CN107042822A - 一种作业机械及其控制系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种作业机械发动机的控制系统与方法。本发明在原有发动机的基础上，增加一个电动机，使电动机可以工作在电动状态也可以工作在发电状态，在发动机速度偏差达到一定值时，进行助力承担负载，从而提高了发动机的响应速度。

Description

一种作业机械及其控制系统与方法
技术领域
本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种作业机械发动机的控制系统与方法。
背景技术
BSG(Belt Starter Generator)电机在怠速、启动等情况下可以提高燃油效率，因而达到节能的效果。但已有的电机控制方式，比如有一种发动机的控制方式是恒定转速控制，设定好工作转速后，系统的控制按照图1所示进行，当驾驶员的操作或者实际工况所组成的负载发生改变时，会导致发动机实际转速n_act偏离设定转速n_des，此时，PID控制器会根据转速差值调节发动机油门大小，这样的控制方式可用于工程机械，例如挖掘机、推土机、压路机等。
然而当发动机突然遇到较大负载时，转速会下降很大，超出设定值，由此导致发动机转速波动大，产生冒黑烟甚至产生熄火现象，呈现图2所示的实际发动机的转速波动情况。当匹配和标定不合理的时候，就会出现A点的情形，A点超出转速波动限值n_l imt，发动机会产生噪声、冒黑烟甚至熄火等现象。
发明内容
本发明的目的是：针对已有控制方式的不足，提供一种提高作业机械发动机动态响应的控制系统与方法，使作业机械发动机突然遇到较大负载波动时，发动机转速仍处于预定范围内波动，即将转速控制在合理范围内波动，从而减小工作过程的转速波动。
本发明在原有发动机的基础上，集成一个电动机，使电动机可以工作在电动状态也可以工作在发电状态，在发动机速度偏差达到一定值时，进行助力承担负载，从而提高了发动机的响应速度。
本发明的作业机械及其控制系统为：
一种作业机械的控制系统，包括控制模块，其特征在于，所述控制模块包括第一控制模块(PID_EN)、第二控制模块(PID_EM)、第三控制模块(PID_LD)、油门控制模块；
所述第一控制模块(PID_EN)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn得到第一油门控制量，
所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机的工作模式及电动机的扭矩大小，
所述第三控制模块(PID_LD)根据操作者的输入和/或实际负载得到第二油门控制量；
油门控制模块根据所述第一油门控制量和所述第二油门控制量的总和控制发动机的油门大小；
其中，所述电动机的工作模式包括辅助模式和发电模式；
所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机处于辅助模式时，蓄电器向电动机供给电力，使得电动机能够输出扭矩以承担一部分负载；当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式；
所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机处于发电模式时，蓄电器存储电动机发出的电力。
进一步，所述操作者的输入是与操作手柄动作幅度成比例的电压值或压力值；所述实际负载是描述负载大小的特征量；所述特征量是液压油缸或行走马达的压力。
进一步，所述第一控制模块(PID_EN)、第二控制模块(PID_EM)、第三控制模块(PID_LD)均采用PID控制策略。
一种作业机械，包括所述的作业机械的控制系统，还包括：
发动机，能输出转矩以提供动力；
电动机，可处于发电模式和辅助模式，其中辅助模式能输出转矩以提供动力；
耦合器，电动机的动力与发动机的动力通过耦合器相互传递，并使发动机和电动机的速比固定；
蓄电器，存储电动机发出的电力或向电动机供给电力；
所述控制系统控制电动机处于辅助模式时，电动机承担一部分负载；其输出转矩由耦合器传递给发动机，与发动机一起驱动负载；当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式；所述控制系统控制电动机处于发电模式时，发动机的输出转矩通过耦合器传递给电动机，驱动电动机旋转发电。
进一步，还包括操作手柄和检测负载压力的传感器；所述传感器检测的是液压油缸或行走马达的压力。
一种作业机械的控制方法：
根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn经PID控制算法得到第一油门控制量，
根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn经PID控制算法控制电动机的工作模式及电动机的扭矩大小，所述电动机的工作模式包括辅助模式和发电模式；
根据操作者的输入和/或实际负载经PID控制算法得到第二油门控制量；
根据第一油门控制量和第二油门控制量的总和控制发动机的油门大小。
进一步，电动机处于辅助模式时，蓄电器向电动机供给的电力，使得电动机能够输出扭矩以承担一部分负载；当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式。
进一步，电动机处于发电模式时蓄电器存储电动机发出的电力。
进一步，所述操作者的输入是与操作手柄动作幅度成比例的电压值或压力值；所述实际负载是描述负载大小的特征量。
进一步，所述描述负载大小的特征量是通过传感器得到的液压油缸或行走马达的压力。
通过上述控制系统和控制策略，设置第三控制模块PID_LD为前馈控制，用于在负载来临或者驾驶员操作机器时，先期对发动机进行控制，加快了发动机的响应速度；设置第二控制模块PID_EM作为电动机的反馈控制，充分利用电动机的响应速度极快的特点，在发动机速度偏差达到一定值时，通过电动机进行助力，补偿发动机响应慢的劣势，进一步加快了发动机的响应速度；特别强调的是，本发明的电动机处于助力辅助模式超过设定时间后，电动机关闭辅助模式以使功率补充变为零；直到再次激发电动机的助力辅助模式后，再重新计时，如此设置的电动机就是为了加快系统的响应速度，而不是作为主动力向负载提供动力。同时设置第一控制模块PID_EN，根据设定转速与实际转速的差值Δn调节发动机油门大小，根据设定转速与实际转速的差值Δn调节发动机转速；油门控制模块将第一控制模块PID_EN与第三控制模块PID_LD的输出之和用于控制发动机的油门大小，综合了第一控制模块和第二控制模块的优点，显著提高了发动机的响应速度，采用这样的控制策略对发动机进行速度控制，达到了图3所示的理想的发动机转速变化曲线，解决了现有技术中队发动机控制的不足，解决了现有作业机械的发动机掉速大，超调大的缺点，显著提高了发动机的动态响应水平。
附图说明
图1是现有发动机恒定转速控制系统的示意图；
图2是现有发动机在实际工作中的转速波动情况；
图3本发明发动机实际工作中的转速波动情况；
图4本发明的动力系统示意图；
图5本发明的发动机控制系统。
具体实施方式
如图4所示，本发明在原有发动机的基础上，增加一个电动机，电动机的动力与发动机的动力通过耦合器相互传递，发动机和电动机的速比固定，电动机的输出转矩由耦合器传递给发动机，与发动机一起驱动负载；发动机的输出转矩也可以通过耦合器传递给电动机，驱动电动机旋转；这样的布置，使电动机可以工作在电动状态也可以工作在发电状态，并且电动机的电能与电池连接，根据发电或电动状态不同，电池选择性地进行充放电。具体而言，本发明的技术方案为：
一种作业机械，包括作业机械的控制系统，还包括：
发动机，能输出转矩以提供动力；
电动机，可处于发电模式和辅助模式，其中辅助模式能输出转矩以提供动力；
耦合器，电动机的动力与发动机的动力通过耦合器相互传递，并使发动机和电动机的速比固定；
蓄电器，存储电动机发出的电力或向电动机供给电力；
所述控制系统控制电动机处于辅助模式时，电动机承担一部分负载；其输出转矩由耦合器传递给发动机，与发动机一起驱动负载；当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式；所述控制系统控制电动机处于发电模式时，发动机的输出转矩通过耦合器传递给电动机，驱动电动机旋转发电。
具体的，总成控制器根据操作手柄的控制量和/或实际工况、发动机实际转速和发动机设定转速的差值对发动机的速度进行控制。其中，操作手柄的控制量为驾驶员通过先导手柄操纵产生的与先导手柄动作幅度成比例的电压值或者是压力值；实际工况是指为描述负载大小的特征量，可以是工作装置的压力，如液压油缸或者行走马达的压力。
具体的，电机控制器根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn对电动机的工作模式进行控制，实际上，电机控制器根据Δn调节电动机的进行辅助动作，从而实现电动机的助力功能，使电动机承担一部分负载，提高了发动机的动态响应水平。
蓄电器是电池，与电动机电连接，根据电动机进行发电动作或辅助动作，选择性地对电池进行充电或放电。
控制策略框图如图5所示；
所述控制模块包括第一控制模块(PID_EN)、第二控制模块(PID_EM)、第三控制模块(PID_LD)、油门控制模块；
第一控制模块PID_EN：根据设定转速与实际转速的差值Δn调节发动机油门大小；
第二控制模块PID_EM：PID_EM的输入为设定转速与实际转速的差值Δn，输出为电动机的扭矩需求，即根据Δn调节电动机的处于辅助动作模式或发电动作模式，从而可以实现电动机的助力功能。通过第二控制模块PID_EM控制电动机承担一部分负载，实现了发动机动态响应的提高；
第三控制模块PID_LD：PID_LD的输入为驾驶员操作和/或实际工况。当驾驶员通过先导手柄操纵，其输入为与先导手柄动作幅度成比例的电压值或者是压力值；对于实际工况的输入为描述负载大小的特征量，可以是工作装置的压力，如液压油缸或者行走马达的压力。PID_LD的输出为发动机的油门大小。即PID_LD根据驾驶员操作和/或实际工况控制发动机的油门大小。
油门控制模块：第一控制模块PID_EN与第三控制模块PID_LD的输出之和用于控制发动机的油门大小。
第一、第二、第三控制模块均采用PID控制策略。
具体而言，本发明的实施方式为：
一种作业机械的控制系统，包括控制模块，其特征在于，所述控制模块包括第一控制模块(PID_EN)、第二控制模块(PID_EM)、第三控制模块(PID_LD)、油门控制模块；
所述第一控制模块(PID_EN)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn得到第一油门控制量，所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机的工作模式及电动机的扭矩大小，所述第三控制模块(PID_LD)根据操作者的输入和/或实际负载得到第二油门控制量；油门控制模块，根据所述第一油门控制量和所述第二油门控制量的总和控制发动机的油门大小；其中，所述电动机的工作模式包括辅助模式和发电模式；所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机处于辅助模式时，蓄电器向电动机供给电力，使得电动机能够输出扭矩以承担一部分负载，当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式；所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机处于发电模式时，蓄电器存储电动机发出的电力。
优选的，所述操作者的输入是与操作手柄动作幅度成比例的电压值或压力值；所述实际负载是描述负载大小的特征量；所述特征量是液压油缸或行走马达的压力。
优选的，所述第一控制模块(PID_EN)、第二控制模块(PID_EM)、第三控制模块(PID_LD)均采用PID控制策略。
一种作业机械，包括所述的作业机械的控制系统，还包括：发动机，能输出转矩以提供动力；电动机，可处于发电模式和辅助模式，其中辅助模式能输出转矩以提供动力；耦合器，电动机的动力与发动机的动力通过耦合器相互传递，并使发动机和电动机的速比固定；蓄电器，存储电动机发出的电力或向电动机供给电力；所述控制系统控制电动机处于辅助模式时，电动机承担一部分负载，其输出转矩由耦合器传递给发动机，与发动机一起驱动负载，当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式；所述控制系统控制电动机处于发电模式时，发动机的输出转矩通过耦合器传递给电动机，驱动电动机旋转发电。
优选的，还包括操作手柄和检测负载压力的传感器；所述传感器检测的是液压油缸或行走马达的压力。
一种作业机械的控制方法，根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn经PID控制算法得到第一油门控制量，根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn经PID控制算法控制电动机的工作模式及扭矩大小，所述电动机的工作模式包括辅助模式和发电模式；根据操作者的输入和/或实际负载经PID控制算法得到第二油门控制量；根据第一油门控制量和第二油门控制量的总和控制发动机的油门大小。
优选的，电动机处于辅助模式时，蓄电器向电动机供给的电力，使得电动机能够输出扭矩以承担一部分负载，当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式。
优选的，电动机处于发电模式时蓄电器存储电动机发出的电力。
优选的，所述操作者的输入是与操作手柄动作幅度成比例的电压值或压力值；所述实际负载是描述负载大小的特征量。
优选的，所述描述负载大小的特征量是通过传感器得到的液压油缸或行走马达的压力。
通过上述控制系统和控制策略，设置第三控制模块PID_LD为前馈控制，用于在负载来临或者驾驶员操作机器时，先期对发动机进行控制，加快了发动机的响应速度；设置第二控制模块PID_EM作为电动机的反馈控制，充分利用电动机的响应速度极快的特点，在发动机速度偏差达到一定值时，通过电动机进行助力，补偿发动机响应慢的劣势，进一步加快了发动机的响应速度；本发明的电动机处于助力辅助模式超过设定时间后，电动机关闭辅助模式以使功率补充变为零；直到再次激发电动机的助力辅助模式后，再重新计时，如此设置的电动机就是为了加快系统的响应速度，而不是作为主动力向负载提供动力；同时设置第一控制模块PID_EN，根据设定转速与实际转速的差值Δn调节发动机油门大小，根据设定转速与实际转速的差值Δn调节发动机转速；油门控制模块将第一控制模块PID_EN与第三控制模块PID_LD的输出之和用于控制发动机的油门大小，综合了第一控制模块和第二控制模块的优点，显著提高了发动机的响应速度，采用这样的控制策略对发动机进行速度控制，达到了图3所示的理想的发动机转速变化曲线，解决了现有技术中队发动机控制的不足，解决了现有作业机械的发动机掉速大，超调大的缺点，显著提高了发动机的动态响应水平。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种作业机械的控制系统，包括控制模块，其特征在于，所述控制模块包括第一控制模块(PID_EN)、第二控制模块(PID_EM)、第三控制模块(PID_LD)、油门控制模块；
所述第一控制模块(PID_EN)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn得到第一油门控制量，
所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机的工作模式及电动机的扭矩大小，
所述第三控制模块(PID_LD)根据操作者的输入和/或实际负载得到第二油门控制量；
所述油门控制模块根据所述第一油门控制量和所述第二油门控制量的总和控制发动机的油门大小；
其中，所述电动机的工作模式包括辅助模式和发电模式；
所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机处于辅助模式时，蓄电器向电动机供给电力，使得电动机能够输出扭矩以承担一部分负载；当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式；
所述第二控制模块(PID_EM)根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn控制电动机处于发电模式时，蓄电器存储电动机发出的电力。
2.根据权利要求1所述的作业机械的控制系统，其特征在于，所述操作者的输入是与操作手柄动作幅度成比例的电压值或压力值；所述实际负载是描述负载大小的特征量；所述特征量是液压油缸或行走马达的压力。
3.根据权利要求1所述的作业机械的控制系统，其特征在于，所述第一控制模块(PID_EN)、第二控制模块(PID_EM)、第三控制模块(PID_LD)均采用PID控制策略。
4.一种作业机械，包括权利要求1-3任一项权利要求所述的作业机械的控制系统，还包括：
发动机，能输出转矩以提供动力；
电动机，可处于发电模式和辅助模式，其中辅助模式能输出转矩以提供动力；
耦合器，电动机的动力与发动机的动力通过耦合器相互传递，并使发动机和电动机的速比固定；
蓄电器，存储电动机发出的电力或向电动机供给电力；
所述控制系统控制电动机处于辅助模式时，电动机承担一部分负载，其输出转矩由耦合器传递给发动机，与发动机一起驱动负载；当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式；所述控制系统控制电动机处于发电模式时，发动机的输出转矩通过耦合器传递给电动机，驱动电动机旋转发电。
5.根据权利要求4所述的作业机械，其特征在于，还包括操作手柄和检测负载压力的传感器；所述传感器检测的是液压油缸或行走马达的压力。
6.一种作业机械的控制方法，其特征在于，
根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn经PID控制算法得到第一油门控制量，
根据发动机设定转速与实际转速的差值Δn经PID控制算法控制电动机的工作模式及电动机的扭矩大小，所述电动机的工作模式包括辅助模式和发电模式；
根据操作者的输入和/或实际负载经PID控制算法得到第二油门控制量；
根据第一油门控制量和第二油门控制量的总和控制发动机的油门大小。
7.根据权利要求6所述的作业机械的控制方法，其特征在于，电动机处于辅助模式时，蓄电器向电动机供给的电力，使得电动机能够输出扭矩以承担一部分负载；并且，当电动机处于辅助模式的运行时间达到设定时间后，关闭所述辅助模式。
8.根据权利要求7所述的作业机械的控制方法，其特征在于，电动机处于发电模式时蓄电器存储电动机发出的电力。
9.根据权利要求6所述的作业机械的控制方法，其特征在于，所述操作者的输入是与操作手柄动作幅度成比例的电压值或压力值；所述实际负载是描述负载大小的特征量。
10.根据权利要求9所述的作业机械的控制方法，其特征在于，所述描述负载大小的特征量是通过传感器得到的液压油缸或行走马达的压力。
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