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摘要:針對目前工程機械的先導手柄與發動機轉速的控制弊端，分析研究了發動機轉速半自動控制與發動機轉速自動控制，運用先導手柄直接控制發動機轉速變化的控制系統，不僅減少了腳踏油門的控制、降低操作強度以及減少發動機空載時的燃油損耗，還優化了手柄位移與發動機轉速間的控制關系。發動機轉速隨手柄位移變化，降低發動機轉速階躍變化對系統的沖擊，使控制過程更流暢。并在協同控制實現方法及注意事項等方面進行了系統性分析。

關鍵詞:工程機械;PID控制;自動控制;發動機轉速;液壓系統

引言

目前市場上履帶式工程機械發動機轉速和液壓系統是分別控制的。一般液壓系統通過操作手柄控制液壓系統執行機構速度，同時通過腳踏油門或手油門控制發動機轉速，這不僅加大了駕駛員的勞動強度，還一定程度上造成不必要的燃油損耗。司機在操作時，一般有兩種方式:(1)一邊控制先導手柄，一邊踩踏腳油門控制發動機轉速。(2)手油門到固定轉速，然后操作先導手柄控制液壓系統執行機構速度。第一種方式:手腳配合操作，如果配合其他腳踏動作，操作強度和難度都有所增加。第二種方式:操作者調整手油門后很少頻繁變化，可能會使設備長時間停在某一轉速下，造成多余的燃油損耗［1］。此控制系統的研究目的在于通過操作先導手柄直接控制發動機轉速，在此過程中減少腳踏油門的控制、降低操作強度，通過手柄操作液壓系統的同時控制發動機轉速，可做到發動機閑時怠速、工作時轉速自動變化，減少發動機空載時的燃油損耗，可起到節能減耗的作用。自動協同控制通過一定的控制算法，通過操縱先導手柄實現對發動機轉速和液壓系統協同控制，取消了腳踏操作，用于降低操作強度和油耗。根據手柄的位置判斷，可做到發動機閑時怠速、工作時轉速自動變化的控制功能。同時結合發動機油耗功率曲線，優化控制發動機轉速變化，可進一步提高燃油利用率，起到節能減耗的作用。

1發動機轉速半自動控制

1.1控制說明

首先用翹板開關或按鈕設定發動機目標轉速。控制器記憶目標轉速后，如果先導手柄無動作，發動機短時間保持目標轉速后回到怠速狀態;然后發動機在怠速狀態時，如果先導手柄發生位移，無論位移變化多少，發動機轉速自動變化到之前設定的目標轉速值;如果先導手柄再次回到中位，發動機轉速重新回到怠速狀態［2］。

1.2實現的控制目標

通過操作手柄控制液壓系統和發動機轉速，做到液壓系統和發動機轉速協同控制。液壓系統工作時發動機自動調節轉速到設定目標值，閑時自動恢復怠速的控制功能。

1.3硬件結構硬件結構

如圖1所示。(1)設置油門控制開關，此開關可調節發動機轉速提升和下降。(2)設置中央控制器，油門控制開關通過數字量輸入接口連接在控制器上，同時控制器與發動機間通過CAN總線通信，并通過CAN總線油門控制發動機轉速。(3)手柄工作/位置變化監測裝置，用于判斷液壓系統是否在工作狀態。可以是壓力開關或手柄使能按鍵。

1.4控制原理和過程

(1)油門控制開關為雙向自復位開關，分別標志為轉速增和轉速減。開關增向觸發一次，則發送一個增脈沖信號給控制器;開關減向觸發一次，則發送一個減脈沖信號給控制器。控制器接收到脈沖信號后，通過發動機轉速控制程序，接收1個增脈沖，則設定轉速增加一個固定值;接收1個減脈沖，則設定轉速減少一個固定值。將設定的轉速值標志為目標轉速，并記錄此轉速。通過緩沖器將目標轉速賦值給發動機總線油門輸入信號，并通過CAN總線發送給發動機控制器。發動機控制接收到總線油門輸入信號后，根據發動機控制要求改變發動機轉速。(2)控制器設計轉速延時功能，當油門控制開關每觸發一次，則發動機目標轉速上升或下降固定值，同時發動機實際轉速達到目標轉速。同時觸發延時器，設定延時時間為Ns，當轉速保持目標轉速Ns后，控制發動機轉速回到怠速狀態。另外如果油門控制開關再次觸發，則延時器重新計時。因手柄位置變化導致的轉速變化則不需要延時控制。(3)當檢測手柄位移變化液壓系統開始工作時，將工作信號發送給控制器。控制器接收到工作信號后，通過計算將之前設定的目標轉速，通過PID控制器制賦值給發動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發送給發動機控制器，發動機控制器接收到總線油門輸入信號后，改變發動機轉速達到目標轉速值。使能按鍵斷開或手柄回到中位時，控制器接收到閑置信號，控制器將怠速轉速賦值給發動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發送給發動機控制器，發動機控制器接收到信號后，改變發動機轉速達到怠速轉速值。(4)根據發動機油耗、轉速關系，以及發動機維護保養的要求自動控制發動機的閑時轉速。根據發動機維護保養要求，可控制發動機啟動后，未進行轉速控制時，發動機怠速運行5min后，自動變化為低油耗轉速;或者液壓手柄操作回到中位時，發動機轉速停留在低油耗轉速，不再回到怠速狀態。該控制器可起到保護發動機同時提高燃油利用率、降低油耗的作用［2］(發動機控制要求:發動機啟動后需保持怠速狀態運行3～5min，發動機工作時在怠速狀態應不大于10min)。控制流程如圖2所示。圖2控制流程圖

1.5目的及意義

(1)在工程機械設備上，尤其是需要腳部操作較多的設備，通過此控制系統，可以減少對腳踏油門的控制，方便進行其他操作，降低操作者的操作強度。(2)結合發動機轉速、油耗、保養等要求，合理控制閑時發動機轉速，可起到提高燃油利用率、保養發動機、降低油耗的作用。(3)此方案控制過程簡單，不需要考慮發動機扭矩、功率要求，不需要檢測手柄位移百分比。對于配置電噴發動機的設備，基于原有設備即可實現，不需要增加或少量增加電器元件即可實現。缺點是不能根據需求適時調整發動機轉速。但根據工程機械粗放的控制需求，仍可滿足設備一般控制需求。

1.6控制系統需要注意的問題

(1)手柄上設置使能按鍵或手柄中位檢測裝置，用于發出液壓系統工作指令。并且此工作指令發出時間應略提前于液壓電磁閥的開啟。便于發動機提前變速，防止動作啟動時憋車［3］。(2)油門調速翹板開關，可用雙向自復位翹板開關或2個自復位按鈕實現。最優的設計位置是手柄上，便于駕駛員操作。如條件不允許也可設置在扶手箱便于操作的位置上。轉速不設置斷電記憶功能，電源重啟后需重新調整。(3)發動機轉速需支持電控。電噴發動機可通過CAN總線信號控制發動機轉速;非電噴發動機需配置有能夠通過電氣控制發動機轉速的控制裝置。1.7節能效果的理論計算設定1h、800r/min怠速下油耗為m1，1h、1200r/min轉速下油耗為m2，1h、1500r/min轉速下油耗為m3，1h、1800r/min轉速下油耗為m4，則:m1=218×1×1=218gm2=198×1×1=198gm3=210×1×1=210gm4=201×1×1=201g假設設備1h不工作，通過以上參數可知，當系統不工作時，發動機輸出功率不變，轉速為1200r/min時發動機油耗最低。與其他值比較油耗百分比分別為90.8%、94.2%、98.5%。因此結合駕駛員的操作習慣和發動機的參數使用此方法可節能1%～5%。

2發動機轉速自動控制

2.1控制說明

此控制方案在上述方案的基礎上，增加發動機轉速隨手柄位移變化的自動控制功能。通過分析發動機扭矩、功率、油耗與轉速的關系，以及液壓系統對扭矩、轉速的控制需求，通過對先導手柄位移百分比的判斷，實現對發動機轉速按需自動控制的功能。首先，參考上述方案設置目標轉速的方法，根據設備不同工況下對速度、扭矩方面不同的需求，設置手柄最大位移時對應的發動機轉速。常用發動機轉速一般為800～2200r/min。在手柄從0～100%變化過程中，發動機轉速會經歷從最小到最大的變化，且此過程對轉速控制的靈敏度較高。但在有些工況下，不需要發動機轉速太高，而且發動機轉速變化過度靈敏也不便于設備的精細操作和控制。因此設計手柄位移最大時發動機轉速值調整功能，降低手柄對轉速的控制靈敏度，提高手柄的精細控制功能。其次，設計手柄位移、液壓系統輸出與發動機轉速控制間的數學模型。根據協調三者間的關系實現手柄、液壓泵、發動機轉速間的優化控制。分析發動機、液壓系統的控制曲線，功率、扭矩、轉速間的關系并不是全線性關系。該方案的設計關鍵在于數學模型的創建。協調好手柄－發動機轉速－液壓系統控制間關系，才能實現發動機轉速最優控制功能。

2.2控制目標

發動機轉速跟隨手柄位移變化，結合液壓系統控制需求和發動機轉速曲線，實現手柄－發動機轉速－液壓系統的最優控制。

2.3硬件結構優化設計方案的硬件結構

如圖3所示。圖3優化方案的硬件結構(1)手柄位移檢測裝置:將手柄的位移信號轉換為電信號。①液壓先導手柄。使用液壓先導手柄，首先需將液壓手柄的位移量轉化為電信號。液壓先導手柄的控制原理是根據手柄位移量控制先導節流閥的輸出控制壓力，再通過先導壓力變化實現主閥開口的變化控制。根據先導手柄的位移與控制壓力的線性控制關系，可根據先導控制壓力變化判斷手柄位移量。②電控先導手柄。使用電控先導手柄，根據電控手柄的控制原理，直接采集手柄電信號即可判斷手柄位置。(2)設置油門控制裝置，此裝置可調節發動機轉速提升和下降。(3)設置中央控制器，用于控制信號的檢測、判斷、計算和實現發動機轉速的控制。油門控制裝置、手柄位移檢測裝置可通過CAN總線或模擬信號連接在控制器上。控制器與發動機間通過CANBUS總線通信，并通過CAN總線信號變化實現發動機轉速控制。

2.4電氣系統控制過程

(1)油門控制開關為自復位開關，開關觸發一次，則發送一個增或減的脈沖信號給控制器。控制器接收到脈沖信號后，將信號發送給發動機轉速控制程序，經過計算和緩沖控制得出發動機設定轉速。控制器記錄此轉速并標識為目標轉速，同時將目標轉速轉化為發動機總線油門輸入信號，并通過CAN總線發送給發動機控制器。發動機控制器接收到總線油門輸入信號后，控制發動機當前轉速與目標轉速相同。(2)控制器設計設定轉速延時功能，當油門控制開關每觸發一次，發動機轉速上升或下降固定轉速。同時觸發延時器，設定延時時間為Ns，當目標轉速保持Ns后，控制發動機轉速回到怠速狀態。另外只要油門控制開關觸發，則延時器重新計時。如果是因手柄位置變化導致的轉速變化則不需要延時控制。控制程序邏輯圖如圖4所示。圖4發動機轉速程序邏輯

2.5控制邏輯

控制器接收到手柄位置信號后，通過數學模型對此數據進行計算。根據最大轉速設定值和手柄位移，實現發動機轉速的變量控制。控制器將計算好的發動機轉速輸出值賦值給發動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發送給發動機控制器。發動機控制器接收到總線油門輸入信號后，根據發動機控制要求改變發動機轉速達到目標轉速值。當手柄回到中位時，控制器接收到閑置信號，通過計算和PID控制器將怠速轉速賦值給發動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發送給發動機控制器。發動機控制器接收到總線油門輸入信號后，根據發動機控制要求改變發動機轉速達到怠速轉速值。

2.6程序中設計緩沖模塊

緩沖模塊起到緩沖的作用，降低轉速變化靈敏度，防止手柄位移變化過快導致發動機轉速階躍變化，降低轉速迅速變化對負載速度變化的影響。

2.7發動機轉速－手柄－液壓系統的數學模型

以某款康明斯發動機為例。轉速曲線如圖5所示。手柄位移與發動機轉速曲線需滿足以下要求:(1)手柄位移為0時，發動機轉速應控制在低油耗轉速。按照發動機曲線圖轉速應為1200r/min。另根據電噴發動機控制要求，啟動后應在低怠速下運轉3～5min，并且發動機在怠速下運行應不大于10min。因此在此設定，發動機啟動后，轉速保持低怠速，此時開始計時，當時間大于5min轉速自動調節到1200r/min，同時手柄發生移動并回位后轉速自動保持在1200r/min。(2)手柄位移為100%時，發動機轉速達到最大。(3)發動機輸出最大扭矩時發動機轉速應為1200～1500r/min。當發動機轉速達到1500r/min，發動機功率為236kW，為最大功率的88.7%。根據發動機扭矩曲線，發動機轉速提升，扭矩下降，主閥開口度增加。在提升大負載時可能出現發動機扭矩不夠、提升無力、發動機憋車的問題。此時可以增加功率極限載荷控制加以干預，其控制過程是減小主泵擺角、主閥開口或降低發動機轉速，從而降低液壓系統功率(此過程也可人為實現)。在液壓系統匹配中，通常采用恒功率變量泵實現節能的目的，變量泵的功率設定值往往在發動機最大功率的80%左右，所以，液壓系統在正常的工作中不會出現超功率的現象，但會出現超扭矩的情況，所以先導手柄與發動機轉速自動控制的重點在于不讓其超扭矩。圖5發動機曲線圖在工程機械的工作中，人們實際追求的是速度與力，作用在發動機的最終體現是轉速與扭矩，所以建立了如圖6所示的數字模型圖，將控制邏輯分成2個部分進行。圖6手柄位移與轉速關系圖(1)A－X階段此段階為發動機轉速由低速向高速變化的過程，也是扭矩逐步增大的過程，即先導控制手柄與發動機轉速呈正比例關系，當手柄推至點X時，發動機轉速增加到相應轉速點;A－X階段為速度優先階段，為了追求施工效率，在控制器中編寫兩者的線性關系實現速度的快速提升。另外，當手柄位移變化的過程中，檢測變量泵的排量與變量泵的出口壓力，通過控制器計算此刻泵所需求的輸入扭矩與發動機在此轉速下扭矩比較值，當發動機扭矩減去變量泵所需扭矩值小于設定常數Δn時，控制器優先考慮讓發動機加速使下列公式成立N發動機－N泵＞Δn(2)X－B階段當手柄位移超過設定值點X后，將會追求扭矩優先，隨著先導手柄位移加大，發動機轉速也隨之增速，以達到效率最大化，控制器的邏輯與上階段類同，但當出現發動機扭矩減去變量泵所需扭矩值小于設定常數Δn時，控制器優先考慮讓發動機減速使上述公式成立。

3結論

(1)在工程機械設備上，尤其是需要腳部操作較多的設備，通過此控制系統，可以減少對腳踏油門的控制，方便進行其他操作，降低操作者的操作強度。(2)可根據發動機油耗曲線設定閑時轉速，發動機轉速只在實際工作時變化，減少非必要的轉速變化，間接提高燃油利用率，降低油耗。(3)優化了手柄位移與發動機轉速間的控制關系。發動機轉速隨手柄位移變化，降低發動機轉速階躍變化對系統的沖擊，使控制過程更流暢。

參考文獻:

［1］關景泰．機電液控制技術［M］．上海:同濟大學出版社，2003:157－159．

［2］吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等．實用電液比例技術［M］．杭州:浙江大學出版社，1993:268－272．

［3］吳曉明，高殿榮．液壓變量泵(馬達)變量調節原理與應用［M］．北京:機械工業出版社，2011:134－162．

作者：劉世亮 楊慶海 王宏宇 單位：鄭州宇通重工有限公司