挖掘机智能控制系统的设计及应用 

　　科 学 进 步 挖掘机智能控制系统的设计及应用 李 宣 ，尹 彬 科学_与 财 富 (山重建机 有限公司技术 中心 山东 临沂 276024) 【摘 要】挖掘机 的作业 内容多 ，作业对象变化较大 。为适应不 同作业和使用工 况，需要 分工况控制 ，使动力系 统与作业工况功率相匹配 ，避免发 动机 功率浪 费本课题挖掘机智能控制系统，通 过建立三维数据模 型，实现对斜盘变量泵流量 的点阵式控制 ，这种技术在 国内处于领先地位 。与国 内其他同行业 的产 品相 比，流量控 制精度 更高，响应速度更快 ，液压主泵 的 P-Q曲线更接近理想恒功率 曲线 ，燃油节约的效果更 明显。 【关键 词】智能...

　　科 学 进 步 挖掘机智能控制系统的设计及应用 李 宣 ，尹 彬 科学_与 财 富 (山重建机 有限公司技术 中心 山东 临沂 276024) 【摘 要】挖掘机 的作业 内容多 ，作业对象变化较大 。为适应不 同作业和使用工 况，需要 分工况控制 ，使动力系 统与作业工况功率相匹配 ，避免发 动机 功率浪 费本课题挖掘机智能控制系统，通 过建立三维数据模 型，实现对斜盘变量泵流量 的点阵式控制 ，这种技术在 国内处于领先地位 。与国 内其他同行业 的产 品相 比，流量控 制精度 更高，响应速度更快 ，液压主泵 的 P-Q曲线更接近理想恒功率 曲线 ，燃油节约的效果更 明显。 【关键 词】智能控制系统 功率匹配 随着 我国基 础建 设的高速 发展 ，工程机械 产业也得到飞速发展 。国内 工 程机械 的重要组成产 品挖 掘机市场销 量就从 2000年的 7926台迅 速 攀升到 2o14年 的 88700台，十五年 间增 长 了 l1-2倍 。在 需求量不 断上 升 的同时 ，客户对工 程机械性 能的要求也不 断提高，从原来 主要专注 于工 作 效率 高转速 的单一指标 要求，向工 作效率高 ，经济 性好、操作 舒适 、可靠 性高 、噪音 小、排放低等 指标要 求转变 。国内的众多工程机械 生产企业相继 从 国外 引进大量 先进技 术 (尤其是 智能控 制系 统方面的技术)，以此提 高国 产工程机械 的性 能。由于工程机械能量的总利用率低 ，能量损失 巨大，因而 节能技术便成为衡量工程机械性能先进性 的重要指标。 l、挖掘机智 能控制 系统研 究及应用现状 国外挖掘机厂商对液压挖掘机的电子控制系统研究和应用的较早，现 在应用成熟 的如 小松一7型的 CLSS控制系统、日立的 ICX控制系统和神钢 TTCS控制系统 。他们 都能根据 工作情 况设定 不同的功率模式 ，并且在工作 过程 中自动调整 主泵流量 以适应发动机 的功率变化 ，从而实现从全功率 高速作业到小功率精细作业 的各种工作模式 的转换 ，同时达到节约燃油 的 目的。国内液压挖掘机生产企业对的挖掘机的电控系统研究的较少，原来 一直停留在简单 的报警和简单 的开关控制上 ，对液压挖掘机 的智能控制系 统的研究开发才刚刚起步 。本课题挖掘机智能控制系统采用三维点阵控制 技术处于 国内领先水平 ，与国 内其同行业 的系统相 比流 量控制精度更高 ， 响应速度更快，液压主泵的 PQ曲线更接近理想恒功率曲线、开展挖掘机智能控制系统研究的项 目意义 挖掘机智能控制系统的研究具有如下意义： ①过该项 目的研究，使挖掘机可以适应不同作业和使用工况，需要分 工况控制 ，使动力系统与作业工况功率相匹配，避免发动机功率浪费。 ②打破国内挖掘机智能控制系统受制于人的局面，自主研究开发我国 自己先进 的液压 挖掘机智能控制系统，实现对液压挖掘机 高效、节能、精 细 、全面 的控 制。 ③降低了产品的生产成本，经济效益最大化。 挖掘 机智能控制系统的研究，为今后国 内挖掘机制造水平 的提升提供 了坚实基 础。 3、挖掘机 智能控制系统的设 计思路 在挖掘机智 能控 制系统 中，控制器根据 系统压力 (P)、发 动机功率(w)、 比例阀电流(I1三个参数建立一个三维数据模型。在挖掘机的工作循环中， 系统根据实时检测到的系统压力和发动机的功率，通过数学计算，得出相 应 的比例阀 电流值 ，通过对 电磁 比例阀 的电流 进行调整 ，实现变量泵近 似 理 想恒功 率曲线)转速控 制 通过 油门 电机 的摆 动角度 ，改变发动 的机 油门开度大 小，进而调整 发 动机 的转速 。 (2)功率控制 ：通过调整 电磁 比例 阀电流 的大小，改变 电磁 比例 阀的输 出流量 ，从而调 整主泵 流量，改变 主泵 吸收功率 ，实现功率优化 。 (3)发动机状态监控 通过各种传感器 (发动机冷却液温度传感器 、冷却液液位传感器 、燃 油 位传感器 、转速传感器 、空虑脏污传感器 、转速传感 器、操作压力传感器 、机 油压力传感器等)，将 需要检 测的各种信 号转变成电信号输入 到处 理器经 过计算 (延时或进行逻 辑运算)，视 其结果进行相应 的控制输 出、显示或者 声音报警 。 (4)人机交流界面 按键负 责各种控制操 作的输入 。显示屏显示输入 的结果和系统的工作 状态 (报警信号 、转速 、水温 、燃油 、工作设置 状态 以及控制运行状态)，以及 查看运 行记录和 故障检 查帮助等 。 4、挖掘机 智能控 制系统研 发方 案 该系统以单片机为 主核 心的电脑板控制 ，以转速 传感器 、温度传感器 、 压 力变送 器等传感器为检测元件 ，以变量泵和 发动机 组成液压挖掘机智能 控 制系统 ，实现液压 挖掘机液压 系统主泵吸收 功率、发动机输 出功率 自动 匹配和挖 掘机 工作状态 的全面监控 。 在 智能控制系统 中，控制器根据 系统压力 (P1、发 动机功率( 、比例 阀 电流(i) -个 参数 建立一个三维数据模型 。在液压挖 掘机 的工作循环 中，系 统根据 实时检测到 的系统压力和发动机 的功率 ，通 过数学计算 ，得 出相应 的比例 阀电流值 ，通过对 电磁 比例 阀的 电流进行调整 ，实现变量泵 近似理 想恒功率 曲线、由单 片机组成 的 MCU控 制器 5，可 以根据压 力变送器 1与压 力变 送器 7采 集的柱 塞式双 联斜盘 变量泵 2与柱塞式双联斜盘变量泵 1O输出 的压力大小。 2、通过查找有二维数据组组成的 曲线坐标参数 ，输 出相应 的电磁 比例 阀 4输出 电流，经过功率调节器 3与功率调节器 9以控制柱塞 式双 联斜盘 变量泵 2与柱塞 式双联 斜盘变 量泵 1O输 出的流量大小 。 3、使柱塞式双联斜盘变量泵 2与柱塞式双联斜盘变量 泵 l0的吸收的 功率 (W=PxQ／- q)保持为一个常量 。 4、发动机 6提供系统动力，先导泵 8提供电磁比例阀4的输入压力。 5、挖掘机智能控制系统各 主要部件 的设计 (1)功率匹配系统 ①引入液压系统压力做参数来控制主泵流量，通过建立三维数据模 型，实现对斜盘变量泵流量的点阵式控制 。 ②在普通的斜盘变量泵上实现近似理想的恒功率控制，可充分发挥发 动机的功率储备 ，减 小液压 系统 溢流功率损 失和空载功率损 失，减少燃油 消耗。 (2)油门调速系统 ①该装置采用油门智能控制模块+步进电机+减速箱的结构，替代普通 直 流电机 旋转或直 推，带动油 门拉线 ，改变发动机油 门开度 的调速方式 ②通过智能控制模块的自整定功能，拟合发动机的调速特性曲线，实 现发动机 功率的精 确调整 。 ③用了减速箱结构，在停止调速阶段不需要输出电流，提供步进电机 的维持扭矩 ，提 高了电子控制模块和步进 电机 的使用寿命 。 (3)显示系统 ①本项 目采用高亮度的LCDTFT真彩屏，并利用“帮定”技术，解决了 217