一种前馈式自寻优动力匹配控制方法及系统与流程

本发明属于混凝土泵送的，具体涉及一种前馈式自寻优动力匹配控制方法及系统。

背景技术：

1、混凝土泵送设备是一种利用管道将混凝土输送到施工现场的建筑工程机械。它以柴油机为动力，驱动液压泵产生高压压力油，进而驱动主油缸及与其相连的两个混凝土输送缸实现交替往复运动，并在换向阀的有序配合动作下，使混凝土不断地从料斗吸入输送缸并通过输送管输送到施工现场，在机场、码头、道路、桥梁、建筑房屋等混凝土施工方面，具有重要作用。

2、泵送机构是混凝土泵车泵送过程的执行机构。泵送机构由主油缸、水槽、输送缸、砼活塞、料斗、分配阀、摆动油缸、搅拌机构、出料口、配管等部分组成。混凝土泵动力装置及控制系统包括底盘发动机、离合器、变速箱、传动轴、分动箱、桥轴、液压串泵组、速度传感器、压力传感器、接收器、控制器；作为大功率、高耗油的工程机械设备，其动力匹配和节能降耗一直是该类设备研制的核心问题。在实际应用中，鉴于上述泵送工况，混凝土泵的负载存在周期性扰动和复杂多变的特点，经常会出现动力瞬时不足、节能效果差等问题。原因主要有以下两个方面：首先，双缸交替泵送作业过程，在油缸到达行程末端换向时(一般周期为3～5s)负载经历短时卸载和再加载，即形成了负载的周期性扰动；其次，受混凝土料况、管路布置、或输送管内部结构变化(台阶或微裂纹)等因素影响，泵送过程中的负载呈现复杂多变特性。特别是近两年来，随着机制砂的广泛采用，混凝土的可泵性整体变差，泵送阻力大幅增加，往往导致发动机转速不稳甚或熄火故障。为保证动力输出的稳定性，目前的解决方案，一是通过油泵的恒扭矩特性，通过混凝土泵的整机功率匹配限定系统的最大取用功率；二是在此基础上，根据负载速度和负载压力的不同，结合发动机在不同速度下的动力特性和油耗曲线，进行转速和油泵排量匹配的调节控制。这种控制策略可起到一定的节能作用，但显然并未达到最优匹配；另外由于负载反馈导致控制产生时滞性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种前馈式自寻优动力匹配控制方法及系统，能够实时监测发动机输出扭矩的变化，分阶执行动力匹配策略，既可以实时匹配最优的动力方案，也能根据扭矩变化趋势预判恶劣工况。

2、本发明提供了如下的技术方案：

3、第一方面，提供了一种前馈式自寻优动力匹配控制方法，包括：

4、获取发动机的输出扭矩和输出工作转速，并在发动机万有特性曲线中获取发动机在所述输出工作转速下的最大输出扭矩；

5、基于所述输出扭矩与最大输出扭矩的比值，以及当前时刻输出扭矩的变化率，实时匹配选择调控方案；

6、基于所选择的调控方案调整发动机的速度和主泵的排量，直至实现所选择的调控方案的调控目标，完成动力匹配调控。

7、优选地，所述调控方案包括：

8、(i)若70％≤tl(n0)/tmax(n0)<90％且tl(n0)’<k1,或者若tl(n0)/tmax(n0)<70％，则比较发动机在节能最佳转速nk下的最大输出扭矩tmax(nk)和系统取用扭矩t(nk)的大小；

9、若tmax(nk)>t(nk)，则调整发动机的转速为节能最佳转速nk，并通过主泵的变量机构调整主泵的排量，直至主泵的恒定功率值维持稳定；

10、若tmax(nk)≤t(nk)，则通过变量泵变量机构减小主泵的排量，并通过油门执行器增加发动机的转速，直至发动机tmax(nk)>t(nk)；

11、(ii)若tl(n0)’≥k1且70％≤tl(n0)/tmax(n0)<90％，或者若tl(n0)/tmax(n0)≥90％，则通过油门执行器增加发动机的转速，同时通过变量泵变量机构减小主泵的排量，直至发动机速度变化率δne/ne＜k2；

12、其中，k1为临界扭矩变化率常数，k2为临界速度变化率常数，tl(n0)’为输出扭矩的变化率，tl(n0)为在输出工作转速为n0下的输出扭矩；tmax(n0)为在发动机万有特性曲线中获取的发动机在输出工作转速为n0下的最大输出扭矩。

13、优选地，所述发动机在节能最佳转速nk下的最大输出扭矩tmax(nk)的确定方法包括：

14、通过台阶试验采集发动机的负载特性和燃油消耗情况，绘制发动机实际万有特性曲线，并在发动机实际的万有特性曲线中，找出多个最佳经济工作点连接形成节能控制目标曲线；

15、基于获取的发动机的输出扭矩，计算系统取用功率；

16、基于系统取用功率，在节能控制目标曲线上选取节能最佳转速nk；

17、根据发动机万有特性曲线获取节能最佳转速nk下的最大输出扭矩tmax(nk)。

18、优选地，所述系统取用功率通过公式(1)求得，

19、p＝tl*n/(9550*η1)    (1)

20、其中，p为系统取用功率；n为发动机的输出工作转速；tl发动机的输出扭矩；η1为动力储备系数。

21、优选地，所述发动机的输出扭矩tl(n0)通过发动机的扭矩采集装置获得，或者通过输出扭矩和泵组取用功率之间的对应关系求得。

22、优选地，当所述发动机的输出扭矩tl(n0)通过输出扭矩tl(n0)和泵组取用功率之间的对应关系求得时，所述泵组取用功率pl用公式(2)求得；

23、

24、其中，pp、pb、pj、pf分别为主泵、摆动泵、臂架泵、辅助泵输出压力；vp、vb、vj、vf分别为主泵、摆动泵、臂架泵、辅助泵排量；ηp、ηb、ηj、ηf分别为主泵、摆动泵、臂架泵、辅助泵总效率；i为分动箱速比；n为发动机输出轴转速；

25、所述输出扭矩tl(n0)通过公式(3)求得，

26、tl(n0)＝(9550pl/n)*η1    (3)

27、其中，pl为泵组取用功率；η1为动力储备系数。

28、第二方面，提供了一种前馈式自寻优动力匹配控制系统，包括发动机、液压串泵组、控制器、接收器；

29、所述发动机用于将动力传输给液压串泵组；

30、所述接收器用于接收液压串泵组和发动机的工作参数数据，并将所述工作参数数据传递至控制器；

31、所述控制器用于执行本发明第一方面中任一项所述前馈式自寻优动力匹配控制方法。

32、优选地，所述工作参数数据包括发动机输出扭矩、发动机输出转速、系统压力值；所述发动机上安装有用于获得所述发动机输出扭矩的扭矩采集装置，以及用于获得所述发动机输出转速的速度传感器；所述液压串泵组上安装有用于获得系统压力值的压力传感器。

33、优选地，所述工作参数数据包括发动机输出转速、液压串泵组的压力值、液压串泵组的流量值；所述发动机上安装有用于获得发动机输出转速的速度传感器；所述液压串泵组上安装有用于获得液压串泵组的压力值的多个压力传感器，以及用于获得液压串泵组的流量值的多个流量传感器。

34、优选地，所述液压串泵组包括主泵、臂架泵、摆动泵、辅助泵；所述辅助泵驱动搅拌马达、油散热器、水泵动作；所述发动机通过离合器与变速箱、传动轴、分动箱依次相连；所述分动箱将发动机的动力传输给液压串泵组。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、(1)获取发动机的输出扭矩，能够实时监测发动机输出扭矩的变化，分阶执行动力匹配策略，既可以实时匹配最优的动力方案，也能根据扭矩变化趋势预判恶劣工况，从而前馈式的匹配最优的调控方案，解决了基于负载反馈的动力匹配所产生的时滞性问题。

37、(2)在动力能够满足负载要求时，通过发动机输出扭矩计算系统取用功率，基于节能控制目标曲线调整发动机处于节能最佳转速，同时调整变量泵排量，使发动机实时工作在最佳节能区间，最大程度的保证节能效果；在输出扭矩较大且增加较快时，即动力有不能满足负载要求的趋势时，主动控制增加发动机转速，调整变量泵排量，从而防止恶劣工况下发生发动机失速甚至熄火的现象。

38、(3)本技术中将泵送系统的负载和其他系统的消耗功率都考虑在内，从而使得动力匹配更精准，通过发动机万有特性曲线绘制实际万有特性曲线，从而找出节能控制目标曲线，实现了更高效、精准、经济的动力匹配。