基于全局功率匹配的液压挖掘机电控节能技术的研究

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液压挖掘机是一种高能耗的重要工程机械,应用十分广泛,在国民建设中占有重要地位。我国自主研发的液压挖掘机的技术相对落后,其发动机功率利用率较低,能量损失较大,导致挖掘机整机工作效率降低,经济性能较差。因此研究挖掘机的节能控制技术具有重要的工程实际意义。目前,挖掘机节能技术应用较多的是发动机-泵和泵-负载的功率匹配控制,但是两者都是通过调节液压泵的排量来实现局部功率匹配,所以,两个环节的控制相互干涉,不能协调统一。针对此种情况,论文基于发动机-液压系统-负载的全局功率匹配,研发液压挖掘机的电控节能技术,主要进行了如下几个方面的工作:  ①通过分析挖掘机的传动系统及能量传递路线,找出其能量损失途径,指出除了不可避免的损失外,大部分是由于发动机-液压系统-负载之间的功率匹配不合理造成的能量损失。  ②在分析柴油机特性、变量泵特性和柴油机油门控制特性的基础上,分别推导柴油机、变量泵和油门控制器的数学模型和相关系统的传递函数,为电控节能系统的算法设计和基于MATLAB的计算机仿真分析提供了理论依据。  ③在综合分析目前国内外挖掘机液压系统节能控制技术的基础上,提出液压挖掘机全局功率匹配方法:分为发动机-变量泵的匹配和控制阀-负载的匹配。前者运用发动机转速感应控制技术,通过调节变量泵的排量让泵尽量吸收发动机的功率并将其转化为液压能;后者通过调节控制阀的开口来改变执行机构的速度,让执行机构在压力随负载变化的情况下把液压能发挥到最大,让执行机构吸收的功率在同一档功率模式下始终接近泵的输出功率。这样就实现了发动机-液压系统-负载的全局功率匹配。  ④基于发动机-液压系统-负载的全局功率匹配,采用发动机转速感应控制技术,设计挖掘机电控节能系统。该系统主要包含两个方面:变量泵的排量控制系统和发动机的电子油门控制系统。根据挖掘机的不同作业工况将发动机的功率控制设定为如下四种功率模式:1)全功率模式;2)经济模式;3)轻载模式;4)怠速模式。并在全功率模式下,将液压泵的功率曲线设定在发动机的功率曲线之上,只要合理采用电控节能技术,便能充分利用发动机的功率而不会产生发动机过载熄火的情况。从而实现提高挖掘机工作效率和燃油经济性的目的。  ⑤在分析传统PID控制算法的基础上,采用智能控制技术分别建立单神经元自适应PID泵控制器和发动机油门PID参数自调整模糊控制器,并根据建立的数学模型和节能控制方案运用MATLAB的Simulink和FUZZY工具箱分别对泵控制器和油门控制器进行计算机仿真分析,仿真结果显示控制器响应快速而稳定,控制效果良好,验证了电控节能方案和控制算法的合理性与可行性。
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