

$U\left(t\right)=K_P[E\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}E\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

其中，U(t)为所述控制装置20输出至所述排量阀的控制电流大小；K_P是比例调节参数；E(t)为所述发动机的目标负荷率与实际负荷率之差；T_I为积分时间常数；T_D为微分时间常数。

相应地，本发明还提供了一种功率匹配控制方法，该方法包括：接收发动机负荷率，该发动机驱动液压泵工作；以及根据所述发动机负荷率，调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量，以使得所述发动机负荷率位于该发动机的下限允许负荷率与上限允许负荷率之间。有关该方法的具体细节及益处与上述控制设备的相同，于此不再赘述。

相应地，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械包含上述功率匹配控制系统。

本发明的技术方案根据负荷率进行功率匹配控制，尽可能使发动机的负荷率在经济负荷率附近波动，可提高了发动机的效率及稳定性。该方案可很好匹配重载、中载、轻载工况模式，在重载下能以足够的输出功率驱动负载，在中载和轻载下也没有造成过多功率浪费。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种功率匹配控制设备，其特征在于，该设备包括：

接收装置，用于接收发动机负荷率，该发动机驱动液压泵工作；以及

控制装置，用于根据所述发动机负荷率，调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量，以使得所述发动机负荷率位于该发动机的下限允许负荷率与上限允许负荷率之间；

其中，所述控制装置用于执行以下操作至少一者：

在所述发动机负荷率大于所述上限允许负荷率的情况下，以上限允许负荷率为目标负荷率，调节所述发动机的目标转速；

在所述发动机负荷率小于或等于所述上限允许负荷率且大于经济负荷率的情况下，以该经济负荷率为目标负荷率，调节所述液压泵的排量；以及

在所述发动机负荷率小于所述下限允许负荷率且持续时间超过预定时间段的情况下，以下限允许负荷率为目标负荷率，调节所述发动机的目标转速。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述以该经济负荷率为目标来调节所述液压泵的排量满足以下公式：

$U\left(t\right)=K_P[E\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}E\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}]$

其中，U(t)为用于控制所述液压泵的排量的电流大小；K_P是比例调节参数；E(t)为所述发动机的目标负荷率与实际负荷率之差；T_I为积分时间常数；T_D为微分时间常数。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，相比于在所述发动机负荷率大于所述上限允许负荷率的情况下对所述发动机的目标转速的调整，在所述发动机负荷率小于所述下限允许负荷率且持续时间超过预定时间段的情况下对所述发动机的目标转速的调整属于微调。

4.一种功率匹配控制方法，其特征在于，该方法包括：

接收发动机负荷率，该发动机驱动液压泵工作；以及

根据所述发动机负荷率，调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量，以使得所述发动机负荷率位于该发动机的下限允许负荷率与上限允许负荷率之间；

其中，所述调节所述发动机的转速或所述液压泵的排量包括以下至少一者：

在所述发动机负荷率大于所述上限允许负荷率的情况下，以上限允许负荷率为目标负荷率，调节所述发动机的目标转速；

在所述发动机负荷率小于或等于所述上限允许负荷率且大于经济负荷率的情况下，以该经济负荷率为目标负荷率，调节所述液压泵的排量；以及

在所述发动机负荷率小于所述下限允许负荷率且持续时间超过预定时间段的情况下，以下限允许负荷率为目标负荷率，调节所述发动机的目标转速。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述以该经济负荷率为目标来调节所述液压泵的排量满足以下公式：

$U\left(t\right)=K_P[E\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}E\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}]$

其中，U(t)为用于控制所述液压泵的排量的电流大小；K_P是比例调节参数；E(t)为所述发动机的目标负荷率与实际负荷率之差；T_I为积分时间常数；T_D为微分时间常数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，相比于在所述发动机负荷率大于所述上限允许负荷率的情况下对所述发动机的目标转速的调整，在所述发动机负荷率小于所述下限允许负荷率且持续时间超过预定时间段的情况下对所述发动机的目标转速的调整属于微调。

7.一种功率匹配系统，该系统包括：

发动机；

液压泵；

油门机构，用于调节所述发动机的转速；

排量阀，用于调节所述液压泵的排量；以及

根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的功率匹配控制设备。

8.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包含根据权利要求7所述的功率匹配系统。