CN111237068B - 一种提高装载机功率利用率的控制方法 - Google Patents

一种提高装载机功率利用率的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高装载机功率利用率的控制方法，该控制方法利用电喷柴油发动机具有循环供油量可控特性，控制其不同供油量使发动机拥有多条外特性曲线，在装载机的发动机ECU内预置三条具有功率级差的外特性曲线，将装载机的循环作业按负载大小分为重载、标准和空载三种工况，以车速、工作泵压力、转斗油缸压力和动臂油缸压力作为识别信号，通过作业工况识别系统识别判断装载机实时的作业工况，根据不同的作业工况，控制发动机ECU选择合适的外特性曲线来工作，从而提高发动机的功率利用率，降低装载机的燃油消耗率，提高装载机的经济性。

Description

一种提高装载机功率利用率的控制方法
技术领域
本发明涉及装载机控制技术领域，具体涉及一种提高装载机功率利用率的控制方法。
背景技术
发动机的功率曲线一般是指发动机的外特性曲线，发动机的功率曲线必须与负载合理匹配，才能提高发动机功率的利用率，降低燃油消耗。
循环作业是装载机最典型的作业形式，装载机的一个完整循环作业一般包括空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料和空载后退五个阶段，毎个阶段的负载都不相同，对发动机的功率需求呈现明显的阶梯性和周期性。其中铲装阶段所需功率最大，空载前进和空载后退两个阶段所需功率最小，带载后退和带载前进卸料两个阶段所需功率处于两者之间。
目前，装载机发动机的功率是根据铲装阶段所需最大功率进行匹配设计，但在其它作业阶段中，发动机都处于部分负荷状态，存在功率损失，降低了燃油经济性。鉴于这种匹配存在功率损失，若在不同作业阶段按功率需求匹配不同额定功率的发动机，则既能满足作业要求，又能提高发动机的功率利用率，从而提升装载机的燃油经济性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种提高装载机功率利用率的控制方法，通过该控制方法，使得装载机在不同作业阶段的功率需求与发动机匹配更合理，在提高发动机功率利用率的同时降低装载机的燃油消耗率，提高装载机的经济性。
技术方案：本发明所述的一种提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在发动机ECU内预置三条外特性曲线，分别为动力曲线、标准曲线和经济曲线；
(2)将装载机的循环作业按负载大小分为重载、标准和空载三种工况；
(3)将车速、工作泵压力、转斗油缸压力和动臂油缸压力作为识别信号，根据预设的规则识别装载机所处的工况；
(4)根据不同的工况控制发动机ECU选择对应的外特性曲线工作；其中，当为重载工况时，选择动力曲线；当为标准工况时，选择标准曲线；当为空载工况时，选择经济曲线。
其中，所述步骤(2)中，装载机的循环作业具有空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料和空载后退五个作业阶段；其中，铲装作业阶段为重载工况，带载后退和带载前进卸料作业阶段为标准工况，空载前进和空载后退作业阶段为空载工况。
所述步骤(3)中，预设的规则包括按照如下步骤对装载机循环工况作业阶段进行识别并判断其处在的工况：
(3.1)对装载机循环工况作业阶段进行识别；
采集装载机作业时工作泵、转斗油缸和动臂油缸的实时压力数据，并获取实时车速和挡位信号数据；
以实时压力数据和实时车速数据建立特征向量；
结合挡位信号数据，将特征向量和各作业阶段的标准特征向量中的对应元素做距离运算，当距离最小时，判断装载机处于该标准特征向量所处于的作业阶段；
(3.2)对作业阶段的识别进行校正；
根据当前识别的作业阶段和前一个识别的作业阶段，并结合循环工况作业阶段顺序，对当前作业阶段进行校正，并输出校正后的作业阶段；
(3.3)根据识别的作业阶段判断装载机所处的工况。
其中，所述步骤(3.1)中，装载机循环工况作业阶段的标准特征向量的建立方法包括：
以标准操作规程沿着相同路径操作装载机进行循环装载作业，同时采集工作泵、转斗油缸和动臂油缸的压力数据，并同步获取车速数据；
采集得到的压力数据去除奇异点并滤波，然后将每次的循环工况数据按空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料和空载后退分为五个作业阶段，再将每个阶段内的压力数据和速度数据取均值并归一化处理，使其线性调整到[0，1]，归一化具体公式为
Figure BDA0002393420070000031
式中：f为处理前的数据；
Figure BDA0002393420070000032
为处理后的数据；fmax为同名称作业阶段速度最大值和同名称作业阶段、同位置处压力最大值；fmin为同名称作业阶段速度最小值和同名称作业阶段、同位置处压力最小值；
归一化后，记每个作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]；
式中，b代表工作泵，d代表动臂油缸，z代表转斗油缸；i＝1，2…5，其中，1代表空载前进，2代表铲装，3代表带载后退，4代表带载前进卸料，5代表空载后退段；Pbi为各作业阶段的工作泵压力，Pdi为各作业阶段的动臂油缸压力，Pzi为各作业阶段转斗油缸压力，Vi为各作业阶段的速度；Pbi、Pdi、Pzi和Vi的值由公式(1)处理后的数据取均值确定。
而建立特征向量是将各监测点的实时压力数据和实时车速数据滤波、取均值再归一化处理，然后建立特征向量，记T＝[tb，td，tz，tv]；
式中，tb为实时的工作泵压力，td为实时的动臂油缸压力，tz为实时的转斗油缸压力，tv为实时的装载机速度。
在识别装载机的作业阶段时，当挡位信号为前进挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝1，2，4中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝1，2，4 (2)
式中，S表示作业阶段特征向量T与作业阶段标准特征向量X的贴近程度；
若特征向量T与i＝1时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载前进阶段；
若特征向量T与i＝2时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于铲装阶段；
若特征向量T与i＝4时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于带载前进卸料阶段。
当挡位信号为倒挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝3，5中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝3，5 (3)
若特征向量T与i＝3时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于带载后退阶段；
若特征向量T与i＝5时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载后退阶段。
所述步骤(3.2)中，当前识别为空载前进，前一个识别为带载后退，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为空载前进，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为空载前进，前一个识别为带载前进卸料，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为空载后退，前一个识别为带载后退，则校正当前识别为带载后退；
当前识别为空载后退，前一个识别为铲装，则校正当前识别为带载后退；
当前识别为铲装，前一个识别为带载后退，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为带载前进卸料，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为带载前进卸料，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为带载前进卸料，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为带载前进卸料，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为带载后退，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为带载后退，前一个识别为带载前进卸料，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为带载后退，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载后退。
进一步的，该控制方法还包括在识别装载机所处的工况后，进行识别校正的步骤。
具体的，所述的识别校正的步骤包括：当识别当前为空载工况，且前一工况为重载工况时，校正当前为标准工况；当识别当前为重载工况，且前一工况为标准工况时，校正当前为空载工况；当识别当前为标准工况，且前一工况为空载工况时，校正当前为重载工况。
有益效果：该控制方法利用电喷柴油发动机具有循环供油量可控特性，控制其不同供油量使发动机拥有多条外特性曲线，在装载机的发动机ECU内预置三条具有功率级差的外特性曲线，将装载机的循环作业按负载大小分为重载、标准和空载三种工况，以车速、工作泵压力、转斗油缸压力和动臂油缸压力作为识别信号，通过作业工况识别系统识别判断装载机实时的作业工况，根据不同的作业工况，控制发动机ECU选择合适的外特性曲线来工作，从而提高发动机的功率利用率，降低装载机的燃油消耗率，提高装载机的经济性。
附图说明
图1是本发明控制方法的控制结构示意图；
图2是本发明中发动机ECU内预置的三条外特性曲线；
其中：1-动力曲线，2-标准曲线，3-经济曲线；
图3是本发明中作业阶段的识别步骤和校正步骤的流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1，一种提高装载机功率利用率的控制方法，采集车速、工作泵压力、转斗油缸压力和动臂油缸压力信号作为识别信号，利用作业工况识别系统，识别出装载机循环作业过程中的重载工况、标准工况和空载工况，并据此选择对应的外特性曲线，实现提高发动机的功率利用率，降低装载机的燃油消耗率的目的。
具体的，如图2所示，根据装载机循环作业的试验数据统计，可以相应地编写出适应作业工况的发动机功率曲线，设计具有一定功率级差的外特性曲线，分别为动力曲线1，标准曲线2和经济曲线3，将三条外特性曲线存储在装载机发动机ECU中。
将装载机循环作业中的空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料和空载后退五个作业阶段，按负载大小分为重载、标准和空载三种工况。其中铲装阶段属于重载工况，带载后退和带载前进卸料阶段属于标准工况，空载前进和空载后退属于空载工况。
以车速、工作泵压力、转斗油缸压力和动臂油缸压力作为识别信号，判断装载机所处的作业阶段，并据此识别出装载机所处的实时工况。其中工作泵压力传感器装在工作泵出口处，转斗油缸压力传感器装在转斗无杆腔油路上，动臂油缸压力传感器装在动臂无杆腔油路上。
循环工况试验以装载机铲装原生土、大石方、松散土、小石方和半湿土各20斗，总计100斗进行，采用“V”型装载、分层铲装的作业方式，按空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料、空载后退“五”段循环方式进行。试验由1名操作熟练的驾驶员按照标准操作规范，遵循相同的路线进行装载作业，尽量保证循环作业的一致性，前进后退末段尽可能通过调节油门开度控制车速，减少制动过程。在装载机工作泵出口、动臂无杆腔和转斗无杆腔处安装压力传感器，车速和挡位信号数据从装载机的CAN-Bus总线处读取，以采样频率为1KHz进行数据采集。利用采集的数据建立装载机循环工况作业阶段的标准特征向量，预存在作业工况识别系统内。
结合图3所示，装载作业时，每0.5秒采集一次数据，数据经过滤波和预处理后，传输至作业工况识别系统。利用采集的数据建立特征向量，结合挡位信号数据，将特征向量和各作业阶段的标准特征向量中的对应元素做距离运算，当距离最小时，判断装载机处于该标准特征向量所处于的作业阶段，并根据校正规则对作业阶段的识别进行校正。
当作业工况识别系统识别出装载机处于铲装阶段，即重载工况，发出控制信号给发动机ECU，控制发动机选择动力曲线1工作；当识别系统识别出装载机处于带载后退或带载前进卸料阶段，即装载机处于标准工况，发出控制信号给发动机ECU，控制发动机选择标准曲线2工作；当识别系统识别出装载机处于空载前进和空载后退阶段，即装载机处于空载工况，发出控制信号给发动机ECU，控制发动机选择经济曲线3工作。
由于装载机作业情况负载多变，不可避免会出现误识别，本发明基于装载工作的动作顺序建立一个识别校正系统，对识别的结果进行优化。规则如下：
规则一：IF识别当前为空载工况，AND前一工况为重载工况，THEN校正当前为标准工况；
规则二：IF识别当前为重载工况，AND前一工况为标准工况，THEN校正当前为空载工况；
规则三：IF识别当前为标准工况，AND前一工况为空载工况，THEN校正当前为重载工况。

Claims (8)

1.一种提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在发动机ECU内预置三条外特性曲线，分别为动力曲线、标准曲线和经济曲线；
(2)将装载机的循环作业按负载大小分为重载、标准和空载三种工况；
(3)将车速、工作泵压力、转斗油缸压力和动臂油缸压力作为识别信号，根据预设的规则识别装载机所处的工况；
(4)根据不同的工况控制发动机ECU选择对应的外特性曲线工作；其中，当为重载工况时，选择动力曲线；当为标准工况时，选择标准曲线；当为空载工况时，选择经济曲线；所述步骤(2)中，装载机的循环作业具有空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料和空载后退五个作业阶段；其中，铲装作业阶段为重载工况，带载后退和带载前进卸料作业阶段为标准工况，空载前进和空载后退作业阶段为空载工况；所述步骤(3)中，预设的规则包括按照如下步骤对装载机循环工况作业阶段进行识别并判断其处在的工况：
(3.1)对装载机循环工况作业阶段进行识别；
采集装载机作业时工作泵、转斗油缸和动臂油缸的实时压力数据，并获取实时车速和挡位信号数据；
以实时压力数据和实时车速数据建立特征向量；
结合挡位信号数据，将特征向量和各作业阶段的标准特征向量中的对应元素做距离运算，当距离最小时，判断装载机处于该标准特征向量所处于的作业阶段；
(3.2)对作业阶段的识别进行校正；
根据当前识别的作业阶段和前一个识别的作业阶段，并结合循环工况作业阶段顺序，对当前作业阶段进行校正，并输出校正后的作业阶段；
(3.3)根据识别的作业阶段判断装载机所处的工况。
2.根据权利要求1所述的提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，所述步骤(3.1)中，装载机循环工况作业阶段的标准特征向量的建立方法包括：
以标准操作规程沿着相同路径操作装载机进行循环装载作业，同时采集工作泵、转斗油缸和动臂油缸的压力数据，并同步获取车速数据；
采集得到的压力数据去除奇异点并滤波，然后将每次的循环工况数据按空载前进、铲装、带载后退、带载前进卸料和空载后退分为五个作业阶段，再将每个阶段内的压力数据和速度数据取均值并归一化处理，使其线性调整到[0，1]，归一化具体公式为
Figure FDA0003569960130000021
式中：f为处理前的数据；
Figure FDA0003569960130000022
为处理后的数据；fmax为同名称作业阶段速度最大值和同名称作业阶段、同位置处压力最大值；fmin为同名称作业阶段速度最小值和同名称作业阶段、同位置处压力最小值；
归一化后，记每个作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]；
式中，b代表工作泵，d代表动臂油缸，z代表转斗油缸；i＝1，2…5，其中，1代表空载前进，2代表铲装，3代表带载后退，4代表带载前进卸料，5代表空载后退段；Pbi为各作业阶段的工作泵压力，Pdi为各作业阶段的动臂油缸压力，Pzi为各作业阶段转斗油缸压力，Vi为各作业阶段的速度；Pbi、Pdi、Pzi和Vi的值由公式(1)处理后的数据取均值确定。
3.根据权利要求2所述的提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，建立特征向量是将各监测点的实时压力数据和实时车速数据滤波、取均值再归一化处理，然后建立特征向量，记T＝[tb，td，tz，tv]；
式中，tb为实时的工作泵压力，td为实时的动臂油缸压力，tz为实时的转斗油缸压力，tv为实时的装载机速度。
4.根据权利要求3所述的提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，识别装载机的作业阶段时，当挡位信号为前进挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝1，2，4中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝1，2，4 (2)
式中，S表示作业阶段特征向量T与作业阶段标准特征向量X的贴近程度；
若特征向量T与i＝1时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载前进阶段；
若特征向量T与i＝2时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于铲装阶段；
若特征向量T与i＝4时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于带载前进卸料阶段。
5.根据权利要求4所述的提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，当挡位信号为倒挡时，将作业阶段特征向量T＝[tb，td，tz，tv]与作业阶段标准特征向量X＝[Pbi，Pdi，Pzi，Vi]，i＝3，5中的对应元素按下式做距离运算，即
S＝|tb-Pbi|+|td-Pdi|+|tz-Pzi|+|tv-Vi| i＝3，5 (3)
若特征向量T与i＝3时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于带载后退阶段；
若特征向量T与i＝5时的标准特征向量X距离最小，则判断装载机处于空载后退阶段。
6.根据权利要求5所述的提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，当前识别为空载前进，前一个识别为带载后退，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为空载前进，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为空载前进，前一个识别为带载前进卸料，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为空载后退，前一个识别为带载后退，则校正当前识别为带载后退；
当前识别为空载后退，前一个识别为铲装，则校正当前识别为带载后退；
当前识别为铲装，前一个识别为带载后退，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为带载前进卸料，则校正当前识别为带载前进卸料；
当前识别为铲装，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为带载前进卸料，前一个识别为铲装，则校正当前识别为铲装；
当前识别为带载前进卸料，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为带载前进卸料，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载前进；
当前识别为带载后退，前一个识别为空载后退，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为带载后退，前一个识别为带载前进卸料，则校正当前识别为空载后退；
当前识别为带载后退，前一个识别为空载前进，则校正当前识别为空载后退。
7.根据权利要求1所述的提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，还包括在识别装载机所处的工况后，进行识别校正的步骤。
8.根据权利要求7所述的提高装载机功率利用率的控制方法，其特征在于，所述的识别校正的步骤包括：当识别当前为空载工况，且前一工况为重载工况时，校正当前为标准工况；当识别当前为重载工况，且前一工况为标准工况时，校正当前为空载工况；当识别当前为标准工况，且前一工况为空载工况时，校正当前为重载工况。
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