劉世亮，楊慶海，王宏宇

(鄭州宇通重工有限公司，河南鄭州 450016)

0 引言

目前市場上履帶式工程機械發(fā)動機轉(zhuǎn)速和液壓系統(tǒng)是分別控制的。一般液壓系統(tǒng)通過操作手柄控制液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)速度，同時通過腳踏油門或手油門控制發(fā)動機轉(zhuǎn)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(dǎo)手柄，一邊踩踏腳油門控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

(2)手油門到固定轉(zhuǎn)速，然后操作先導(dǎo)手柄控制液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)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(diào)整手油門后很少頻繁變化，可能會使設(shè)備長時間停在某一轉(zhuǎn)速下，造成多余的燃油損耗[1]。

此控制系統(tǒng)的研究目的在于通過操作先導(dǎo)手柄直接控制發(fā)動機轉(zhuǎn)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(tǒng)的同時控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可做到發(fā)動機閑時怠速、工作時轉(zhuǎn)速自動變化，減少發(fā)動機空載時的燃油損耗，可起到節(jié)能減耗的作用。

自動協(xié)同控制通過一定的控制算法，通過操縱先導(dǎo)手柄實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和液壓系統(tǒng)協(xié)同控制，取消了腳踏操作，用于降低操作強度和油耗。根據(jù)手柄的位置判斷，可做到發(fā)動機閑時怠速、工作時轉(zhuǎn)速自動變化的控制功能。同時結(jié)合發(fā)動機油耗功率曲線，優(yōu)化控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化，可進(jìn)一步提高燃油利用率，起到節(jié)能減耗的作用。

1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速半自動控制

1.1 控制說明

首先用翹板開關(guān)或按鈕設(shè)定發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速?？刂破饔洃浤繕?biāo)轉(zhuǎn)速后，如果先導(dǎo)手柄無動作，發(fā)動機短時間保持目標(biāo)轉(zhuǎn)速后回到怠速狀態(tài)；然后發(fā)動機在怠速狀態(tài)時，如果先導(dǎo)手柄發(fā)生位移，無論位移變化多少，發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動變化到之前設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值；如果先導(dǎo)手柄再次回到中位，發(fā)動機轉(zhuǎn)速重新回到怠速狀態(tài)[2]。

1.2 實現(xiàn)的控制目標(biāo)

通過操作手柄控制液壓系統(tǒng)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，做到液壓系統(tǒng)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速協(xié)同控制。液壓系統(tǒng)工作時發(fā)動機自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速到設(shè)定目標(biāo)值，閑時自動恢復(fù)怠速的控制功能。

1.3 硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)設(shè)置油門控制開關(guān)，此開關(guān)可調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升和下降。

(2)設(shè)置中央控制器，油門控制開關(guān)通過數(shù)字量輸入接口連接在控制器上，同時控制器與發(fā)動機間通過CAN總線通信，并通過CAN總線油門控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

(3)手柄工作/位置變化監(jiān)測裝置，用于判斷液壓系統(tǒng)是否在工作狀態(tài)?？梢允菈毫﹂_關(guān)或手柄使能按鍵。

1.4 控制原理和過程

(1)油門控制開關(guān)為雙向自復(fù)位開關(guān)，分別標(biāo)志為轉(zhuǎn)速增和轉(zhuǎn)速減。開關(guān)增向觸發(fā)一次，則發(fā)送一個增脈沖信號給控制器；開關(guān)減向觸發(fā)一次，則發(fā)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(fā)動機轉(zhuǎn)速控制程序，接收1個增脈沖，則設(shè)定轉(zhuǎn)速增加一個固定值；接收1個減脈沖，則設(shè)定轉(zhuǎn)速減少一個固定值。將設(shè)定的轉(zhuǎn)速值標(biāo)志為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并記錄此轉(zhuǎn)速。通過緩沖器將目標(biāo)轉(zhuǎn)速賦值給發(fā)動機總線油門輸入信號，并通過CAN總線發(fā)送給發(fā)動機控制器。發(fā)動機控制接收到總線油門輸入信號后，根據(jù)發(fā)動機控制要求改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

(2)控制器設(shè)計轉(zhuǎn)速延時功能，當(dāng)油門控制開關(guān)每觸發(fā)一次，則發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速上升或下降固定值，同時發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。同時觸發(fā)延時器，設(shè)定延時時間為Ns，當(dāng)轉(zhuǎn)速保持目標(biāo)轉(zhuǎn)速Ns后，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速回到怠速狀態(tài)。另外如果油門控制開關(guān)再次觸發(fā)，則延時器重新計時。因手柄位置變化導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速變化則不需要延時控制。

(3)當(dāng)檢測手柄位移變化液壓系統(tǒng)開始工作時，將工作信號發(fā)送給控制器?？刂破鹘邮盏焦ぷ餍盘柡螅ㄟ^計算將之前設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過PID控制器制賦值給發(fā)動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發(fā)送給發(fā)動機控制器，發(fā)動機控制器接收到總線油門輸入信號后，改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速賦值給發(fā)動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發(fā)送給發(fā)動機控制器，發(fā)動機控制器接收到信號后，改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速值。

(4)根據(jù)發(fā)動機油耗、轉(zhuǎn)速關(guān)系，以及發(fā)動機維護(hù)保養(yǎng)的要求自動控制發(fā)動機的閑時轉(zhuǎn)速。根據(jù)發(fā)動機維護(hù)保養(yǎng)要求，可控制發(fā)動機啟動后，未進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時，發(fā)動機怠速運行5 min后，自動變化為低油耗轉(zhuǎn)速；或者液壓手柄操作回到中位時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速停留在低油耗轉(zhuǎn)速，不再回到怠速狀態(tài)。該控制器可起到保護(hù)發(fā)動機同時提高燃油利用率、降低油耗的作用[2](發(fā)動機控制要求：發(fā)動機啟動后需保持怠速狀態(tài)運行3～5 min，發(fā)動機工作時在怠速狀態(tài)應(yīng)不大于10 min)?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

1.5 目的及意義

(1)在工程機械設(shè)備上，尤其是需要腳部操作較多的設(shè)備，通過此控制系統(tǒng)，可以減少對腳踏油門的控制，方便進(jìn)行其他操作，降低操作者的操作強度。

(2)結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油耗、保養(yǎng)等要求，合理控制閑時發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可起到提高燃油利用率、保養(yǎng)發(fā)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(fā)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(fā)動機的設(shè)備，基于原有設(shè)備即可實現(xiàn)，不需要增加或少量增加電器元件即可實現(xiàn)。缺點是不能根據(jù)需求適時調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速。但根據(jù)工程機械粗放的控制需求，仍可滿足設(shè)備一般控制需求。

1.6 控制系統(tǒng)需要注意的問題

(1)手柄上設(shè)置使能按鍵或手柄中位檢測裝置，用于發(fā)出液壓系統(tǒng)工作指令。并且此工作指令發(fā)出時間應(yīng)略提前于液壓電磁閥的開啟。便于發(fā)動機提前變速，防止動作啟動時憋車[3]。

(2)油門調(diào)速翹板開關(guān)，可用雙向自復(fù)位翹板開關(guān)或2個自復(fù)位按鈕實現(xiàn)。最優(yōu)的設(shè)計位置是手柄上，便于駕駛員操作。如條件不允許也可設(shè)置在扶手箱便于操作的位置上。轉(zhuǎn)速不設(shè)置斷電記憶功能，電源重啟后需重新調(diào)整。

(3)發(fā)動機轉(zhuǎn)速需支持電控。電噴發(fā)動機可通過CAN總線信號控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速；非電噴發(fā)動機需配置有能夠通過電氣控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制裝置。

1.7 節(jié)能效果的理論計算

設(shè)定1 h、800 r/min怠速下油耗為m1，1 h、1 200 r/min轉(zhuǎn)速下油耗為m2，1 h、1 500 r/min轉(zhuǎn)速下油耗為m3，1 h、1 800 r/min轉(zhuǎn)速下油耗為m4，則：

m1=218×1×1=218 g

m2=198 ×1×1=198 g

m3=210×1×1=210 g

m4=201×1×1=201 g

假設(shè)設(shè)備1 h不工作，通過以上參數(shù)可知，當(dāng)系統(tǒng)不工作時，發(fā)動機輸出功率不變，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時發(fā)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(jié)合駕駛員的操作習(xí)慣和發(fā)動機的參數(shù)使用此方法可節(jié)能1%～5%。

2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動控制

2.1 控制說明

此控制方案在上述方案的基礎(chǔ)上，增加發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨手柄位移變化的自動控制功能。通過分析發(fā)動機扭矩、功率、油耗與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，以及液壓系統(tǒng)對扭矩、轉(zhuǎn)速的控制需求，通過對先導(dǎo)手柄位移百分比的判斷，實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速按需自動控制的功能。

首先，參考上述方案設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速的方法，根據(jù)設(shè)備不同工況下對速度、扭矩方面不同的需求，設(shè)置手柄最大位移時對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。常用發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般為800～2 200 r/min。在手柄從0～100%變化過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速會經(jīng)歷從最小到最大的變化，且此過程對轉(zhuǎn)速控制的靈敏度較高。但在有些工況下，不需要發(fā)動機轉(zhuǎn)速太高，而且發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化過度靈敏也不便于設(shè)備的精細(xì)操作和控制。因此設(shè)計手柄位移最大時發(fā)動機轉(zhuǎn)速值調(diào)整功能，降低手柄對轉(zhuǎn)速的控制靈敏度，提高手柄的精細(xì)控制功能。

其次，設(shè)計手柄位移、液壓系統(tǒng)輸出與發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制間的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)協(xié)調(diào)三者間的關(guān)系實現(xiàn)手柄、液壓泵、發(fā)動機轉(zhuǎn)速間的優(yōu)化控制。分析發(fā)動機、液壓系統(tǒng)的控制曲線，功率、扭矩、轉(zhuǎn)速間的關(guān)系并不是全線性關(guān)系。該方案的設(shè)計關(guān)鍵在于數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建。協(xié)調(diào)好手柄-發(fā)動機轉(zhuǎn)速-液壓系統(tǒng)控制間關(guān)系，才能實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速最優(yōu)控制功能。

2.2 控制目標(biāo)

發(fā)動機轉(zhuǎn)速跟隨手柄位移變化，結(jié)合液壓系統(tǒng)控制需求和發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線，實現(xiàn)手柄-發(fā)動機轉(zhuǎn)速-液壓系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計方案的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)手柄位移檢測裝置：將手柄的位移信號轉(zhuǎn)換為電信號。

①液壓先導(dǎo)手柄。使用液壓先導(dǎo)手柄，首先需將液壓手柄的位移量轉(zhuǎn)化為電信號。液壓先導(dǎo)手柄的控制原理是根據(jù)手柄位移量控制先導(dǎo)節(jié)流閥的輸出控制壓力，再通過先導(dǎo)壓力變化實現(xiàn)主閥開口的變化控制。根據(jù)先導(dǎo)手柄的位移與控制壓力的線性控制關(guān)系，可根據(jù)先導(dǎo)控制壓力變化判斷手柄位移量。

②電控先導(dǎo)手柄。使用電控先導(dǎo)手柄，根據(jù)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(shè)置油門控制裝置，此裝置可調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升和下降。

(3)設(shè)置中央控制器，用于控制信號的檢測、判斷、計算和實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)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(fā)動機間通過CAN BUS總線通信，并通過CAN總線信號變化實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制。

2.4 電氣系統(tǒng)控制過程

(1)油門控制開關(guān)為自復(fù)位開關(guān)，開關(guān)觸發(fā)一次，則發(fā)送一個增或減的脈沖信號給控制器?？刂破鹘邮盏矫}沖信號后，將信號發(fā)送給發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制程序，經(jīng)過計算和緩沖控制得出發(fā)動機設(shè)定轉(zhuǎn)速。控制器記錄此轉(zhuǎn)速并標(biāo)識為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時將目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為發(fā)動機總線油門輸入信號，并通過CAN總線發(fā)送給發(fā)動機控制器。發(fā)動機控制器接收到總線油門輸入信號后，控制發(fā)動機當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相同。

(2)控制器設(shè)計設(shè)定轉(zhuǎn)速延時功能，當(dāng)油門控制開關(guān)每觸發(fā)一次，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升或下降固定轉(zhuǎn)速。同時觸發(fā)延時器，設(shè)定延時時間為Ns，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速保持Ns后，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速回到怠速狀態(tài)。另外只要油門控制開關(guān)觸發(fā)，則延時器重新計時。如果是因手柄位置變化導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速變化則不需要延時控制?？刂瞥绦蜻壿媹D如圖4所示。

2.5 控制邏輯

控制器接收到手柄位置信號后，通過數(shù)學(xué)模型對此數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。根據(jù)最大轉(zhuǎn)速設(shè)定值和手柄位移，實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變量控制。控制器將計算好的發(fā)動機轉(zhuǎn)速輸出值賦值給發(fā)動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發(fā)送給發(fā)動機控制器。發(fā)動機控制器接收到總線油門輸入信號后，根據(jù)發(fā)動機控制要求改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速值。當(dāng)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(zhuǎn)速賦值給發(fā)動機總線油門輸入信號。并通過CAN總線發(fā)送給發(fā)動機控制器。發(fā)動機控制器接收到總線油門輸入信號后，根據(jù)發(fā)動機控制要求改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速值。

2.6 程序中設(shè)計緩沖模塊

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

2.7 發(fā)動機轉(zhuǎn)速-手柄-液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

以某款康明斯發(fā)動機為例。轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。手柄位移與發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線需滿足以下要求：

(1)手柄位移為0時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在低油耗轉(zhuǎn)速。按照發(fā)動機曲線圖轉(zhuǎn)速應(yīng)為1 200 r/min。另根據(jù)電噴發(fā)動機控制要求，啟動后應(yīng)在低怠速下運轉(zhuǎn)3～5 min，并且發(fā)動機在怠速下運行應(yīng)不大于10 min。因此在此設(shè)定，發(fā)動機啟動后，轉(zhuǎn)速保持低怠速，此時開始計時，當(dāng)時間大于5 min轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)到1 200 r/min，同時手柄發(fā)生移動并回位后轉(zhuǎn)速自動保持在1 200 r/min。

(2)手柄位移為100%時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。

(3)發(fā)動機輸出最大扭矩時發(fā)動機轉(zhuǎn)速應(yīng)為1 200～1 500 r/min。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min，發(fā)動機功率為236 kW，為最大功率的88.7%。

根據(jù)發(fā)動機扭矩曲線，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升，扭矩下降，主閥開口度增加。在提升大負(fù)載時可能出現(xiàn)發(fā)動機扭矩不夠、提升無力、發(fā)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(yù)，其控制過程是減小主泵擺角、主閥開口或降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而降低液壓系統(tǒng)功率(此過程也可人為實現(xiàn))。

在液壓系統(tǒng)匹配中，通常采用恒功率變量泵實現(xiàn)節(jié)能的目的，變量泵的功率設(shè)定值往往在發(fā)動機最大功率的80%左右，所以，液壓系統(tǒng)在正常的工作中不會出現(xiàn)超功率的現(xiàn)象，但會出現(xiàn)超扭矩的情況，所以先導(dǎo)手柄與發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動控制的重點在于不讓其超扭矩。

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(fā)動機的最終體現(xiàn)是轉(zhuǎn)速與扭矩，所以建立了如圖6所示的數(shù)字模型圖，將控制邏輯分成2個部分進(jìn)行。

(1)A-X階段

此段階為發(fā)動機轉(zhuǎn)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(dǎo)控制手柄與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系，當(dāng)手柄推至點X時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加到相應(yīng)轉(zhuǎn)速點；A-X階段為速度優(yōu)先階段，為了追求施工效率，在控制器中編寫兩者的線性關(guān)系實現(xiàn)速度的快速提升。

另外，當(dāng)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(fā)動機在此轉(zhuǎn)速下扭矩比較值，當(dāng)發(fā)動機扭矩減去變量泵所需扭矩值小于設(shè)定常數(shù)Δn時，控制器優(yōu)先考慮讓發(fā)動機加速使下列公式成立

N發(fā)動機-N泵>Δn

(2)X-B階段

當(dāng)手柄位移超過設(shè)定值點X后，將會追求扭矩優(yōu)先，隨著先導(dǎo)手柄位移加大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也隨之增速，以達(dá)到效率最大化，控制器的邏輯與上階段類同，但當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動機扭矩減去變量泵所需扭矩值小于設(shè)定常數(shù)Δn時，控制器優(yōu)先考慮讓發(fā)動機減速使上述公式成立。

3 結(jié)論

(1)在工程機械設(shè)備上，尤其是需要腳部操作較多的設(shè)備，通過此控制系統(tǒng)，可以減少對腳踏油門的控制，方便進(jìn)行其他操作，降低操作者的操作強度。

(2)可根據(jù)發(fā)動機油耗曲線設(shè)定閑時轉(zhuǎn)速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速只在實際工作時變化，減少非必要的轉(zhuǎn)速變化，間接提高燃油利用率，降低油耗。

(3)優(yōu)化了手柄位移與發(fā)動機轉(zhuǎn)速間的控制關(guān)系。發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨手柄位移變化，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速階躍變化對系統(tǒng)的沖擊，使控制過程更流暢。