CN108069348A - 正面吊大臂自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了的正面吊大臂自适应控制系统，包括液压动力泵、节流阀、压力传感器、大臂驱动执行器，还包括LS控制器，所述LS控制器包括LS减压阀、电比例减压阀、液压动力泵调整机构，液压动力泵的输出端通过节流阀与大臂驱动执行器相连，所述的液压动力泵为变量柱塞泵，变量柱塞泵内设置的斜盘的旋转轴的一端与液压动力泵调整机构传动连接，通过调节斜盘的倾斜角度从而控制变量柱塞泵的排量，是由一个LS减压阀以及两边的控制管路组成，左边由LS压力信号和调节弹簧组成，右边由泵出口压力信号和电比例减压阀信号组成，通过两边信号的平衡关系，影响变量泵排量，进而又影响了泵出口压力和负载压力，形成闭环反馈系统，实现自动控制调节变量泵的排量。

Description

正面吊大臂自适应控制系统

技术领域

本发明涉及正面吊设备制造技术领域，具体涉及一种正面吊大臂自适应控制系统。

背景技术

正面吊是一种用于集装箱装卸、堆码和搬运作业的工程车辆，发动机功率除了供给行走外，还配有两个主变量泵，提供液压给大臂、吊具和转向油缸所用。为降低操作者的劳动强度，并提高设备的安全性能，需有一套集电气和液压于一体的良好控制系统，而里面以大臂的自适应控制系统最为重要，而现有技术下还没有一种能实现根据不同的载荷重量，要求发动机能够提供合适的转速及扭矩，变量泵提供适当的排量，做到功率和排量自适应匹配，而且当荷载突变，系统需能起到防发动机失速作用的控制系统。

发明内容

为了解决存在的技术问题，本发明提供一种正面吊大臂自适应控制系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：正面吊大臂自适应控制系统，包括液压动力泵、节流阀、压力传感器、大臂驱动执行器，还包括LS控制器，所述LS控制器包括LS减压阀、电比例减压阀、液压动力泵调整机构，液压动力泵的输出端通过节流阀与大臂驱动执行器相连，所述的液压动力泵为变量柱塞泵，变量柱塞泵内设置的斜盘的旋转轴的一端与液压动力泵调整机构传动连接，通过调节斜盘的倾斜角度从而控制变量柱塞泵的排量，LS减压阀与液压动力泵调整机构通过液压管实现液压传动连接，电比例减压阀与LS减压阀之间通过导线电性连接，LS减压阀与液压动力泵的输出端的压力传感器电连接，大臂驱动执行器端的压力传感器与LS减压阀电连接，电比例减压阀的输入端和LS减压阀的输入端均与液压动力泵的输出端相连，电比例减压阀的输出端和LS减压阀的输出端均与液压油箱连通，通过大臂驱动执行器端的压力传感器与液压动力泵的输出端的压力传感器双边传送信号的平衡关系，使液压动力泵调整机构动作进而变量柱塞泵的排量，调整变量柱塞泵输出端的压力和大臂驱动执行器端的负载压力，形成闭环反馈系统，实现自动控制调节变量柱塞泵的排量。

本发明进一步提供的正面吊大臂自适应控制系统，其大臂驱动执行器端的压力传感器与液压动力泵的输出端的压力传感器双边传送信号的平衡关系具体为在LS减压阀处的压力调节弹簧设定一个固定压差，变量柱塞泵的输出流量取决于节流阀流口的通流面积A和其两端的压降ΔP，ΔP等于变量柱塞泵输出端压力与大臂驱动执行器端的压力之差，在LS控制器的作用下，ΔP始终与预设的固定压差保持一致，即LS减压阀保持平衡；根据流量公式：L＝K×A×ΔP；K为系数，流量L与通流面积A和压降ΔP成正比例关系，当驱动的大臂驱动执行器数量变多时，即通流面积A发生变大，在瞬时L不变的情况下，LS减压阀处的压力变大，压降ΔP变小，低于压力调节弹簧压差，LS减压阀右移，变量柱塞泵排量加大，变量柱塞泵出口压力也跟着增大，直至ΔP与压力调节弹簧压差恢复平衡；当大臂驱动执行器数量变少时，即通流面积A发生变小，在瞬时L不变的情况下，LS减压阀处的压力变小，压降ΔP变大，高于压力调节弹簧压差，LS减压阀左移，变量柱塞泵排量减小，变量柱塞泵输出端压力也跟着减小，直至ΔP与压力调节弹簧压差恢复平衡，负载的变化使ΔP偏离压力调节弹簧压差，进而使LS减压阀两边失去平衡，由此调节变量柱塞泵的阀芯开度，变量柱塞泵的排量和输出端压力自动做相应改变，最终又使ΔP和压力调节弹簧压差保持平衡，形成闭环反馈系统，实现排量的自动补偿。

本发明进一步提供的正面吊大臂自适应控制系统，其还包括带ECU控制的液压动力泵发动机、电控单元，LS控制器与液压动力泵发动机ECU电性连接，通过对液压动力泵发动机ECU反馈的液压动力泵发动机实际转速和电控单元发出的TSC1转速请求进行比较，检测到液压动力泵发动机的失速情况，经过电控单元PID反馈调节计算后发出动态的ΔPLS信号给LS控制器的电比例减压阀改变节流阀两端的压降，输出控制压力到LS减压阀右边阀芯，使阀芯左移，液压动力泵斜盘摆角变小，限制液压动力泵的排量，减小扭矩，从而保证液压动力泵发动机不过载，直至恢复TSC1转速，防止液压动力泵发动机过载熄火。

本发明在降低操作者的劳动强度方面，起吊集装箱时，根据不同的载荷重量，要求发动机能够提供合适的转速及扭矩，变量泵提供适当的排量，做到功率和排量自适应匹配，大大节约驱动燃油，节能环保，而且当荷载突变，系统需能起到防发动机失速作用，而这些全然不需要操作者操心；在安全性能方面，防倾覆至关重要，系统可根据载荷重量，自动限制大臂的伸缩和倾斜范围。

附图说明

图1为本发明的LS控制器控制原理图；

图2为本发明的LS控制器控制连接结构示意图；

图3为本发明实施例一的结构示意图；

图4为本发明实施例二的结构示意图；

其中，1-液压动力泵；2-节流阀；3-液压动力泵发动机；4-大臂驱动执行器；5-LS控制器；5.1-LS减压阀；5.2-电比例减压阀；5.3-液压动力泵调整机构；6-电控单元。

具体实施方式

如图1、图2所示的正面吊大臂自适应控制系统，包括液压动力泵1、节流阀2、压力传感器、大臂驱动执行器4，还包括LS控制器5，所述LS控制器5包括LS减压阀5.1、电比例减压阀5.2、液压动力泵调整机构5.3，液压动力泵1的输出端通过节流阀2与大臂驱动执行器4相连，所述的液压动力泵1为变量柱塞泵，变量柱塞泵内设置的斜盘的旋转轴的一端与液压动力泵调整机构5.3传动连接，通过调节斜盘的倾斜角度从而控制变量柱塞泵的排量，LS减压阀5.1与液压动力泵调整机构5.3通过液压管实现液压传动连接，电比例减压阀5.2与LS减压阀5.1之间通过导线电性连接，LS减压阀5.1与液压动力泵1的输出端的压力传感器电连接，大臂驱动执行器4端的压力传感器与LS减压阀5.1电连接，电比例减压阀5.2的输入端和LS减压阀5.1的输入端均与液压动力泵1的输出端相连，电比例减压阀5.2的输出端和LS减压阀5.1的输出端均与液压油箱连通，通过大臂驱动执行器4端的压力传感器与液压动力泵1的输出端的压力传感器双边传送信号的平衡关系，使液压动力泵调整机构5.3动作进而变量柱塞泵的排量，调整变量柱塞泵输出端的压力和大臂驱动执行器4端的负载压力，形成闭环反馈系统，实现自动控制调节变量柱塞泵的排量。

所述的大臂驱动执行器4端的压力传感器与液压动力泵1的输出端的压力传感器双边传送信号的平衡关系具体为在LS减压阀处5.1的压力调节弹簧设定一个固定压差，变量柱塞泵的输出流量取决于节流阀2流口的通流面积A和其两端的压降ΔP，ΔP等于变量柱塞泵输出端压力与大臂驱动执行器端的压力之差，在LS控制器的作用下，ΔP始终与预设的固定压差保持一致，即LS减压阀保持平衡；根据流量公式：L＝K×A×ΔP；K为系数，流量L与通流面积A和压降ΔP成正比例关系，当驱动的大臂驱动执行器数量变多时，即通流面积A发生变大，在瞬时L不变的情况下，LS减压阀处的压力变大，压降ΔP变小，低于压力调节弹簧压差，LS减压阀右移，变量柱塞泵排量加大，变量柱塞泵出口压力也跟着增大，直至ΔP与压力调节弹簧压差恢复平衡；当大臂驱动执行器数量变少时，即通流面积A发生变小，在瞬时L不变的情况下，LS减压阀处的压力变小，压降ΔP变大，高于压力调节弹簧压差，LS减压阀左移，变量柱塞泵排量减小，变量柱塞泵输出端压力也跟着减小，直至ΔP与压力调节弹簧压差恢复平衡，负载的变化使ΔP偏离压力调节弹簧压差，进而使LS减压阀两边失去平衡，由此调节变量柱塞泵的阀芯开度，变量柱塞泵的排量和输出端压力自动做相应改变，最终又使ΔP和压力调节弹簧压差保持平衡，形成闭环反馈系统，实现排量的自动补偿。

所述的正面吊大臂自适应控制系统还包括带ECU控制的液压动力泵发动机3、电控单元6，LS控制器5与液压动力泵发动机3的ECU电性连接，通过对液压动力泵发动机3的ECU反馈的液压动力泵发动机3实际转速和电控单元6发出的TSC1转速请求进行比较，检测到液压动力泵发动机3的失速情况，经过电控单元PID反馈调节计算后发出动态的ΔPLS信号给LS控制器5的电比例减压阀5.2改变节流阀2两端的压降，输出控制压力到LS减压阀5.1右边阀芯，使阀芯左移，液压动力泵1的斜盘摆角变小，限液压动力制泵1的排量，减小扭矩，从而保证液压动力泵发动机3不过载，直至恢复TSC1转速，防止液压动力泵发动机3过载熄火。

如图3为了正面吊大臂垂直起升，通过电比例控制方式，正面吊大臂的伸缩和起升由操作手柄电比例控制，手柄前后左右摆动分别控制大臂的下降起升缩回和伸出。手柄采用电位计将摆动角度等比例转换成电压信号，电压信号经过控制器一系列换算和计算后输出等比例的电流信号给电比例先导阀，电比例先导阀输出比例先导压力给比例流量控制阀，调节节流阀的通流面积A，控制流量，从而实现操作手柄对正面吊大臂起升和伸缩速度的无极控制。与此同时，控制器还将手柄的电压信号换算成0-100％，并通过J1939协议TSC1转速请求通道将该信号发送给发动机ECU，发动机响应相应的转速，提供相应的转速和扭矩。

正面吊在实际使用中要求正面吊大臂可以垂直起升，实现正面吊大臂垂直起升的关键在于控制器PID通道和电比例控制技术的融合应用。

进入垂直起升模式时，正面吊大臂起升的信号依然由手柄电比例控制输出，而大臂的伸出信号则由PID控制输出。PID目标值为垂直起升开始时刻集装箱的离前轮的中心距Z，测量值为经过对大臂长度X和角度a的实时测量和换算得来的中心距Z’，得出偏差ΔZ，偏差经PID比例积分和微分环节计算后获得调节信号Ex，调节信号Ex等比例换算成电流信号传输给大臂伸缩电比例先导阀，控制正面吊大臂伸缩，使起升的同时集装箱中心距保持不变，实现垂直起升。

正面吊在吊运集装箱时，不同重量的集装箱都必须要有相应的中心半径Z限制，否则如果货物对前轮的力矩操过了车体对前轮的力矩，就会发生前翻。实际操作中，当货物即将操过限制的中心半径时，控制器就会限制大臂的下降和伸出，以保证安全。以下是控制器的控制计算步骤：

1.中心半径计算

控制器实时接收长度传感器和角度传感器发送的电压信号，并换算成大臂伸出量X和大臂倾斜角度a，再配合几个设备的固定尺寸量，经过计算便可得出载荷中心半径Z。

2.货物重量的计算

如图4，大臂和车架的旋转点上有三个逆时针扭矩和一个顺时针扭矩，四个扭矩关系如下：

F×S＝T1+T2+T0

货物的重量就是通过这个关系式推导计算得出。

其中：F是倾斜油缸的支撑力，S是F的力臂，F由压力传感器获取的倾斜油缸油液压力换算得到，S由大臂倾角及一些固定尺寸推导计算。

T0是货物的扭矩，T0＝G0×S0，G0即为货物的重量，S0为货物重心到旋转点的垂直力臂。

T1是固定臂的扭矩，T1＝G1×S1，G1为固定臂重量，S1为固定臂重心到旋转点的垂直力臂。

T2是移动臂的扭矩，T2＝G2×S2，G2为移动臂重量，S2为移动臂重心到旋转点的垂直力臂。

以上公式中的参数除了要求解的货物重量外，其余都能由已知条件和测量量计算得到，当然以上力矩平衡公式只是计算的基本原理，简化了计算过程，实际上为得到精准的重量，控制程序计算过程要复杂得多，既要考虑的发动机转速对油缸压力的影响，还要考虑使用中风力的影响等等。

3.中心半径对应安全载荷查询表

通过稳定性计算，得出各个载荷中心距对应的安全载荷重量G’，并在控制器的程序里面形成一个中心半径-重量表(Z-G’)以供查询(如下表)，表格里面取几个确定的中心半径对应的安全载荷重量，程序运行时根据载荷当前的中心半径和大臂伸出量，自动查询表格后取中间量自动算出当前中心半径对应的安全载荷重量G’。

4.大臂下降和伸出操作的限制

计算出中心半径对应的安全重量G’和货物重量G0后，控制器实时对两者进行比较，安全重量G’根据大臂伸出量和倾斜角度时刻在变化，当货物重量即将超过安全重量时，控制器立即发出指令，限制大臂下降和伸出操作。

1、系统采用电比例技术，根据手柄的摆动角度，发动机提供相应的转速，液压系统比例阀改变相应的节流口大小，进而等比例地控制油缸动作的快慢，操作舒适简单，柔和顺畅，减少操作者劳动强度。

2、采用高可靠性的负载传感变量泵，可自动感应负载情况，调节泵的排量，减小发动机功率浪费，起到很好的节能减排作用。

3、通过使用长度传感器、角度传感器和压力传感器以及控制器的一系列算法，计算出货物重量，并很好地实现设备的防倾覆安全要求，可靠性高，经济性好。

4、根据控制器监测到的发动机失速状况，采用电气越权信号减小泵排量，进而减小泵的扭矩，使发动机迅速恢复转速，防止失速。

5、采用控制器对系统信号的集中控制处理，并部分采用CAN总线信号传输，使设计需求成为可能，并极大地减少了物理电路系统，提高系统可靠性以及可维护性。

6、参数可调性，比如可以调节发动机最低怠速转速、PID通道的参数值等等，同时，还可根据操作习惯调整手柄摆动对应的油缸动作速度。

从以上的控制过程可以看出，操作者只需要根据自己的意愿操控手柄来控制大臂的动作，系统可自动提供功率来响应操作快慢，并自动防止因过载而熄火，而且根据荷载大小自动限制动作范围，大大降低了操作者的劳动强度和技能要求，操作安全舒适。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.正面吊大臂自适应控制系统，包括液压动力泵、节流阀、压力传感器、大臂驱动执行器，其特征在于还包括LS控制器，所述LS控制器包括LS减压阀、电比例减压阀、液压动力泵调整机构，液压动力泵的输出端通过节流阀与大臂驱动执行器相连，所述的液压动力泵为变量柱塞泵，变量柱塞泵内设置的斜盘的旋转轴的一端与液压动力泵调整机构传动连接，通过调节斜盘的倾斜角度从而控制变量柱塞泵的排量，LS减压阀与液压动力泵调整机构通过液压管实现液压传动连接，电比例减压阀与LS减压阀之间通过导线电性连接，LS减压阀与液压动力泵的输出端的压力传感器电连接，大臂驱动执行器端的压力传感器与LS减压阀电连接，电比例减压阀的输入端和LS减压阀的输入端均与液压动力泵的输出端相连，电比例减压阀的输出端和LS减压阀的输出端均与液压油箱连通，通过大臂驱动执行器端的压力传感器与液压动力泵的输出端的压力传感器双边传送信号的平衡关系，使液压动力泵调整机构动作进而变量柱塞泵的排量，调整变量柱塞泵输出端的压力和大臂驱动执行器端的负载压力，形成闭环反馈系统，实现自动控制调节变量柱塞泵的排量。

2.根据权利要求1所述的正面吊大臂自适应控制系统，其特征在于，所述的大臂驱动执行器端的压力传感器与液压动力泵的输出端的压力传感器双边传送信号的平衡关系具体为在LS减压阀处的压力调节弹簧设定一个固定压差，变量柱塞泵的输出流量取决于节流阀流口的通流面积A和其两端的压降ΔP，ΔP等于变量柱塞泵输出端压力与大臂驱动执行器端的压力之差，在LS控制器的作用下，ΔP始终与预设的固定压差保持一致，即LS减压阀保持平衡；根据流量公式：L＝K×A×ΔP；K为系数，流量L与通流面积A和压降ΔP成正比例关系，当驱动的大臂驱动执行器数量变多时，即通流面积A发生变大，在瞬时L不变的情况下，LS减压阀处的压力变大，压降ΔP变小，低于压力调节弹簧压差，LS减压阀右移，变量柱塞泵排量加大，变量柱塞泵出口压力也跟着增大，直至ΔP与压力调节弹簧压差恢复平衡；当大臂驱动执行器数量变少时，即通流面积A发生变小，在瞬时L不变的情况下，LS减压阀处的压力变小，压降ΔP变大，高于压力调节弹簧压差，LS减压阀左移，变量柱塞泵排量减小，变量柱塞泵输出端压力也跟着减小，直至ΔP与压力调节弹簧压差恢复平衡，负载的变化使ΔP偏离压力调节弹簧压差，进而使LS减压阀两边失去平衡，由此调节变量柱塞泵的阀芯开度，变量柱塞泵的排量和输出端压力自动做相应改变，最终又使ΔP和压力调节弹簧压差保持平衡，形成闭环反馈系统，实现排量的自动补偿。

3.根据权利要求1或2所述的正面吊大臂自适应控制系统，其特征在于，还包括带ECU控制的液压动力泵发动机、电控单元，LS控制器与液压动力泵发动机ECU电性连接，通过对液压动力泵发动机ECU反馈的液压动力泵发动机实际转速和电控单元发出的TSC1转速请求进行比较，检测到液压动力泵发动机的失速情况，经过电控单元PID反馈调节计算后发出动态的ΔPLS信号给LS控制器的电比例减压阀改变节流阀两端的压降，输出控制压力到LS减压阀右边阀芯，使阀芯左移，液压动力泵斜盘摆角变小，限制液压动力泵的排量，减小扭矩，从而保证液压动力泵发动机不过载，直至恢复TSC1转速，防止液压动力泵发动机过载熄火。