液压泵的控制器的制作方法

专利名称：液压泵的控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及液压泵的控制器，尤其是适用于液压建筑机械的液压泵控制器背景技术通常，液压建筑机械的动力单元系统(液压系统)装备有一个或多个由发动机动力驱动的变排量型液压泵。例如，液压挖掘机是普通的液压建筑机械，液压挖掘机的液压系统装备有由发动机11的动力驱动的第一和第二变排量型液压泵9和10，如

图12所示。从该液压泵9和10排出的压力油通过方向开关阀15和17供给多个液压促动器27和28，该方向开关阀的打开程度根据操纵杆19和20操作量而变化。为了向进行组合操作的液压促动器27和28供给足够量的压力油，需要控制吸收的泵扭矩，以便与发动机的输出保持很好地平衡，这样，实际发动机转速能遵循目标发动机转速。
因此，该液压系统装备有控制器30，传感器信号由发动机转速传感器22和压力开关31输入该控制器30。在该控制器30中，发动机11的发动机转速根据由发动机转速传感器22发出的输入信号来检测，并根据由压力传感器31发出的输入信号决定液压泵9和10是否排出压力油。为了控制液压泵9和10的吸收扭矩(或吸收马力)，使发动机转速遵循目标发动机转速，控制信号Ps输出给调节液压泵9和10的排出流量调节器12和13。在电磁比例减压阀14中，对控制信号Ps进行电-油转换，转换后的信号输入给调节器12和13。
不过，前述普通液压泵控制器不能预计由于操纵杆9和20的操作而引起的液压泵9和10的排出流量的变化。因此，当液压泵9和10的排出流量瞬时变化时，例如刚操作完操纵杆19和20后，或在稍微操作时，将失去发动机输出和吸收的泵扭矩之间的平衡，且实际发动机转速相对于目标发动机转速的波动将变大。因此，不能有足够量的压力油供给液压促动器27和28，且可操作性降低。
而且，对于普通的液压泵控制器，需要根据液压挖掘机的类型对控制参数进行调节。也就是，需要针对各种液压挖掘机类型对部分控制程序进行修改。而且，即使液压挖掘机是同一类，它们之间也有个体差异。而且，还有工作环境改变，例如在寒冷地区和温暖地区之间，以及发动机燃料改变这样的情况。因此，当个体差异、工作环境和条件改变时，在装运液压挖掘机之前对控制参数进行的调节不再适合，实际发动机转速相对于目标发动机转速的波动将变大，可操作性将下降。
本发明考虑到这些问题。因此，本发明的一个目的是提供一种液压泵控制器，该液压泵控制器在任何时候都能够控制吸收的泵扭矩与发动机输出之间的良好平衡。
本发明的另一目的是提供一种液压泵控制器，该液压泵控制器即使在液压建筑机械之间有个体差异，或者工作环境改变，或者安装于不同类型的液压建筑机械的情况下，也不需要调节控制参数和修改控制程序。
发明简介根据本发明，提供了一种装备于液压系统内的液压泵控制器，其中，液压泵由发动机驱动，这样，工作油通过操纵装置的操作而供给液压促动器，该液压泵控制器还控制液压泵调节器，这样，液压泵的吸收扭矩与发动机的输出平衡。该液压泵控制器包括发动机转速检测装置，用于检测发动机转速；排出压力检测装置，用于检测液压泵的排出压力；操作量检测装置，用于检测操纵装置的操作量，或者检测与该操作量相关联的物理量；排出流量预计装置，用于根据排出压力检测装置和操作量检测装置的输出来预计根据操纵装置的操作而由液压泵排出的工作油的排出流量；
预计发动机转速计算装置，用于根据由排出流量预计装置预计的排出流量和排出压力检测装置的输出来计算液压泵的吸收扭矩，然后通过计算出的液压泵吸收扭矩计算发动机的预计发动机转速；以及调节器控制装置，用于根据由预计发动机转速计算装置计算出的预计发动机转速和由发动机转速检测装置检测的实际发动机转速之间的偏差来控制调节器。
通过该结构，根据液压泵的排出压力，并根据操纵装置的操作量或与该操作量相关联的物理量，从工作的液压泵排出的工作油的排出流量能根据操纵装置的操作量来预计。因此，在刚操作操纵杆后或在稍微操作时，可以使发动机的实际发动机转速遵循预计发动机转速，且不会失去发动机输出和吸收的泵扭矩之间的平衡。这样，本发明的液压泵控制器能够防止由于发动机转速波动而引起的可操作性降低。
在本发明的优选方式中，调节器控制装置是通过利用模糊推理来控制调节器的装置。该调节器控制装置包括一致性计算装置和学习(learning)-纠正装置，该一致性计算装置用于根据液压系统的工作状态范围设定多个前提条件，然后计算各前提条件相对于表示工作状态的物理量的一致性，该学习-纠正装置用于根据前提条件设定多个用以控制调节器的控制参数，并根据预计发动机转速和实际发动机转速之间的偏差以及由一致性计算装置计算出的各前提条件的一致性来学习和纠正各控制参数，然后将正确的控制参数输出给调节器。
这样，该液压泵控制器的控制是可靠的，因为它利用模糊推理来控制调节器。此外，根据各前提条件相对于表示液压系统工作状态的量的一致性和根据实际发动机转速和预计发动机转速之间的偏差，可以对控制参数进行学习和纠正，并输出给调节器。这样，该液压泵控制器能够根据液压泵的输出状态和响应发动机转速而调节液压泵的吸收扭矩。即使在液压系统的工作状态改变的情况下，例如液压建筑机械之间有个体差异或工作环境改变，甚至在安装于不同类型的液压建筑机械上时，该液压泵控制器也不用调节控制参数和改变控制程序。
在本发明的另一优选方式中，排出压力和排出流量作为表示工作状态的物理量，前提条件是根据排出压力和排出流量设定的。在本发明的还一优选方式中，预计发动机转速的一阶微分值和二阶微分值作为表示工作状态的物理量，前提条件是根据该一阶微分值和二阶微分值设定。
附图的简要说明图1是普通液压挖掘机的透视图，作为本发明第一实施例的液压泵控制器用于该液压挖掘机；图2是表示用于本发明第一实施例的液压泵控制器中的液压泵系统的结构框图；图3是表示在本发明第一实施例的液压泵控制器中，发动机输出特性和目标发动机转速之间的关系的示意图；图4是表示在本发明第一实施例的液压泵控制器中，发动机输出特性和目标发动机转速之间的关系的示意图；图5是表示用于本发明第一实施例的液压泵控制器中的液压泵的调节器特性的示意图；图6是表示在本发明第一实施例的液压泵控制器中，用于泵控制的计算机操作的方框图；图7是表示在本发明第一实施例的液压泵控制器中，用于模糊控制的模糊规则的示意图；图8是表示用于本发明第一实施例的液压泵控制器中的模糊规则的前提部分的成员函数(membership function)的示意图；图9是表示在本发明第二实施例的液压泵控制器中，用于泵控制的计算机操作的方框图；图10是表示在本发明第二实施例的液压泵控制器中，用于模糊控制的模糊规则的示意图；图11是表示用于本发明第二实施例的液压泵控制器中的模糊规则的前提部分的成员函数的示意图；图12是表示用于普通液压泵控制器中的液压系统的结构框图。
实施本发明的最佳方式下面将参考附图介绍本发明第一实施例的液压泵控制器。首先介绍采用该液压泵控制器的普通液压挖掘机的结构。如图1所示，液压挖掘机1装备有上部旋转台2B，该上部旋转台2B能相对于底部移动台座2A自由旋转。悬臂3从该上部旋转台2B伸出，其外端与斗杆(stick)5相连。该斗杆5在其外端有一铲斗7。在旋转台2B中，该液压挖掘机1除了装备有用于使该上部旋转台2B旋转的旋转马达(未示出)外，还有发动机和液压泵(未示出)。该液压泵用于向液压促动器提供压力油，该液压促动器例如用于操作悬臂3的悬臂油缸4、用于操作斗杆5的斗杆油缸6用于操作铲斗7的铲斗油缸8等。这些油缸的基本结构和在普通液压挖掘机中所用的一样。
本发明的液压泵控制器用于上述液压建筑机械中，例如液压挖掘机等。下面将参考图2至8介绍液压泵控制器的第一实施例。应当知道，相同的参考标号表示与前述现有技术相同的部件。如图2的结构框图所示，根据第一实施例的液压泵控制器的液压系统有一发动机(柴油发动机)11以及第一和第二变排量型液压泵(下文简称为液压泵)9和10，该液压泵9和10由发动机11动力驱动。该液压泵9和10构成旋转斜盘式轴向活塞泵，该泵中，排出流量分别根据旋转斜盘9a和10a的角度位移而改变。旋转斜盘9a和10a分别由调节器12和13引导运动。
调节器12接收通过由电磁比例减压阀14进行的电-油转换而获得的控制信号(回路压力)Ps、在方向开关阀15和溢流阀16之间的回路压力以及第一和第二液压泵9和10的排出部分的回路压力。调节器13接收通过由电磁比例减压阀14进行的电-油转换而获得的控制信号(回路压力)Ps、在方向开关阀17和溢流阀18之间的回路压力以及第一和第二液压泵9和10的排出部分的回路压力。由这些油压控制调节器12和13。由调节器12和13怎样进行液压控制的详细情况将在后面介绍。
方向开关阀15和17是改变供给液压促动器27和28的压力油的量和方向的装置。通过操作操纵杆(操作装置)19和20，与该操纵杆的操作量相对应的操作压力输入方向开关阀15和17。该方向开关阀15和17进行改变压力油的量和方向的操作。在通过开关阀15的压力油流向油箱26的液压回路中提供有溢流阀16。同样，在通过开关阀17的压力油流向油箱26的液压回路中提供有溢流阀18。当回路压力达到预定的装置释放压力时，溢流阀16和18打开。溢流阀16还提供有并联的节流阀。同样，溢流阀18也提供有并联的节流阀。通过在节流阀上游侧引起的压力变化，可以检测流入油箱26中的油量的变化。
通过该结构，当操纵杆19和20的操作量为零时，从液压泵9和10排出的压力油通过方向开关阀15和17以及溢流阀16和18流入油箱26这时，溢流阀16和18的进口压力等于装置释放压力。另一方面，当对操纵杆19和20进行操作时，流过方向开关阀15和17的压力油供给液压促动器27和28。因为没有压力油流过溢流阀16和18，溢流阀16和18的进口压力减至接近油箱压力。也就是，溢流阀16和18的进口压力根据操纵杆19和20的操作量而变化。该进口压力传递给调节器12和13。
上述液压系统有用于控制液压泵9和10工作的控制器21。该控制器21接收由用于检测发动机11的发动机转速的发动机转速传感器(发动机转速检测传感器)22发出的信号(实际发动机转速)Ne、由用于检测液压泵9和10之间的平均压力(排出压力)的压力传感器(排出压力检测装置)23发出的信号(液压泵排出压力)Pp和由用于检测溢流阀16和18的进口压力的压力传感器(操作量检测装置)24和25发出的信号(进口压力)Pr1和Pr2。根据这些输入信号，控制器21设定控制液压泵9和10的控制信号(控制压力)Ps，并将该信号输出至电磁比例减压阀14。
下面将参考图3至5介绍控制器21怎样设定控制压力(向电磁比例减压阀14输出的值)。图3和4所示为发动机输出特性和目标发动机转速之间的关系。图3表示当发动机的输出100％使用时的情况，而图4表示当通过加速器调节控制盘设定的发动机转速变化以便将发动机输出减少至小于100％时的情况。发动机的输出以额定扭矩Te点(额定点)为界分成调速器区域和滞后(lagging)区域。该调速器区域是调速器打开程度小于100％的输出区，而该滞后区是调速器打开程度为100％的输出区。
当用液压挖掘机进行重载挖掘时，发动机输出设定为100％，以便以最优燃料消耗状态进行工作，其目标点可以认为如图3中点p1所示。也就是，目标发动机转速Nset设定为在表示输出为100％的特性线上稍微小于额定发动机转速的一点上(在额定点时的发动机速度)。另一方面，当进行轻度挖掘操作时，这时是在发动机输出小于100％的情况下进行工作，由加速器调节控制盘所设定的发动机转速也减小。因此，如图4中p2点所示，在由表示输出为100％的特性线和表示加速器调节控制盘调至最大时的特性线所包围的区域内，根据发动机负载和由加速器调节控制盘设定的发动机转速设定目标点。这时，目标点的横坐标值表示目标发动机转速，纵坐标值表示目标发动机输出扭矩。
图5表示液压泵的调节器特性曲线。当液压泵9和10的排出压力Pp降低时，液压泵9和10的最大排出流量Qu根据溢流阀16的进口压力Pr1或溢流阀18的进口压力Pr2升高或降低，该溢流阀16的进口压力Pr1根据操纵杆19的操作量而变化，该溢流阀18的进口压力Pr2根据操纵杆20的操作量而变化。尤其是，最大排出流量Qu由下面的等式(1)表示Qu＝a×Pr+b(1)其中a和b分别是表示排出流量Qu的流量特性的比例系数和常数。因此，例如当操纵杆19和20的操作量减小时，调节器12和13也操作为使排出流量Qu变小。
当液压泵9和10的排出压力Pp为中等大小和较高时，排出流量QL随液压泵排出压力Pp的升高而降低。这一压力区域(由图5中的斜特性曲线表示的区域)是液压泵9和10的吸收扭矩(或吸收马力)为常数的区域。上述特性线称为扭矩常数曲线或马力常数曲线。当给电磁比例减压阀14的控制压力Ps变化时，上述扭矩常数曲线将根据该控制压力Ps的值而移动，如图5中箭头所示。因此，泵的吸收扭矩将改变。尤其是，排出流量QL由下面等式(2)表示QL＝c×(Pp+k×Ps)+d(2)其中c和d是表示排出流量QL的流量特性的比例系数和常数，k是相对于控制压力Ps的系数。不过，各系数c、d和k在排出压力Pp相对较高的区域和排出压力Pp相对较低的区域之间变化。因此，由前述等式(2)表示的特性线QL成如图5所示的曲线。
如前所述，液压泵9或10的最大排出流量Qu能够通过压力Pr1和Pr2估算，并可以通过控制压力Ps和液压泵排出压力Pp估算扭矩常数曲线上的排出流量QL。而当前的泵排出流量QA可以通过下面的等式(3)利用Qu和QL进行估算QA＝max[min(Qu，QL)，0](3)控制器21利用前述发动机输出特性和目标发动机转速之间的关系和利用液压泵的调节器特性曲线(图5)来设定输出的控制压力Ps。尤其是，如图6的计算机操作方框图所示，作为控制器21的功能装置，该控制器21有第一泵排出流量预计-计算部分50、第二泵排出流量预计-计算部分51、总流量预计-计算部分52、预计发动机转速的计算部分53、过滤器54、学习-改进(gain)设定部分55、前提部分(antecedent-part)一致性计算部分56、结果部分变量计算部分57、控制输出扭矩计算部分58和控制压力转换部分59。上述前提部分一致性计算部分56、结果部分变量计算部分57、控制输出扭矩计算部分58和控制压力转换部分59整体构成调节器控制装置。应当知道，控制器21是一个由例如CPU、RAM、ROM等装置构成的普通电子控制器，上述功能装置50至59可以由合适设计的、使CPU工作的程序而构成。
下面将对各功能装置进行介绍。首先，第一泵排出流量预计-计算部分50是预计由第一液压泵9排出的压力油的流量Q1的装置，它通过溢流阀16的进口压力Pr1、液压泵排出压力Pp和前面步骤中的控制压力Ps并利用图5所示的前述调节器特性曲线(利用等式(1)至(3))来预计排出流量Q1。
第二泵排出流量预计-计算部分51是预计由第二液压泵10排出的压力油的流量Q2的装置，它通过溢流阀18的进口压力Pr2、液压泵排出压力Pp和前面步骤中的控制压力Ps并利用图5所示的前述调节器特性曲线(利用等式(1)至(3))来预计排出流量Q2。
总流量预计-计算部分52是通过由第-泵排出流量预计-计算部分50和第二泵排出流量预计-计算部分51计算的预计排出流量Q1和Q2来计算预计总流量Q。该预计总流量Q由下面等式(4)表示Q＝(Q1+Q2)(4)应当知道，上述第一泵排出流量预计-计算部分50、第二泵排出流量预计-计算部分51和总流量预计-计算部分52整体构成排出流量预计装置。
预计发动机转速计算部分(预计发动机转速计算装置)53是计算通过当前工作状态而预计的发动机转速的装置。尤其是，预计发动机转速计算部分53通过液压泵排出压力Pp和预计总流量Q并利用图5中的前述调节器特性曲线来计算液压泵9和10的吸收扭矩。而且，预计发动机转速计算部分53计算为平衡计算出的吸收泵扭矩所需的发动机输出，并通过图3所示的发动机输出特性曲线和发动机转速之间的关系计算发动机11的预计发动机转速Nr。
这样计算发动机11的预计发动机转速的原因是发动机11能够可靠产生额定输出的发动机转速选定为目标发动机转速。不过，因为液压泵9和10上的负载与流量和压力的乘积成正比，且最大流量由溢流阀16和18限制，因此，液压泵9和10的负载在低压区中不会大到等于目标发动机转速的程度。因此，当机器在低压下工作时，例如轻度工作时，发动机转速不会减小到目标发动机转速，因此，即使使发动机转速遵循目标发动机转速，也无法抑制发动机转速的波动。因此，在第一实施例的控制器21中，为了更有效地抑制发动机转速的波动，计算出发动机11的预计发动机转速Nr，实际发动机转速遵循预计发动机转速Nr，而不是遵循目标发动机转速。该计算的预计发动机转速Nr输出至过滤器54。
过滤器54是对由预计发动机转速计算部分53计算出的预计发动机转速Nr进行过滤处理的装置，例如“延迟时间+一阶滞后”。即使在预计发动机转速Nr跃升和突降或包含噪音分量的情况下，过滤器54也能使实际发动机转速Ne平稳遵循预计发动机转速Nr。过滤的预计发动机转速Nr和实际发动机转速Ne之间的偏差ΔNe输入学习-改进设定部分55。
学习-改进设定部分55是根据过滤后的预计发动机转速Nr和实际发动机转速Ne之间的偏差ΔNe进行学习改进的装置。该学习改进可以仅仅是常数的乘积，或者是ΔNe的微分或积分，或者是它们的和。该学习-改进设定部分55的输出是发动机转速偏差ΔNe的一个评估函数，以f(ΔNe)表示。
因此，在第一实施例的控制器21中，评估值f(ΔNe)一个使实际发动机转速Ne遵循预计发动机转速Nr的指数，它由溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2和液压泵排出压力Pp以及前面步骤中的控制压力Ps并通过在功能装置50至55中的前述处理而得到。如后面所述，该控制压力Ps设置成这样，即评估值f(ΔNe)为零。
第一实施例的控制器21利用模糊推理由控制压力Ps控制调节器12和13。尤其是，液压泵排出压力Pp和由总流量预计-计算部分52计算的预计总流量Q首先输入前提部分一致性计算部分56中。该前提部分一致性计算部分(一致性计算装置)56是用于计算液压泵排出压力Pp和预计总流量Q的输入相对于模糊规则(fuzzyrule)的前提部分(if-部分)的一致性的装置。该第一实施例利用模糊规则，该模糊规则例如如图7所示。尤其是，在图7中，将泵压力Pp描述为NB、NM…PB和将预计总流量Q描述为NB、NM…PB的部分等价于模糊规则的前提部分。在图7的表中，Wij(其中i＝1至7，j＝1至7)表示结果部分变量，下面将对其进行介绍。
在前提部分中的简写符号NB、NM…PB称为模糊标记。例如，“NB”是“不大”的简写，“NS”是“不小”的简写，“PB”是“很大”的简写。例如，对于液压泵排出压力Pp，“NB”的意思是压力相当小，“PB”的意思是压力相当大。对于预计总流量Q，“NB”的意思是流量相当小，“PB”的意思是流量相当大。前述“一致性”指用数值表示输入值(在第一实施例中为液压泵排出压力Pp和预计总流量Q)与各前提条件的相符性。在模糊控制中，成员函数用于进行上述定量。该成员函数有多种类型，例如挂钟(hanging bell)形、三角形等。不过，为了计算方便，第一实施例利用三角形成员函数，如图8所示。
图8所示为液压泵排出压力Pp的成员函数。例如，当前提条件为“如果Pp是NM”时，采用在图8中与“NM”相对应的成员函数来计算液压泵排出压力Pp输入的成员函数值。该计算值定义为与前提条件“如果Pp是NM”一致。其它前提条件也是这样。此外，尽管没有图示出，输入的预计总流量Q相对于各前提条件的一致性也通过设置类似的、预计总流量Q的成员函数而进行计算。
在对输入的液压泵排出压力Pp和预计总流量Q相对于各前提条件的一致性进行计算时，前提部分一致性计算部分56以下面方式计算一致性的合成值。也就是，μi和μj(i＝1至7，j＝1至7)的合成值μij通过下面的等式(5)进行计算μij＝μi×μj(5)其中，μj表示液压泵排出压力Pp的前提条件一致性(j＝1对应于NB，j＝2对应于NM…，j＝7对应于PB)，而μi表示预计总流量Q的前提条件一致性(i＝1对应于NB，i＝2对应于NM…，i＝7对应于PB)。合成值可以由下面的等式(5’)进行计算μij＝min(μi，μj)(5’)其中 “min”是选择最小值的函数。前提部分一致性计算部分56将计算的一致性合成值输出给结果部分变量计算部分57和控制输出扭矩计算部分58。
结果部分变量计算部分(学习-纠正装置)57是根据图7所示的模糊规则计算结果部分变量Wij的值的装置。该结果部分变量计算部分57根据评估值f(ΔNe)和一致性合成值μij计算结果部分变量Wij，以便进行学习和纠正。该评估值f(ΔNe)由学习-改进设置部分55根据过滤后的预计发动机转速Nr和实际发动机转速Ne之间的偏差ΔNe来计算，该一致性合成值μij由前提部分一致性计算部分56输入。尤其是，该结果部分变量计算部分57通过下面等式(6)计算结果部分变量Wij的值Wij(k)＝Wij(k-1)-Δt×f(ΔNe)×μij(6)其中Δt是控制时间的增量，ΔNe是发动机转速偏差，μij是前提部分的一致性合成值(i＝1至7，j＝1至7)，Wij(k-1)是前一步骤中的Wij，Wij(k)是本步骤中计算出的Wij。应当知道，各结果部分变量Wij的计算值储存在控制器21内的储存装置中。
当前提条件的一致性变大时(当前提条件更相符时)，和当发动机转速偏差ΔNe的评估值f(ΔNe)变大时，上述等式(6)右边第二项变大。因此，上述步骤中的结果部分变量Wij的修正量变大。上述等式(6)右边第二项不断变化，直到评估值f(ΔNe)为零，结果部分变量Wij也不断进行校正(学习)，直到评估值f(ΔNe)为零。对结果部分变量Wij(k)的校正(学习)输出给控制输出扭矩计算部分58。
应当知道，当由加速器调节控制盘设定的发动机转速改变时，发动机11的目标发动机转速Nset也改变，如图4所示。应当知道，第一实施例的控制器21利用由加速器调节控制盘设定的各发动机转速的结果部分变量Wij，并对各设定的发动机转速的结果部分变量Wij进行学习和纠正。
控制输出扭矩计算部分58是用于计算输出给液压泵的输出扭矩Tr的装置，并通过结果部分变量Wij(k)和一致性合成值μij并利用下面等式(7)计算输出扭矩TrTr[μij·Wij(k)]/∑μi(7)上述等式(7)是一个所谓的平均加权(weighted)计算等式，是计算模糊控制的输出值的普通方法。计算出的输出扭矩Tr输出给控制压力转换部分59。该控制压力转换部分59是用于将输出扭矩Tr转换成控制压力Ps的装置。通过输出扭矩Tr转换而得到的控制压力Ps输出给电磁比例减压阀14。
因为本发明第一实施例的液压泵控制器的结构如上所述，当带有液压泵控制器的液压建筑机械进行工作时，该液压泵控制器以下面方式工作。当操作人员首先操作操纵杆19和20时，方向开关阀15和17转换(switch)，这样，压力油根据操作量从液压泵9和10供给液压促动器27和28。溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2也根据操纵杆19和20的操作量而改变。进口压力Pr1和Pr2由压力传感器23和24检测并输出给控制器21。
当控制器21接收进口压力Pr1和Pr2时，控制器21的第一泵排出流量预计-计算部分50和第二泵排出流量预计-计算部分51由该进口压力Pr1和Pr2、液压泵排出压力Pp和以前步骤中的控制压力Ps并利用图5所示的调节器特性曲线来预计和计算液压泵9和10的排出流量Q1和Q2。总流量预计-计算部分52利用等式(4)计算预计总流量Q。
当计算出预计总流量Q时，预计发动机转速计算部分53通过预计总流量Q和液压泵排出压力Pp并利用图5所示的调节器特性曲线来计算液压泵9和10吸收的扭矩。而且，预计发动机转速计算部分53计算为平衡所算出的泵吸收扭矩所需的发动机输出，并通过如图3所示的发动机输出特性和目标发动机转速之间的关系来计算预计发动机转速Nr。然后，过滤器54对计算出的预计发动机转速Nr进行过滤处理，例如“延迟时间+一阶滞后而且，学习-改进设定部分55根据过滤后的预计发动机转速Nr和实际发动机转速Ne之间的偏差ΔNe进行预定的学习改进，然后计算发动机转速偏差ΔNe的评估值f(ΔNe)。
除了根据进口压力Pr1和Pr2计算评估值f(ΔNe)，控制器21的前提部分一致性计算部分56利用如图8所示的成员函数来计算液压泵排出压力Pp和预计总流量Q相对于模糊规则前提部分的一致性μj(j＝1至7)和μi(i＝1至7)，该模糊规则如图7所示。前提部分一致性计算部分56还利用等式(5)或等式(5’)来计算一致性合成值μij(i＝1至7，j＝1至7)。根据发动机转速偏差ΔNe的评估值f(ΔNe)和一致性合成值μij，结果部分变量计算部分57利用等式(6)来修正(或学习)在图7所示模糊规则中各结果部分变量Wij的值。因为等式(6)中的第二项变化直到评估值f(ΔNe)为零，结果部分变量Wij也进行修正(学习)，直到评估值f(ΔNe)为零。
当对结果部分变量Wij进行修正(学习)时，控制输出扭矩计算部分58由结果部分变量Wij和一致性合成值μij并利用等式(7)计算输出扭矩Tr。控制压力转换部分59将算出的输出扭矩Tr转换成控制压力Ps，并将其输出给电磁比例减压阀14。该电磁比例减压阀14根据控制压力Ps进行电-油转换，并将其输出给调节器12和13。该调节器12和13使液压泵9和10的旋转斜盘9a和10a根据输入的控制压力Ps运动。根据旋转斜盘9a和10a的角度位移，液压泵9和10的排出流量改变。
因此，根据第一实施例的液压泵控制器，液压泵9和10的调节器12和13的控制压力Ps根据发动机转速Ne和液压泵排出压力Pp以及溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2来设定，而该溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2与操纵杆19和20的操作量相关联。因此，在工作过程中，液压泵9和10的流量能够准确预计，这样，在操纵杆刚操作后或在轻微操作时，实际发动机转速Ne能遵循预计发动机转速Nr，而不会失去发动机输出和吸收的泵扭矩之间的平衡。因此，第一实施例的液压泵控制器的优点是能够防止由于发动机转速波动而引起的可操作性降低。
该液压泵控制器的控制是可靠的，因为它利用模糊推理来控制液压泵9和10(尤其是调节器12和13)。该液压泵控制器还能根据液压泵9和10的工作输出状态和响应发动机转速而调节液压泵9和10的吸收扭矩，因为它通过液压泵排出压力Pp、预计总流量Q相对于各范围的一致性μj和μi以及实际发动机转速Ne相对于预计发动机转速Nr的偏差ΔNe的评估值f(ΔNe)来学习和计算控制压力Ps。也就是，即使液压泵9和10的输出状态由于液压挖掘机的类型、个体差异等而变化，或者发动机转速的动态特性由于工作环境(例如寒冷地区、温暖地区等)的变化或燃料的变化而改变，液压泵9和10也可以根据各液压挖掘机和工作环境进行控制，因为控制器21自身学习该结果部分变量Wij，而该结果部分变量Wij是设置控制压力Ps的基础。因此，即使液压挖掘机类型或工作环境变化，也可以采用相同的控制器(控制方法)。因此，不需要针对各机器类型而调节控制参数，也不需要进行改变控制程序的工作。
而且，液压泵排出压力Pp和预计总流量Q怎样变化取决于操纵杆19和20的操作量和特性的变化，该液压泵排出压力Pp和预计总流量Q是用于设定控制压力Ps的输入值，该特性例如发动机和泵的个体差异、机器的类型等。不过，当模糊规则的前提部分的成员函数包括全部转变范围时，与前述特性变化最相符的前提条件作为计算目标，与作为计算目标的该前提条件对应的结果部分变量Wij被更新(或学习)，右边使评估值f(ΔNe)为零。因此，液压泵9和10的控制可以与该特性变化相对应。应当知道，在有显著变化的过渡状态，操纵杆刚操作之后，根据操作过后的时间，该状态可以分成多个时间段。这时，对各时间段都准备有结果部分变量Wij，并在学习-改进设置部分55中设定评估值f(ΔNe)。
下面将介绍根据本发明第二实施例构成的液压泵控制器。与前述第一实施例一样，第二实施例的液压泵控制器也用于液压建筑机械，例如如图1所示的液压挖掘机等。第二实施例的液压泵控制器也有与第一实施例相同的液压系统，例如如图2所示的液压系统。第二实施例的液压泵控制器与第一实施例在功能上(液压泵的控制方法)不同。与第一实施例相同的是，发动机输出特性和目标发动机转速之间的关系如图3和4所示，液压泵的调节器特性曲线如图5所示。
根据第二实施例的液压泵控制器的结构，下面首先参考图9至11并加上用于第一实施例的图2至5来说明该控制器的功能(控制液压泵的方法)。如图9的计算机操作方框图所示，第二实施例的控制器21’有第一泵排出流量预计-计算部分60、第二泵排出流量预计-计算部分61、总流量预计-计算部分62、预计发动机转速的计算部分63、过滤器64、学习-改进设定部分65、前提部分一致性计算部分66、结果部分变量计算部分67、控制输出扭矩计算部分68和控制压力转换部分69。应当知道，控制器21’是一个由例如CPU、RAM、ROM等装置构成的普通电子控制器，上述功能装置60至69可以由合适设计的使CPU工作的程序而构成。
下面将对各功能装置进行介绍。首先，第一泵排出流量预计-计算部分60是用于预计由第一液压泵9排出的压力油的流量Q1的装置，它通过溢流阀16的进口压力Pr1、液压泵排出压力Pp和前面步骤中的控制压力Ps并利用图5所示的调节器特性曲线来预计排出流量Q1。
第二泵排出流量预计-计算部分61是用于预计由第二液压泵10排出的压力油的流量Q2的装置，它通过溢流阀18的进口压力Pr2、液压泵排出压力Pp和前面步骤中的控制压力Ps并利用图5所示的调节器特性曲线来预计排出流量Q2。
与第一实施例一样，总流量预计-计算部分62是通过由第一泵排出流量预计-计算部分60和第二泵排出流量预计-计算部分61计算的预计排出流量Q1和Q2并利用等式(4)来计算预计总流量Q的装置。应当知道，上述第一泵排出流量预计-计算部分60、第二泵排出流量预计-计算部分61和总流量预计-计算部分62整体构成排出流量预计装置。
预计发动机转速计算部分(预计发动机转速计算装置)63是计算发动机转速的装置。该预计发动机转速计算部分63通过液压泵排出压力Pp和预计总流量Q并利用图5中的调节器特性曲线来计算液压泵9和10的吸收扭矩。而且，该预计发动机转速计算部分63计算为平衡所计算出的吸收泵扭矩所需的发动机输出，并通过图3所示的发动机输出特性和发动机转速之间的关系计算发动机11的预计发动机转速Nr。
过滤器64是对由预计发动机转速计算部分63计算出的预计发动机转速Nr进行过滤处理的装置，例如“延迟时间+一阶滞后”，这样，即使在预计发动机转速Nr分段变化或包含噪音分量的情况下，也能使实际发动机转速Ne平稳遵循预计发动机转速Nr。
学习-改进设定部分65是根据过滤后的预计发动机转速Nr和实际发动机转速Ne之间的偏差ΔNe进行学习改进的装置，以便计算发动机转速偏差ΔNe的评估函数f(ΔNe)。该学习改进可以是常数的乘积，或者是ΔNe的微分或积分，或者是它们的和。
上述功能装置60至65的功能与第一实施例的功能装置50至55的功能相同。为了使实际发动机转速Ne遵循预计发动机转速Nr，控制器21’设置控制压力Ps，这样，由功能装置60至65得出的评估值f(ΔNe)变为零。第二实施例也利用模糊控制而由控制压力Ps控制调节器12和13，但是怎样进行模糊控制与第一实施例不同。
尤其是，在第二实施例中，由过滤器64过滤的预计发动机转速的一阶微分值dΔNe和二阶微分值d2ΔNe作为模糊控制的输入值输入给前提部分一致性计算部分66。该前提部分一致性计算部分(一致性计算装置)66是用于计算输入的预计发动机转速的一阶微分值dΔNe和二阶微分值d2ΔNe相对于模糊规则前提部分的一致性的装置。该第二实施例利用如图10所示的模糊规则。在该图中，将一阶微分值dΔNe描述为NB、NM…PB和将二阶微分值d2ΔNe描述为NB、NM…PB的部分等价于模糊规则的前提部分。
一致性指用数值表示输入值(在第二实施例中为一阶微分值dΔNe和二阶微分值d2ΔNe)与各前提条件(即NB，NM…PB)的相符性。第二实施例利用如图11所示的成员函数来进行定量。成员函数有多种类型，例如挂钟形、三角形等。不过，为了计算方便，第二实施例利用三角形成员函数。图11所示为一阶微分值dΔNe的成员函数。例如，当前提条件为“如果dΔNe是NM”时，利用在图11中与“NM”相对应的成员函数来计算输入的一阶微分值dΔNe的成员函数值。该计算值定义为与前提条件“如果dΔNe是NM”一致。其它前提条件也是这样。此外，尽管没有图示出，输入的二阶微分值d2ΔNe相对于各前提条件的一致性也通过设置类似的、二阶微分值d2ΔNe的成员函数而进行计算。
在对输入的一阶微分值dΔNe和二阶微分值d2ΔNe相对于各前提条件的一致性进行计算时，前提部分一致性计算部分66计算一致性的合成值。也就是，与第一实施例一样，利用前述等式(5)或等式(5’)计算μi和μj(i＝1至7，j＝1至7)的合成值μij。这时，μj表示一阶微分值dΔNe的前提条件一致性(j＝1对应于NB，j＝2对应于NM…，j＝7对应于PB)，而μi表示二阶微分值d2ΔNe的前提条件一致性(i＝1对应于NB，i＝2对应于NN…，i＝7对应于PB)。
结果部分变量计算部分(学习-纠正装置)67是根据图10所示的模糊规则计算结果部分变量Wij的值的装置。与第一实施例一样，该结果部分变量计算部分67根据评估值f(ΔNe)和一致性合成值μij并利用等式(6)来计算结果部分变量Wij，以便进行学习和纠正，该评估值f(ΔNe)由学习-改进设置部分65根据过滤后的预计发动机转速Nr和实际发动机转速Ne之间的偏差ΔNe来计算，该一致性合成值μij由前提部分一致性计算部分66输入。算出的Wij储存在控制器21’内的储存装置中。应当知道，该结果部分变量Wij是为各加速器调节控制盘准备的，该结果部分变量计算部分67对各加速器调节控制盘的结果部分变量Wij进行学习和纠正。
由结果部分一致性计算部分67计算出的结果部分变量Wij与由前提部分一致性计算部分66计算出的一致性合成值μij一起输入控制输出扭矩计算部分58。与第一实施例一样，控制输出扭矩计算部分68是用于计算输出给液压泵的输出扭矩Tr的装置，并且通过结果部分变量Wij(k)和一致性合成值μij并利用前述等式(7)(平均加权等式)来计算输出扭矩Tr。由控制输出扭矩计算部分68计算出的输出扭矩Tr通过控制压力转换部分69转换成控制压力Ps，并输出给电磁比例减压阀14。上述前提部分一致性计算部分66、结果部分变量计算部分67、控制输出扭矩计算部分68和控制压力转换部分69整体构成调节器控制装置。
因为本发明第二实施例的液压泵控制器的结构如上所述，当带有液压泵控制器的液压建筑机械进行工作时，该液压泵控制器以下面方式工作。当操作人员首先操作操纵杆19和20时，方向开关阀15和17转换，这样，压力油根据操作量从液压泵9和10供给液压促动器27和28。溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2也根据操纵杆19和20的操作量而改变。进口压力Pr1和Pr2由压力传感器24和25检测并输出给控制器21。
当控制器21’接收进口压力Pr1和Pr2时，控制器21’的第一泵排出流量预计-计算部分60和第二泵排出流量预计-计算部分61由该进口压力Pr1和Pr2、液压泵排出压力Pp和以前步骤中的控制压力Ps并利用图5所示的调节器特性曲线来预计和计算液压泵9和10的排出流量Q1和Q2。总流量预计-计算部分62利用前述等式(4)来计算预计总流量Q。
然后，预计发动机转速计算部分63通过预计总流量Q和液压泵排出压力Pp并利用图5所示的调节器特性曲线来计算液压泵9和10吸收的扭矩。而且，预计发动机转速计算部分63计算为平衡所算出的泵吸收扭矩所需的发动机输出，并通过如图3所示的发动机输出特性和目标发动机转速之间的关系来计算预计发动机转速Nr。然后，过滤器64对计算出的预计发动机转速Nr进行前述过滤处理。而且，学习-改进设定部分65根据过滤后的预计发动机转速Nr和实际发动机转速Ne之间的偏差ΔNe进行预定的学习改进，然后计算发动机转速偏差ΔNe的评估值f(ΔNe)。
除了根据进口压力Pr1和Pr2计算评估值f(ΔNe)，控制器21’的前提部分一致性计算部分66利用如图11所示的成员函数来计算预计发动机转速的一阶微分值dΔNe和二阶微分值d2ΔNe相对于图10所示的模糊规则前提部分的一致性μj(j＝1至7)和μi(i＝1至7)。前提部分一致性计算部分66还利用等式(5)或等式(5’)来计算一致性合成值μij(i＝1至7，j＝1至7)。根据评估值f(ΔNe)和一致性合成值μij，结果部分变量计算部分利用等式(6)来修正(或学习)在图11所示模糊规则中各结果部分变量Wij的值。因为等式(6)中的第二项变化直到评估值f(ΔNe)为零，结果部分变量Wij也进行修正(学习)，直到评估值f(ΔNe)为零。
当对结果部分变量Wij进行修正(学习)时，控制输出扭矩计算部分68通过结果部分变量Wij和一致性合成值μij并利用等式(7)计算输出扭矩Tr。控制压力转换部分69将算出的输出扭矩Tr转换成控制压力Ps，并将其输出给电磁比例减压阀14。该电磁比例减压阀14根据控制压力Ps进行电-油转换，并将其输出给调节器12和13。该调节器12和13使液压泵9和10的旋转斜盘9a和10a根据输入的控制压力Ps运动。根据旋转斜盘9a和10a的角度位移，液压泵9和10的排出流量改变。
因此，根据第二实施例的液压泵控制器，与第一实施例相同，液压泵9和10的调节器12和13的控制压力Ps根据发动机转速Ne和液压泵排出压力Pp以及溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2来设定，而该溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2与操纵杆19和20的操作量相关联。因此，在工作过程中，液压泵9和10的流量能够准确预计，这样，在操纵杆刚操作后或在轻微操作时，实际发动机转速Ne能遵循预计发动机转速Nr，而不会失去发动机输出和吸收的泵扭矩之间的平衡。因此，第二实施例的液压泵控制器的优点是能够防止由于发动机转速波动而引起的可操作性降低。
该液压泵控制器的控制是可靠的，因为它利用模糊推理来控制液压泵9和10(尤其是调节器12和13)。该液压泵控制器还能根据液压泵9和10的工作输出状态和发动机转速的响应而调节液压泵9和10的吸收扭矩，因为它通过预计发动机转速的一阶微分值dΔNe和二阶微分值d2ΔNe相对于模糊规则的前提部分的一致性μj和μi以及实际发动机转速Ne相对于预计发动机转速Nr的偏差ΔNe的评估值f(ΔNe)来学习和计算控制压力Ps。因此，与第一实施例一样，即使液压挖掘机的类型或工作环境的变化，也可以使用同样的控制器(控制方法)。因此，不需要针对各机器类型而调节控制参数，也不需要进行改变控制程序的工作。应当知道，与第一实施例相同，在有显著变化的过渡状态，操纵杆刚操作之后，根据操作过后的时间，该状态可以分成多个时间段。这时，对各时间段都准备有结果部分变量Wij，并在学习-改进设置部分65中设定评估值f(ΔNe)。
尽管本发明是参考两个优选实施例介绍的，但是本发明并不局限于本文的详细说明，在附加的权利要求的范围内可以进行变化。例如，尽管在前述实施例中，溢流阀16和18的进口压力Pr1和Pr2是作为与操纵杆19和20的操作量相关联的物理量而被检测，也可以检测操作量自身，以便预计排出流量Q。
此外，在前述实施例中，模糊规则的前提条件是根据液压泵排出压力Pp和预计总流量Q来设置，或者根据预计发动机转速的一阶微分值dΔNe和二阶微分值d2ΔNe来设置。不过，模糊规则的前提条件并不局限于前述物理量(Pp、Q、dΔNe和d2ΔNe)，只要它是表示液压系统工作状态物理量即可。该前提条件可以根据三个或更多的物理量设置，或者根据单个物理量设置。
工业实用性如前所述，本发明的液压泵控制器适用于带有由发动机、液压泵、液压促动器等构成的液压系统的液压建筑机械。
权利要求
1.一种装备于液压系统内的液压泵控制器，其中，液压泵(9、10)由发动机(11)驱动，使工作油通过操纵装置(19、20)的操作而供给液压促动器(27、28)，该液压泵控制器还控制所述液压泵(9、10)的液压泵调节器(12、13)，使所述液压泵(9、10)的吸收扭矩与所述发动机的输出平衡，所述液压泵控制器包括发动机转速检测装置(22)，用于检测所述发动机(11)转速；排出压力检测装置(23)，用于检测所述液压泵(9、10)的排出压力；操作量检测装置(24、25)，用于检测所述操纵装置(19、20)的操作量，或者检测与该操作量相关联的物理量；排出流量预计装置(50至52，60至62)，用于根据所述排出压力检测装置(23)的输出和所述操作量检测装置(24、25)的输出来预计根据所述操纵装置(19、20)的操作而由所述液压泵(9、10)排出的工作油的排出流量；预计发动机转速计算装置(53、63)，用于根据由所述排出流量预计装置(50至52、60至62)预计的排出流量和所述排出压力检测装置(23)的输出来计算所述液压泵(9、10)的吸收扭矩，然后通过计算出的所述液压泵(9、10)的吸收扭矩来计算所述发动机(11)的预计发动机转速；以及调节器控制装置(56至59，66至69)，用于根据由所述预计发动机转速计算装置(53、63)计算出的所述预计发动机转速和由所述发动机转速检测装置(22)检测的实际发动机转速之间的偏差来控制所述调节器(12、13)。
2.根据权利要求1所述的液压泵控制器，其特征在于所述调节器控制装置(56至59，66至69)是通过利用模糊推理来控制所述调节器的装置，该调节器控制装置包括一致性计算装置(56、66)，该一致性计算装置用于根据所述液压系统的工作状态范围设定多个前提条件，然后计算各所述前提条件相对于表示所述工作状态的物理量的一致性；以及学习-纠正装置(57、67)，该学习-纠正装置用于根据所述前提条件设定多个用以控制所述调节器(12、13)的控制参数，并根据所述预计发动机转速和所述实际发动机转速之间的所述偏差以及由所述一致性计算装置计算出的各所述前提条件的一致性来学习和纠正各所述控制参数，然后将正确的控制参数输出给所述调节器(12、13)。
3.根据权利要求2所述的液压泵控制器，其特征在于所述排出压力和所述排出流量作为表示所述工作状态的物理量，所述前提条件根据所述排出压力和所述排出流量设定。
4.根据权利要求2所述的液压泵控制器，其特征在于所述预计发动机转速的一阶微分值和二阶微分值作为表示所述工作状态的物理量，所述前提条件根据所述一阶微分值和所述二阶微分值设定。
全文摘要
本文公开了一种在任何时候都能很好地控制吸收的泵扭矩和发动机输出之间的平衡的液压泵控制器。在该液压泵控制器中,根据操纵单元(12、13)的操作而从液压泵(9、10)排出的工作油的排出流量根据液压泵(9、10)的排出压力和操纵单元(12、13)的操作量或与该操作量相关联的物理量来预计,该液压泵(9、10)由发动机(11)驱动,该操纵单元(12、13)操纵液压促动器(27、28)。根据预计的排出流量和排出压力,计算液压泵的吸收扭矩。然后,发动机(11)的预计发动机转速由计算出的液压泵(9、10)的吸收扭矩计算。根据计算出的发动机(11)的预计发动机转速和实际发动机转速之间的偏差,对液压泵(9、10)的调节器(12、13)进行控制。
文档编号F15B11/00GK1336990SQ00802890
公开日2002年2月20日 申请日期2000年10月13日 优先权日1999年11月18日
发明者小西英雄, 荒井宪治, 秋山征一, 野村真澄 申请人:新卡特彼勒三菱株式会社