CN108331064B - 一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统，包括电比例液压主泵、液压主控阀、液压先导控制阀和液压执行器，电比例液压主泵上设置比例电磁阀和斜盘倾角传感器，液压主控阀上设置压力反馈传感器，液压先导控制阀与液压主控阀相连再控制液压执行器，斜盘倾角传感器、压力反馈传感器和液压主控阀与主控制器相连。本发明提供的液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统，主控制器根据当前发动机转速、斜盘倾角信号、操作控制模式输出控制信号，调节电比例液压主泵消耗功率，使其始终工作在最佳经济区，提高燃油经济性，防止负载突然增大时发动机掉转及憋车，实现压力、流量的精确控制，挖掘机能够完成各精细化动作，节能效果好。

Description

一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统

技术领域

本发明属于挖掘机控制技术领域，具体涉及一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统。

背景技术

目前在液压挖掘机中，液压系统必须满足正常工作需要并具备高效、节能、操控性好的性能。在发动机速度特性中，对挖掘机匹配柴油机来说，又以扭矩特性和功率特性最重要。现在液压系统与发动机功率匹配主要通过变量恒功率液压泵，实现简单的液压系统与发动机功率匹配，再就是通过比例电磁阀控制泵功率，但是发动机的扭矩与功率特性都是一个比较复杂的曲线，简单的一个比例函数或曲线并不能够清楚描述其特性，只有将液压泵功率做到根据操作者的需求实时地跟随发动机扭矩与功率曲线并始终工作在万有能耗曲线经济能耗区，才能做到优化发动机与液压系统间的功率匹配性能，优化发动机掉速性能，有效优化发动机不稳定问题，提升整机工作效率。设计能实现压力、流量的精确控制、动作协调流畅、挖掘机能够完成各种精细化动作的节能系统具有重要的现实意义。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置，包括发动机、主控制器、模式控制开关、显示器、电比例液压主泵、液压主控阀、液压先导控制阀和若干个液压执行器，发动机上设置油门开度开关，用于调节发动机的转速，电比例液压主泵上设置比例电磁阀和斜盘倾角传感器，液压主控阀上设置压力反馈传感器，液压先导控制阀与液压主控阀相连并通过液压主控阀控制若干个液压执行器；

斜盘倾角传感器、压力反馈传感器和液压主控阀与主控制器输入端相连，主控制器输出端与显示器相连并通过显示器进行实时数据显示主控制器接收发动机转速信号、电比例液压主泵的斜盘倾角信号、液压主控阀的电压力信号和操作控制模式信号并进行处理，主控制器根据处理结果输出控制信号，用于调节电比例液压主泵的消耗功率并使其与预先设定的发动机的功率曲线相匹配，使电比例液压主泵的消耗功率始终工作在最佳经济区，在显示器上可实时显示当前发动机转速和发动机的转速波动。

进一步的，所述主控制器通过CAN总线与显示器相连，液压主控阀的主进油口设置压力反馈传感器。

进一步的，所述包括以下步骤：

操作者发动发动机，通过调整油门开度开关设定发动机转速，通过操纵模式控制开关选择操作模式，选择不同控制模式，让主控制器根据操作者的意图来控制电比例液压主泵，发动机的转速信号和操作控制模式信号传递至主控制器，通过液压先导控制阀控制液压主控阀进而驱动液压执行器做出响应，液压主控阀采用阀后补偿，各液压执行器同比降速，不会有液压执行器停止运动，控制起点与负载压力和转速无关，流量饱和时，各液压执行器流量按比例同时减小，主控制器输出PWM电流信号至电比例液压主泵，用于实时调整电比例液压主泵的消耗功率。

进一步的，当液压先导控制阀没有动作时，液压主控阀没有动作，压力反馈传感器反馈至主控制器的液压电压信号很小，此时主控制器输出PWM电流信号至电比例液压主泵，使电比例液压主泵处于最小的泵流量，电比例液压主泵的功率调整到最小，发动机处在最小负载，此时电比例液压主泵的斜盘倾角信号反馈给主控制器形成闭环控制。

进一步的，当操作者操作液压先导控制阀时，液压主控阀根据先导信号调整每工作联的开度，液压主控阀开度决定各液压执行器流量大小，各液压执行器反馈负载压力并传递给液压主控阀，液压主控阀上的压力反馈传感器将其转化为电压力信号并传递给主控制器，主控制器接收当前的液压压力信号、当前发动机转速和操作控制模式信号并进行处理，处理过程包括根据PID控制原理进行PID优化，随后主控制器根据计算前期预先存储的模糊控制策略输出表，输出PWM电流信号至电比例液压主泵，用于控制电比例液压主泵的斜盘角度和输出功率，此时电比例液压主泵的斜盘倾角信号反馈给主控制器进行调整，主控制器输出PWM电流信号构成闭环控制，电比例液压主泵始终工作在发动机当前转速下的万有能耗曲线经济能耗区，并根据负载变化适时跟随，通过PID优化可以增强输入系统信号的鲁棒性。

进一步的，主控制器接收当前液压压力信号、当前发动机转速及选择的操作控制模式信号并进行PID优化，控制液压压力信号和发动机转速信号的偏差值，保证液压压力信号和发动机转速信号的稳定性，增强其鲁棒性。

进一步的，主控制器根据前期预先存储的模糊控制策略输出表输出PWM电流信号的步骤为：计算机对发动机转速信号、液压压力信号和操作控制模式信号进行分析和运算，根据隶属度函数和模糊规则计算输出一一对应的输出信号，这些信号组成一个表格即模糊控制策略输出表，把计算出来的对应表格数据存储于主控制器中，便于主控制器不断调用，主控制器根据输入值直接调用模糊控制策略输出表中一一对应的数据，主控制器根据输出的参数控制输出信号的占空比，调整输出电流值，达到对电比例液压主泵吸力的控制，实时控制电比例液压主泵的斜盘摆角及其功率。

进一步的，闭环控制的过程为：主控制器根据输入信号控制输出PWM电流信号并控制电比例液压主泵，电比例液压主泵的斜盘角度信号再反馈给主控制器，控制器根据反馈信号来修正输出的输出PWM电流信号，形成一个闭环控制，使得电比例液压主泵始终工作在发动机当前转速下的万有能耗曲线经济能耗区。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开了一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统，包括主控制器、显示器、电比例液压主泵、液压主控阀、液压先导控制阀和液压执行器，电比例液压主泵上设置比例电磁阀和斜盘倾角传感器，液压主控阀上设置压力反馈传感器，液压先导控制阀与液压主控阀相连再控制液压执行器，斜盘倾角传感器、压力反馈传感器和液压主控阀与主控制器相连，主控制器与显示器相连进行数据显示。本发明提供的液压挖掘机负载自适应智能控制装置及控制系统，主控制器根据当前发动机转速、斜盘倾角信号、操作控制模式输出控制信号，用于调节电比例液压主泵的消耗功率，使其始终工作在万有能耗曲线经济能耗区，优化发动机与液压系统间的功率匹配性能，优化发动机掉速性能，有效优化发动机不稳定问题，提升整机工作效率，提高燃油经济性，防止负载突然增大时发动机掉转及憋车，实现压力、流量的精确控制，挖掘机能够完成各精细化动作，节能效果好。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

名词解释：

闭环控制是指被控制输出的信号以一定方式返回到控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制方式。

如图1所示，一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置，包括发动机、主控制器、模式控制开关、显示器、电比例液压主泵、液压主控阀、液压先导控制阀和若干个液压执行器，操作者通过模式控制开关选择不同的操作控制模式，操作控制模式包括标准模式和经济模式，操作者可根据实际需求进行灵活选择，发动机上设置油门开度开关，用于调节发动机的转速，电比例液压主泵上设置比例电磁阀和斜盘倾角传感器，液压主控阀的主进油口上设置压力反馈传感器，液压先导控制阀与液压主控阀相连并通过液压主控阀控制若干个液压执行器。

斜盘倾角传感器、压力反馈传感器和液压主控阀与主控制器输入端相连，主控制器输出端通过CAN总线与显示器相连并通过显示器进行实时数据显示，斜盘倾角传感器、压力反馈传感器和液压主控阀作为主控制器的输入端且三者对应的检测信号作为主控制器的输入值，主控制器接收发动机的转速信号、电比例液压主泵的斜盘倾角信号、液压主控阀的电压力信号和操作控制模式信号并进行处理，主控制器根据处理结果输出控制信号，用于调节电比例液压主泵的消耗功率并使其与预先设定的发动机的功率曲线相匹配，使电比例液压主泵的消耗功率始终工作在最佳经济区，在显示器上可实时显示当前发动机转速和发动机的转速波动。

一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置的控制系统，包括以下步骤：

当操作者发动发动机后，通过调整油门开度开关，设定好发动机转速，通过操纵模式控制开关选择好操作控制模式，发动机执行标准模式或经济模式，发动机的转速信号和操作控制模式信号传递给主控制器，此时，当液压先导控制阀没有动作时，液压主控阀没有动作，压力反馈传感器反馈至主控制器的液压电压信号很小，此时主控制器给电比例液压主泵一个PWM电流信号，电比例液压主泵处于最小的泵流量，将电比例液压主泵的功率调整到最小，发动机处在最小负载，此时电比例液压主泵的斜盘倾角信号反馈给主控制器，主控制器根据输入信号控制输出PWM电流信号，用于控制电比例液压主泵的斜盘角度和功率，电比例液压泵的斜盘角度信号再反馈给主控制器，主控制器根据反馈信号来修正其输出的PWM电流信号，形成一个闭环控制，便于主控制器实时调整电比例液压主泵的消耗功率，使其稳定在最佳经济区。

当操作者操作液压先导控制阀时，液压主控阀根据先导信号调整每工作联的开度，液压主控阀的开度决定各液压执行器的流量大小，各液压执行器反馈的负载压力传输至液压主控阀，液压主控阀上的压力反馈传感器将其转化为电压力信号再传递至主控制器，主控制器接收当前的液压压力信号、当前发动机转速及选择的操作控制模式信号等信息并根据PID控制原理进行PID优化，随后主控制器根据前期预先存储的模糊控制策略输出表输出对应的PWM电流信号至电比例液压主泵，主控制器通过模糊控制策略表输出的参数来控制输出信号的占空比和调整输出电流值，进而达到对电比例液压主泵吸力的控制，从而对电比例液压主泵的斜盘摆角进行实时控制，实现控制电比例液压主泵摆角和输出功率的目的，此时电比例液压主泵的斜盘倾角信号反馈给主控制器构成闭环控制，用于进一步调整主控制器输出的PWM电流信号大小，确保电比例液压主泵始终工作在发动机当前转速下的万有能耗曲线经济能耗区，能够根据负载变化适时跟随，通过PID处理可以增强输入系统信号的鲁棒性。

因液压压力信号和发动机转速信号随着负载变化实时变化，通过PID控制的比例环节控制偏差值，积分环节来消除静差，微分环节来快速调整偏差信号变化，从而保证液压压力信号和发动机转速信号的稳定性，增强这这两个关键输入信号的鲁棒性，本发明采用的PID处理过程是基于常用PID控制原理，在此不做赘述。

因主控制器处理的信号不是简单的线性对应关系，因此引入模糊控制，通过计算机计算输出模糊控制策略表并存储于主控制器中，主控制器根据模糊控制策略输出表输出信号控制电比例液压主泵，简化了控制运行时间，计算机接收发动机的转速信号、液压压力信号和操作控制模式信号并进行分析和运算处理，根据隶属度函数及模糊规则即根据实际测试结果得到的经验规律计算输出一一对应的输出信号，这些信号组成一个表格，这个表格的信息量大，可运用计算机计算出来，若用主控制器来计算会影响响应时间，把计算出来的对应表格数据即模糊控制策略表直接存储在主控制器中，这样主控制器可根据输入值直接调用模糊控制策略表中一一对应的数据，进而保证运行速度。

万有能耗曲线是发动机速度、负载及油耗对应的固有特性曲线，经济能耗区就是在固定转速下找到一个合适的负载来匹配出单位功率和单位时间最省油的区域，优化发动机与液压系统间的功率匹配性能，优化发动机掉速性能，有效优化发动机不稳定问题，提升整机工作效率，能实现压力、流量的精确控制，挖掘机能够完成各种精细化的动作，动作协调流畅，又达到较高的节能效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置的控制系统，其特征在于，所述液压挖掘机负载自适应智能控制装置，包括发动机、主控制器、模式控制开关、显示器、电比例液压主泵、液压主控阀、液压先导控制阀和若干个液压执行器，所述发动机上设置油门开度开关，用于调节发动机的转速，电比例液压主泵上设置比例电磁阀和斜盘倾角传感器，液压主控阀上设置压力反馈传感器，液压先导控制阀与液压主控阀相连并通过液压主控阀控制若干个液压执行器；所述斜盘倾角传感器、压力反馈传感器和液压主控阀与主控制器输入端相连，主控制器输出端与显示器相连并通过显示器进行实时数据显示，主控制器接收发动机转速信号、电比例液压主泵的斜盘倾角信号、液压主控阀的电压力信号和操作控制模式信号并进行处理，主控制器根据处理结果输出控制信号，用于调节电比例液压主泵的消耗功率并使其与预先设定的发动机的功率曲线相匹配，使电比例液压主泵的消耗功率始终工作在最佳经济区；

包括以下步骤：操作者发动发动机，通过调整油门开度开关设定发动机转速，通过操纵模式控制开关选择操作模式，发动机的转速信号和操作控制模式信号传递至主控制器，通过液压先导控制阀控制液压主控阀进而驱动液压执行器做出响应，液压主控阀采用阀后补偿，各液压执行器同比降速，主控制器输出PWM电流信号至电比例液压主泵，用于实时调整电比例液压主泵的消耗功率；当液压先导控制阀没有动作时，液压主控阀没有动作，压力反馈传感器反馈至主控制器的液压电压信号很小，此时主控制器输出PWM电流信号至电比例液压主泵，使电比例液压主泵处于最小的泵流量，电比例液压主泵的功率调整到最小，发动机处在最小负载，此时电比例液压主泵的斜盘倾角信号反馈给主控制器形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置的控制系统，其特征在于，当操作者操作液压先导控制阀时，液压主控阀根据先导信号调整每工作联的开度，液压主控阀开度决定各液压执行器流量大小，各液压执行器反馈负载压力并传递给液压主控阀，液压主控阀上的压力反馈传感器将其转化为电压力信号并传递给主控制器，主控制器接收当前的液压压力信号、当前发动机转速及选择的操作控制模式信号并进行PID优化，随后主控制器根据预先存储的模糊控制策略输出表输出对应的PWM电流信号至电比例液压主泵，用于控制电比例液压主泵的斜盘角度和输出功率，此时电比例液压主泵的斜盘倾角信号反馈给主控制器进行调整，主控制器输出PWM电流信号构成闭环控制，电比例液压主泵始终工作在发动机当前转速下的万有能耗曲线经济能耗区，并根据负载变化适时跟随，通过PID优化增强输入系统信号的鲁棒性。

3.根据权利要求2所述的一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置的控制系统，其特征在于，主控制器接收当前液压压力信号、当前发动机转速及选择的操作控制模式信号并进行PID优化，控制液压压力信号和发动机转速信号的偏差值，保证液压压力信号和发动机转速信号的稳定性，增强其鲁棒性。

4.根据权利要求2所述的一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置的控制系统，其特征在于，主控制器输出PWM电流信号的步骤为：计算机对发动机转速信号、液压压力信号和操作控制模式信号进行分析和运算，输出对应的输出信号，这些信号组成一个模糊控制策略输出表，计算出来的模糊控制策略输出表的数据存储于主控制器中，主控制器根据输入值直接调用模糊控制策略输出表中一一对应的数据，主控制器根据输出的参数控制输出信号的占空比，调整输出电流值，达到对电比例液压主泵吸力的控制，实时控制电比例液压主泵的斜盘摆角及其功率。

5.根据权利要求2所述的一种液压挖掘机负载自适应智能控制装置的控制系统，其特征在于，闭环控制的过程为：主控制器根据输入信号控制输出PWM电流信号并控制电比例液压主泵，电比例液压主泵的斜盘角度信号再反馈给主控制器，控制器根据反馈信号来修正输出的输出PWM电流信号，形成一个闭环控制，使得电比例液压主泵始终工作在发动机当前转速下的万有能耗曲线经济能耗区。

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