本發(fā)明涉及液壓挖掘機電液控制領域，具體涉及一種液壓挖掘機重載工況控制系統(tǒng)。

背景技術：

挖掘機產品的主要使用場合為礦山等重負載作業(yè)，由于礦山作業(yè)主要挖掘介質為石塊等高密度物料，具有作業(yè)負載重的特點，傳統(tǒng)的挖掘機控制方式存在挖掘效率隨著載荷增加衰減較快的問題。

此外，傳統(tǒng)的主泵與發(fā)動機的功率匹配原理是將挖掘機的輸出功率離散分成多個檔位，每個檔位對應著相應的功率，通過操作人員的經驗選擇相應的檔位，進而按照預設的功率參數(shù)進行工作。但由于部分操作人員并不進行工況預判，而是通過主觀意識選擇中間檔位，以滿足經濟性的目的，在重載情況下易出現(xiàn)挖掘無力問題。

傳統(tǒng)的功率匹配是一種近似恒功率控制，當主泵的吸收功率小于發(fā)動機極限功率時，以當前壓力、最大流量進行工作；當主泵的吸收功率大于發(fā)動機極限功率時，通過ess控制方式將主泵的吸收功率到降低至發(fā)動機所能提供的最大功率，防止發(fā)動機過載，保證發(fā)動的功率輸出。

挖掘機上還配有增力功能，用于提高挖掘機的重載特性，但在實際使用過程中，部分操作人員并不能合理利用該功能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種液壓挖掘機重載工況控制系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術中存在的主泵與發(fā)動機的功率不適配和液壓挖掘機重載工況下挖掘無力的問題，滿足重載情況下的速度需求和輕載情況下的燃油經濟性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種液壓挖掘機重載工況控制系統(tǒng)，包括執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊包括主泵和發(fā)動機，主泵包括第一主泵和第二主泵，還包括：

信號采集模塊，包括電控手柄、主泵壓力傳感器和伺服控制壓力傳感器，分別用于實時采集挖掘機操作人員的手柄行程信號、主泵壓力信號和伺服控制壓力信號；

信號處理模塊，與信號采集模塊輸出端相連，用于接收信號采集模塊傳送的信號并進行處理得到工況評估值，信號處理模塊根據(jù)工況評估值進行模糊控制處理并輸出對應的控制信號；

驅動控制模塊，與信號處理模塊輸出端和執(zhí)行模塊輸入端相連，用于接收信號處理模塊輸出的控制信號并驅動執(zhí)行模塊做出對應的響應，包括電磁減壓模塊、發(fā)動機控制模塊和液壓增力模塊，分別用于實時在線調節(jié)主泵的吸收功率、發(fā)動機的工作參數(shù)和液壓增力信號；

所述工況評估值的計算過程包括以下步驟：

信號處理模塊對一個檢測單元內檢測到的手柄行程信號依次進行濾波和加權平均，隨后對操作人員的效率期望進行評判，在0-100％之間賦值得到對應的效率期望值，同時信號處理模塊還對一個檢測單元內檢測到的伺服控制壓力信號依次進行濾波和加權平均后對操作人員的效率期望進行評判，在0-100％之間賦值得到對應的效率期望值，選取上述兩個賦值中的較大者作為期望值；

信號處理模塊將一個檢測單元內檢測到的主泵壓力信號依次進行濾波和加權平均，計算獲得重載挖掘時的功率需求并對當前重載工況級別進行評判，在0-100％之間賦值，得到重載工況級別判定值；

將上述得到的期望值和重載工況級別判定值進行加權平均，得到工況評估值；

所述模糊控制處理的過程包括以下步驟：

當g大于x時，信號處理模塊輸出控制信號至電磁減壓模塊，提升主泵的吸收功率；

當g大于y時，信號處理模塊輸出控制信號至發(fā)動機控制模塊，在線調整發(fā)動機的工作參數(shù)；

當g大于z時，信號處理模塊輸出控制信號至液壓增力模塊，啟動增壓模式，在線調節(jié)液壓增力信號；

其中，g為工況評估值，x、y和z分別為與電磁減壓模塊、發(fā)動機控制模塊和液壓增力模塊相對應的重載策略閾值。

進一步的，所述信號處理模塊對一個檢測單元內檢測到的九個伺服控制壓力信號進行濾波和加權平均后對操作人員的效率期望進行評判，評判公式如下：

ej＝pj/pjmax

其中，pj為九個伺服控制壓力信號的加權壓力值，pjmax為伺服系統(tǒng)所能提供的最大壓力，ej為操作人員的效率期望值，ej的取值為0-100％。

進一步的，所述信號處理模塊對一個檢測單元內檢測到的九個手柄行程信號進行濾波和加權平均后對操作人員的效率期望進行評判，評判公式如下：

ej＝pj/pjmax

其中，pj為九個手柄行程信號的加權壓力值，pjmax為系統(tǒng)所能提供的最大壓力，ej為操作人員的效率期望值，ej的取值為0-100％。

進一步的，所述主泵壓力信號包括第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號，所述信號處理模塊對一個檢測單元內檢測到的第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號進行濾波和加權平均，所述重載工況級別的判定公式為：

ep＝p12/pmax

其中，p12為第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號的加權壓力值，pmax為主泵所能提供的最大壓力，ep為重載工況級別判定值，ep的取值為0-100％。

進一步的，所述模糊控制處理的過程中采用pid計算修正模塊調節(jié)主泵的吸收功率，所述pid計算修正模塊的調節(jié)公式如下：

e(t)＝kp×s(t)+ki×∑s(t)+kd[s(t)-s(t-1)]+e0

其中，e(t)為主泵的吸收功率調節(jié)值，kp為比例系數(shù)，s(t)為t時刻發(fā)動機實際轉速與設定轉速的差值，ki為積分時間常數(shù)，kd為微分時間常數(shù)，e0為吸收功率基準值。

進一步的，所述主泵壓力傳感器包括集成于第一主泵上的第一主泵壓力傳感器和集成于第二主泵上的第二主泵壓力傳感器，第一主泵壓力傳感器和第二主泵壓力傳感器分別用于采集第一主泵的壓力信號和第二主泵的壓力信號，所述電磁減壓模塊為比例電磁減壓閥。

進一步的，還包括顯示模塊，所述顯示模塊與信號處理模塊相連，用于將信號處理模塊輸出的信息實時進行顯示，所述信號處理模塊采用滑動平均濾波器進行滑動平均濾波。

進一步的，所述伺服控制壓力傳感器安裝于挖掘機的先導管路上，所述發(fā)動機控制模塊集成于發(fā)動機上，所述液壓增力模塊集成于挖掘機主閥上。

進一步的，所述信號處理模塊的處理方法包括算術平均法、模糊控制算法或卡爾曼濾波器方法中的一種或者幾種。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明公開了一種液壓挖掘機重載工況控制系統(tǒng)，包括信號采集模塊、信號處理模塊、顯示模塊、驅動控制模塊和執(zhí)行模塊。本發(fā)明提供的液壓挖掘機重載工況控制系統(tǒng)，通過信號采集模塊實時采集九個手柄行程信號、九個伺服控制壓力信號、第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號并傳送至信號處理模塊進行功率預期估算，得到工況評估值，信號處理模塊根據(jù)工況評估值進行模糊控制處理并輸出對應的控制信號至驅動控制模塊，通過驅動執(zhí)行模塊驅動執(zhí)行模塊做出對應的響應，根據(jù)功率需求及其變化趨勢，對主泵的吸收功率進行動態(tài)修正，同時對發(fā)動機的工作狀態(tài)參數(shù)進行在線調節(jié)，使發(fā)動機動力系統(tǒng)的輸出功率能滿足主泵的需求，確保挖掘機在重載工況下的工作效率，實現(xiàn)了挖掘機在變載荷工況條件下動力系統(tǒng)輸出和主泵功率需求的動態(tài)實時匹配，提升挖掘效率，有效解決了挖掘無力問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)硬件方框圖；

圖2是本發(fā)明信號處理模塊的數(shù)據(jù)處理方框圖；

圖3是本發(fā)明信號處理模塊的工作流程圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1-3所示，一種液壓挖掘機重載工況控制系統(tǒng)，包括信號采集模塊、信號處理模塊、顯示模塊、驅動控制模塊和執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊包括電連接的主泵和發(fā)動機，主泵包括第一主泵和第二主泵，信號采集模塊包括電控手柄、主泵壓力傳感器和伺服控制壓力傳感器，電控手柄用于操控挖掘機進行動作和實時采集挖掘機操作人員的手柄行程信號并傳送至信號處理模塊進行處理，主泵壓力傳感器包括第一主泵壓力傳感器和第二主泵壓力傳感器，第一主泵壓力傳感器和第二主泵壓力傳感器分別集成于第一主泵和第二主泵上，第一主泵壓力傳感器用于實時采集第一主泵的壓力信號并傳送至信號處理模塊進行處理，第二主泵壓力傳感器用于實時采集第二主泵的壓力信號并傳送至信號處理模塊進行處理，伺服控制壓力傳感器安裝于挖掘機的先導管路上，用于實時采集伺服控制壓力信號并傳送至信號處理模塊進行處理，先導管路用于收集挖掘機操作人員的液壓手柄信號并完成相應的挖掘機動作，驅動控制模塊包括電磁減壓模塊、發(fā)動機控制模塊和液壓增力模塊，電磁減壓模塊采用比例電磁減壓閥進行實時在線調節(jié)第一主泵和第二主泵的吸收功率，發(fā)動機控制模塊集成于發(fā)動機上，通過發(fā)動機控制模塊實時在線調節(jié)發(fā)動機的轉速請求、調速率請求及外特性曲線等工作參數(shù)，液壓增力模塊集成于挖掘機主閥上，用于在線調節(jié)液壓增力信號，實現(xiàn)短時間內提高液壓系統(tǒng)的壓力，挖掘機主閥用于分配液壓流向。

電控手柄、主泵壓力傳感器和伺服控制壓力傳感器分別通過導線與信號處理模塊輸入端相連，信號處理模塊輸出端與顯示模塊電性相連并通過驅動控制模塊電連接執(zhí)行模塊，信號處理模塊用于對實時接收的手柄行程信號、主泵壓力信號和伺服控制壓力信號等多項液壓系統(tǒng)信號進行數(shù)據(jù)處理并通過顯示模塊進行實時顯示，采取對應的重載策略，分別驅動電磁減壓模塊、發(fā)動機控制模塊和液壓增力模塊進行在線調節(jié)主泵的吸收功率、發(fā)動機的工作參數(shù)和液壓增力信號，主泵壓力信號包括第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號，數(shù)據(jù)處理方法包括算術平均法、模糊控制算法或卡爾曼濾波器方法中的一種或者幾種，信號處理模塊通過采集到的手柄行程信號和伺服控制壓力信號對操作人員的效率期望進行評判，效率期望在0-100％之間賦值，信號處理模塊通過采集到的主泵壓力信號對當前重載工況級別進行評判并在0-100％之間賦值，通過將用于體現(xiàn)操作人員效率期望的手柄行程信號和伺服控制壓力信號與用于體現(xiàn)實際工況情況的主泵壓力信號相結合進而獲取外負載的功率需求，實現(xiàn)動態(tài)實時匹配發(fā)動機的輸出功率。

圖2是信號處理模塊的數(shù)據(jù)處理方框圖，圖3是信號處理模塊的工作流程圖，信號處理模塊的輸入信號包括九個手柄行程信號、九個伺服控制壓力信號和主泵壓力信號，九個手柄行程信號和九個伺服控制壓力信號均包括動臂上升、動臂下降、斗桿外擺、斗桿內收、鏟斗外擺、鏟斗內收、左行走、右行走和回轉信號，手柄行程和伺服控制壓力體現(xiàn)了操作人員的效率期望，主泵壓力體現(xiàn)了實際工況情況，信號處理模塊對兩者的綜合進行數(shù)據(jù)處理得到工況評估值，根據(jù)工況評估值利用模糊控制算法進行模糊控制處理并分別輸出對應的控制信號至驅動控制模塊的電磁減壓模塊、發(fā)動機控制模塊和液壓增力模塊，進而驅動執(zhí)行模塊做出對應的響應，通過比例電磁減壓閥實時在線調節(jié)主泵的吸收功率，通過發(fā)動機控制模塊實時在線調節(jié)發(fā)動機的轉速請求、調速率請求及外特性曲線等工作參數(shù)，通過液壓增力模塊啟動增壓模式，實時在線調節(jié)液壓增力信號，實現(xiàn)實時調節(jié)主泵和發(fā)動機動力系統(tǒng)的相關參數(shù)，進而在保證挖掘機輕載工況的燃油經濟性的前提下，實現(xiàn)挖掘機在重載工況下發(fā)動機功率輸出與外負載功率需求之間的動態(tài)實時匹配，提高挖掘機重載效率。

工況評估值的計算過程包括以下步驟：

以一個工作循環(huán)為檢測單元，信號處理模塊對一個檢測單元內檢測到的九個手柄行程信號首先通過滑動平均濾波器進行滑動平均濾波，濾掉干擾數(shù)據(jù)，隨后進行加權平均，再對操作人員的效率期望進行評判，在0-100％之間賦值得到對應的效率期望值，同時信號處理模塊還對一個檢測單元內檢測到的九個伺服控制壓力信號通過滑動平均濾波器進行濾波，濾掉干擾數(shù)據(jù)后進行加權平均，再對操作人員的效率期望進行評判并在0-100％之間賦值得到相對應的效率期望值，選取上述兩個賦值中的較大者作為期望值和后續(xù)計算依據(jù)，效率期望的評判公式如下：

ej＝pj/pjmax公式一

其中，當pj為九個手柄行程信號的加權壓力值，pjmax為相應系統(tǒng)所能提供的最大壓力，ej為操作人員的效率期望值，ej的取值為0-100％；當pj為九個伺服控制壓力信號的加權壓力值，pjmax為伺服系統(tǒng)所能提供的最大壓力，ej為操作人員的效率期望值，ej的取值為0-100％；

信號處理模塊將一個檢測單元內檢測到的第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號通過滑動平均濾波器進行滑動平均濾波，濾掉其干擾數(shù)據(jù)后進行加權平均，計算獲得重載挖掘時的功率需求，并對當前重載工況級別進行評判，得到重載工況級別判定值，評判公式如下：

ep＝p12/pmax公式二

其中，p12為第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號的加權壓力值，pmax為主泵所能提供的最大壓力，ep為重載工況級別判定值，ep的取值為0-100％；

將上述得到的期望值和重載工況級別判定值進行加權平均，得到一個0-100％之間的數(shù)值，該值為工況評估值，并計為g。

在挖掘機工作過程中，因主泵壓力突變性大，直接計算會造成策略誤判，故需對第一主泵壓力信號和第二主泵壓力信號進行滑動平均濾波，濾掉其突變值，提高測試精確度。

信號處理模塊采用的加權平均算法的計算公式為：

z＝∑(xi×wi)÷∑(wi)公式三

其中，xi為各采集值，wi為各采集值對應的權重，wi可根據(jù)實際需求進行預先設定，z為加權平均數(shù)。

如表1所示，模糊控制表用于表征工況評估值的變化趨勢及變化誤差。

表1

其中，e表示偏差，ec表示偏差變化，p表示正，n表示負，b表示大，m表示中，s表示小，l表示大，z表示0。

與電磁減壓模塊、發(fā)動機控制模塊和液壓增力模塊一一對應的重載策略閾值分別計為x、y和z，用戶可通過實際需求分別進行預先設定，信號處理模塊的模糊控制處理過程包括：

當工況評估值g大于x時，信號處理模塊輸出控制信號至電磁減壓模塊，線性提升主泵的吸收功率；

當工況評估值g大于y時，信號處理模塊輸出控制信號至發(fā)動機控制模塊，在線調整發(fā)動機的工作參數(shù)；

當工況評估值g大于z時，信號處理模塊輸出控制信號至液壓增力模塊，啟動增壓模式，在線調節(jié)液壓增力信號；

對于上述響應過程，需說明如下幾點：

挖掘機系統(tǒng)具有負載突變性大、壓力數(shù)據(jù)非線性和時變性等特點，在提高主泵的吸收功率時應采用pid計算修正模塊進行限制，通過pid計算修正模塊調節(jié)主泵的吸收功率，在滿足主泵功率最大利用率的前提下，避免發(fā)動機的過度掉速，pid計算修正模塊的調節(jié)公式如下：

e(t)＝kp×s(t)+ki×∑s(t)+kd[s(t)-s(t-1)]+e0公式四

其中，e(t)為主泵的吸收功率調節(jié)值，kp為比例系數(shù)，s(t)為t時刻發(fā)動機實際轉速與設定轉速的差值，ki為積分時間常數(shù)，kd為微分時間常數(shù)，e0為吸收功率基準值；

信號處理模塊通過can通訊方式驅動發(fā)動機控制模塊進而調整發(fā)動機的工作參數(shù)，提升發(fā)動機的轉速和修改發(fā)動機的調速特性，便于發(fā)動機提供較大的功率及轉速；

開啟增壓模式需進行限時，為避免損壞液壓系統(tǒng)，增壓模式開啟8秒后，增壓模式自動關閉，保護時間為8秒，在設定保護的時間內不進行輸出；

閾值滿足x<y<z<1，多項控制策略互不干擾，同步進行。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。