龙工（上海）挖掘机制造有限公司技术研究院
在实际工程机械领域，优化系统功率匹配，使发动机输出功率与液压系统的吸收功率相匹配，本文以液压挖掘机液压系统和动力系统为研究对象，对电气系统控制特性进行了研究。
1、前言
为提高液压挖掘机的能量利用率采用功率优化电气控制系统对发动机、液压系统进行综合控制，使二者达到最佳匹配状态。由控制器控制调节液压泵所吸收的功率，使发动机始终保持在额定转速附近以全功率工作；机器工作性能会更稳定，操作起来更加精细，能量利用率更高。
2、电控系统控制原理
挖掘机在工作工程中，泵出口压力的大小由负载决定。泵-负载环节的功率关系为： Pp=P1+△P
式中：P1----负载的吸收功率
△P----液压系统的功率损失
为实现泵-负载环节功率的匹配，需尽量减小△P。△P的值与液压系统回路的具体形式有关，主要包括溢流损失、节流损失等，通过合理调节三者的匹配关系，使整个系统在最佳工作点上运行。
2．1发动机转速控制
（1）发动机的功率输出特性,如下图:
图1发动机的外特性曲线
如图1所示，柴油机基本上是恒扭矩调节的，其输出功率的变化表现为输出转速的变化，门开度大时，循环供油量大，发动机转速提高；反之，转速就低。工作过程中，P的大小取决于负载的变化，负载变化将引起P和Te的变化，使发动机的工作点在外特性曲线上波动。为使发动机工作在最佳工作点，需要发动机根据发动机和负载特性调节泵的排量q，使其满足： Tp=p*q/2π=常量
（2）发动机的油耗特性,如下图:
A、B...为等油耗比线(油耗/功率).A线以上为低油耗区，A-B间为一般油耗区，B线以下为高油耗区。在发动机转速一定条件下,输出功率高时对应的油耗比小，工作效率高并省油。
2.2对液压泵的控制
由柴油机的外特性曲线还可以看出，当柴油机的负荷有较小变化时，其转速就会发生很大波动。发动机在驱动工作机械时，当它的输出扭矩与工作机械的阻力相等，发动机才可以稳定工作。
2.2.1在施工中，如遇到坚硬结实的地面时，执行元件动作变慢，发动机开始超负荷运转，转速瞬间下降。通过降低液压泵向系统提供的液压油量来降低系统的压力，降低油泵的输出扭矩。系统压力降低，发动机转速波动变小，仍然保持额定转速运转，保证机器正常作业。
2.2.2对正常负荷运行状态，控制挖掘机工作负载时，通过调节液压油泵对发动机功率吸收量的大小使发动机始终能保持在额定转速附近，发挥最大的功率。
一方面让液压泵最大可能的吸收发动机功率;另一方面缓和液压系统突加负载,减少液压冲击。液压系统(泵)功率测算及控制方式：
液压泵功率=压力P*流量Q=压力P*排量V*发动机n=发动机输出功率
排量V=比例阀的电流i*系数K
压力P由外负载决定，负载大压力高。
通过控制泵比例阀电流调节泵的排量来调节液压泵功率。调节泵最大电流的另一作用是使发动机转速稳定在高输出功率区。确定泵比例阀的目标电流，检测发动机的实时转速,根据发动机的转速，功率参数得到对应的发动机输出功率，检测泵的压力P，计算出匹配时泵比例阀的目标电流Iob。
（1）缓和液压系统突加负载
当外负载突加时，液压系统能很快响应，但发动机的响应比较慢不能立即跟上负载突变。解决的方式是主动的控制泵的输出功率，适当的延时泵功率加大的时间，使发动机有足够的时间响应。这样处理一方面是使发动机转速相对平稳，一方面减少液压冲击，使机器操作柔和动作平衡。具体的措施是分步增大泵控比例阀的电流I，分步增大泵的输出流量，使液压泵的输出功率平稳的提高。如下图
分三个（或更多）时间段分步加大泵控制电流I,在"3-平稳负载"时达到2.1中目标电流Iob.分步电流I按先小步后大步方式，如It1=1/6Iob,It2=1/3Iob,It3=1/2Iob，具体值按液压系统的响应特性稍作调整。在T1/T2/T3...时段内，同时监测发动机转速变化情况，动态的调节各分步电流的大小。平稳控制泵电流可有效的降低突加负载时的掉速,使转速平稳.相对稳定的外负载时的液压功率动态调节,对应上图中的"3-平稳负载"状态
通过跟踪发动机的转速变化情况,及检测到的实时泵压力,估算出外负载的动态,计算出泵电流的动态偏移值DIob,使泵的功率输出相对平稳并与发动机输出功率匹配。泵电流的动态偏移值DIob=k系数*Iob ,其中k系数据实验测量数据确定。
发动机转速变化超标时，将动态电流偏移值DIob叠加先前的泵控电流Iob上，输出动态实际电流I=(1+k)*Iob .
3、电气系统控制
泵功率控制主要是微处理器通过发动机转速和泵压力信号来计算发动机和泵功率的。 泵功率控制利用开环脉冲发生器和闭环回路控制（PID）结合的方法。将多种参数值与临界值相比较，超过临界点，泵电流就会下降。如果参数的静态性发生改变，PID控制器将会对电流做出调整。脉冲发生器的动态性配置可以实现预测控制。这种动态控制与传统的控制方法结合，就可以控制发动机负载，以确保发动机在最佳燃油经济性区域内运行。
4 结束语
实践证明，此液压挖掘机电控系统控制方法，能够有效的提高挖机的操作性、动作平衡性，并大幅度提高了作业效率与经济性。据实际测试统计，作业效率提高到1.25倍，油耗减少了25%.
参考文献
1 、尚涛,赵丁选,肖英奎,等. 液压挖掘机节能系统的控制策略[J ] .农业机械学报,2005 ,36 (3) :1～4.
2 、尚涛,赵丁选,肖英奎,等. 液压挖掘机功率匹配节能控制系统[J ] . 吉林大学学报:工学版,2004 , 34 (4) : 592～596.
论文作者:李锋伟
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/24
标签：发动机论文; 功率论文; 转速论文; 负载论文; 电流论文; 挖掘机论文; 液压泵论文; 《中国电气工程学报》2019年第2期论文;