一种液压挖掘机重载工况控制系统的制作方法

本发明涉及液压挖掘机电液控制领域，具体涉及一种液压挖掘机重载工况控制系统。

背景技术：

挖掘机产品的主要使用场合为矿山等重负载作业，由于矿山作业主要挖掘介质为石块等高密度物料，具有作业负载重的特点，传统的挖掘机控制方式存在挖掘效率随着载荷增加衰减较快的问题。

此外，传统的主泵与发动机的功率匹配原理是将挖掘机的输出功率离散分成多个档位，每个档位对应着相应的功率，通过操作人员的经验选择相应的档位，进而按照预设的功率参数进行工作。但由于部分操作人员并不进行工况预判，而是通过主观意识选择中间档位，以满足经济性的目的，在重载情况下易出现挖掘无力问题。

传统的功率匹配是一种近似恒功率控制，当主泵的吸收功率小于发动机极限功率时，以当前压力、最大流量进行工作；当主泵的吸收功率大于发动机极限功率时，通过ess控制方式将主泵的吸收功率到降低至发动机所能提供的最大功率，防止发动机过载，保证发动的功率输出。

挖掘机上还配有增力功能，用于提高挖掘机的重载特性，但在实际使用过程中，部分操作人员并不能合理利用该功能。

技术实现要素：

本发明提供一种液压挖掘机重载工况控制系统，以解决现有技术中存在的主泵与发动机的功率不适配和液压挖掘机重载工况下挖掘无力的问题，满足重载情况下的速度需求和轻载情况下的燃油经济性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种液压挖掘机重载工况控制系统，包括执行模块，执行模块包括主泵和发动机，主泵包括第一主泵和第二主泵，还包括：

信号采集模块，包括电控手柄、主泵压力传感器和伺服控制压力传感器，分别用于实时采集挖掘机操作人员的手柄行程信号、主泵压力信号和伺服控制压力信号；

信号处理模块，与信号采集模块输出端相连，用于接收信号采集模块传送的信号并进行处理得到工况评估值，信号处理模块根据工况评估值进行模糊控制处理并输出对应的控制信号；

驱动控制模块，与信号处理模块输出端和执行模块输入端相连，用于接收信号处理模块输出的控制信号并驱动执行模块做出对应的响应，包括电磁减压模块、发动机控制模块和液压增力模块，分别用于实时在线调节主泵的吸收功率、发动机的工作参数和液压增力信号；

所述工况评估值的计算过程包括以下步骤：

信号处理模块对一个检测单元内检测到的手柄行程信号依次进行滤波和加权平均，随后对操作人员的效率期望进行评判，在0-100％之间赋值得到对应的效率期望值，同时信号处理模块还对一个检测单元内检测到的伺服控制压力信号依次进行滤波和加权平均后对操作人员的效率期望进行评判，在0-100％之间赋值得到对应的效率期望值，选取上述两个赋值中的较大者作为期望值；

信号处理模块将一个检测单元内检测到的主泵压力信号依次进行滤波和加权平均，计算获得重载挖掘时的功率需求并对当前重载工况级别进行评判，在0-100％之间赋值，得到重载工况级别判定值；

将上述得到的期望值和重载工况级别判定值进行加权平均，得到工况评估值；

所述模糊控制处理的过程包括以下步骤：

当g大于x时，信号处理模块输出控制信号至电磁减压模块，提升主泵的吸收功率；

当g大于y时，信号处理模块输出控制信号至发动机控制模块，在线调整发动机的工作参数；

当g大于z时，信号处理模块输出控制信号至液压增力模块，启动增压模式，在线调节液压增力信号；

其中，g为工况评估值，x、y和z分别为与电磁减压模块、发动机控制模块和液压增力模块相对应的重载策略阈值。

进一步的，所述信号处理模块对一个检测单元内检测到的九个伺服控制压力信号进行滤波和加权平均后对操作人员的效率期望进行评判，评判公式如下：

ej＝pj/pjmax

其中，pj为九个伺服控制压力信号的加权压力值，pjmax为伺服系统所能提供的最大压力，ej为操作人员的效率期望值，ej的取值为0-100％。

进一步的，所述信号处理模块对一个检测单元内检测到的九个手柄行程信号进行滤波和加权平均后对操作人员的效率期望进行评判，评判公式如下：

ej＝pj/pjmax

其中，pj为九个手柄行程信号的加权压力值，pjmax为系统所能提供的最大压力，ej为操作人员的效率期望值，ej的取值为0-100％。

进一步的，所述主泵压力信号包括第一主泵压力信号和第二主泵压力信号，所述信号处理模块对一个检测单元内检测到的第一主泵压力信号和第二主泵压力信号进行滤波和加权平均，所述重载工况级别的判定公式为：

ep＝p12/pmax

其中，p12为第一主泵压力信号和第二主泵压力信号的加权压力值，pmax为主泵所能提供的最大压力，ep为重载工况级别判定值，ep的取值为0-100％。

进一步的，所述模糊控制处理的过程中采用pid计算修正模块调节主泵的吸收功率，所述pid计算修正模块的调节公式如下：

e(t)＝kp×s(t)+ki×∑s(t)+kd[s(t)-s(t-1)]+e0

其中，e(t)为主泵的吸收功率调节值，kp为比例系数，s(t)为t时刻发动机实际转速与设定转速的差值，ki为积分时间常数，kd为微分时间常数，e0为吸收功率基准值。

进一步的，所述主泵压力传感器包括集成于第一主泵上的第一主泵压力传感器和集成于第二主泵上的第二主泵压力传感器，第一主泵压力传感器和第二主泵压力传感器分别用于采集第一主泵的压力信号和第二主泵的压力信号，所述电磁减压模块为比例电磁减压阀。

进一步的，还包括显示模块，所述显示模块与信号处理模块相连，用于将信号处理模块输出的信息实时进行显示，所述信号处理模块采用滑动平均滤波器进行滑动平均滤波。

进一步的，所述伺服控制压力传感器安装于挖掘机的先导管路上，所述发动机控制模块集成于发动机上，所述液压增力模块集成于挖掘机主阀上。

进一步的，所述信号处理模块的处理方法包括算术平均法、模糊控制算法或卡尔曼滤波器方法中的一种或者几种。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开了一种液压挖掘机重载工况控制系统，包括信号采集模块、信号处理模块、显示模块、驱动控制模块和执行模块。本发明提供的液压挖掘机重载工况控制系统，通过信号采集模块实时采集九个手柄行程信号、九个伺服控制压力信号、第一主泵压力信号和第二主泵压力信号并传送至信号处理模块进行功率预期估算，得到工况评估值，信号处理模块根据工况评估值进行模糊控制处理并输出对应的控制信号至驱动控制模块，通过驱动执行模块驱动执行模块做出对应的响应，根据功率需求及其变化趋势，对主泵的吸收功率进行动态修正，同时对发动机的工作状态参数进行在线调节，使发动机动力系统的输出功率能满足主泵的需求，确保挖掘机在重载工况下的工作效率，实现了挖掘机在变载荷工况条件下动力系统输出和主泵功率需求的动态实时匹配，提升挖掘效率，有效解决了挖掘无力问题。

附图说明

图1是本发明的系统硬件方框图；

图2是本发明信号处理模块的数据处理方框图；

图3是本发明信号处理模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示，一种液压挖掘机重载工况控制系统，包括信号采集模块、信号处理模块、显示模块、驱动控制模块和执行模块，执行模块包括电连接的主泵和发动机，主泵包括第一主泵和第二主泵，信号采集模块包括电控手柄、主泵压力传感器和伺服控制压力传感器，电控手柄用于操控挖掘机进行动作和实时采集挖掘机操作人员的手柄行程信号并传送至信号处理模块进行处理，主泵压力传感器包括第一主泵压力传感器和第二主泵压力传感器，第一主泵压力传感器和第二主泵压力传感器分别集成于第一主泵和第二主泵上，第一主泵压力传感器用于实时采集第一主泵的压力信号并传送至信号处理模块进行处理，第二主泵压力传感器用于实时采集第二主泵的压力信号并传送至信号处理模块进行处理，伺服控制压力传感器安装于挖掘机的先导管路上，用于实时采集伺服控制压力信号并传送至信号处理模块进行处理，先导管路用于收集挖掘机操作人员的液压手柄信号并完成相应的挖掘机动作，驱动控制模块包括电磁减压模块、发动机控制模块和液压增力模块，电磁减压模块采用比例电磁减压阀进行实时在线调节第一主泵和第二主泵的吸收功率，发动机控制模块集成于发动机上，通过发动机控制模块实时在线调节发动机的转速请求、调速率请求及外特性曲线等工作参数，液压增力模块集成于挖掘机主阀上，用于在线调节液压增力信号，实现短时间内提高液压系统的压力，挖掘机主阀用于分配液压流向。

电控手柄、主泵压力传感器和伺服控制压力传感器分别通过导线与信号处理模块输入端相连，信号处理模块输出端与显示模块电性相连并通过驱动控制模块电连接执行模块，信号处理模块用于对实时接收的手柄行程信号、主泵压力信号和伺服控制压力信号等多项液压系统信号进行数据处理并通过显示模块进行实时显示，采取对应的重载策略，分别驱动电磁减压模块、发动机控制模块和液压增力模块进行在线调节主泵的吸收功率、发动机的工作参数和液压增力信号，主泵压力信号包括第一主泵压力信号和第二主泵压力信号，数据处理方法包括算术平均法、模糊控制算法或卡尔曼滤波器方法中的一种或者几种，信号处理模块通过采集到的手柄行程信号和伺服控制压力信号对操作人员的效率期望进行评判，效率期望在0-100％之间赋值，信号处理模块通过采集到的主泵压力信号对当前重载工况级别进行评判并在0-100％之间赋值，通过将用于体现操作人员效率期望的手柄行程信号和伺服控制压力信号与用于体现实际工况情况的主泵压力信号相结合进而获取外负载的功率需求，实现动态实时匹配发动机的输出功率。

图2是信号处理模块的数据处理方框图，图3是信号处理模块的工作流程图，信号处理模块的输入信号包括九个手柄行程信号、九个伺服控制压力信号和主泵压力信号，九个手柄行程信号和九个伺服控制压力信号均包括动臂上升、动臂下降、斗杆外摆、斗杆内收、铲斗外摆、铲斗内收、左行走、右行走和回转信号，手柄行程和伺服控制压力体现了操作人员的效率期望，主泵压力体现了实际工况情况，信号处理模块对两者的综合进行数据处理得到工况评估值，根据工况评估值利用模糊控制算法进行模糊控制处理并分别输出对应的控制信号至驱动控制模块的电磁减压模块、发动机控制模块和液压增力模块，进而驱动执行模块做出对应的响应，通过比例电磁减压阀实时在线调节主泵的吸收功率，通过发动机控制模块实时在线调节发动机的转速请求、调速率请求及外特性曲线等工作参数，通过液压增力模块启动增压模式，实时在线调节液压增力信号，实现实时调节主泵和发动机动力系统的相关参数，进而在保证挖掘机轻载工况的燃油经济性的前提下，实现挖掘机在重载工况下发动机功率输出与外负载功率需求之间的动态实时匹配，提高挖掘机重载效率。

工况评估值的计算过程包括以下步骤：

以一个工作循环为检测单元，信号处理模块对一个检测单元内检测到的九个手柄行程信号首先通过滑动平均滤波器进行滑动平均滤波，滤掉干扰数据，随后进行加权平均，再对操作人员的效率期望进行评判，在0-100％之间赋值得到对应的效率期望值，同时信号处理模块还对一个检测单元内检测到的九个伺服控制压力信号通过滑动平均滤波器进行滤波，滤掉干扰数据后进行加权平均，再对操作人员的效率期望进行评判并在0-100％之间赋值得到相对应的效率期望值，选取上述两个赋值中的较大者作为期望值和后续计算依据，效率期望的评判公式如下：

ej＝pj/pjmax公式一

其中，当pj为九个手柄行程信号的加权压力值，pjmax为相应系统所能提供的最大压力，ej为操作人员的效率期望值，ej的取值为0-100％；当pj为九个伺服控制压力信号的加权压力值，pjmax为伺服系统所能提供的最大压力，ej为操作人员的效率期望值，ej的取值为0-100％；

信号处理模块将一个检测单元内检测到的第一主泵压力信号和第二主泵压力信号通过滑动平均滤波器进行滑动平均滤波，滤掉其干扰数据后进行加权平均，计算获得重载挖掘时的功率需求，并对当前重载工况级别进行评判，得到重载工况级别判定值，评判公式如下：

ep＝p12/pmax公式二

其中，p12为第一主泵压力信号和第二主泵压力信号的加权压力值，pmax为主泵所能提供的最大压力，ep为重载工况级别判定值，ep的取值为0-100％；

将上述得到的期望值和重载工况级别判定值进行加权平均，得到一个0-100％之间的数值，该值为工况评估值，并计为g。

在挖掘机工作过程中，因主泵压力突变性大，直接计算会造成策略误判，故需对第一主泵压力信号和第二主泵压力信号进行滑动平均滤波，滤掉其突变值，提高测试精确度。

信号处理模块采用的加权平均算法的计算公式为：

z＝∑(xi×wi)÷∑(wi)公式三

其中，xi为各采集值，wi为各采集值对应的权重，wi可根据实际需求进行预先设定，z为加权平均数。

如表1所示，模糊控制表用于表征工况评估值的变化趋势及变化误差。

表1

其中，e表示偏差，ec表示偏差变化，p表示正，n表示负，b表示大，m表示中，s表示小，l表示大，z表示0。

与电磁减压模块、发动机控制模块和液压增力模块一一对应的重载策略阈值分别计为x、y和z，用户可通过实际需求分别进行预先设定，信号处理模块的模糊控制处理过程包括：

当工况评估值g大于x时，信号处理模块输出控制信号至电磁减压模块，线性提升主泵的吸收功率；

当工况评估值g大于y时，信号处理模块输出控制信号至发动机控制模块，在线调整发动机的工作参数；

当工况评估值g大于z时，信号处理模块输出控制信号至液压增力模块，启动增压模式，在线调节液压增力信号；

对于上述响应过程，需说明如下几点：

挖掘机系统具有负载突变性大、压力数据非线性和时变性等特点，在提高主泵的吸收功率时应采用pid计算修正模块进行限制，通过pid计算修正模块调节主泵的吸收功率，在满足主泵功率最大利用率的前提下，避免发动机的过度掉速，pid计算修正模块的调节公式如下：

e(t)＝kp×s(t)+ki×∑s(t)+kd[s(t)-s(t-1)]+e0公式四

其中，e(t)为主泵的吸收功率调节值，kp为比例系数，s(t)为t时刻发动机实际转速与设定转速的差值，ki为积分时间常数，kd为微分时间常数，e0为吸收功率基准值；

信号处理模块通过can通讯方式驱动发动机控制模块进而调整发动机的工作参数，提升发动机的转速和修改发动机的调速特性，便于发动机提供较大的功率及转速；

开启增压模式需进行限时，为避免损坏液压系统，增压模式开启8秒后，增压模式自动关闭，保护时间为8秒，在设定保护的时间内不进行输出；

阈值满足x<y<z<1，多项控制策略互不干扰，同步进行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。