液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能控制研究

1、中南大學(xué)碩士學(xué)位論文液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能控制研究姓名：紀(jì)云鋒申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)教師：陳欠根20040622中南大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要液壓挖掘機(jī)是一種大功率設(shè)備，其節(jié)能性的好壞直接影響了設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。本文主要研究挖掘機(jī)的節(jié)能性，使其動(dòng)力系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)上減少功率損失，最終達(dá)到提高系統(tǒng)效率、節(jié)約燃油的目的。本文首先綜述了國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制的發(fā)展現(xiàn)狀，并對當(dāng)前所采用的節(jié)能控制方法進(jìn)行了總結(jié)：為進(jìn)行節(jié)能控制研究，建立了基于總線技術(shù)的挖掘機(jī)電子節(jié)能控制系統(tǒng)；然后對挖掘機(jī)在不同工況下工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制進(jìn)行了研究，采用轉(zhuǎn)速和油門位置雙閉環(huán)改進(jìn)控制及負(fù)載前饋控

2、制方法，將一個(gè)與負(fù)載成比例的信號前饋到控制系統(tǒng)的輸入端，補(bǔ)償抑制負(fù)載變化對控制輸出的影響，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持在某一允許范圍內(nèi)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在某一指定的工況；針對柴油機(jī)經(jīng)常因特性的變化而導(dǎo)致負(fù)載扭矩超載的現(xiàn)象，采取了功率極限控制，既可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)失速停車，也可以取消功率儲(chǔ)備，充分利用柴油機(jī)額定功率；最后將發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵及負(fù)載作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)全局功率匹配方案，并提出區(qū)間功率匹配控制方法，改變了以往動(dòng)力系統(tǒng)靜態(tài)模式設(shè)定的缺點(diǎn)，使挖掘機(jī)在最佳節(jié)能區(qū)間內(nèi)工作。關(guān)鍵詞液壓挖掘機(jī)，節(jié)能控制，轉(zhuǎn)速控制，功率極限控制，區(qū)間功率匹配！墮盔堂亟主堂垡鯊塞壘曼！墾壘！曲，血，蚯如，仃也印出唱

3、缸，工，遠(yuǎn)，巾，色，唱髓：；缸；原創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我共同工作的同志對本研究所作的貢獻(xiàn)均已在在論文中作了明確的說明。作者簽名：縫立斃爭日期：挫年月絲日關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說明本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文；學(xué)?？筛鶕?jù)國家或湖南省有關(guān)

4、部門規(guī)定送交學(xué)位論文。作者簽名：導(dǎo)師簽名堡整竺日期：邋年月旦日主壹奎堂堡主堂焦絲苧蔓二！垡魚第章緒論課題來源及選題的目的和意義課題來源本課題來源于國家“挖掘機(jī)機(jī)電體化及制造信息化”，課題編號。選題的目的和意義挖掘機(jī)以其應(yīng)用廣泛、創(chuàng)造價(jià)值高而在工程機(jī)械中占據(jù)著首要地位，是土石方開挖的主要施工機(jī)械，在能源、交通、農(nóng)田水利、城鎮(zhèn)建設(shè)，以及現(xiàn)代化軍事工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，其國內(nèi)擁有量越來越大，近幾年以超過的速度快速增長，年我國產(chǎn)量突破臺，預(yù)計(jì)今后到年，中國將成為世界上最大的挖掘機(jī)市場和產(chǎn)地【】【。同時(shí)我國挖掘機(jī)行業(yè)整體水平相對落后、制造工藝水平低、技術(shù)條件差，加上挖掘機(jī)作業(yè)條件比較惡劣，載荷變化

5、大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常偏離低油耗工作區(qū)，造成燃油利用率不高，機(jī)器性能得不到充分發(fā)揮，加上液壓系統(tǒng)的消耗使得整個(gè)系統(tǒng)能量損失更為嚴(yán)重。目前我國正在進(jìn)行大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，液壓挖掘機(jī)雖能進(jìn)行大功率、高靈敏度的各種作業(yè)，但其能量的總利用率不到【，巨大的能量損失使得節(jié)能技術(shù)成為衡量液壓挖掘機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。機(jī)電一體化作為一項(xiàng)高新技術(shù)，它的迅速發(fā)展給挖掘機(jī)帶來了新的技術(shù)變革。國外從上世紀(jì)年代中期就開始將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于挖掘機(jī)上【”。進(jìn)入年代后，美、曰、德等國在液壓系統(tǒng)節(jié)能的基礎(chǔ)上【】【】，紛紛研制電子節(jié)能的液壓挖掘機(jī)【】【”。如日本小松公司開發(fā)研制的節(jié)能控制器，可使其燃油節(jié)省，日立公司對型挖掘機(jī)的動(dòng)

6、力系統(tǒng)實(shí)行電子控制，使其燃料消耗降低。在年代末期，出現(xiàn)了三檔功率預(yù)選模式的節(jié)能控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)平均節(jié)能效果提高左右。采用發(fā)動(dòng)機(jī)泵復(fù)合控制系統(tǒng)的新式挖掘機(jī)，其燃油效率提高左右；其后日立的電子負(fù)載傳感中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論系統(tǒng)，以及德國利勃海爾公司在年推出的具有最新機(jī)電一體化技術(shù)的型挖掘機(jī)，可獲得全部的液壓功率，起到較好的節(jié)能效果；美國卡特彼勒公司推出的系列，具有電子監(jiān)控和節(jié)能裝置的挖掘機(jī)，能夠平衡發(fā)動(dòng)機(jī)功率和泵的輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的轉(zhuǎn)換為液壓能。目前，以微機(jī)或微處理器為核心的電子控制系統(tǒng)在國外液壓挖掘機(jī)中應(yīng)用相當(dāng)普及，并已成為現(xiàn)代高性能液壓挖掘機(jī)不可缺少的組成部分。而我國目前挖掘機(jī)技術(shù)仍處

7、在很低的水平，在這種情況下，國內(nèi)一些挖掘機(jī)生產(chǎn)廠除了采取與國外合資的形式外，主要靠引進(jìn)國外先進(jìn)的液壓元件，使國內(nèi)生產(chǎn)的一些挖掘機(jī)技術(shù)水平得到一定的提高，但在最新技術(shù)上與國外相比還存在較大的差距。在節(jié)能、舒適性、降噪、低污染、施工質(zhì)量以及生產(chǎn)率等指標(biāo)上都不同程度地落后于國外先進(jìn)水平年，主要原因是在許多先進(jìn)技術(shù)（如微電子機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用等方面）存在著差距。電控節(jié)能技術(shù)作為挖掘機(jī)機(jī)電一體化的個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過計(jì)算機(jī)對監(jiān)測到的挖掘機(jī)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析運(yùn)算，再去控制挖掘機(jī)的狀態(tài)，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)利用率，減小液壓系統(tǒng)功率損失，使動(dòng)力系統(tǒng)和負(fù)載所需功率更好地匹配。同時(shí)降低使用成本，提高了可靠性，在現(xiàn)代化建設(shè)的今天，

8、有著重要的意義。國外挖掘機(jī)機(jī)電一體化節(jié)能控制概況針對挖掘機(jī)的巨大能量損失，國外各大公司的挖掘機(jī)產(chǎn)品均不同程度地配備了電子節(jié)能控制系統(tǒng)，如德國公司的泵管理系統(tǒng)（）、美國卡特皮勒的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制（）系統(tǒng)、日本同立的發(fā)動(dòng)機(jī)控制（）和泵閥控制（）系統(tǒng)、小松的泵發(fā)動(dòng)機(jī)相互控制（）和閉心式負(fù)載傳感系統(tǒng)（）、加藤的自動(dòng)功率輸出控制（）系統(tǒng)、神鋼的人工智能控制系統(tǒng)（）；韓國大宇的電子功率優(yōu)化系統(tǒng)（）、現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)輔助動(dòng)力優(yōu)化選擇（）系統(tǒng)、沃爾沃的先進(jìn)控制系統(tǒng)（）等】。其中以日立和小松為代表的電子控制系統(tǒng)的發(fā)展，使挖掘機(jī)整機(jī)控制達(dá)到比較完善的水平，也顯示了其各自的不同特點(diǎn)，代表了當(dāng)前液壓挖掘機(jī)電子控制發(fā)展的

9、兩大方向?！啊D和表一分別所示為小松和日立公司節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。綜合國外各電子控制系統(tǒng)，挖掘機(jī)電子節(jié)能控制主要是針對發(fā)動(dòng)機(jī)控制系！塑奎蘭嬰圭堂焦堡塞一塑二蘭堂統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機(jī)控制系統(tǒng)。液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)展到今天，都是上述各系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，即復(fù)合控制系統(tǒng)。體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵功率匹配、液壓泵與負(fù)載匹配以及發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)負(fù)載工況變化上。目前國外所采用的主要節(jié)能控制技術(shù)總結(jié)如下：（）分工況控制挖掘機(jī)作業(yè)內(nèi)容廣，使用方式和要求也不同。為了適應(yīng)不同作業(yè)和使用工況，滿足人們的使用愿望，就要進(jìn)行分工況控制，根據(jù)作業(yè)和使用要求來對發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，控制發(fā)

10、動(dòng)機(jī)油門開度和液壓泵排量。控制方格壘液壓控制電子最一發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合控制電子系統(tǒng)化控制節(jié)能效果譚過選擇不同操垂然辮撼黟盔瓣瓣瓣熬黼般蕊彰：妥羹縫囂圖小松節(jié)能技術(shù)發(fā)展概況表日立挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展時(shí)間優(yōu)化液壓電子載荷傳感電子總控系統(tǒng)基于技術(shù)系統(tǒng)系統(tǒng)電子調(diào)速系統(tǒng)挖掘系統(tǒng)（）系統(tǒng)（）（）改變轉(zhuǎn)速對功計(jì)算機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)對車輛的全部因?yàn)樽詣?dòng)減率進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)一泵控制系統(tǒng)，能動(dòng)力系統(tǒng)采取速及發(fā)動(dòng)機(jī)方法及動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速獲得最高的工作效了綜合的電子轉(zhuǎn)速控制，燃效果控制。提高作業(yè)率和降低燃油消耗控制，操作簡油消耗減少量，節(jié)省燃油。量和噪聲程度。便、效率高。了。料辯唰箍中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論目前國外挖掘機(jī)都有動(dòng)力模式和作

11、業(yè)模式選擇功能，動(dòng)力模式主要是對發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵進(jìn)行功率設(shè)定，作業(yè)模式主要是對操作閥進(jìn)行控制，確定和控制通過操縱閥的流量。如：日立系統(tǒng)有四個(gè)動(dòng)力選擇模式及四種作業(yè)模式；小松系列挖掘機(jī)、加藤挖掘機(jī)、沃爾沃系統(tǒng)的種工作模式；大宇挖掘機(jī)的三種動(dòng)力模式和日本神鋼挖掘機(jī)的三種操作模式、系列有三種動(dòng)力模式可供選擇，每種模式下還有檔速度可以選擇。（）轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制柴油機(jī)在不同的環(huán)境和工況下，特性是不一樣的，尤其在最大功率點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)因柴油機(jī)特性的變化而使負(fù)載扭矩超載，造成轉(zhuǎn)速急劇下降直至熄火的現(xiàn)象。為避免這種情況，通常挖掘機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中給柴油機(jī)預(yù)留的功率儲(chǔ)備。轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制，即當(dāng)檢測到柴油機(jī)失速，就降低液壓泵

12、的吸收扭矩，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)失速停車。這樣，可以取消功率儲(chǔ)備，充分利用柴油機(jī)額定功率，有效地防止柴油機(jī)在各種工況下的過載。如大字挖掘機(jī)一的系統(tǒng)，在速時(shí)采用了轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)的有用功率大大提高。（）發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)減速和自動(dòng)怠速控制經(jīng)驗(yàn)表明，挖掘機(jī)在工作時(shí)間內(nèi)至少有的時(shí)間處于壓力以下的輕載或空載狀態(tài)，特殊情況下高達(dá)【孫。在這種情況下，如果控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，可以減少大量燃油消耗。這一過程如靠司機(jī)手工掌握，勢必加重司機(jī)負(fù)擔(dān)，分散司機(jī)對作業(yè)操縱本身的注意力。而且當(dāng)輕載或空載的區(qū)間較短時(shí)，手工調(diào)節(jié)往往跟不上。電子控制挖掘機(jī)上幾乎都具有自動(dòng)怠速和自動(dòng)減速功能【。當(dāng)挖掘機(jī)處于待機(jī)等不作業(yè)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)

13、降至怠速，當(dāng)挖掘機(jī)有任何動(dòng)作時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將從怠速值立即返回到原工作速度。本世紀(jì)小松和日立公司推出的最新機(jī)型上，由于發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)減速，在完成與原有機(jī)型相同作業(yè)量的情況下，使油耗能節(jié)省左右【】【】。（）發(fā)動(dòng)機(jī)與泵相互控制發(fā)動(dòng)機(jī)分工況控制并不是簡單地將柴油機(jī)調(diào)速桿置于幾個(gè)特定的位置上，同時(shí)還要相應(yīng)地調(diào)節(jié)泵的吸收扭矩，使柴油機(jī)穩(wěn)定地運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)上。有的除了實(shí)現(xiàn)對液壓泵控制功能外，還增加了對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，在保持設(shè)定功率不中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論變下，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的共同工作點(diǎn)，盡可能移向發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率區(qū)。如日立公司的控制口，小松的系統(tǒng)。（）泵與負(fù)載匹配控制傳統(tǒng)采用定量泵

14、和節(jié)流控制的開式中央系統(tǒng)，園其功率利用率低，且無法施展較強(qiáng)的控制功能，因而性能不佳，在大、中型挖掘機(jī)上早己被恒功率變量泵系統(tǒng)取代。之后，在恒功率變量泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了負(fù)流量控制、負(fù)載傳感控制等新型液壓系統(tǒng)。目前最廣泛應(yīng)用的是負(fù)載傳感系統(tǒng)，如小松公司的系統(tǒng)和德國林德（）公司的同步控制（）系統(tǒng)等【】川，另外還有負(fù)載獨(dú)立流量分配（）系統(tǒng)，使用壓力補(bǔ)償閥使換向閥前后的壓差保持恒定，使流量不受負(fù)載的影響。（）電子載荷傳感控制對主閥和先導(dǎo)閥也采用電子控制，如日立挖掘機(jī)的電子負(fù)荷傳感系統(tǒng)（）】，如圖所示，在同時(shí)操作幾個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作時(shí)，由壓差傳感器先檢測出各執(zhí)行元件相關(guān)的壓差。泵閥控制器收到壓差傳感器

15、信號以及先導(dǎo)操縱回路上壓力開關(guān)的信號，經(jīng)過判斷，向高速開關(guān)閥發(fā)出信號控制泵排量，同時(shí)也向比例電磁閥發(fā)送控制電信號，調(diào)節(jié)各回路中補(bǔ)償閥的開度，使負(fù)載不同的各執(zhí)行元件的流量合理分配，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合動(dòng)作的需要。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論高速開關(guān)閥高速開關(guān)閥液壓油溫傳感器油門開度馬達(dá)油門開度傳感器。泵排量調(diào)節(jié)伺服缸先導(dǎo)泵主泵發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器泵缸體擺角傳感器壓力傳感器壓差傳感器溢流闊卸荷閥梭閩可變壓力補(bǔ)償閥比例電磁閥紐圖目立電子載荷傳感控制系統(tǒng)（）綜合節(jié)能控制當(dāng)今先進(jìn)挖掘機(jī)上，并不是單獨(dú)采用一種節(jié)能方法，而是綜合幾種節(jié)能方法，使節(jié)能效果達(dá)到最佳。如電子控制的系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)，就是綜合泵與負(fù)載的匹配控制、泵

16、與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配控制及自動(dòng)減速控制為一體的最佳節(jié)能控制系統(tǒng)，圖所示。通過負(fù)載傳感閥檢測負(fù)載并控制主泵的流量，實(shí)現(xiàn)泵與負(fù)載的匹配控制；設(shè)置五種作業(yè)方式，可以選擇最合適的發(fā)動(dòng)機(jī)扭距和泵吸收扭矩以適合于工作性質(zhì)，調(diào)節(jié)器和泵控制器，根據(jù)為每種方式所設(shè)定的泵吸收扭矩，通過燃油控制表盤，檢測出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度和由發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器所設(shè)定的速度，并進(jìn)行控制，使得泵能把發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)輸出點(diǎn)的扭矩全部都吸收過來，達(dá)到泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配控制的目的；當(dāng)機(jī)器在等待工作或在等待翻斗車時(shí)，如果所有的控制桿都在空檔位置，發(fā)動(dòng)機(jī)速度就會(huì)自動(dòng)降低到中速，以減少燃油消耗和噪聲，如果有任何一根控制桿受到操作，發(fā)動(dòng)機(jī)速度立即就返回到設(shè)定速度。圈一

17、電子節(jié)能控制系統(tǒng)圖！查盔蘭堡主堂垡絲塞一笙二童堂國內(nèi)挖掘機(jī)節(jié)能控制研究及應(yīng)用現(xiàn)狀我國的液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)經(jīng)歷了系列技術(shù)改造，從單泵系統(tǒng)發(fā)展到雙泵系統(tǒng)，采用先導(dǎo)控制、采用總功率變量泵、負(fù)流量控制及負(fù)載傳感控制等，進(jìn)一步應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)。我國從世紀(jì)年代開始研制液壓挖掘機(jī)，但到年代末，大部分產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國家相比性能仍較落后。在這種情況下，我國在年代初通過引進(jìn)技術(shù)（主要是德國挖掘機(jī)制造技術(shù)）口，使我國挖掘機(jī)產(chǎn)品性能得到了一定的提高。但經(jīng)過將近年的發(fā)展，與國外相比在技術(shù)上仍然落后，產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定，影響了整機(jī)的可靠性。進(jìn)入年代以來，國內(nèi)一些科研院所、大專院校紛紛與挖掘機(jī)廠家合作研究機(jī)電一體化挖掘機(jī)【】【】，

18、如天津工程機(jī)械研究所，同濟(jì)大學(xué)與合肥礦山機(jī)器廠，浙江大學(xué)與長江挖掘機(jī)廠、廣西玉林柴油機(jī)廠合作，取得了一些成果。但隨著國外先進(jìn)的挖掘機(jī)越來越多地進(jìn)入國內(nèi)市場，國產(chǎn)挖掘機(jī)與進(jìn)口挖掘機(jī)的性能差別越來越明顯。造成差距的原因首先在于國產(chǎn)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能性不如國外；第二是由于國產(chǎn)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率在工作中的匹配狀況不理想；第三是由于國產(chǎn)挖掘機(jī)可靠性不如國外，造成施工成本上升。在這種情況下，國內(nèi)一些挖掘機(jī)生產(chǎn)廠除了采取與國外合資的形式外，還積極引進(jìn)國外先進(jìn)的液壓元件，使國內(nèi)生產(chǎn)的一些挖掘機(jī)技術(shù)水平迅速得到提高，但在最新技術(shù)上與國外相比還存在較大的差距。目前國內(nèi)挖掘機(jī)節(jié)能控制所采用的技術(shù)狀況如下：

19、）引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)能液壓系統(tǒng)主要有負(fù)流量控制及負(fù)載傳感控制系統(tǒng)，如采用日本川崎公司的多路閥和液壓泵】，德國公司生產(chǎn)系列多路閥及變量泵。）引進(jìn)國外高性能的柴油機(jī)我國目前尚無這種專用柴油機(jī)系列，一般是通過改裝通用柴油機(jī)的辦法來解決。與國外工程機(jī)械用柴油機(jī)相比，國內(nèi)柴油機(jī)普遍存在扭矩儲(chǔ)備低，過載能力差等缺點(diǎn)。所以國內(nèi)一些挖掘機(jī)廠家通過采用國外的一些高性能的柴油機(jī)，如美國的康明斯、日本的洋馬發(fā)動(dòng)機(jī)，以提高挖掘機(jī)的整機(jī)性能。）發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)匹配除合資或獨(dú)資企業(yè)的挖掘機(jī)產(chǎn)品外，國內(nèi)其他廠家由于缺乏對這種技術(shù)的研究而很少采用這項(xiàng)技術(shù)。也有一些廠家看好這種技術(shù)的節(jié)能效果，試圖從國外購買類似產(chǎn)品，但由于過高的價(jià)格

20、和技術(shù)封鎖而沒有成功。目前國內(nèi)一些單位也紛紛投入資金對發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)匹配進(jìn)行研究川】，并取得了一些成果，但大都停留在實(shí)驗(yàn)階段，難以產(chǎn)品化。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論）合資或獨(dú)資企業(yè)比較著名的有大宇煙臺、常州現(xiàn)代、合肥日立、小松山推、成都神鋼、徐州卡特等，這些企業(yè)都擁有先進(jìn)的技術(shù)，但主要掌握在外商的手里，難以國產(chǎn)化。因此，國內(nèi)的挖掘機(jī)廠家需要立足于本國國情，通過引進(jìn)先進(jìn)的液壓件和發(fā)動(dòng)機(jī)，自行研究一些節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)，才能縮小與國外的差距。湖南山河智能機(jī)械股份有限公司與中南大學(xué)協(xié)作，在國家項(xiàng)目的支持下，投入大量資金，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)電一體化挖掘機(jī)。本論文的主要研究內(nèi)容綜上所述，與國外相比

21、，國內(nèi)工程機(jī)械生產(chǎn)廠家在挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能方面所做的研究不多，導(dǎo)致國內(nèi)產(chǎn)品在技術(shù)上與國外存在巨大的差距。本課題的主要目的是立足于國內(nèi)技術(shù)水平，追蹤國外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)適合中國國情的挖掘機(jī)節(jié)能控制方法。根據(jù)目前國外挖掘機(jī)節(jié)能控制的發(fā)展?fàn)顩r，確定本課題研究內(nèi)容如下：）研究總線技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，研制一臺試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)控制的節(jié)能型挖掘機(jī)。為此，需要對動(dòng)力系統(tǒng)（包括液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)）和計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立起整個(gè)系統(tǒng)的框架。）重點(diǎn)對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制進(jìn)行了研究。基于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩特性，將負(fù)載前饋控制技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，依靠預(yù)測先行控制功能消除發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)滯后問題。同時(shí)采用轉(zhuǎn)速及油門位置雙閉環(huán)改進(jìn)

22、控制方式，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來調(diào)節(jié)油門開度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持在某一允許范圍內(nèi)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在某指定的工況，以達(dá)到提高挖掘機(jī)工作效率和降低油耗的目的。）對泵排量（泵的扭矩）控制進(jìn)行了研究。通過功率極限控制調(diào)整液壓泵保證發(fā)動(dòng)機(jī)在失速區(qū)域以內(nèi)工作，從而獲得良好的整機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)效益。）最后研究了負(fù)載變量泵發(fā)動(dòng)機(jī)之間的自動(dòng)功率匹配控制。提出區(qū)間功率匹配控制方法，以解決三者的動(dòng)態(tài)匹配問題。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)分析和方案的提出第二章液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)分析和方案的提出為了給系統(tǒng)地研究挖掘機(jī)的節(jié)能控制技術(shù)提供先進(jìn)的試驗(yàn)手段，作者對挖掘機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)

23、，建立起了整個(gè)系統(tǒng)的框架。動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)組成，動(dòng)力系統(tǒng)作為挖掘機(jī)的主要組成部分，如何選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)，達(dá)到高效、節(jié)能的目的變得十分重要。復(fù)合變量泵控制系統(tǒng)液壓泵是連接發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響整機(jī)的匹配效果。因此，需要對其功能進(jìn)行分析，以適應(yīng)整機(jī)系統(tǒng)的要求。由于挖掘機(jī)工作負(fù)載的多變性，使得系統(tǒng)經(jīng)常處于超載、安全閥溢流和輸出功率過剩的狀態(tài)，傳統(tǒng)的單一恒功率控制變量泵系統(tǒng)不能滿足這種多變性的需求，因此，我們采用的變量泵系統(tǒng)集成多種功能（圖）。其中恒功率控制調(diào)節(jié)工作壓力及泵的輸出流量，以致在恒定的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下不超過預(yù)定的驅(qū)動(dòng)功率，這種控制一方

24、面可咀充分利用原動(dòng)機(jī)功率，同時(shí)又防止了發(fā)動(dòng)機(jī)過載而停機(jī)：當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力值時(shí)，壓力切斷閥左移，使泵的排量向比。擺回，減小了溢流損失；負(fù)載傳感（閥是一個(gè)流量控壓力切斷閥恒功率控制制閻，它根據(jù)負(fù)載壓力來工作以困復(fù)合變量襲控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵的排量，使之適應(yīng)執(zhí)行器的需要。該閥比較節(jié)流上游和下游的壓力并保持節(jié)流壓降（壓差一氣）恒定，從而把泵的流量保持恒定。如果壓差加中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)翹喧壅笪提出大，則泵朝?；?cái)[，而若尸減小，則朝。擺出，直到在閥中恢復(fù)平衡，通過閥控制，使得泵按照執(zhí)行器的需要輸出流量和調(diào)節(jié)輸出壓力，減小了功率損失。負(fù)載獨(dú)立流量分配（）控制系統(tǒng)在多年來眾所周知的

25、負(fù)載傳感（）系統(tǒng)中，與負(fù)載壓力無關(guān)性是通過設(shè)在測量阻尼孔前的壓力補(bǔ)償閥來實(shí)現(xiàn)的（圖）。但當(dāng)通過多個(gè)測量阻尼孔操縱多個(gè)執(zhí)行元件時(shí)所需的流量大于泵所能提供的流量時(shí)，壓力補(bǔ)償閥的壓差調(diào)節(jié)將失效，結(jié)果是流量流向具有最低負(fù)載壓力的執(zhí)行元件，而具有高負(fù)載壓力的執(zhí)行元件降低其速度直至停止運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)，即負(fù)載獨(dú)立流量分配（口）系統(tǒng)，是以執(zhí)行器最高負(fù)載壓力控制泵和壓力補(bǔ)償?shù)呢?fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)，當(dāng)執(zhí)行器所需流量大于泵的流量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按比例將流量分配給各執(zhí)行器，而不是流向輕負(fù)載的執(zhí)行器。近幾年在建筑機(jī)械領(lǐng)域中展示了系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢，因此，我們選用這種系統(tǒng)作為整個(gè)挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的組成部分。下面對其流量分配原理、系統(tǒng)

26、的效率等作一些分析研究。（）（）泵換向節(jié)流閥壓力補(bǔ)償閥梭閱液壓缸閥調(diào)節(jié)器圖負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)原理圖±查查蘭堡主堂垡墮塞塑三皇鎏墾笙塑墊芏堂絲型墨竺坌塹塑互塞！墾旦（）基本原理如圖所示，將壓力補(bǔ)償閥設(shè)計(jì)在測量阻尼孔之后，執(zhí)行元件的最高壓力只（設(shè)鼻只）的信號傳遞給所有的壓力補(bǔ)償閥和液壓泵，由壓力流量調(diào)節(jié)器給定的約為的壓差作為調(diào)節(jié)壓差心作用于系統(tǒng)，加于阻尼孔的壓差凹由于壓力只，巴：而相等，泵按阻尼孔截面積和：成正比供油。（）數(shù)學(xué)原理由圖可得流量分配閥出口的壓力與最高負(fù)載壓力只的關(guān)系為：只。一只最。，圪一鼻只：（）若調(diào)整兩補(bǔ)償閥的開啟壓力，使得斥圪：最，則有：只，己：這意味著各補(bǔ)償閥均受較

27、高的負(fù)載壓力控制，故各回路的流量分配閥后的壓力可保持相等。所以：只常數(shù)，流經(jīng)兩閥的流量：爿】，（）爿尸（）其中：、流量常數(shù)；爿、爿閥口開度；油液的密度。式（）和（）式可寫成：；（），（：）（）即兩回路所得的流量只與換向閥的開度成比例。（）流量分配特性當(dāng)液壓泵的供油量。在多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)操作不能滿足需要時(shí)，只和足將相應(yīng)減少，由于所有壓力平衡閥上作用有最大的壓力信號只，所以流量繼續(xù)以與負(fù)載壓力無關(guān)的方式進(jìn)行分配即賽丟。泵流量供給不足時(shí)的分配情況如圖所示，虛線表示泵的最大供給流量中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)分析和方案的提出，當(dāng)通過閥流量為，閥流量上升到時(shí)，流經(jīng)兩閥的總流量，超過當(dāng)

28、前泵的最大供給流量，就按比例向各閥分配流量，此時(shí)流過閥的流量為，流過閥的流量為幺，。一魯）嘲蛙斟系統(tǒng)流量分配（）系統(tǒng)效率分析首先分析單個(gè)執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)的效率，泵的最高輸出壓力由益流閥調(diào)定，最大輸出流量由換向閥調(diào)節(jié)，如圖所示，虛線為最大時(shí)的特性曲線，這時(shí)系統(tǒng)的輸出功率為：有摜。式中：有有效功率，有。墨損損失功率，損。戶系統(tǒng)的效率玎為：叩（。鼻）（。鼻。）鼻（日）（）由于遠(yuǎn)大于（為系統(tǒng)最高壓力的），故系統(tǒng)的效率一般在以上。再分析兩個(gè)缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)的系統(tǒng)的效率，泵的輸出流量既：，輸出壓力為只卸只必，則系統(tǒng)效率為：節(jié)雨刪（鼻凹）（只嵋）皇墮盔堂堡主堂垡絲壅翌三至婆里堡塑塑堇墼堡塑墨絲坌塑塑垂墮！堂令邶峨

29、，必（只一）叱，則叩者當(dāng)尸，只，則：鼻（鼻）此時(shí)與單缸動(dòng)作時(shí)的效率相同。（）圖系統(tǒng)效率特性圖綜合以上分析可知，系統(tǒng)可以檢測出負(fù)載的壓力，使泵的供油壓力始終高出負(fù)載壓力一個(gè)較小壓差。當(dāng)執(zhí)行器所需流量大于泵的流量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按比例將流量分配給各執(zhí)行器。操作換向閥改變閥口開度，泵能自動(dòng)調(diào)節(jié)并輸出與負(fù)載速度要求想適應(yīng)的流量，而與負(fù)載大小無關(guān)，實(shí)現(xiàn)泵輸出功率與負(fù)載需要的匹配，極大提高了系統(tǒng)效率，達(dá)到了節(jié)能目的。因此，應(yīng)用該系統(tǒng)能適應(yīng)當(dāng)今挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能的需要。柴油機(jī)控制方案柴油機(jī)是整個(gè)液壓挖掘機(jī)的心臟，柴油機(jī)控制主要對其油門位置和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。通過油門拉桿位置調(diào)節(jié)供油量，以滿足系統(tǒng)工作所需的功率和轉(zhuǎn)速，

30、傳統(tǒng)的方法是采用手動(dòng)調(diào)節(jié)油門旋鈕控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。為保持工作速度穩(wěn)定，需要由調(diào)速手柄設(shè)置，在調(diào)速器的控制下調(diào)節(jié)供油量。為使柴油機(jī)適合于自動(dòng)調(diào)節(jié)，采用電子油門調(diào)節(jié)。即由控制器發(fā)出油門控制信號給執(zhí)行電機(jī)，帶動(dòng)油門拉桿調(diào)節(jié)供油量，以滿足功率和調(diào)速的需要。因此，需要選取響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高的油門執(zhí)行器。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)分析和方案的提出在國外著名挖掘機(jī)上應(yīng)用的油門執(zhí)行器主要有步迸電機(jī)和直流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是種將電脈沖信號變?yōu)橄鄳?yīng)的直線位移或角位移的數(shù)字模擬變換器。步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)

31、繞組的相序，即可獲得所需轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。該種電機(jī)控制方便，而且精度也較高，因此在挖掘機(jī)柴油機(jī)電子油門調(diào)節(jié)上有著廣泛的應(yīng)用，如在日立、神鋼、小松等挖掘機(jī)上。另一種廣泛使用的執(zhí)行器是伺服電機(jī)，有較好的機(jī)械特性，與其控制器組成一個(gè)閉環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)接收電壓控制信號，然后將調(diào)速拉桿設(shè)定在給定位置，且控制精度很高，但價(jià)格較高。目前在等機(jī)型上使用該種電機(jī)作為油門執(zhí)行器。綜合成本和控艦效果兩方面囡素，采用步進(jìn)電機(jī)不僅價(jià)位低，而且也能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求，既適合于試驗(yàn)研究，也方便于實(shí)際應(yīng)用，因此，我們采用步進(jìn)電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)電子油門調(diào)節(jié)的執(zhí)行器。挖掘機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)方案主控制器作為挖掘機(jī)

32、的“大腦”，不僅需要控制各種工作裝置，還需要控制自身動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。隨著目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主控制器的構(gòu)成可以有多種方案，在具體選擇過程中需要對這些方案在位能、成本和軟硬件開發(fā)的難易程度上進(jìn)行綜合分析。（）單片機(jī)控制方案目前單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，運(yùn)算速度也越來越快，具有成本低，體積小的優(yōu)點(diǎn)這種方案需要開發(fā)專門的軟件和硬件，因此通用性差，只能用于定型產(chǎn)品。當(dāng)進(jìn)行智能控制研究時(shí)，更換一次控制算法很不方便，影響研究工作的效率。（）可編程控制器（）方案此方案具有體積小，成本低的優(yōu)勢，硬件和軟件開發(fā)較容易，但只適用于較簡單的數(shù)字量測控系統(tǒng)，如配合以少量的模擬輸入模塊，用于定型產(chǎn)品如挖掘

33、機(jī)的控制，不失為一種可行的方案，而且成本不高。電腦作為挖掘機(jī)的主控制器，生塑莖堂耍主蘭堡笙莖苧三至墮堡壟塑墊羔堂塞型墨竺坌塑塑互薹墮堡堂缺乏足夠的“智能”，缺乏對模擬量的處理能力。（）通用方案隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，通用機(jī)無論在硬件性能還是在軟件方面，都有了極大的提高，而且價(jià)格卻在不斷下降。通用機(jī)不但具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，而且具有良好的人機(jī)界面。從軟件方面來講，專用于機(jī)的商業(yè)化工程應(yīng)用軟件非常多，都具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，同時(shí)機(jī)還具有良好的軟件開發(fā)環(huán)境，可以開發(fā)各種智能控制方法：從硬件方面來講，用在機(jī)上具有很強(qiáng)計(jì)算能力的商業(yè)化擴(kuò)展部件也很多，能很好地完成智能控制。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低、軟硬件開發(fā)較

34、容易，缺點(diǎn)是體積大、功耗高，不適用于行走式設(shè)備。（）總線技術(shù)及嵌入式計(jì)算機(jī)方案這種系統(tǒng)體積很小，是一種微型化的機(jī)系統(tǒng)，有很強(qiáng)的通用性，可以培植與通用機(jī)一樣的輸入輸出設(shè)備軟件，有多種商業(yè)化外圍產(chǎn)品如數(shù)據(jù)采集模塊和模擬信號輸出模塊與之配套，軟件資源豐富，可以完成多路數(shù)據(jù)采集和處理的功能。這種系統(tǒng)的軟件開發(fā)非常方便，運(yùn)算速度快完全能夠完成挖掘機(jī)的智能控制，目前在行走機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。因此，本文將該技術(shù)應(yīng)用于挖掘機(jī)的測控系統(tǒng)?；诳偩€技術(shù)的挖掘機(jī)電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)電子控制系統(tǒng)的控制器與位于現(xiàn)場的測量變送器、開關(guān)、馬達(dá)、電液閥等執(zhí)行器之間均采用一對一的設(shè)備連線，由于控制相對集中，系統(tǒng)

35、的可靠性不高，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效往往會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不正常甚至引發(fā)事故。且該類系統(tǒng)中有眾多連線，占用安裝空間，且不利于維護(hù)和管理，特別是在老系統(tǒng)改造中需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，開發(fā)性和可擴(kuò)展性差【】。有兩種方法可以解決上述問題，第一種方法是將各電子部件通過總線直接連接到控制系統(tǒng)上，而這些電子部件是要求帶有總線接口的智能節(jié)點(diǎn)：第二種是將控制器分配到合適的部分，然后用總線將它們連接起來。由于具有總線接口的電子部件較昂貴，而且生產(chǎn)這種部件的廠家不多，因此，我們采用第二種方法。（）總線（）總線是德國公司從年代初為解決中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)分析和方案的提出現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀

36、之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，在自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等中應(yīng)用，現(xiàn)在已在許多其他工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，特別在液壓實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中是最廣泛使用的一種總線。總線的特點(diǎn)有：協(xié)議按照模型，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層；采用雙絞線，通信速率最高達(dá)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)；的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷該接點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他接點(diǎn)及其通信不受影

37、響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力；支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何接點(diǎn)均可在任何時(shí)刻主動(dòng)向其他接點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)和全局廣播方式接收發(fā)送數(shù)據(jù)；它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。（）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)原理如圖所示，微控制器采用芬蘭公司的控制器，分別命名為儀表控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)液壓控制器，傳感器和開關(guān)星等信號可直接接到控制器上，控制器之間可通過總線連接通訊，控制器通過其上的接口直接連到總線上進(jìn)行通訊。此外，一些服務(wù)工具如模塊式軟件、組態(tài)工具軟件等可通過連接到控制器上，本文使用組態(tài)軟

38、件用來對控制器的參數(shù)設(shè)定、參數(shù)實(shí)時(shí)值顯示和故障診斷等。生墮查堂要主堂垡堡莖璺三量墮墾堡塑塑羔堂絲型墨簍坌塹塑塑墨塑堡旦圖控制系統(tǒng)原理圖）控制器輸入輸出信號由于大部分設(shè)備分布在駕駛室和發(fā)動(dòng)機(jī)部位，所以將兩個(gè)微控制器，一個(gè)置于駕駛室，另個(gè)安放在發(fā)動(dòng)機(jī)部位。它們的功能主要有：）對來自電子設(shè)備的輸入信號進(jìn)行采樣；）進(jìn)行模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換；）構(gòu)造協(xié)議信息包：）傳遞信息包；）接收信息包：）產(chǎn)生控制信號?？刂破髦g僅需一根總線連接即可進(jìn)行快速通訊。與常規(guī)控制系統(tǒng)相比，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，減小了安裝空間，圖所示為兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別，可以看出，采用總線的系統(tǒng)使布線得到了大大簡化。一一一，；十一（）傳統(tǒng)系統(tǒng)

39、（）總線系統(tǒng)圖兩種系統(tǒng)比較）微控制器微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，芬蘭公司提供的系列控制器模塊，是專門為工程機(jī)械等戶外機(jī)械，并滿足諸如環(huán)境溫度、防水、防震及抗電磁干擾（）等要求的控制器。其結(jié)構(gòu)如圖所示。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)分析和方案的提出 圖微控制器微控制器輸入端側(cè)可以處理至的模擬電壓和開關(guān)量，如電位器，壓力傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器或開關(guān)信號。所有輸入端都具有抗電磁干擾和過壓保護(hù)。電位器輸入端設(shè)有監(jiān)控電路，可識別導(dǎo)線斷路或短路。作為輸出信號，微控制器終端給比例電磁鐵提供經(jīng)調(diào)節(jié)的電流，用以調(diào)節(jié)泵、馬達(dá)和閥。附加的功率輸出端可直接控制繼電器，指示燈和開關(guān)電磁鐵。專用輸出端產(chǎn)生

40、控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門的調(diào)節(jié)電機(jī)的雙向電流，是電比例控制變量軸向柱塞元件的高精度小滯環(huán)控制的最佳配置。模擬量電壓輸出端可把模擬信息方便地傳遞給其他電路?？偩€接口可用于微控制器與另外的微控制器或其他控制元件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（例如：柴油機(jī)油門控制，顯示器或特殊工作功能）。（）系統(tǒng)組態(tài)軟件是為微處理器提供一個(gè)方便使用接口，通過它可以修改機(jī)器參數(shù)的設(shè)定值。此外，還有進(jìn)行實(shí)時(shí)過程參數(shù)的圖象或數(shù)字顯示，打印所有設(shè)定參數(shù)值和過程參數(shù)，顯示出錯(cuò)信息以及將測定數(shù)值（過程參數(shù)）存儲(chǔ)到硬盤上等功能。本章小結(jié)本章通過對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析，選擇負(fù)載獨(dú)立流量分配液壓系統(tǒng)，可使液壓系統(tǒng)效率達(dá)到以上：采用電子油門控制系統(tǒng)可以提高了轉(zhuǎn)速

41、控制精度、改善了柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。通過對各種控制方案的選擇，采用總線控制技術(shù)，不但使控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大功能，而且還具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，是未來行走機(jī)械電子控制的發(fā)展方向。！墮奎堂堡主蘭垡堡壅笙三主墮堡堇塑塑壟堡旦墮壟堇型！塹塑概述第三章液壓挖掘機(jī)連續(xù)工況轉(zhuǎn)速控制研究液壓挖掘機(jī)的作業(yè)工況較多，為了充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與泵匹配，減少能耗，需要及時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)供油量的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩的精確控制。對于挖掘機(jī)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制的好壞直接影響到電控系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)，是變量泵與負(fù)載匹配、怠速控制、自動(dòng)減速控制、調(diào)速控制及自動(dòng)暖機(jī)等功能子程序得以完成

42、的關(guān)鍵。目前，國產(chǎn)挖掘機(jī)都采用手動(dòng)調(diào)節(jié)油門旋扭控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。司機(jī)在操縱這種挖掘機(jī)時(shí)，往往將油門調(diào)到最大，使發(fā)動(dòng)機(jī)近似工作在額定轉(zhuǎn)速，因此當(dāng)系統(tǒng)工作在中載和輕載工況時(shí)，會(huì)造成極大的能量浪費(fèi)。所使用的柴油機(jī)調(diào)速裝置也都為機(jī)械式（如離心式），其特點(diǎn)是控制器都以轉(zhuǎn)速為主要反饋量。為提高控制精度還需增加對可測參數(shù)的測量，以便更詳細(xì)了解對象特性，從而優(yōu)化控制過程。先進(jìn)的機(jī)械式調(diào)速器把油壓、進(jìn)氣壓力等都作為輔助檢測信號而使結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，我國目前尚無此種類型的調(diào)速器。以微處理器為核心的數(shù)字式電子油門控制，除了對輸入輸出信號轉(zhuǎn)換之外，系統(tǒng)的各部分均由軟件編程實(shí)現(xiàn)，對信號的依賴性降低，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和功能擴(kuò)展

43、能力。采用電子油門控制不僅能提高挖掘機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，還易于和車輛其他電控系統(tǒng)相結(jié)合，提高車輛的整機(jī)性能；不僅增加了系統(tǒng)的靈活性，而且還提高了轉(zhuǎn)速控制精度，改善了柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。進(jìn)口的微機(jī)控制調(diào)速器非常昂貴，且其調(diào)速器所應(yīng)用的控制算法只限于傳統(tǒng)的控制器，控制效果并不十分理想。針對于此，本文著重通過控制油門拉桿位置來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，采用轉(zhuǎn)速、油門位置的雙閉環(huán)改進(jìn)控制算法控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將負(fù)載前饋控制技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，依靠預(yù)測先行控制功能消除發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)滯后問題，克服了因負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章液壓挖掘機(jī)連續(xù)工況轉(zhuǎn)速控制研究液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制問題

44、挖掘機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，負(fù)載變化大，由負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速不斷變化，是挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的突出問題。目前，轉(zhuǎn)速控制尤其是國外現(xiàn)有的控制器中多采用控制。為進(jìn)一步提高控制性能，克服傳統(tǒng)控制的不足，一方面對傳統(tǒng)的控制進(jìn)行改進(jìn)，研究有關(guān)參數(shù)的整定、校正等；另一方面積極研究自適應(yīng)控制、模糊控制等智能控制技術(shù)在調(diào)速控制中的應(yīng)用【】【】。但這些研究停留在仿真研究階段的較多，形成實(shí)際產(chǎn)品的并不多見。針對上面的問題，本文中提出兩種解決辦法：采用雙閉環(huán)改進(jìn)控制，內(nèi)部閉環(huán)反饋控制油門位置，外部反饋閉環(huán)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；使用負(fù)載前饋控制，將一個(gè)與負(fù)載成比例的信號前饋到控制系統(tǒng)的輸入端，補(bǔ)償抑制負(fù)載變化對控制輸出的影響。系統(tǒng)建模柴

45、油機(jī)是一個(gè)多變量、時(shí)變的非線性系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)過程涉及到復(fù)雜的流動(dòng)、燃燒以及動(dòng)力學(xué)等理論，要想建立起精確的數(shù)學(xué)模型、實(shí)現(xiàn)定量分析是十分困難的。為了了解柴油機(jī)的工作原理，分析其控制方法，作者通過對柴油機(jī)的工作過程進(jìn)行分解和簡化，建立簡化的數(shù)學(xué)模型。數(shù)字式電子調(diào)速系統(tǒng)的模型主要包括以下幾個(gè)部分：柴油機(jī)模型、執(zhí)行器模型、測量環(huán)節(jié)模型、控制器模型、耗能裝置模型等。其中比較關(guān)鍵的是柴油機(jī)模型和油門執(zhí)行器模型，控制器模型主要取決于所采用的控制理論和控制算法。柴油機(jī)模型柴油機(jī)的燃燒過程，實(shí)質(zhì)上是將噴入氣缸的柴油燃燒以后轉(zhuǎn)化為熱能，使得氣缸內(nèi)氣體膨脹做功，推動(dòng)活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后通過曲軸輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。柴油燃燒

46、以后缸內(nèi)的爆發(fā)壓力可以用示功圖表示。從示功圖一上可以看出，柴油機(jī)每個(gè)汽缸的爆發(fā)壓力隨益軸轉(zhuǎn)角的變化而不斷變化的。多缸柴油機(jī)每中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章液壓挖掘機(jī)連續(xù)工況轉(zhuǎn)速控制研究個(gè)氣缸發(fā)出的爆發(fā)力處于不同的瞎軸相位，對曲軸產(chǎn)生一個(gè)綜合的作用力，因此柴油燃燒以后產(chǎn)生的作用于推動(dòng)活塞作功的壓力一般用平均有效壓力表示：以叩，（）圈一氣缸壓力示功圖式中，見一柴油機(jī)的平均有效壓力；乳噴油泵每循環(huán)噴油量；礬一指示效率；節(jié)。，一機(jī)械效率；丘單位換算系數(shù)。柴油機(jī)燃燒以后發(fā)出的指示轉(zhuǎn)矩且則與平均有效壓力成正比：，“見（）如果把每循環(huán)的噴油量作為輸入，柴油機(jī)發(fā)出的指示轉(zhuǎn)矩，作為輸出，柴油機(jī)的燃燒過程簡化以后可以

47、看作一個(gè)比例純滯后環(huán)節(jié)：，足，一，）（）三困一墨一璺發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)方框圖其中，比例系數(shù)；，一滯后的時(shí)間常數(shù)。柴油機(jī)燃燒以后發(fā)出的轉(zhuǎn)矩克服自身的阻力矩，和負(fù)載力矩，以后，推動(dòng)曲軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。可以得到以下的柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)方程：掣。卜）式中，一柴油機(jī)慣量；一柴油機(jī)角速度。忽略柴油機(jī)自身的阻力矩，則有：，墮磐，一，：。（）則對上式取拉氏變換可以得到柴油機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)可以表示為：黑：去（）蠅（），”從上面分析可以看出，簡化以后從柴油機(jī)每循環(huán)供油量到輸出轉(zhuǎn)速之間是嗣蚓罐擴(kuò)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章液壓挖掘機(jī)連續(xù)工況轉(zhuǎn)速控制研究個(gè)比例積分純滯后環(huán)節(jié)。油門執(zhí)行器模型油門執(zhí)行器主要由步進(jìn)電機(jī)及

48、其驅(qū)動(dòng)器、減速齒輪組成。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)可以認(rèn)為這一環(huán)節(jié)為比例環(huán)節(jié)：口口（）曰步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移：口步迸電機(jī)的步距角；步進(jìn)電機(jī)輸入的脈沖數(shù)。步距角口：（）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的步數(shù)；通電方式，等于導(dǎo)電拍數(shù)和相數(shù)的比值。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)減速齒輪有一時(shí)間滯后，因此執(zhí)行器模型可以寫成：隊(duì)拿（）一生（撇）（）式中：占一為實(shí)際油門角度：彰為設(shè)定油門角度；，滯后的時(shí)間常數(shù)。，鋸蒜，訓(xùn)，將式（）進(jìn)行拉氏變換得到油門執(zhí)行器模型的傳遞函數(shù)：若等。一，結(jié)合柴油機(jī)模型分析，對整個(gè)系統(tǒng)模型簡化得到一個(gè)比例積分純滯后系統(tǒng)，對于這一類控制對象，比較成熟的控制方法是采用調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。中南大學(xué)碩士學(xué)位論

49、文第三章液壓挖掘機(jī)連續(xù)工況轉(zhuǎn)速控制研究轉(zhuǎn)速、油門位置的雙閉環(huán)改進(jìn)控制轉(zhuǎn)速控制策略采用轉(zhuǎn)速、油門位置的雙閉環(huán)改進(jìn)控制，控制框圖如圖所示。油門位置環(huán)為副回路，轉(zhuǎn)速環(huán)為主回路。由于副回路的受控對象的響應(yīng)速度較快，所以根據(jù)副回路選擇采樣周期。之所以采用轉(zhuǎn)速、油門位置雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，是因?yàn)椋簩⒏蓴_加到副回路中，由副回路控制對其進(jìn)行抑制；副回路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，這樣對主被控量的影響大為減弱；副回路的慣性由副回路給予調(diào)節(jié)。因而可改善過程的動(dòng)態(tài)性能，提高控制質(zhì)量，對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。瑚轉(zhuǎn)速、油門位置雙閉環(huán)控制框圖（）數(shù)字控制算法連續(xù)系統(tǒng)公式為：¨歸劃“卅毒脅肌掣（）式中，（）一目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差；“。）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制量（即目標(biāo)油門位置）；，一轉(zhuǎn)速閉環(huán)的比例系數(shù)；，