CN115822554A

CN115822554A - 一种旋挖钻机节能控制方法

Info

Publication number: CN115822554A
Application number: CN202310057870.1A
Authority: CN
Inventors: 李桂琴; 贺子杰; 宋昊举
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2023-01-20
Filing date: 2023-01-20
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明公开一种旋挖钻机节能控制方法，其实现过程为：安装传感器，获取动力头液压马达压力及动力头液压马达流量、液压泵压力，同时通过CAN总线读取发动机转速和油门开度；根据动力头液压马达的负载确定工况，利用万有特性曲线，获得发动机的理想工作点；发动机ECU通过PID控制调节发动机转速，使发动机处于理想工作点，实现发动机输出功率与负载的匹配；发动机转速调节的同时，通过模糊PID控制调节液压泵排量，实现液压泵吸收功率和发动机输出功率的匹配。通过发动机、液压泵、负载之间的全局功率匹配关系，提升整机能量利用率，实现旋挖钻机的节能控制。

Description

一种旋挖钻机节能控制方法

技术领域

本发明涉及旋挖钻机技术领域，尤其涉及一种旋挖钻机节能控制方法。

背景技术

旋挖钻机是一种高度集成的桩基施工机械，广泛运用于铁路、公路桥梁、市政建设、高层建筑等地基础钻孔灌注桩工程。在旋挖钻机的钻孔作业过程中，由于旋挖钻机的工作环境恶劣，负载变化大，会带来发动机转速及功率的波动，使发动机无法稳定运行在经济工作区，导致液压泵吸收功率与发动机输出功率不匹配，产生大量的溢流损失。同时原有发动机与液压泵的控制方式导致大量的能量损失，包括：发动机的能量损失、发动机与液压系统功率匹配不好而引起的损失多路阀的溢流损失和节流损失。因此需要根据不同工况负载对发动机的工作点进行调整以发挥其动力性和经济性，同时调整液压泵的排量实现液压泵吸收功率与发动机输出功率的匹配，提升整机能量利用率。

现有技术中，大部分都是单独考虑控制发动机与液压泵的功率匹配或者液压泵与负载的匹配，并没有考虑到发动机、液压泵、负载之间的相互影响，从而造成节能效果不佳的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中旋挖钻机在钻孔作业过程中节能不佳的缺陷，提供一种旋挖钻机节能控制方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种旋挖钻机节能控制方法，所述旋挖钻机节能控制方法包括：

S1：安装传感器获取实时数据：在动力头液压马达处安装压力传感器和流量传感器，获取实时动力头液压马达压力和动力头液压马达流量；在液压泵出口处安装压力传感器，获取液压泵压力；同时，通过旋挖钻机CAN总线获取油门开度和发动机转速；

S2：根据机动力头液压马达的负载确定工况，并以当前工况确定发动机输出功率，对照万有特性曲线确定转速n、扭矩M，获得发动机理想工作点；

S3：发动机ECU根据得出的发动机理想工作点设置油门标定值，通过PID控制调节发动机转速；发动机ECU通过获取发动机转速信号，实现对发动机转速的反馈控制，使发动机处于理想工作点，实现发动机输出功率与负载的匹配；

S4：通过模糊PID控制算法，获得控制液压泵比例阀的最佳调节参数，输出比例阀控制电流，控制变量缸的比例阀的开口度大小，改变变量缸的驱动压力大小和方向，以实现发动机输出功率与液压泵吸收功率的实时匹配。

进一步地，还包括判断所述动力头液压马达压力与第一负载限定值、第二负载限定值大小关系以确定工况，其中，第一负载限定值小于第二负载限定值；

当动力头液压马达压力小于第一负载限定值时，处于怠速空载工况，发动机输出功率设置为最小发动机输出功率；

当动力头液压马达压力大于或等于第一负载限定值小于第二负载限定值时，处于轻载或中载工况，根据发动机最佳油耗线确定发动机理想工作点；

当动力头液压马达压力大于或等于第二负载限定值时，处于重载工况，发动机功率设置为最大发动机输出功率。

进一步地，在根据负载控制发动机转速的同时，也根据发动机转速控制液压泵排量，实现发动机、液压泵、负载的全局功率匹配。

本发明的积极进步效果在于：根据动力头液压马达处的压力判断旋挖钻机此时所处的工况，并以当前工况确定发动机的理想工作点，通过PID控制系统调节发动机的转速，使得发动机处于理想工作点，实现了发动机输出功率与负载的匹配；同时，通过PID控制系统调节液压泵，使液压泵完全吸收发动机的输出功率，实现了发动机输出功率与液压泵的吸收功率的匹配，这样发动机、液压泵、负载三者之间都实现了功率匹配，旋挖钻机能量利用率得到提高，节能效果更佳。

附图说明

图1为本申请一实施例的旋挖钻机节能控制方法的流程示意图；

图2为本申请一实施例的发动机理想工作点确定方法的流程示意图；

图3为本申请一实施例的PID控制的流程示意图；

图4为本申请一实施例的发动机与液压系统转换流程示意图；

图5为本申请一实施例的PID控制的另一流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在实施例范围之中。

如图1-5所示，一种旋挖钻机节能控制方法，包括以下步骤：

S1：在动力头液压马达处安装压力传感器和流量传感器，获取实时动力头液压马达压力p_mi和动力头液压马达流量Q_mi，从而求出实时动力头液压马达总功率N_m:

式中，n为动力头液压马达数量。

在液压泵出口处安装压力传感器，获取液压泵压力P_p；同时，通过旋挖钻机CAN总线获取油门开度

和发动机转速n_e。

S2：在旋挖钻机工作时，根据动力头液压马达的不同的负载进行工况的判断。经过负载反馈系统传递到发动机ECU，使之根据动力头液压马达总功率N_m的不同选择相应的功率模式，以此调节发动机的油门开度，来达到理想工作点。

如图2所示，第一负载限定值为p₁，第二负载限定值为p₂，其中，第一负载限定值p₁小于第二负载限定值p₂。当检测到的负载小于p₁时，认为是怠速空载工况；当检测到的负载在p₁与p₂之间，认为是轻载或中载工况；当检测到的负载大于p₂时，认为是重载工况。

当旋挖钻机处于怠速空载工况，动力头液压马达处的压力传感器检测的压力小于p₁，此时发动机输出功率只需满足旋挖钻机正常工作的最低负荷要求，发动机功率输出最小；当旋挖钻机处于轻载或中载工况，此时根据发动机的万有特性曲线可得，在其工作范围内的任何状态下都有最佳的工作点使系统在该点的工作效率最高，节能效果最好，所有点连接起来能形成一条随负载变化的最佳油耗线，按照最佳油耗线即可获得发动机理想工作点；当旋挖钻机处于重载工况时，动力头液压马达处的压力传感器检测的压力大于等于p₂，此时发动机的功率设置为其允许的最大功率点，发动机转速达到最大。

S3：如图3所示，对于发动机的控制可以简化为一个比例+积分+纯滞后的系统，用PID控制来进行调节。在此系统中，控制器将从油门位置传感器检测获得的油门实际值

与理想工作点的油门标定值

进行比较，从而控制发动机的转速。

PID控制将给定值与实际输出值的偏差，通过比例(P)、积分(I)、微分(D)的线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。其方程式为：

式中，e(t)为目标转速与实际转速的偏差；u(t)为目标控制量；K_P为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数。

由于要控制的是执行机构的增量，因此可采用增量式算法，并且发动机是一个非线性的控制对象，因此控制中积分环节的应用会造成过程开始、结束或者变化时，系统输出有大幅度的偏差，同时也容易造成积分积累，引起系统的超调，从而引起系统振荡，造成对发动机的损害，因此采用积分分离算法。在大偏差时减少甚至屏蔽掉积分作用，避免出现超调，而在小偏差的时候，加大积分作用，以便消除静差，提高控制精度。其控制模型为：

式中，e(k)为目标值与实际值的偏差；u(k)为目标控制量；K_P为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数；α为加权系数，0≤α≤1，可根据偏差大小取值,改变积分作用大小。

S4：如图4-图5所示，在发动机进行转速控制的同时，通过控制液压泵的比例阀的最佳调节参数，输出比例阀控制电流，调节变量缸的比例阀的开口度大小，改变变量缸的驱动压力大小和方向，实现排量随着发动机转速变化而变化，完全吸收发动机的功率，实现发动机的输出功率与液压泵的吸收功率的匹配。

发动机的输出功率N_e为

N_e＝M_en_e (4)

式中，M_e为发动机输出扭矩，n_e为发动机转速。

液压泵的吸收功率N_p为

N_p＝p_pQ_p＝p_pV_pn_p＝M_pn_p (5)

式中，P_p为液压泵出口压力，Q_p为液压泵输出流量，V_p为液压泵排量，n_p为液压泵转速，M_p为液压泵吸收扭矩。

如图4所示，由于发动机输出轴与液压泵轴直接通过联轴器刚性相连，所以n_e＝n_p，若不考虑机械传动的效率且M_e＝M_p时，发动机输出功率N_e与液压泵吸收功率N_p相等，系统无功率损失。当负载变化时，n_e和P_p随之变化，实时调整液压泵排量V_p，使其吸收扭矩，始终匹配发动机输出扭矩，就可实现发动机与液压泵的功率匹配。

旋挖钻机钻孔作业的发动机-液压泵系统是时变的、大滞后非线性的复杂系统，建立满足适时调节性能的系统控制调节数学模型非常困难，而系统的功率匹配过程需要随动调节。

如图5所示，采用模糊PID控制的方法，实现液压泵排量调节，得到发动机-液压泵模糊控制系统的框图。

通过分析旋挖钻机动力系统的工作原理，选择二维模糊控制器，输入量有两个，一个是实际值与设定值的差值，另一个是本次偏差相对于上一次偏差的变化量，经过模糊化、控制规则的推理、模糊量的清晰化输出所需控制量，由此可得输入以及输出量之间的关系如下：

u(k)＝k_p·e(k)+k_I·ec(k)+k_D·[ec(k)-ec(k-1)]+u(k-1) (6)

式中，u(k)为控制器的输出值；e(k)为控制电流偏差；ec(k)为控制电流偏差增量；k_p为比例系数；k_I为积分系数；k_D为微分系数。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种旋挖钻机节能控制方法，所述旋挖钻机节能控制方法为旋挖钻机在役运行时发动机输出功率和液压泵吸收功率匹配控制，其特征在于，步骤如下：

S4：通过模糊PID控制算法，获得控制液压泵比例阀的最佳调节参数，输出液压泵比例阀控制电流，控制变量缸比例阀的开口度大小，改变变量缸的驱动压力大小和方向，以实现发动机输出功率与液压泵吸收功率的实时匹配。

2.根据权利要求1所述的一种旋挖钻机节能控制方法，其特征在于，S2中，还包括判断所述动力头液压马达压力与第一负载限定值、第二负载限定值大小关系以确定工况，其中，第一负载限定值小于第二负载限定值；

3.根据权利要求1所述的一种旋挖钻机节能控制方法，其特征在于：

在根据负载控制发动机转速的同时，也根据发动机转速控制液压泵排量，实现发动机、液压泵、负载的全局功率匹配。