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新型带液压蓄能器的怠速自动控制系统及工程机械控制策略
任浩玲，林天亮*，周生艳，黄卫平，苗成
华侨机械工程与自动化学院，中国厦门361021； happyrhlly@126.com（HR）; 1611303048@hqu.edu.cn（S.Z.）; 1400203036@hqu.edu.cn（W.H.）; 1400403007@hqu.edu.cn（C.M.）
*通讯：ltlkxl@163.com
收到：2018年1月23日; 接受：2018年3月19日; 发布时间：2018年3月26日
摘要：为减少液压挖掘机的能耗和排放，提出了一种用于工程机械的带液压蓄能器的二级怠速控制系统，以降低能耗并改善执行器在怠速模式下的控制性能。取消。分析了其结构和工作原理。液压蓄能器（HA）用于存储能量，当取消怠速模式时，可以提供备用压力流体。然后，提出了一种设置蓄压器与负载之间压力差的方法，并讨论了控制规律。测试台已构建。实验结果表明，怠速可以在第一怠速，第二怠速和正常速度之间自动切换。尽管与传统的自动怠速控制系统（AISCS）相比，新型系统的怠速可以降低得更多，但是当取消怠速模式时，所提出的系统仍可以更快地建立执行机构压力。与没有空转速度控制的系统相比，该系统的节能量约为67％。提出的带有HA的二级怠速控制系统可以实现高能效和良好的控制性能。
关键词：工程机械； 液压挖掘机 节能； 怠速控制； 液压蓄能器 控制策略
1.简介
在严格的排放法规环境下，节能环保是工程机械的主要要求。当前，工程机械有几种节能方法，例如，正负流量控制系统[1,2]，负载传感控制[3,4]，混合动力系统[5-8]，能量再生[9– [12]和自动怠速控制系统（AISCS）[13]被提出并在某些模型中使用。无论是正负流量控制系统还是负载传感控制，它们的目的都是为了平衡泵的输出和负载的需求，以减少能量损失。它们确实减少了油门损失并提高了机器的效率。在混合动力系统中，发动机通过一个以上的动力传动系在最佳的功率消耗区域工作，以减少燃料消耗和排放[6-8]。由于动力总成不止一个，因此结构复杂且成本高，限制了其广泛的应用。但是，上述节能技术主要集中在工程机械的工作时间上。实际上，在闲置状态下，建筑机械消耗的能量约占总能量的30％。 AISCS用于减少空闲时间的燃油消耗和排放。通常，传统的AISCS用于调节发动机速度在第一空转速度之间切换，有时会有第二空转速度与正常工作速度之间的转换。
在汽车的AISCS领域中已经进行了许多研究。他等。研究了压缩天然气发动机，并将怠速从原来的800 rpm降低到700 rpm [14]。 Li等。将所需的怠速速度设置为611 rpm，而不是正常的（生产）怠速速度740 rpm，并将滑动模式控制用于AISCS [15]。尽管低怠速可以减少燃油消耗，但代价是增加了失火甚至失速的风险。就是说，到怠速和从怠速的过渡应该是平稳的并且得到很好的控制[16]。许多研究致力于通过不同的控制策略来解决AISCS问题[17-21]。
尽管在汽车的AISCS上已经取得了一些有用的成果，并且该技术已经相对成熟，但是针对工程机械的AISCS的研究很少。由于工作条件的不同，汽车中使用的AISCS不能直接用于工程机械。熊等。分析了旋转钻机中AISCS的工作原理和实施方法[22]。他们测试了不同速度下的油耗，发现达到最低油耗时的速度是预设的怠速。 Liu根据工作条件，速度感应和发动机功率匹配设计了AISCS。发动机从怠速到额定转速的调整时间约为2 s [23]。郝通过采用自适应控制方法优化了PWM的占空比，最小的斜坡时间和空转速度，并获得了更好的节能效果[24]。这些研究仍然基于传统发动机，并且怠速不能太低而避免失火。同时，液压系统仍采用传统的泵系统。因此，从空转速度到发动机的正常速度的过渡的调节时间不能非常短，并且当空转模式被取消时，泵不能快速建立压力以驱动致动器。这导致致动器运动的不稳定和对工作信号的缓慢响应。液压蓄能器（HA）可以在液压系统中广泛使用，因为它可以用作在短时间内供应压力油的辅助动力源。当取消AISCS时泵不能向执行器提供足够的油时，尽管供应时间很短，但HA是提供执行器所需油的最佳选择。尽管使用AISCS的发动机可以减少燃料消耗并减少排放，但仍有排放，尤其是在不能将怠速设置得太低时。电动机（EM）是真正的零排放，在更宽的转速范围内具有很高的效率。因此，如果将EM和HA用于工程机械的AISCS中，则可以避免上述问题。本文就是为了验证这种想法的可行性。
在这项研究中，已经构建了由EM驱动的两吨液压挖掘机的原型，用于实验。这项研究的主要目的是为两吨重的HE配备HA的新型AISCS。本文的其余部分安排如下：第2节介绍了具有HA的AISCS的结构和工作原理。在第3节中详细讨论了提出的AISCS的控制策略。然后，在第4节中分析了实验结果。在第5节中给出了结论。
2.新型AISCS的结构和工作原理
图1和2分别显示了传统AISCS和提出的AISCS的配置。图1和图2中使用的多路阀由操纵杆产生的先导压力控制，并且阀的行程与先导压力成比例。传统AISCS的工作原理是当操纵杆返回中间位置时，多路阀也将在中间位置工作。泵的输出通过多路阀流到油箱。当控制器检测到操纵杆停留在中间位置的时间大于设定值时，发动机转速会降低至较低值，从而降低燃油消耗。当操纵杆离开中间位置时，多路阀移至相应位置，发动机加速至正常速度。由于执行器中的低压，执行器开始移动时会有延迟。在执行器的工作室中，执行器的运动不稳定。与传统的AISCS相比，拟议的AISCS具有以下优点：
1. HA通过电磁换向阀1连接到泵的出口。HA用于在第一级空转模式下存储能量，在空转模式下，它可以用作驱动执行器的辅助能源取消。
2.多路阀的旁路处有一个压力加载单元。当多路阀处于中间工作位置并且电磁换向阀2断电时，它可以通过电磁换向阀2将泵从油箱中分离出来并为HA充气。
3. EM具有比传统发动机更快的响应速度，并且在较宽的速度范围内具有很高的效率。由于使用了EM，因此完全没有污染。
图1.传统自动怠速控制系统（AISCS）的示意图。
图2.新颖的AISCS的示意图
因此，可以在HA的帮助下快速建立执行机构工作腔中的压力以驱动负载。同时，即使不能保证EM的响应，也可以将怠速设置为较低的值以获得良好的节能效果并降低噪音。
3.控制策略
控制策略有两个目标。一种是使EM速度尽可能低以减少能耗。但是，低速不应以控制性能和泵的吸力为代价。由于不能轻易提高泵的吸入能力，因此控制策略的另一个目标是在取消怠速模式时保证控制性能，从而产生一种感觉，即液压缸以与目标速度相同的速度运动。通过操纵杆。换句话说，多路阀的输入压力pp应该尽快建立。但是，EM速度不能从怠速快速增加到其正常速度，尤其是在怠速较低时。
3.1．对HA和最大负载压力之间的压差∆p的优化
应该考虑一种情况：只要EM开始运行，操纵杆就会立即返回其最大位置，并且EM速度无法尽快达到其目标速度。因此，泵的流速太低而不能及时驱动负载，并且不能保证负载的速度。同时，当HE在起重机模式下工作并且先导油公开了多路阀时，泵的输出压力处于相当低的水平，并且液压缸中的压力会突然大幅度下降，特别是在负载很重并且尚未将负载降低到地面的情况。实际上，HA的缺点之一是，只有当HA的压力大于负载压力时，它才能释放油以驱动负载。如果HA和最大负载压力之间的压差∆p过高，尽管执行器将立即启动，但液压控制阀上会产生过多的损失。如果HA与最大负载压力之间的压差∆p过低，则无法快速建立压力来驱动负载。因此，应优化HA和最大负载压力之间的压差∆p，以确保控制性能和节能效果。
最大负载力pLmax由以下表达式确定：
pLmax = max(pLb, pLs) (1)
其中，pLb 是液压缸的无杆侧腔，MPa. pLs 是液压缸的 有杆侧腔，MPa。
执行器的目标速度由下式给出：
vt = k · (pLb minus; pLs) (2)
其中，k 是目标速度和操纵杆压力之间的比例系数。
负载的实际速度计算为下式：
v = qp · np minus; (Cip Cep)pp minus; Qbp Qac
AL
(3)
其中，qp 是泵的排量，m3/rad。np 是泵的速度，rad/s. Cip 和Cep 是泵的内部与外部泄露系数，m3/(Pa·s)。 pp 是泵的输出端口压力，Pa。 Qbp 是泵的支路流量m3/s。 Qac 是HA的流量,and m3/s。AL是气缸驱动室的有效面积，m2。
博伊尔对此算法的准确表达是：
pa0V0n = pax(V0 plusmn; ∆V)n (4)
其中，pa0 是HA的预充气压力，MPa。 V0是在压力pa0下的气体体积,，m3。pax 是HA的压力, MPa. ∆V 是HA的体积变化, m3. 在本研究中，n是多营养指数，并且可以将n设置为1.4，因为将流量释放到多路阀的时间很短，不到5 s。 当HA充电时，在等式（4）中选择负号。
HA的流速可以通过相对于时间微分公式（4）来实现，如下所示：
n
Qac =
d∆V =
dt
plusmn;
1
V0 pa0 n (p )
ax
n
minus;1minus;n dpax
(5)
dt
当取消空闲模式时，HA是在初始阶段驱动负载的主要电源设备，即：
Qac asymp; vAL (6)
考虑到HA的压力可以满足时:
0.25pa2 lt; pa0 lt; 0.9pa1 (7)
其中，pa1 和 pa2 分别是HA的最小和最大工作压力。
然后，可以通过下式获得公式（5）中HA的压力变化率：
Qacn v · AL · n v · AL · n
dpax =
plusmn; asymp; plusmn; asymp; plusmn;
(8)
dt V0 pa0 n (pax)
1
minus;1minus;n
n
V0 · pa0
1
n · (pax)
minus;1minus;n
n
V0 · pa0
1
n · (1.2pa0)
minus;1minus;n
n
当多养指数n为1.4时，HA的压力变化率可改写为：
dpax
v · AL · 1.4 · pa0
v · AL · pa0
(9)
dt asymp; plusmn;
2.4 asymp; plusmn;
V0 · 1.2 1.4 0
minus;
V
从图2中可以看到，HA与负载之间的压差∆p等于HA的压力变化与电磁换向阀1，多路阀和油
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