CN108678045B - 一种装载机泵控混合动力液压系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装载机泵控混合动力液压系统及其控制方法。本发明针对执行元件为多个液压缸的工程机械，将二次调节技术中的压力耦联原理引入泵控液压系统，蓄能器可直接向外部执行元件供油，采用负载敏感技术调控蓄能器与变量泵对外输出总流量，通过调节变量泵输出流量间接控制蓄能器流量。设计了一种分工况最优压力持续控制方法，通过控制蓄能器流量，调节蓄能器压力与负载需求压力相匹配，减小了节流损失。本发明减少了液压变压器与复合液压元件在混合动力系统中的使用，从而降低系统成本与复杂程度。

Description

一种装载机泵控混合动力液压系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压混合动力技术领域，特别涉及一种装载机泵控混合动力液压系统及其控制方法。

背景技术

工程机械具有工况复杂、负载呈显著周期性变化的特点。在循环工况中，由于峰值功率仅出现在部分作业段，导致发动机工作常低负荷工作，燃油经济性差，污染物排放严重。

液压混合动力技术在成本、功率密度和环境友好等方面优势明显，适用于大质量、高作业强度的循环变功率作业场合，在工程机械领域有着广泛应用前景。

目前液压混合动力系统的相关研究主要采用泵控系统、二次调节系统或复合结构系统三种方式对系统功率流进行调节。针对执行元件为多个液压缸的工程机械，二次调节混合动力系统需要根据各定量执行元件的工作压力级别增设一个或多个液压变压器，但液压变压器相关技术还不成熟，成本高；复合结构混合动力系统所采用复合元件制造难度大，结构复杂；泵控混合动力通过调节泵出口流量与负载需求流量相匹配，实现流量控制，虽然技术成熟，但不适用于多执行机构系统，蓄能器无法直接与外部执行元件连接。综上，针对多定量执行机构液压系统，现有液压混合动力技术由于成本较高、关键元件技术不成熟、结构复杂等原因，难以推广应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种装载机泵控混合动力液压系统及其控制方法。针对执行元件为多个液压缸的工程机械，将二次调节技术中的压力耦联原理引入泵控液压系统，蓄能器可直接向外部执行元件供油，采用负载敏感技术调控蓄能器与变量泵对外输出总流量，通过调节变量泵输出流量间接控制蓄能器流量。设计了一种分工况最优压力持续控制方法，通过控制蓄能器流量，调节蓄能器压力与负载需求压力相匹配，减小了节流损失。本系统减少了液压变压器与复合液压元件在混合动力系统中的使用，从而降低系统成本与复杂程度。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种装载机泵控混合动力液压系统，所述系统由比例多路阀3、转斗油缸6、第一动臂油缸7、第二动臂油缸8、第一转向液压缸9、第二转向液压缸10、负荷传感转向器11、蓄能器13、电磁开关阀15、第二定差减压阀16、单向阀17、变量泵19、发动机20、控制器21、油箱22以及第一压力传感器1、第二压力传感器12、第三压力传感器14和第四压力传感器18组成；

所述多路阀3分别与转斗油缸6、第一动臂油缸7和个第二动臂油缸8管路连接；

所述发动机20通过传动轴与变量泵19连接，所述变量泵19进油口通过过滤器与油箱22连接，变量泵19出油口与单向阀17进油口相连，所述单向阀17的出油口油路分为三路，第一路与比例多路阀3相连，第二路与第二定差减压阀16相连，第三路与电磁开关阀15相连；

所述第二定差减压阀16的出油口与负荷传感转向器11的P口相连接，第二定差减压阀16的反馈油口与负荷传感转向器11的LS油口相连接；

负荷传感转向器11的油口分别与第一转向液压缸9、第二转向油缸10以及油箱22管路连接；

所述电磁开关阀15的一端与单向阀17出油口相连，另一端分别与蓄能器13和第三压力传感器14相连；

所述第一压力传感器1安装在比例多路阀3的LS油口处，第二压力传感器12安装在负荷传感转向器11的LS油口处，第四压力传感器18安装在变量泵19的出油口处；

所述控制器21的信号采集端分别与第一压力传感器1、第二压力传感器12、第三压力传感器14和第四压力传感器18信号连接，所述控制器21的控制端与变量泵19信号连接。

所述比例多路阀3为负载敏感型比例多路阀，由一个第一定差减压阀2分别连接一个三位四通负载敏感换向阀4和一个四位四通负载敏感换向阀5组成；

所述多路阀3中的三位四通负载敏感换向阀4控制侧两油口分别与转斗油缸6的有杆腔和无杆腔相连，四位四通负载敏感换向阀5控制侧的一个油口分别与第一动臂油缸7和个第二动臂油缸8的无杆腔相连，四位四通负载敏感换向阀5控制侧的另一个油口分别与第一动臂油缸7和个第二动臂油缸8的有杆腔相连，所述多路阀3的回油口与油箱22连接。

所述负荷传感转向器11的L油口与第一转向液压缸9的有杆腔和第二转向油缸10的无杆腔相连，负荷传感转向器11的R油口与第一转向液压缸9的无杆腔和第二转向油缸10的有杆腔相连，负荷传感转向器11的T口连接油箱22。

一种装载机泵控混合动力液压系统的控制方法，所述控制方法具体如下：

步骤一：根据系统状态与驾驶员操作进行系统需求识别，包括驾驶员意图识别和蓄能器最优压力识别，其中，

驾驶员意图识别过程如下：

根据驾驶员油门踏板开度α，判断行走系统需求转矩T_dr；

T_dr＝αT_emax·····················(2)

其中，T_dr为行走系统需求转矩，α为油门踏板开度，T_emax为当前转速下发动机所能提供的最大扭矩；

蓄能器最优压力识别过程如下：

P_ls＝Max(P_{ls_w},P_{ls_s})······················(3)

其中，P_ls为负载需求压力，P_{ls_w}为工作液压系统需求压力，P_{ls_s}为转向系统需求压力；

设定作业段识别压力P_div，所述作业段识别压力P_div小于循环工况中铲掘段与卸料段压力且大于其它空载工作段峰值压力；

当负载需求压力P_ls高于作业段识别压力P_div时，则判定液压系统负载需求为高压工况，否则为低压工况；

根据循环工况中过去60s峰值负载压力P_lsmax与负载需求压力P_ls，实时修定蓄能器最优压力P^*，

其中，P_lsmax为过去60s峰值负载压力，P_ls为负载需求压力；

f、g分别为根据系统参数设定的压力差，保证蓄能器压力高于系统最大需求压力；

步骤二：根据系统需求与系统状态进行工作模式选择，包括工作模式划分及工作模式切换。

所述工作模式划分如下：

蓄能器充油模式下，电磁开关阀15导通，变量泵19泵出油液通过单向阀17后分为三路，第一路与比例多路阀3中的第一定差减压阀2相联通，液压油经比例多路阀3流向转斗油缸6、第一动臂油缸7和第二动臂油缸8所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀16与负荷传感转向器11的P口相联通，液压油经负荷传感转向器11流向第一转向液压缸9和第二转向液压缸10所在的转向系统；第三路通过电磁开关阀15与蓄能器13相联通，液压油经电磁开关阀15流向蓄能器13，蓄能器13压力升高，实现对蓄能器充油；

变量泵单独供油模式下，电磁开关阀15断开，变量泵19泵出油液通过单向阀17后分为两路，第一路与比例多路阀3中的第一定差减压阀2相联通，液压油经比例多路阀3流向转斗油缸6、第一动臂油缸7和第二动臂油缸8所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀16与负荷传感转向器11的P口相联通，液压油经负荷传感转向器11流向第一转向液压缸9和第二转向液压缸10所在的转向系统，由变量泵19单独向转向系统与工作液压系统供油。

联合供油模式下，电磁开关阀15导通，蓄能器13输出油液与变量泵19泵出油液合流后分为两路，第一路与比例多路阀3中的第一定差减压阀2相联通，液压油经比例多路阀3流向转斗油缸6、第一动臂油缸7和第二动臂油缸8所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀16与负荷传感转向器11的P口相联通，液压油经负荷传感转向器11流向第一转向液压缸9和第二转向液压缸10所在的转向系统，由蓄能器13与变量泵19共同向转向系统与工作液压系统供油；

所述工作模式切换如下：

在缺省状态下，系统首先进入变量泵单独供油模式；

在变量泵单独供油模式下，若同时满足以下三个条件则进入蓄能器充能模式：

①蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W<第二经济性判断阈值c；

②且负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

③蓄能器压力P_acc<蓄能器最优压力P^*减去第一压力判断阈值b；

在变量泵单独供油模式下，若同时满足以下两个条件则进入联合供油模式：

①蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls加上第二压力判断阈值d；

②负载需求压力P_ls>作业段识别压力P_div；

在蓄能器充能模式下，若满足以下条件之一则进入变量泵单独供油模式：

①负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div且蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第一经济性判断阈值a；

②负载需求压力P_ls＜作业段识别压力P_div且蓄能器压力P_acc>蓄能器最优压力P*；

③蓄能器压力P_acc<负载需求压力P_ls；

在蓄能器充能模式下，若满足以下条件则进入联合供油模式：

①负载需求压力P_ls>作业段识别压力P_div，且蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls加上第二压力判断阈值d；

在联合供油模式中，若同时满足以下三个条件则进入蓄能器充能模式：

①蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第二经济性判断阈值c；

②负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

③蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls；

在联合供油模式中，若满足以下条件之一则进入变量泵单独供油模式：

①蓄能器压力P_acc<负载需求压力P_ls；

②蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第一经济性判断阈值a且负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

步骤三：根据所确定的工作模式，进行系统转矩及流量分配；

蓄能器充油模式下，系统转矩及流量分配如下：

变量泵目标排量为：

V_pump＝(60×1000)(T_opt-T_dr)/(9550×P_acc)·········(6)

发动机转矩为：

其中，V_pump为变量泵目标排量，T_opt为发动机经济转矩，T_dr为行走系统需求转矩，P_acc为蓄能器压力，T_e为发动机转矩，T_h为变量泵转矩；

变量泵单独供油模式下，系统转矩及流量分配如下：

以负载需求压力P_ls作为变量泵排量控制器输入，以实现调节变量泵流量Q_pump与转向系统及工作液压系统总需求流量Q_all相匹配；

联合供油模式下，系统转矩及流量分配如下：

以蓄能器最优压力P^*作为变量泵排量控制器的输入，根据P^*与P_ls设定相应压力阈值：

其中，P_ls为负载需求压力，P_lowlim为满足负载需求的最低压力，P_low为最优压力区间下限，P_up为最优压力区间上限，P_safe为系统安全压力，P_acclim为蓄能器最低稳定工作压力；

P_low与P_up设定方法如下：

P_lo_w＝max(P^*-r,P_lo_wlim+k)·····················(9)

P_up＝min(P^*+r,P_safe)·················(10)

其中，r为根据系统特性设定的系统最优压力区间阈值；k为避免蓄能器压力P_acc低于满足负载需求的最低压力P_lowlim的压力阈值；r与k均可通过调试确定。

根据P_acc所处压力阈值，采用不同的发动机转矩范围作为约束：

当P_low<P_acc<P_up时，限制变量泵排量，使发动机工作点在高效区；

当P_lowlim<P_acc<P_low或P_acc>P_up时，限制变量泵排量，使发动机转矩不超过发动机外特性转矩；

步骤四：根据系统转矩与流量分配结果，进行部件控制与协调；

在变量泵单独供油模式或联合供油模式下，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制；

当系统由蓄能器充能模式或联合供油模式进入变量泵单独供油模式时，通过蓄能器压力P_acc变化估算蓄能器流量Q_acc，当蓄能器流量Q_acc的绝对值小于流量阈值h时，发出控制电磁开关阀15断开的动作命令，进入蓄能器断开模式；若蓄能器压力P_acc已低于负载需求压力P_ls，则电磁开关阀15直接断开，进入蓄能器断开模式；

步骤二中，所述工作模式切换过程中，蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W作为节能效果的判定依据，获得过程如下：

其中，P_ls为负载需求压力；P_acc为蓄能器压力；Q_all为转向系统及工作液压系统总需求流量；△t为蓄能器接入系统前后的时间差；λ₁为蓄能器接入系统前的燃油效率；λ₂为蓄能器接入系统后的燃油效率；

在系统输出相同有用功的情况下，若△W>0，则表征向蓄能器中充油可降低所消耗的能量；若△W<0，则表征向蓄能器中充油会增加所消耗的能量。

步骤四中，在变量泵单独供油模式或联合供油模式下，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制，具体控制过程如下：

A1：根据液压系统中负载需求压力P_ls与变量泵压力P_pump相减获得压力差△e；

A2：将压力差△e输入PID控制器，通过PI控制器计算变量泵排量变化△V；

A3：变量泵排量变化△V再受变量泵排量变化率限制，得到实际变量泵排量变化△V’；

A4：实际变量泵排量变化△V’与上一时刻变量泵排量V_pump(k-1)相加后，受变量泵排量上限限制，输出当前时刻变量泵需求排量V_pump(k)。

步骤四中，通过蓄能器压力P_acc变化估算蓄能器流量Q_acc的过程如下：

其中，△t为控制器步长，P_pre为蓄能器预充气体压力，V_acc为蓄能器的蓄能体积，P_acc(k-1)为上一时刻蓄能器工作压力，P_acc(k)为当前时刻蓄能器工作压力，n为气体多变指数。

在蓄能器断开过程中，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制，具体控制过程如下：

B1：以△e＝0-Q_acc为目标作为变量泵控制器的输入，通过PID控制器获得变量泵排量变化值△V；

B2：调整变量泵的输出流量，使蓄能器流量Q_acc向0逐渐减小，再受变量泵排量变化率限制，得到实际变量泵排量变化△V’；

B3：实际变量泵排量变化△V’与上一时刻变量泵排量V_pump(k-1)相加后，受变量泵排量上限限制，输出当前时刻变量泵需求排量V_pump(k)。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述装载机泵控混合动力液压系统针对多采用液压缸这类定量执行元件的工程机械，将蓄能器直接接入液压系统中，并结合负载敏感技术，采用负荷传感转向器和定差减压阀或比例多路阀，系统输出流量不受蓄能器压力影响，避免了液压变压器、复合元件等复杂元件的使用，降低了系统成本与复杂程度，仅需通过对现有装载机进行改装，就可提高发动机燃油经济性，减少尾气排放。

2、本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法为分工况最优压力持续控制方法，该方法根据液压系统负载特性，将系统划分为高压工况与低压工况并分工况确定蓄能器最优压力状态，以蓄能器最优压力为控制目标，以发动机高效区作为约束条件，降低了系统节流损失，提高了发动机燃油效率，并保证了混合动力系统的能量平衡。

3、本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法中，在蓄能器断开过程中，以变量泵输出流量可调为基础，以减少电磁开关阀断开时变量泵输出流量与负载需求流量之差为目标，效解决了液压混合动力系统中蓄能器突然断开时所产生液压冲击与输出流量突变问题。

附图说明

图1为本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的结构组成示意图；

图2为本发明所述装载机泵控混合动力液压系统转矩与流量耦合关系框图；

图3为本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法的分工况最优压力持续控制总体流程框图；

图4为本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法中，工作模式切换逻辑框图；

图5为本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法中，变量泵单独供油模式或联合供油模式下，变量泵流量控制器的控制原理框图；

图6为本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法中，蓄能器断开过程协调控制流程框图；

图7为本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法中，蓄能器断开过程变量泵PI控制器控制原理流程框图。

图中：

1-第一压力传感器；2-第一定差减压阀；3-比例多路阀；

4-三位四通负载敏感换向阀；5-四位四通负载敏感换向阀；6-转斗油缸；

7-第一动臂油缸； 8-第二动臂油缸； 9-第一转向液压缸；

10-第二转向液压缸； 11-负荷传感转向器； 12-第二压力传感器；

13-蓄能器； 14-第三压力传感器； 15-电磁开关阀；

16-第二定差减压阀； 17-单向阀； 18-第四压力传感器；

19-变量泵； 20-发动机； 21-控制器；22-油箱。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的技术方案及其所带来的有益效果，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图1所示，本发明公开了一种装载机泵控混合动力液压系统，所述系统由比例多路阀3、转斗油缸6、第一动臂油缸7、第二动臂油缸8、第一转向液压缸9、第二转向液压缸10、负荷传感转向器11、蓄能器13、电磁开关阀15、第二定差减压阀16、单向阀17、变量泵19、发动机20、控制器21、油箱22以及第一压力传感器1、第二压力传感器12、第三压力传感器14和第四压力传感器18组成。

所述比例多路阀3为负载敏感型比例多路阀，由一个第一定差减压阀2分别连接一个三位四通负载敏感换向阀4和一个四位四通负载敏感换向阀5组成。

所述多路阀3中的三位四通负载敏感换向阀4控制侧两油口分别与转斗油缸6的有杆腔和无杆腔相连，四位四通负载敏感换向阀5控制侧的一个油口分别与第一动臂油缸7和个第二动臂油缸8的无杆腔相连，四位四通负载敏感换向阀5控制侧的另一个油口分别与第一动臂油缸7和个第二动臂油缸8的有杆腔相连，所述多路阀3的回油口与油箱22连接。

所述发动机20通过传动轴与变量泵19连接，所述变量泵19进油口通过过滤器与油箱22连接，变量泵19出油口与单向阀17进油口相连，所述单向阀17的出油口油路分为三路，第一路与比例多路阀3中的第一定差减压阀2相连，第二路与第二定差减压阀16相连，第三路与电磁开关阀15相连。

所述第二定差减压阀16的出油口与负荷传感转向器11的P口相连接，定差减压阀16的反馈油口与负荷传感转向器11的LS油口相连接。负荷传感转向器11的L油口与第一转向液压缸9的有杆腔和第二转向油缸10的无杆腔相连，负荷传感转向器11的R油口与第一转向液压缸9的无杆腔和第二转向油缸10的有杆腔相连，负荷传感转向器11的T口连接油箱22。

所述电磁开关阀15的一端与单向阀17出油口相连，另一端分别与蓄能器13和第三压力传感器14相连。所述第一压力传感器1安装在比例多路阀3的LS油口处，第二压力传感器12安装在负荷传感转向器11的LS油口处，第四压力传感器18安装在变量泵19的出油口处。

所述控制器21的信号采集端分别与第一压力传感器1、第二压力传感器12、第三压力传感器14和第四压力传感器18信号连接，所述控制器21的控制端与变量泵19信号连接，所述控制器21接收各个压力传感器检测到的压力信号，进而控制变量泵19的排量。

基于上述装载机泵控混合动力液压系统的组成及连接关系，本发明还提供了一种装载机泵控混合动力液压系统的控制方法，所述控制方法采用分工况最优压力持续控制方法，所述控制方法根据液压系统负载特性，将系统划分为高压工况与低压工况并分工况确定蓄能器最优压力状态，以蓄能器最优压力为控制目标，以发动机高效区作为约束条件，降低了系统节流损失，提高了发动机燃油效率，并保证了混合动力系统的能量平衡。

如图2所示，在本发明所述装载机泵控混合动力液压系统中，通过齿轮与发动机和液力变矩器相连，形成转矩耦合，在稳定状态下，系统各部分转矩关系为：

T_e＝T_h+T_p····················(1)

上述公式(1)中，T_e为发动机转矩，T_h为变量泵转矩，T_p为液力变矩器泵轮转矩；

此外，图2中，Q_pump为变量泵流量，Q_acc为蓄能器流量，Q_all为转向系统及工作液压系统总需求流量。

如图3所示，本发明所述装载机泵控混合动力液压系统的控制方法具体如下：

步骤一：根据系统状态与驾驶员操作进行系统需求识别，具体过程如下：

所述系统识别包括驾驶员意图识别与蓄能器最优压力识别，其中，

(1)驾驶员意图识别过程如下：

根据驾驶员油门踏板开度α，判断行走系统需求转矩T_dr；

驾驶员油门踏板开度α乘以当前转速下发动机所能提供最大扭矩，即为行走系统需求转矩T_dr；

T_dr＝αT_emax······················(2)

其中，T_dr为行走系统需求转矩，α为油门踏板开度，T_emax为当前转速下发动机所能提供的最大扭矩。

(2)蓄能器最优压力识别过程如下：

负载需求压力为工作液压系统需求压力与转向系统需求压力中的较大值，即

P_ls＝Max(P_{ls_w},P_{ls_s})·······················(3)

其中，P_ls为负载需求压力，P_{ls_w}为工作液压系统需求压力，P_{ls_s}为转向系统需求压力。

通过观测实验数据，设定作业段识别压力P_div，所述作业段识别压力P_div小于循环工况中铲掘段与卸料段压力且大于其它空载工作段峰值压力。

当负载需求压力P_ls高于作业段识别压力P_div时，则判定液压系统负载需求为高压工况，否则为低压工况。

根据循环工况中过去60s峰值负载压力P_lsmax与负载需求压力P_ls，实时修定蓄能器最优压力P^*，具体方案如下：

其中，P_lsmax为过去60s峰值负载压力，P_ls为负载需求压力；

f、g为系统根据系统参数设定的压力差，其作用是保证蓄能器压力高于系统最大需求压力，保证系统可以稳定工作。

步骤二：根据系统需求与系统状态进行工作模式选择，具体过程如下；

1、进行模式划分，确定各个模式下各阀组工作情况：

(1)蓄能器充油模式下，各阀组工作过程如下：

蓄能器充油模式下，电磁开关阀15导通，变量泵19泵出油液通过单向阀17后分为三路，第一路与比例多路阀3中的第一定差减压阀2相联通，液压油经比例多路阀3流向转斗油缸6、第一动臂油缸7和第二动臂油缸8所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀16与负荷传感转向器11的P口相联通，液压油经负荷传感转向器11流向第一转向液压缸9和第二转向液压缸10所在的转向系统；第三路通过电磁开关阀15与蓄能器13相联通，液压油经电磁开关阀15流向蓄能器13，蓄能器13压力升高，实现对蓄能器充油；

(2)变量泵单独供油模式下，各阀组工作过程如下：

变量泵单独供油模式下，电磁开关阀15断开，变量泵19泵出油液通过单向阀17后分为两路，第一路与比例多路阀3中的第一定差减压阀2相联通，液压油经比例多路阀3流向转斗油缸6、第一动臂油缸7和第二动臂油缸8所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀16与负荷传感转向器11的P口相联通，液压油经负荷传感转向器11流向第一转向液压缸9和第二转向液压缸10所在的转向系统；此时，由变量泵19单独向转向系统与工作液压系统供油。

(3)联合供油模式下，各阀组工作过程如下：

联合供油模式下，电磁开关阀15导通，蓄能器13输出油液与变量泵19泵出油液合流后分为两路，第一路与比例多路阀3中的第一定差减压阀2相联通，液压油经比例多路阀3流向转斗油缸6、第一动臂油缸7和第二动臂油缸8所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀16与负荷传感转向器11的P口相联通，液压油经负荷传感转向器11流向第一转向液压缸9和第二转向液压缸10所在的转向系统；此时，由蓄能器13与变量泵19共同向转向系统与工作液压系统供油。

2、制定模式切换规则：

如图4所示，图中，a、b、c、d均为通过调试确定的压力阈值，四个压力阈值的作用是在临界状态下避免模式频繁切换，其中，

a为第一经济性判断阈值，为蓄能器充能模式切换至变量泵单独供油模式的经济性判断阈值，目的是保证系统充放油平衡以及避免模式频繁切换；

b为第一压力判断阈值，为变量泵单独供油模式切换至蓄能器充油模式的压力判断阈值，作用是避免模式间频繁切换；

c为第二经济性判断阈值，为变量泵单独供油模式切换至蓄能器充能模式的经济性判断阈值，目的是保证系统充放油平衡以及避免模式频繁切换；

d为第二压力判断阈值，为变量泵单独供油模式切换至联合供油模式的压力判断阈值，作用是避免模式间频繁切换；

△W表征蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差，以△W作为节能效果的判定依据，计算公式如下：

其中，P_ls为负载需求压力；P_acc为蓄能器压力；Q_all为转向系统及工作液压系统总需求流量；△t为蓄能器接入系统前后的时间差；λ₁为蓄能器接入系统前的燃油效率；λ₂为蓄能器接入系统后的燃油效率；

在系统输出相同有用功的情况下，若△W>0，则表征向蓄能器中充油可降低所消耗的能量；若△W<0，则表征向蓄能器中充油会增加所消耗的能量。

如图4所示，模式切换规则具体如下：

(1)在缺省状态下，系统首先进入变量泵单独供油模式；

(2)在变量泵单独供油模式下，若同时满足以下三个条件则进入蓄能器充能模式：

④蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W<第二经济性判断阈值c；

⑤且负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

⑥蓄能器压力P_acc<蓄能器最优压力P^*减去第一压力判断阈值b，即P_acc＜P^*－b；

(3)在变量泵单独供油模式下，若同时满足以下两个条件则进入联合供油模式：

③蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls加上第二压力判断阈值d，即P_acc＞P_ls+d；

④负载需求压力P_ls>作业段识别压力P_div；

(4)在蓄能器充能模式下，若满足以下条件之一则进入变量泵单独供油模式：

④负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div且蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第一经济性判断阈值a；

⑤负载需求压力P_ls＜作业段识别压力P_div且蓄能器压力P_acc>蓄能器最优压力P*；

⑥蓄能器压力P_acc<负载需求压力P_ls；

(5)在蓄能器充能模式下，若满足以下条件则进入联合供油模式：

②负载需求压力P_ls>作业段识别压力P_div，且蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls加上第二压力判断阈值d；

(6)在联合供油模式中，若同时满足以下三个条件则进入蓄能器充能模式：

④蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第二经济性判断阈值c；

⑤负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

⑥蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls；

(7)在联合供油模式中，若满足以下条件之一则进入变量泵单独供油模式：

③蓄能器压力P_acc<负载需求压力P_ls；

④蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第一经济性判断阈值a且负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

步骤三：根据所确定的工作模式，进行系统转矩及流量分配；

(1)蓄能器充油模式下，系统转矩及流量分配如下：

变量泵目标排量为：

V_pump＝(60×1000)(T_opt-T_dr)/(9550×P_acc)··········(6)

发动机转矩为：

其中，V_pump为变量泵目标排量，T_opt为发动机经济转矩，T_dr为行走系统需求转矩，P_acc为蓄能器压力，T_e为发动机转矩，T_h为变量泵转矩。

(2)变量泵单独供油模式下，系统转矩及流量分配如下：

以负载需求压力P_ls作为变量泵排量控制器输入，以实现调节变量泵流量Q_pump与转向系统及工作液压系统总需求流量Q_all相匹配。

(3)联合供油模式下，系统转矩及流量分配如下：

以蓄能器最优压力P^*作为变量泵排量控制器的输入，根据P^*与P_ls设定相应压力阈值：

其中，P_ls为负载需求压力，P_lowlim为满足负载需求的最低压力，P_low为最优压力区间下限，P_up为最优压力区间上限，P_safe为系统安全压力，P_acclim为蓄能器最低稳定工作压力；

P_low与P_up设定方法如下：

P_lo_w＝max(P^*-r,P_lo_wlim+k)·····················(9)

P_up＝min(P^*+r,P_safe)···············(10)

其中，r为根据系统特性设定的系统最优压力区间阈值；k为避免蓄能器压力P_acc低于满足负载需求的最低压力P_lowlim的压力阈值；r与k均可通过调试确定。

根据P_acc所处压力阈值，采用不同的发动机转矩范围作为约束：

(a)当P_low<P_acc<P_up时，限制变量泵排量，保证发动机工作点在高效区；

(b)当P_lowlim<P_acc<P_low时，限制变量泵排量，保证发动机转矩不超过发动机外特性转矩；步骤四：根据系统转矩与流量分配结果，进行部件控制与协调；

(1)变量泵控制器的控制过程；

如图5所示，在变量泵单独供油模式或联合供油模式下，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制，具体控制过程如下：

A1：根据液压系统中负载需求压力P_ls与变量泵压力P_pump相减获得压力差△e；

A2：将压力差△e输入PID控制器，通过PI控制器计算变量泵排量变化△V；

A3：变量泵排量变化△V再受变量泵排量变化率限制，得到实际变量泵排量变化△V’；

A4：实际变量泵排量变化△V’与上一时刻变量泵排量V_pump(k-1)相加后，受变量泵排量上限限制，输出当前时刻变量泵需求排量V_pump(k)。

(2)蓄能器断开过程中的协调控制过程，如图6所示；

当系统由蓄能器充能模式或联合供油模式进入变量泵单独供油模式时，为保证电磁开关阀15闭合断开时，系统输出流量的平滑变化，制定了蓄能器断开过程中的协调控制方法。

通过蓄能器压力P_acc变化估算蓄能器流量Q_acc，当Q_acc的绝对值小于流量阈值h时，发出控制电磁开关阀15动作的命令，并进入蓄能器断开模式；若蓄能器压力已低于负载需求压力，则跳过协调控制过程，电磁开关阀15直接断开。

蓄能器断开过程电磁开关阀15控制策略如下：

C_valve表示开关电磁开关阀控制信号，C_value＝0代表电磁开关阀断开，C_value＝1代表电磁开关阀闭合；

通过蓄能器压力P_acc变化估算蓄能器流量Q_acc为：

其中，△t为控制器步长，P_pre为蓄能器预充气体压力，V_acc为蓄能器的蓄能体积，P_acc(k-1)为上一时刻蓄能器工作压力，P_acc(k)为当前时刻蓄能器工作压力，n为气体多变指数；

如图7所示，在蓄能器断开过程中，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制，具体控制过程如下：

B1：以△e＝0-Q_acc为目标作为变量泵控制器的输入，通过PID控制器获得变量泵排量变化值△V；

B2：调整变量泵的输出流量，使蓄能器流量Q_acc向0逐渐减小，再受变量泵排量变化率限制，得到实际变量泵排量变化△V’；

B3：实际变量泵排量变化△V’与上一时刻变量泵排量V_pump(k-1)相加后，受变量泵排量上限限制，输出当前时刻变量泵需求排量V_pump(k)。

蓄能器断开过程变量泵控制策略如下：

e_k为变量泵控制器输入。

Claims (6)

1.一种装载机泵控混合动力液压系统，其特征在于：

所述系统由比例多路阀(3)、转斗油缸(6)、第一动臂油缸(7)、第二动臂油缸(8)、第一转向液压缸(9)、第二转向液压缸(10)、负荷传感转向器(11)、蓄能器(13)、电磁开关阀(15)、第二定差减压阀(16)、单向阀(17)、变量泵(19)、发动机(20)、控制器(21)、油箱(22)以及第一压力传感器(1)、第二压力传感器(12)、第三压力传感器(14)和第四压力传感器(18)组成；

所述比例多路阀(3)分别与转斗油缸(6)、第一动臂油缸(7)和个第二动臂油缸(8)管路连接；

所述发动机(20)通过传动轴与变量泵(19)连接，所述变量泵(19)进油口通过过滤器与油箱(22)连接，变量泵(19)出油口与单向阀(17)进油口相连，所述单向阀(17)的出油口油路分为三路，第一路与比例多路阀(3)相连，第二路与第二定差减压阀(16)相连，第三路与电磁开关阀(15)相连；

所述第二定差减压阀(16)的出油口与负荷传感转向器(11)的P口相连接，第二定差减压阀(16)的反馈油口与负荷传感转向器(11)的LS油口相连接；

负荷传感转向器(11)的油口分别与第一转向液压缸(9)、第二转向油缸(10)以及油箱(22)管路连接；

所述电磁开关阀(15)的一端与单向阀(17)出油口相连，另一端分别与蓄能器(13)和第三压力传感器(14)相连；

所述第一压力传感器(1)安装在比例多路阀(3)的LS油口处，第二压力传感器(12)安装在负荷传感转向器(11)的LS油口处，第四压力传感器(18)安装在变量泵(19)的出油口处；

所述控制器(21)的信号采集端分别与第一压力传感器(1)、第二压力传感器(12)、第三压力传感器(14)和第四压力传感器(18)信号连接，所述控制器(21)的控制端与变量泵(19)信号连接；

所述比例多路阀(3)为负载敏感型比例多路阀，由一个第一定差减压阀(2)分别连接一个三位四通负载敏感换向阀(4)和一个四位四通负载敏感换向阀(5)组成；

所述多路阀(3)中的三位四通负载敏感换向阀(4)控制侧两油口分别与转斗油缸(6)的有杆腔和无杆腔相连，四位四通负载敏感换向阀(5)控制侧的一个油口分别与第一动臂油缸(7)和个第二动臂油缸(8)的无杆腔相连，四位四通负载敏感换向阀(5)控制侧的另一个油口分别与第一动臂油缸(7)和个第二动臂油缸(8)的有杆腔相连，所述多路阀(3)的回油口与油箱(22)连接；

负荷传感转向器(11)的L油口与第一转向液压缸(9)的有杆腔和第二转向油缸(10)的无杆腔相连，负荷传感转向器(11)的R油口与第一转向液压缸(9)的无杆腔和第二转向油缸(10)的有杆腔相连，负荷传感转向器(11)的T口连接油箱(22)。

2.一种装载机泵控混合动力液压系统的控制方法，其特征在于：

所述控制方法具体如下：

步骤一：根据系统状态与驾驶员操作进行系统需求识别，包括驾驶员意图识别和蓄能器最优压力识别，其中，

驾驶员意图识别过程如下：

根据驾驶员油门踏板开度α，判断行走系统需求转矩T_dr；

T_dr＝αT_emax·····················(2)

其中，T_dr为行走系统需求转矩，α为油门踏板开度，T_emax为当前转速下发动机所能提供的最大扭矩；

蓄能器最优压力识别过程如下：

P_ls＝Max(P_{ls_w},P_{ls_s})·············(3)

其中，P_ls为负载需求压力，P_{ls_w}为工作液压系统需求压力，P_{ls_s}为转向系统需求压力；

设定作业段识别压力P_div，所述作业段识别压力P_div小于循环工况中铲掘段与卸料段压力且大于其它空载工作段峰值压力；

当负载需求压力P_ls高于作业段识别压力P_div时，则判定液压系统负载需求为高压工况，否则为低压工况；

根据循环工况中过去60s峰值负载压力P_lsmax与负载需求压力P_ls，实时修定蓄能器最优压力P^*，

其中，P_lsmax为过去60s峰值负载压力，P_ls为负载需求压力；

f、g分别为根据系统参数设定的压力差，保证蓄能器压力高于系统最大需求压力；

步骤二：根据系统需求与系统状态进行工作模式选择，包括工作模式划分及工作模式切换；

所述工作模式划分如下：

蓄能器充油模式下，电磁开关阀(15)导通，变量泵(19)泵出油液通过单向阀(17)后分为三路，第一路与比例多路阀(3)中的第一定差减压阀(2)相联通，液压油经比例多路阀(3)流向转斗油缸(6)、第一动臂油缸(7)和第二动臂油缸(8)所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀(16)与负荷传感转向器(11)的P口相联通，液压油经负荷传感转向器(11)流向第一转向液压缸(9)和第二转向液压缸(10)所在的转向系统；第三路通过电磁开关阀(15)与蓄能器(13)相联通，液压油经电磁开关阀(15)流向蓄能器(13)，蓄能器(13)压力升高，实现对蓄能器充油；

变量泵单独供油模式下，电磁开关阀(15)断开，变量泵(19)泵出油液通过单向阀(17)后分为两路，第一路与比例多路阀(3)中的第一定差减压阀(2)相联通，液压油经比例多路阀(3)流向转斗油缸(6)、第一动臂油缸(7)和第二动臂油缸(8)所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀(16)与负荷传感转向器(11)的P口相联通，液压油经负荷传感转向器(11)流向第一转向液压缸(9)和第二转向液压缸(10)所在的转向系统，由变量泵(19)单独向转向系统与工作液压系统供油；

联合供油模式下，电磁开关阀(15)导通，蓄能器(13)输出油液与变量泵(19)泵出油液合流后分为两路，第一路与比例多路阀(3)中的第一定差减压阀(2)相联通，液压油经比例多路阀(3)流向转斗油缸(6)、第一动臂油缸(7)和第二动臂油缸(8)所在的工作液压系统；第二路通过第二定差减压阀(16)与负荷传感转向器(11)的P口相联通，液压油经负荷传感转向器(11)流向第一转向液压缸(9)和第二转向液压缸(10)所在的转向系统，由蓄能器(13)与变量泵(19)共同向转向系统与工作液压系统供油；

所述工作模式切换如下：

在缺省状态下，系统首先进入变量泵单独供油模式；

在变量泵单独供油模式下，若同时满足以下三个条件则进入蓄能器充能模式：

①蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W<第二经济性判断阈值c；

②且负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

③蓄能器压力P_acc<蓄能器最优压力P^*减去第一压力判断阈值b；

在变量泵单独供油模式下，若同时满足以下两个条件则进入联合供油模式：

①蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls加上第二压力判断阈值d；

②负载需求压力P_ls>作业段识别压力P_div；

在蓄能器充能模式下，若满足以下条件之一则进入变量泵单独供油模式：

①负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div且蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第一经济性判断阈值a；

②负载需求压力P_ls＜作业段识别压力P_div且蓄能器压力P_acc>蓄能器最优压力P*；

③蓄能器压力P_acc<负载需求压力P_ls；

在蓄能器充能模式下，若满足以下条件则进入联合供油模式：

①负载需求压力P_ls>作业段识别压力P_div，且蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls加上第二压力判断阈值d；

在联合供油模式中，若同时满足以下三个条件则进入蓄能器充能模式：

①蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第二经济性判断阈值c；

②负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

③蓄能器压力P_acc>负载需求压力P_ls；

在联合供油模式中，若满足以下条件之一则进入变量泵单独供油模式：

①蓄能器压力P_acc<负载需求压力P_ls；

②蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W>第一经济性判断阈值a且负载需求压力P_ls<作业段识别压力P_div；

步骤三：根据所确定的工作模式，进行系统转矩及流量分配；

蓄能器充油模式下，系统转矩及流量分配如下：

变量泵目标排量为：

V_pump＝(60×1000)(T_opt-T_dr)/(9550×P_acc)·············(6)

发动机转矩为：

其中，V_pump为变量泵目标排量，T_opt为发动机经济转矩，T_dr为行走系统需求转矩，P_acc为蓄能器压力，T_e为发动机转矩，T_h为变量泵转矩；

变量泵单独供油模式下，系统转矩及流量分配如下：

以负载需求压力P_ls作为变量泵排量控制器输入，以实现调节变量泵流量Q_pump与转向系统及工作液压系统总需求流量Q_all相匹配；

联合供油模式下，系统转矩及流量分配如下：

以蓄能器最优压力P^*作为变量泵排量控制器的输入，根据P^*与P_ls设定相应压力阈值：

其中，P_ls为负载需求压力，P_lowlim为满足负载需求的最低压力，P_low为最优压力区间下限，P_up为最优压力区间上限，P_safe为系统安全压力，P_acclim为蓄能器最低稳定工作压力；

P_low与P_up设定方法如下：

P_lo_w＝max(P^*-r,P_lo_wlim+k)····················(9)

P_up＝min(P^*+r,P_safe)··························(10)

其中，r为根据系统特性设定的系统最优压力区间阈值；k为避免蓄能器压力P_acc低于满足负载需求的最低压力P_lowlim的压力阈值；r与k均可通过调试确定。

根据P_acc所处压力阈值，采用不同的发动机转矩范围作为约束：

当P_low<P_acc<P_up时，限制变量泵排量，使发动机工作点在高效区；

当P_lowlim<P_acc<P_low或P_acc>P_up时，限制变量泵排量，使发动机转矩不超过发动机外特性转矩；

步骤四：根据系统转矩与流量分配结果，进行部件控制与协调；

在变量泵单独供油模式或联合供油模式下，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制；

当系统由蓄能器充能模式或联合供油模式进入变量泵单独供油模式时，通过蓄能器压力P_acc变化估算蓄能器流量Q_acc，当蓄能器流量Q_acc的绝对值小于流量阈值h时，发出控制电磁开关阀(15)断开的动作命令，进入蓄能器断开模式；若蓄能器压力P_acc已低于负载需求压力P_ls，则电磁开关阀(15)直接断开，进入蓄能器断开模式。

3.如权利要求2所述一种装载机泵控混合动力液压系统的控制方法，其特征在于：

步骤二中，所述工作模式切换过程中，蓄能器接入系统前后负载所消耗能量之差△W作为节能效果的判定依据，获得过程如下：

其中，P_ls为负载需求压力；P_acc为蓄能器压力；Q_all为转向系统及工作液压系统总需求流量；△t为蓄能器接入系统前后的时间差；λ₁为蓄能器接入系统前的燃油效率；λ₂为蓄能器接入系统后的燃油效率；

在系统输出相同有用功的情况下，若△W>0，则表征向蓄能器中充油可降低所消耗的能量；若△W<0，则表征向蓄能器中充油会增加所消耗的能量。

4.如权利要求2所述一种装载机泵控混合动力液压系统的控制方法，其特征在于：

步骤四中，在变量泵单独供油模式或联合供油模式下，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制，具体控制过程如下：

A1：根据液压系统中负载需求压力P_ls与变量泵压力P_pump相减获得压力差△e；

A2：将压力差△e输入PID控制器，通过PI控制器计算变量泵排量变化△V；

A3：变量泵排量变化△V再受变量泵排量变化率限制，得到实际变量泵排量变化△V’；

A4：实际变量泵排量变化△V’与上一时刻变量泵排量V_pump(k-1)相加后，受变量泵排量上限限制，输出当前时刻变量泵需求排量V_pump(k)。

5.如权利要求2所述一种装载机泵控混合动力液压系统的控制方法，其特征在于：

步骤四中，通过蓄能器压力P_acc变化估算蓄能器流量Q_acc的过程如下：

其中，△t为控制器步长，P_pre为蓄能器预充气体压力，V_acc为蓄能器的蓄能体积，P_acc(k-1)为上一时刻蓄能器工作压力，P_acc(k)为当前时刻蓄能器工作压力，n为气体多变指数。

6.如权利要求2所述一种装载机泵控混合动力液压系统的控制方法，其特征在于：

在蓄能器断开过程中，变量泵控制器的控制过程采用增量式PID控制，具体控制过程如下：

B1：以△e＝0-Q_acc为目标作为变量泵控制器的输入，通过PID控制器获得变量泵排量变化值△V；

B2：调整变量泵的输出流量，使蓄能器流量Q_acc向0逐渐减小，再受变量泵排量变化率限制，得到实际变量泵排量变化△V’；

B3：实际变量泵排量变化△V’与上一时刻变量泵排量V_pump(k-1)相加后，受变量泵排量上限限制，输出当前时刻变量泵需求排量V_pump(k)。