工程機械電子節(jié)能控制技術研究

楊哲

[摘 要]本文分析了工程機械功率運作流程，在此基礎上引入了廣義節(jié)能概念，并介紹了基于廣義節(jié)能概念下的工程機械全電控節(jié)能技術以及分布式節(jié)能控制技術，實現(xiàn)工程機械的全面節(jié)能。

[關鍵詞]節(jié)能控制；工程機械；電子

[中圖分類號]TM921.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-6432（2014）27-0041-02

隨著技術進步，現(xiàn)代工程機械要求更高的操作性能，更好的舒適性以及更低的能量消耗。但是當前如何通過機械控制系統(tǒng)來實現(xiàn)局部能量最優(yōu)化技術，我國和國外先進技術之間存在有很大的差距。

1 廣義節(jié)能的概念

1.1 廣義節(jié)能的定義

廣義節(jié)能對工程機械四個方面有要求：效率、動態(tài)匹配、作業(yè)效率和不同功率流之間的有效配合。

工程機械全部的能量傳送和轉變的首要目的是對外界做有效功，即向外輸出有效功率。工程機械之間大多是不同執(zhí)行機構協(xié)同工作，輸出有效功率往往取決于兩個因素：功率的傳遞效率和不同功率支流之間的配合效率?，F(xiàn)有的節(jié)能控制大多專注于如何有效地傳遞功率和匹配供需雙方功率上，而忽略了不同功率流之間的有效配合。

作業(yè)效率的定義是工程機械在單位時間內的作業(yè)量。提高作業(yè)效率往往會降低節(jié)能性。因此要比較節(jié)能性要在相同的作業(yè)效率下比較，這樣的結果才是可信的。

由以上分析可知，節(jié)能不只是取決于功率傳遞的效率和功率供求兩方的動態(tài)匹配，還決定于不同功率流之間的有效配合，作業(yè)效率高低也會影響節(jié)能效果。

1.2 以柴油機為例的工程機械功率流控制現(xiàn)狀

從能量轉換的定義上分析，工程機械的工作過程是不同能量形式相互轉換、傳遞和對外輸出功率的過程。想要分析工程機械的節(jié)能效果就要分析其功率流（見圖1）。

圖1是以柴油機為例的工程機械工作功率流。對于使用柴油機當做動力源的工程機械，輸出的動力最終來自儲存在柴油中的化學能。柴油機將柴油的化學能轉換為機械能，以轉速和轉矩的形式表達出來。這是柴油機的基本能量轉換過程。

目前采用的柴油機節(jié)能方法是全程調速或電控噴油等控制技術，這些技術能夠有效地改善柴油機工作性能，降低油耗。采用液壓泵吸取柴油機的機械能并將其轉變?yōu)橐簤耗?，以流量和壓力的形式表現(xiàn)出來，一般采用恒定功率控制、壓力切斷、正流量控制等控制策略改善泵的工作性能。

柴油機是能量的供方，而液壓泵是能量的需方，實際工作中對柴油機和液壓泵使用轉速感應控制或功率極限載荷控制等方法，以改變二者聯(lián)合工作時的高能耗現(xiàn)狀。而液壓泵與液壓閥是流量的供求雙方，其中液壓泵供給流量而液壓閥需求流量。具體工作過程是液壓閥吸取液壓泵輸出的液壓能，然后液壓系統(tǒng)的壓力和流量等被調節(jié)至合理值進而輸送給相應的執(zhí)行機構。這個過程中大多使用變化流量控制方法以協(xié)調運轉多執(zhí)行機構，有些情況也會使用 LUDV 技術從而減少并聯(lián)回路中負載變化對流量分配的影響。在這個系統(tǒng)中，液壓閥直接由操作者控制。因此，液壓泵和液壓閥是流量的供方和需方的關系。

為了協(xié)調這種供需關系，大多使用負流量控制策略或負荷傳感控制策略。液壓閥輸出液壓進而被油缸或發(fā)動機吸收，并向外輸出機械能，機械能以力和位移或轉速和轉矩的形式表現(xiàn)。這些機械能中的一部分或全部對外界載荷做功，執(zhí)行機構對外載荷的有效做功組成了有效功率。這就是柴油機工作過程中的功率流過程分析。由此可見，現(xiàn)在的元件效率控制技術、子系統(tǒng)功率控制技術和部件功率控制技術不能協(xié)調整機進行節(jié)能分析，只能在自己工作范圍內達到局部最優(yōu)值。

2 工程機械全局節(jié)能控制系統(tǒng)

2.1 全局節(jié)能控制系統(tǒng)

全局節(jié)能對于加強機械工作性能，降低能耗具有重要意義。為了建立廣義節(jié)能定義下的全局節(jié)能控制系統(tǒng)，要將整機和外界負載作為研究對象，并將節(jié)能目標設定為傳統(tǒng)節(jié)能控制技術、多執(zhí)行機構的協(xié)同控制以及作業(yè)效率，達到最優(yōu)節(jié)能效果。

為了方便對節(jié)能效果進行定量分析，可以定義全局節(jié)能指標如下：

全局節(jié)能指標=對外有效功/（油耗×作業(yè)時間）=有效功率/油耗

從以上定義式可以看出，全局節(jié)能指標指的是單位時間單位油耗的工況下機械對外輸出的有效功。這個定義考慮了傳統(tǒng)節(jié)能控制技術、多執(zhí)行機構的協(xié)同控制以及作業(yè)效率三個方面的內容，能夠全面地評價工程機械能耗特性。

全局節(jié)能目標的實現(xiàn)可以劃分為三個小目標，即協(xié)同作業(yè)目標，作業(yè)效率目標以及傳統(tǒng)節(jié)能目標。每個小目標還可以再往下細化為系統(tǒng)目標，部件目標和元件目標，對工程機械里面每個部件的協(xié)同作業(yè)情況，作業(yè)效率情況和能耗情況進行實時的控制，從而達到實現(xiàn)全局節(jié)能的效果。

2.2 全電控系統(tǒng)電子節(jié)能控制技術

傳統(tǒng)的節(jié)能控制已經能夠達到局部最優(yōu)，因此要想取得更大的節(jié)能成果只能突破傳統(tǒng)節(jié)能控制技術，可以從以下三個方面實現(xiàn)：

①改變固定參數(shù)功率匹配方法，實現(xiàn)不同工況下的動態(tài)功率匹配；

②使用作業(yè)模式識別技術，即在不同作業(yè)模式的動態(tài)功率分配系統(tǒng)；

③以操控人員的操作意圖為出發(fā)點，建立不同操作模式的作業(yè)效率管理系統(tǒng)。

以上目標的實現(xiàn)可以通過全電控節(jié)能控制技術和分布式節(jié)能控制技術來改善傳統(tǒng)節(jié)能控制效果。

2.2.1 全電控節(jié)能控制技術

全電控節(jié)能控制技術的實現(xiàn)使用電控噴油柴油機和電比例液壓泵、電比例控制閥、電比例液壓發(fā)動機。在全電控的能量傳遞條件下能夠達到硬件功能的最小化的效果，增加硬件的通用化程度，達到更深入的感知和更全面的智能控制效果。因為電控系統(tǒng)中的控制功能和專用功能是由系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的，所以在機械工作過程中根據(jù)實時工況和操作意圖在線調節(jié)控制參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)匹配柔性化，以獲取更好的、全面的、廣泛的節(jié)能效果。

2.2.2 分布式節(jié)能控制技術

全電控節(jié)能控制技術雖然能夠實現(xiàn)對整機節(jié)能的控制，但是控制程序需要處理液壓系統(tǒng)的實時壓力信號，要求控制系統(tǒng)有很高的響應速度，目前技術水平仍然難以滿足對壓力信號實時處理的要求。

為加快對機器運轉數(shù)據(jù)處理速度，可以開發(fā)基于總線的液壓泵控制器、液壓閥控制器和發(fā)動機控制器，也就是說每個控制器都連接了高速總線，加快處理速度。

基于總線的分布式控制系統(tǒng)的結構如圖2所示。

圖2中發(fā)動機控制器根據(jù)發(fā)動機的實時工況數(shù)據(jù)和用戶操作意圖改變發(fā)動機噴油多少，并將處理數(shù)據(jù)輸送到總線，同時從總線上收取其他控制器的控制命令；液壓泵控制器和液壓閥控制器也執(zhí)行類似的操作?；诳偩€的分布式控制系統(tǒng)可以有效地增加控制信息的運算和傳送速度，滿足全電控節(jié)能控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度的要求。

3 結 論

傳統(tǒng)節(jié)能控制只能達到局部最優(yōu)化，無法實現(xiàn)全局的能耗控制。基于全局式節(jié)能控制系統(tǒng)的定義設計的全電控節(jié)能控制系統(tǒng)與分布式節(jié)能控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)基于動態(tài)功率和動態(tài)工況的節(jié)能控制模式，為工程機械節(jié)能指明了發(fā)展方向。

參考文獻：

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[2]吳志亮，趙建民，李慶文.工程機械電子節(jié)能控制技術的發(fā)展趨勢探討[J].中國科技信息，2008（19）.