工程機械電子節(jié)能控制技術(shù)研究

1、工程機械電子節(jié)能控制技術(shù)研究工程機械電子節(jié)能控制技術(shù)研究現(xiàn)代工程機械對作業(yè)性能、能耗降低、操作舒適性的要求不斷進步。當(dāng)前國內(nèi)工程機械能通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)動力傳動鏈中的局部優(yōu)化節(jié)能控制，在節(jié)能與作業(yè)效率整體優(yōu)化方面與世界先進程度還有很大差距。作者提出了新的全局節(jié)能控制的理念，嘗試通過電子技術(shù)構(gòu)建工程機械全局節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)傳動參數(shù)按實際工況動態(tài)匹配的工程機械論文聯(lián)盟.Ll.全局節(jié)能控制系統(tǒng)。1廣義節(jié)能概念1.1工程機械典型功率流圖工程機械的工作過程，從能量的角度看，是能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和對外做功的過程。對工程機械的節(jié)能研究離不開對其功率流程的分析，圖1是典型工程機械的功率流程。圖1工程機械典型功率

2、流圖對于以柴油機為動力的工程機械，所有的動力來源于柴油的化學(xué)能。柴油機將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化輸出為機械能:轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，目前采取全程調(diào)速或電控噴油等控制技術(shù)改善柴油機的動力特性和能耗特性。液壓泵吸收柴油機的機械能并轉(zhuǎn)化為液壓能:壓力和流量，目前一般采取恒功率控制、壓力切斷、正流量控制等改善泵的動力特性和能耗特性。柴油機和液壓泵分別是能量的供方和需方，為了改善供求關(guān)系，一般對發(fā)動機和液壓泵采取轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制或功率極限載荷控制等，以改善二者結(jié)合工作時的動力特性和能耗特性。液壓閥吸收液壓泵輸出的液壓能，經(jīng)過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力、流量和方向后輸出壓力和流量給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，一般采取可變流量控制以使多執(zhí)行機構(gòu)協(xié)同

3、動作，或采取LUDV技術(shù)以抑制并聯(lián)回路中負(fù)載差異對流量分配的干擾。在閥控系統(tǒng)中，液壓閥受操作者控制，液壓閥的狀態(tài)一般可以代表操作意圖和流量需求，所以，液壓泵和液壓閥的關(guān)系是流量的供方和需方的關(guān)系。為了匹配供求關(guān)系，一般采用負(fù)流量控制或負(fù)荷傳感控制。液壓閥輸出的液壓能被油缸或馬達吸收，并輸出機械能:力和位移或轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩;執(zhí)行元件輸出的機械能局部或全部對外負(fù)載做功，執(zhí)行元件對外負(fù)載的有效做功構(gòu)成其有效功率。由以上對工程機械功率流的執(zhí)行層和控制層的分析可見:目前的元件效率控制技術(shù)、部件功率控制技術(shù)和子系統(tǒng)功率控制技術(shù)都只能做到局部最優(yōu)控制，而未能從整機作業(yè)系統(tǒng)的高度進展節(jié)能分析和控制。1.2節(jié)能理念

4、和廣義節(jié)能概念工程機械所有的能量轉(zhuǎn)換和傳遞的最終目的是對外負(fù)載做有效功，即輸出有效功率。由于工程機械往往是多執(zhí)行機構(gòu)協(xié)同作業(yè)，輸出有效功率取決于兩個因素:功率的有效傳遞和不同功率支流之間的有效配合。目前的節(jié)能控制往往專注于功率的有效傳遞和供需雙方的動態(tài)匹配上，而忽略了不同功率流之間的有效配合。作業(yè)效率是指工程機械單位時間的作業(yè)量。作業(yè)效率與節(jié)能往往是矛盾的，進步一方性能往往會使另一方的性能降低。只有在一樣作業(yè)效率下的能耗數(shù)據(jù)才具有可比性。由上述分析可知，節(jié)能不僅取決于功率傳遞的效率和功率供需雙方的動態(tài)匹配，還取決于不同功率流之間的有效配合，并與作業(yè)效率有關(guān)。廣義節(jié)能的概念包含了這4點要求:效率

5、、動態(tài)匹配、不同功率流之間的有效配合和作業(yè)效率。1.3工程機械全局節(jié)能控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)廣義節(jié)能意義下的節(jié)能控制，需要以作業(yè)系統(tǒng)(整機和負(fù)載)作為研究對象，將傳統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)、多執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)同控制和作業(yè)效率三者統(tǒng)一在一個共同的節(jié)能目的下，實現(xiàn)廣義節(jié)能意義下的最優(yōu)節(jié)能控制。為了方便定量分析節(jié)能效果，可以定義如下全局節(jié)能指標(biāo):全局節(jié)能指標(biāo)是在單位時間內(nèi)、單位油耗下機械對外輸出的有效功，是有效功率與油耗的比值，考慮了作業(yè)效率、多執(zhí)行機構(gòu)協(xié)同作業(yè)和傳統(tǒng)節(jié)能控制三方面的內(nèi)容，該指標(biāo)可以全面評價和比較工程機械的節(jié)能特性。以全局節(jié)能指標(biāo)為總目的，可以建立多層次、全方位的工程機械節(jié)能控制體系，如圖2所示。圖2工

6、程機械全局節(jié)能控制體系圖2中，全局節(jié)能控制目的可以分解為作業(yè)效率目的、協(xié)同作業(yè)目的和傳統(tǒng)節(jié)能目的3個維度，每個維度又可以分解為系統(tǒng)級節(jié)能目的、部件級節(jié)能目的和元件級節(jié)能目的。這樣構(gòu)建的節(jié)能體系有如下優(yōu)點:(1)各個層次、各個部件的節(jié)能控制目的一致;(2)以全局為控制對象，可以實現(xiàn)全局最優(yōu)控制;(3)節(jié)能目的是作業(yè)快速性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一;(4)節(jié)能評價更合理，節(jié)能效果具有可比性。2基于全電控系統(tǒng)的論文聯(lián)盟.Ll.柔性匹配節(jié)能控制技術(shù)傳統(tǒng)的節(jié)能控制已經(jīng)在局部最優(yōu)意義下獲得了一定的成果，只有打破傳統(tǒng)的節(jié)能控制范疇才能獲得更大的節(jié)能成果?？梢栽谝韵聨追矫娲蚱苽鹘y(tǒng)的節(jié)能技術(shù)體系:(1)打破固定參數(shù)的功率匹

7、配，實現(xiàn)分工況的柔性參數(shù)動態(tài)功率匹配;(2)采用作業(yè)形式識別技術(shù)，建立基于作業(yè)形式的動態(tài)功率分配系統(tǒng);(3)識別駕駛員的操作意圖，建立基于操作形式的作業(yè)效率管理系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述技術(shù)打破，需要建立全電控的執(zhí)行層和分布式的控制層，構(gòu)建全新的工程機械功率控制體系。2.1全電控的功率系統(tǒng)采用電控噴油柴油機和電比例液壓泵、電比例控制閥、電比例液壓馬達，構(gòu)建全電控的傳動系統(tǒng)。由于采用了全電控的功率傳遞和轉(zhuǎn)換元件，可以實現(xiàn)硬件功能的最小化，進步硬件的通用化程度，這樣可以實現(xiàn)更深化的感知和更廣泛的智能控制。由于系統(tǒng)的控制功能和專用功能是由軟件承擔(dān)的，可以在機械工作過程中根據(jù)工作情況和操作情況對控制參數(shù)進展在

8、線調(diào)節(jié)，實現(xiàn)參數(shù)匹配柔性化，以獲取更好的廣義的、全局的節(jié)能效果。2.2基于總線的分布式控制系統(tǒng)建立全電控的功率系統(tǒng)，特別是全電控的液壓系統(tǒng)后，控制程序需要對液壓系統(tǒng)的壓力信號進展處理，這對控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度提出了非常高的要求，以目前工程機械控制器的技術(shù)條件，尚無法滿足對壓力信號及時處理的要求。為滿足對各項信號、數(shù)據(jù)處理速度的要求，可以開發(fā)專門的基于總線的液壓泵控制器、液壓閥控制器和發(fā)動機控制器，各個控制器與高速總線連接，建立基于總線的分布式控制系統(tǒng)。基于總線的分布式控制系統(tǒng)的構(gòu)造如圖3所示。圖3基于總線的分布式控制系統(tǒng)圖3中，發(fā)動機控制器根據(jù)發(fā)動機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和用戶指令控制發(fā)動機噴油量，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，并從總線上接收其他控制器的控制指令;液壓泵控制器根據(jù)泵出口的壓力信號對其排量信號進展調(diào)節(jié)，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，并從總線上接收其他控制器的控制指令;液壓閥控制器承受操作人員的操作指令，據(jù)此對液壓閥進展控制，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，并從總線上接收其他控制器的控制指令?；诳偩€的分布式控制系統(tǒng)，能極大地進步控制信息的處理和傳輸速度，滿足全電控功率系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制的需要。3結(jié)論與展望由以上分析可見，傳統(tǒng)的節(jié)能控制具有多種缺陷