液压挖掘机动力系统功率匹配控制技术研究

摘要

节能是世界工业发展的一个重要的方向，液压挖掘机作为土石方开挖的主要设备，其能量利用效率低。随着机电一体化技术的发展与应用，采用电子控制的方式实现液压挖掘机的功率控制，有利于减少其能量损失。本论文以液压挖掘机的动力性与节能性为控制目的，采用电子控制手段探究机电一体化高性能液压挖掘机功率控制及节能的方法。主要完成的工作如下:
　　 1、对发动机的建模方法进行分析，以转速控制为目的选取了发动机准线性模型作为发动机的控制模型，建立以油门开度、负载扭矩值、发动机初始转速为输入量，加载后的转速为输出量的发动机仿真模型。
　　 2、分析了电控变量泵的功率控制原理，对泵排量调节机构的运动过程进行研究，建立以负载压力、泵转速与电磁比例减压阀电流为输入量，液压泵流量与扭矩为输出量的液压泵仿真模型。
　　 3、分析功率匹配过程中的能量损失的原因，针对轻载、中载模式，提出将发动机工作点设置在经济工作曲线上，在动力模式，将发动机工作点设置在外特性曲线附近的控制策略。在三种模式下，通过调节液压泵功率与发动机输出功率，实现节能性与动力性的目的。
　　 4、联合发动机与液压泵的仿真模型，在SIMULINK平台上进行单神经元PID算法的仿真分析，并通过试验验证。结果表明单神经元PID控制的算法在调节发动机与转速也液压泵功率过程中，调节速度快且超调量少，能够实现控制要求。
　　 5、根据待测试信号的特点及控制系统中控制参数需在线调试的要求，设计基于移动控制器、USB/CAN设备卡、LabVIEW的测控系统，试验结果表明所设计的测控系统实现了测试数据的采集与控制参数的在线设置功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题提出的背景与意义

1．2 国外功率匹配技术的研究现状

1．3 国内功率匹配技术的研究现状

1．4 液压挖掘机功率匹配技术的发展趋势

1．4．1 机电液一体化技术的研究与应用

1．4．2 发动机与液压泵的功率匹配方法研究

1．4．3 高性能发动机、液压元件的研究

1．4．4 基于发动机动态特性功率匹配研究

1．4．5 混合动力技术的研究

1．5 本论文研究的主要内容

第二章 液压挖掘机液压泵特性分析与建模

2．1 液压泵功率控制原理分析

2．1．1 液压泵基本参数

2．1．2 总功率与变功率控制原理

2．2 液压泵静态特性分析

2．3 液压泵功率控制的数学建模

2．3．1 前向传递

2．3．2 反馈通道

2．3．3 执行机构

2．3．4 电磁比例减压阀

2．3．5 变功率控制仿真模型

2．4 液压泵模型仿真与验证

2．5 本章小结

第三章 液压挖掘机发动机动力系统建模与仿真

3．1 发动机动力系统建模

3．1．1 发动机动力系统建模方法的选取

3．1．2 油量调节拉杆位置计算模型

3．1．3 发动机动力性动态模型

3．2 执行器模型

3．3 发动机动态模型仿真与验证

3．4 本章小结

第四章 液压挖掘机动力系统匹配与协调控制及算法研究

4．1 液压挖掘机动力系统匹配能量损失分析

4．2 液压挖掘机经济性与动力性协调匹配控制

4．2．1 轻载模式

4．2．2 中载模式

4．2．3 动力模式

4．3 控制算法的研究

4．3．1 常规PID控制器

4．3．2 单神经元PID控制理论

4．4 液压泵控制器的SIMULINK仿真

4．5 发动机控制器的SIMULINK仿真

4．5．1 恒目标转速变负荷工况

4．5．2 恒负荷变目标转速工况

4．6 本章小结

第五章 液压挖掘机功率匹配测控系统研究与设计

5．1 功率匹配测控系统分析

5．2 测控系统硬件选型

5．2．1 传感器选型

5．2．2 控制器选型

5．2．3 USB／CAN设备

5．3 测控系统的软件设计

5．3．1 LabVIEW简介

5．3．2 LabVIEW中对USB／CAN模块驱动的调用

5．3．3 数据采集与控制参数发送

5．4 本章小结

第六章 液压挖掘机功率匹配系统试验研究

6．1 试验目的与内容

6．2 试验系统构建

6．3 试验过程与及结果分析

6．3．1 转速与油门拉线位移反馈值关系标定

6．3．2 泵控制器算法的试验验证

6．3．3 发动机变油门的控制算法试验验证

6．3．4 发动机与液压泵联合控制试验

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

附录 泵控制器单神经元仿真程序

致谢

攻读学位期间的主要研究成果