工程机械电子节能控制技术研究

杨哲

[摘 要]本文分析了工程机械功率运作流程，在此基础上引入了广义节能概念，并介绍了基于广义节能概念下的工程机械全电控节能技术以及分布式节能控制技术，实现工程机械的全面节能。

[关键词]节能控制；工程机械；电子

[中图分类号]TM921.5 [文献标识码]A [文章编号]1005-6432（2014）27-0041-02

随着技术进步，现代工程机械要求更高的操作性能，更好的舒适性以及更低的能量消耗。但是当前如何通过机械控制系统来实现局部能量最优化技术，我国和国外先进技术之间存在有很大的差距。

1 广义节能的概念

1.1 广义节能的定义

廣义节能对工程机械四个方面有要求：效率、动态匹配、作业效率和不同功率流之间的有效配合。

工程机械全部的能量传送和转变的首要目的是对外界做有效功，即向外输出有效功率。工程机械之间大多是不同执行机构协同工作，输出有效功率往往取决于两个因素：功率的传递效率和不同功率支流之间的配合效率。现有的节能控制大多专注于如何有效地传递功率和匹配供需双方功率上，而忽略了不同功率流之间的有效配合。

作业效率的定义是工程机械在单位时间内的作业量。提高作业效率往往会降低节能性。因此要比较节能性要在相同的作业效率下比较，这样的结果才是可信的。

由以上分析可知，节能不只是取决于功率传递的效率和功率供求两方的动态匹配，还决定于不同功率流之间的有效配合，作业效率高低也会影响节能效果。

1.2 以柴油机为例的工程机械功率流控制现状

从能量转换的定义上分析，工程机械的工作过程是不同能量形式相互转换、传递和对外输出功率的过程。想要分析工程机械的节能效果就要分析其功率流（见图1）。

图1是以柴油机为例的工程机械工作功率流。对于使用柴油机当做动力源的工程机械，输出的动力最终来自储存在柴油中的化学能。柴油机将柴油的化学能转换为机械能，以转速和转矩的形式表达出来。这是柴油机的基本能量转换过程。

目前采用的柴油机节能方法是全程调速或电控喷油等控制技术，这些技术能够有效地改善柴油机工作性能，降低油耗。采用液压泵吸取柴油机的机械能并将其转变为液压能，以流量和压力的形式表现出来，一般采用恒定功率控制、压力切断、正流量控制等控制策略改善泵的工作性能。

柴油机是能量的供方，而液压泵是能量的需方，实际工作中对柴油机和液压泵使用转速感应控制或功率极限载荷控制等方法，以改变二者联合工作时的高能耗现状。而液压泵与液压阀是流量的供求双方，其中液压泵供给流量而液压阀需求流量。具体工作过程是液压阀吸取液压泵输出的液压能，然后液压系统的压力和流量等被调节至合理值进而输送给相应的执行机构。这个过程中大多使用变化流量控制方法以协调运转多执行机构，有些情况也会使用 LUDV 技术从而减少并联回路中负载变化对流量分配的影响。在这个系统中，液压阀直接由操作者控制。因此，液压泵和液压阀是流量的供方和需方的关系。

为了协调这种供需关系，大多使用负流量控制策略或负荷传感控制策略。液压阀输出液压进而被油缸或发动机吸收，并向外输出机械能，机械能以力和位移或转速和转矩的形式表现。这些机械能中的一部分或全部对外界载荷做功，执行机构对外载荷的有效做功组成了有效功率。这就是柴油机工作过程中的功率流过程分析。由此可见，现在的元件效率控制技术、子系统功率控制技术和部件功率控制技术不能协调整机进行节能分析，只能在自己工作范围内达到局部最优值。

2 工程机械全局节能控制系统

2.1 全局节能控制系统

全局节能对于加强机械工作性能，降低能耗具有重要意义。为了建立广义节能定义下的全局节能控制系统，要将整机和外界负载作为研究对象，并将节能目标设定为传统节能控制技术、多执行机构的协同控制以及作业效率，达到最优节能效果。

为了方便对节能效果进行定量分析，可以定义全局节能指标如下：

全局节能指标=对外有效功/（油耗×作业时间）=有效功率/油耗

从以上定义式可以看出，全局节能指标指的是单位时间单位油耗的工况下机械对外输出的有效功。这个定义考虑了传统节能控制技术、多执行机构的协同控制以及作业效率三个方面的内容，能够全面地评价工程机械能耗特性。

全局节能目标的实现可以划分为三个小目标，即协同作业目标，作业效率目标以及传统节能目标。每个小目标还可以再往下细化为系统目标，部件目标和元件目标，对工程机械里面每个部件的协同作业情况，作业效率情况和能耗情况进行实时的控制，从而达到实现全局节能的效果。

2.2 全电控系统电子节能控制技术

传统的节能控制已经能够达到局部最优，因此要想取得更大的节能成果只能突破传统节能控制技术，可以从以下三个方面实现：

①改变固定参数功率匹配方法，实现不同工况下的动态功率匹配；

②使用作业模式识别技术，即在不同作业模式的动态功率分配系统；

③以操控人员的操作意图为出发点，建立不同操作模式的作业效率管理系统。

以上目标的实现可以通过全电控节能控制技术和分布式节能控制技术来改善传统节能控制效果。

2.2.1 全电控节能控制技术

全电控节能控制技术的实现使用电控喷油柴油机和电比例液压泵、电比例控制阀、电比例液压发动机。在全电控的能量传递条件下能够达到硬件功能的最小化的效果，增加硬件的通用化程度，达到更深入的感知和更全面的智能控制效果。因为电控系统中的控制功能和专用功能是由系统软件实现的，所以在机械工作过程中根据实时工况和操作意图在线调节控制参数，实现参数匹配柔性化，以获取更好的、全面的、广泛的节能效果。

2.2.2 分布式节能控制技术

全电控节能控制技术虽然能够实现对整机节能的控制，但是控制程序需要处理液压系统的实时压力信号，要求控制系统有很高的响应速度，目前技术水平仍然难以满足对压力信号实时处理的要求。

为加快对机器运转数据处理速度，可以开发基于总线的液压泵控制器、液压阀控制器和发动机控制器，也就是说每个控制器都连接了高速总线，加快处理速度。

基于总线的分布式控制系统的结构如图2所示。

图2中发动机控制器根据发动机的实时工况数据和用户操作意图改变发动机喷油多少，并将处理数据输送到总线，同时从总线上收取其他控制器的控制命令；液压泵控制器和液压阀控制器也执行类似的操作。基于总线的分布式控制系统可以有效地增加控制信息的运算和传送速度，满足全电控节能控制系统对数据处理速度的要求。

3 结 论

传统节能控制只能达到局部最优化，无法实现全局的能耗控制。基于全局式节能控制系统的定义设计的全电控节能控制系统与分布式节能控制系统能够实现基于动态功率和动态工况的节能控制模式，为工程机械节能指明了发展方向。

参考文献：

[1]黄宗益，李兴华.液压挖掘机节能措施[J].建筑机械化，2004（8）：50-53.

[2]吴志亮，赵建民，李庆文.工程机械电子节能控制技术的发展趋势探讨[J].中国科技信息，2008（19）.