液压挖掘机电子监控节能系统的研究设计

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泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水力电力工程、矿山采掘等机械化施工中。液压挖掘机虽然能进行大功率、高灵敏度的各种作业，但其能量利用率低及节能监控系统研究水平低，使我国液压挖掘机的发展-直受制于国外配套企业。

基于国内外工程机械控制器的技术现状和发展趋势，结合特种机械控制器设计制造特点与用户需求，研究设计了液压挖掘机配套的电子节能控制系统。研制的液压挖掘机电子监控及节能控制系统，填补了液压电子控制领域的国内空白，摆脱了该产品长期完全依赖进 口的局面。液压挖掘机电子监控及节能控制系统的研发，将缓解国内工程机械制造行业对挖掘机液压元件及电子控制系统的需求，对推动中国工程机械的节能控制将产生深远影响。

1 控制系统结构设计控制系统结构如图 1所示，采用 CANBUS等通信端口，构建车载分布式控制系统和实现远程监控。增加不同的设备如：CAN传感器，GPS/GPRS、显示器、传感器、泵与阀、发动机和不同的执行系统，达到通用性效果。

基于对柴油机和液压系统的联合控制，达到节能降耗和提高工作效率的目的∩根据作业工况选择不同油门位置(通过油门拨盘)，在挖掘机作业过程中，根据作业负荷的变化自动调节电磁比例图 1 控 制系统结构阀，改变液压泵的吸收功率，最大限度地利用柴油机的功率。同时它由安装在挖掘机各部位的传感器采集信号，用于对液压挖掘机发动机、液压系统等的运行状况进行显示和控制。

2 技术方案的设计系统技术关键在于动态数学模型的建立，选择分析方案如下：方案 1：分段折线控制根据挖 掘 机 的作业 工况，设 定j 档转 速(2050、1900、1400)对应地通过步进电机确定油门位置，同时通过油泵电磁比例阀进行功率分段配。采取最高、最低转速测定限制，达到较简单的收稿日期 ：2013-03-18基金项目：贵州省社会发展攻关项 目(黔科合 GY字[2011]3089)作者简介：李少波 (1973-)，男，湖南岳阳人，教授，博导，研究方向：机械制造及其自动化，Email：lishaobo###gzu.edu.(21通讯作者：陈伟兴，Email：chenweixingxph###126.con。

第 4期 李少波 等：液压挖掘机电子监控节能系统的研究设计 ·59·功率 配和节能控制。

方案2：分段与模拟结合控制根据工况，选定油门位置分段、油泵电磁比例阀吸收功率匹配位分段，并在分段内折点附近作优化调节，实时采样转速信号，利用转速信号变化量，通过优化算法调整电磁比例阀，使油泵吸收功率与柴油机输fJ功率 配，达到节能增效的目的。

方案 3：数学建呢制建立-套接近时控函数模型，实时采集柴油机转速、油门位置、液压系统的压力，通过模型算法产生控制优化信号，精细调节油泵电磁比例阀、柴油机油门开度，实现柴油机输出功率与吸收负载功率的最佳匹配。

方案 4：FUZZE方案进行较多的实验数据分析，拟合柴油机输出功率与油泵在不同工况下吸收功率最佳工作曲线，找到接近数据对应表，用程序算法，将采样输入信号作比对 、优化，转换成相应的控制信号，控制油泵电磁比例阀与微调油门位置点，使工作输出与吸收功率达到最优匹配，实现节能增效的目的。

通过方案对比，选择方案 2作为实施方案，在达到对挖掘机功率控制的前提下，进-步提高整机的可靠性，同时在试制过程中不断完善，以期达到更好的节能控制水平。

3 基于用户需求的高效节能控制将发动机、泵、马达的功率曲线 、扭矩曲线输人控制系统，控制系统基于先进的控制算法、进化算法 、多目标优化算法，结合载荷的重量和要求的速度进行数据处理，计算出优化的发动机转速、泵和马达的摆角以及比例阀的开口，以达到高效节能的效果。

整个控制算法流程如图 2所示，首先，对发动机 、泵、马达的功率曲线 、扭矩曲线等进行采样处理，经过数据的转换使其能够适合控制算法进化操作；然后 ，选认适的算法对不满足要求的结果进行进化操作，在进化中根据不同情况选择合适的适应度函数引导进化向目标结果进化，最后得到优化的功率曲线 、扭矩曲线等数据，满足用户需求。

4 系统控制原理系统控制原理如图 3所示，在控制器内，系统把发动机特性曲线输入到电脑板内部存贮器中。

陔曲线即为发动机油门开度与发动机对应的理论转速之间的关系曲线，发动机转速传感器能测出发图2 控制算法流程图图 3 控制原理动机实际的转速。当给定了发动机的1二作模式后，即相应给定了发动机的工作转速，通过电脑板把相应的电信号传送给油门控制电机，使油门达到-定的开度，同时电脑板输出-个信号控制比例电磁阀。

当挖掘机开始工作后，控制器对发动机转速进行实时采样，得到发动机的实际转速，经电脑板CPU单元对发动机理论转速和实际转速进行对比，如果理论转速比实际转速小，则发动机负荷小，即外负荷小，可以加快速度工作，需要增大油泵排贵州大学学报(自然科学版) 第 30卷量。此时，控制器就增大控制比例电磁阀的电流以增大油泵的排量；反之，则发动机负荷大，亦即外负荷大，必须减小油泵排量，控制器通过减胸制比例电磁阀的电流来减小油泵的排量。通过检测手柄压力传感器，实现 自动怠速及 自动怠速解除功能。通过检测其它传感器，实现模拟量和开关量的显示和实现故障报警。

5 产品样机研发5.1 产品样机示意液压工程机械节能控制系统系车载仪表，结构紧凑，造型美观，仪表及控制器开发了塑料模具，无论从外型、安装和使用情况来看，效果都很好，并在电子控制部分和操作执行部分都增加了防水罩。

丁作小时累计图4 产品样机示意表 1 研发的控制器与国外派芬、Jl崎控制器对比注 1：可使用 CoDeSys编程工具进行二次编程。

注 2：ISO13766-2005含传导发射、辐射发射、辐射抗扰等。

注 3：ISO7637-2005是关于土方机械用电子单元抗扰度试验，含 1#、2a/b#、3a/b#、4≠、5a/b#/个波形 ，划分为 I、11、IllIV四个等级 ，其中IV等级最为严酷。

注 4：ISO10605(ESD)为静电放电标准 ，包括接触放电和空气放电，分四个(I、II、III、IV)等级，其中IV等级最为严酣第4期 李少波 等：液压挖掘机电子监控节能系统的研究设计 ·6l·5.2 性能指标根据国外液压挖掘机电子监控及节能控制系统发展趋势，处理器由以往不带有操作系统的 8位提高到带有操作系统的 32位，全部通过 EMC验证，实现传感器采集信号的 GPS传输∝制器性能指标如表 l所示。

6 结束语液压挖掘机电子监控及节能控制系统主要应用于液压挖掘机上。基于对柴油机和液压系统的联合控制，达到节能降耗和提高工作效率的目的。

可根据作业工况选择不同油门位置(通过油门拨盘)，在挖掘机作业过程中，根据作业负荷的变化自动调节电磁比例阀，改变液压泵的吸收功率，最大限度地利用柴油机的功率，且任何时候柴油机均不会过载，从而保护了柴油机系统，使整个挖掘机系统始终工作在安全、高效状态。

同时安装在挖掘机各部位的传感器采集信号，用于对液压挖掘机发动机、液压系统等的运行状况进行显示和控制。