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单斗液压挖掘机分工况节能控制系统
摘要：为了有效地控制单斗液压挖掘机在工作过程中的能量损失、减少液压系统的发热、改善工作性能，设计了一种单斗液压挖掘机分工况节能控制系统。该控制系统采用负荷传感，由微机判断挖掘机的工作状态，并据此控制发动机而达到节能的目的。该系统具有工况控制、短期超载控制、自动怠速控制、溢流控制等功能。
单斗液压挖掘机是重要的工程机械，具有作业灵活方便、适应范围广等优点。但由于单斗液压挖掘机作业工况复杂、作业过程中负荷变化频繁、变化范围大，因而存在着不少环节的能量损失，其中主要有：发动机—变量泵系统的非经济性匹配运行产生的损失、液压系统压力油的流量损失和压力损失。这些损失不仅浪费了能量，而且引起液压系统发热，工作性能恶化。为此，节能控制已经成为液压挖掘机的重点发展方向之一。
随着电子技术及微型计算机(单片机)技术在控制领域中的广泛应用，将液压挖掘机与电子技术、信号处理、预警技术及微型计算机有机地结合起来，对液压挖掘机实现在线工况检测、自动控制、故障诊断，可以达到节能和减轻司机劳动强度、提高工作效率的目的。
目前国外各大公司的挖掘机产品均不同程度地配备了电子节能控制系统，，如德国O&K公司的PMS系统、Link-Belt的CAPS系统;美国卡特皮勒的EPC系统;日本日立的OHS系统、粘松的OLSS系统、加藤的APC系统、神钢的ITCS系统;韩国大宇的EPOS系统等。
笔者针对上述挖掘机能量损失情况，采用单片机，以液压系统的压力为判断信号，来判断液压挖掘机的工作状态，进而由步进电机控制发动机的油门，从而使油门的开度始终处于适应负载的合适值上，达到节能的目的。
1 系统的组成
系统是在不改变液压系统和发动机内部结构的前提下进行的，其硬件框图如图1所示。
本节能控制系统采用了负荷传感，即以液压系统压力为判断信号，判断挖掘机的工作状态，由微机根据挖掘机所处的不同状态，通过控制步进电机的输入出，进而控制发动机油门，使发动机稳定在要求的转速附近，以达到节能和实现其它功能的目的。
由硬件框图可知，控制系统硬件的系统由单片机、I/O接口电路、A/D转换电路、信号调理电路、驱动电路、显示报警和光电隔离电路等部分组成。
1.1 单片机系统
单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性，而且片内集成有2K字节的电擦除闪存(Flash ROM)，价格低，目前性能价格比较高的单片机芯之一。
AT89C51的工作频率为6～40MHz。本系统利用单片机的内部振荡器外加石英晶体构成时钟源，为了工作可靠，晶体振荡频率选为12MHz。
为了满足控制接口的需要，本控制器又扩展了一片I/O口芯片，选有1C55，这有两个可编程的8位并行I/O口PA和PB、一个可编程的6位并行I/O口PC，通过设备其命令状态寄存器中的控制字来将它们分别定义成输入/输出口。
1.2 输入电路
输入电路由压力变送器、速度传感器、油门开度传感器、动力模式选择开关和参数设定开关等组成。
其中，压力变送器(CYR-1A型)负责采样液压系统的压力(两路)，经A/D转换后输入89C51，经过分析处理，来判别挖掘机的工作状况，发出相应的控制指令。
速度传感器(磁电式)负责采样发动机的转速，作为系统的反馈信号。由于磁电式传感器的信号较弱，需要设计调理电路(转换成标准的TTL)。另外传感器安装在挖掘机主轴齿轮(130齿)附近，如果直接接到89C51的中断口(INT0)，会使系统频繁中断，89C51工作繁忙，因此需要分频。本系统直接利用了81C55中的14位减数计数器进行130分频，相当于每转来一个脉冲，避免了上述现象。
油门开度传感器检测油门的位置，以便于发动机点火起动。它与油门的调速拉杆转动的角度对应，将其转换为电压信号，与内部程序设定值进行比较，打开钥匙开关，控制系统驱动步进电机带动油门的调速拉杆从零位调到起动位置。
系统设有高、中、低三个动力模式选择开关，相应的发动机功率为全功率的100%、88%和65%.当司机根据工作需要选定某一开关，计算机即可控制发动机使其稳定在相应的动力模式下。其中，中档是常用工作档。同时也是经济动力模式档，用该档工作时，发动机-液压泵系统处于最经济的匹配工作状态。
另外，系统还设计了对运行参数如液压系统的报警压力与极限压力、系统的采集时间、PID控制参数等进行在线修改的功能。利用EEPROM的存储功能进行保存，以便下次开机时，系统仍按着调节好的参数运行。操作者只要按下参数设置键与动力模式选择键的组合，即可完成修改。这种键盘的组合可以降低成本，减少面板的操作面积，提高系统的可靠性。
1.3 输出电路
输出电路的包括步进电机、显示器、工作指示灯与声光报警等。其中，步进电机控制发动机油门的位置;显示器显示两路液压系统的压力(3位，单位：MPa)与发动机转速(4位，单位：rpm);工作指示灯指示司机当前所选择的动力模式;声光报警提示司机当前液压系统的负荷已经超过所设定工作压力，要求采取相应的解决办法。
2 系统的功能
2.1 分工况节能控制
挖掘机是一种多功能的机械，进行的作业内容较多，如挖掘、装土、挖沟、填埋、装修、搬运、破碎和平地等;所遇到的作业对象——土质变化较大，如软性粘土、松砂质土、紧密沙质土、较紧密砂砾混合土、砂砾原石和软岩等;另外，使用方式和要求也不同，有时强调燃料经济性，生产率要求不突出，进行一般性的挖掘和装土作业;有时则重视精度和安全，在狭小场地进行操作，进行精细工作和微调作业。
为了适应不同作业和使用工况，需要进行分工况控制，根据作用工况和使用要求来选择不同动力模式。本系统按以下4种工况控制发动机：
(1)H工况：重负荷情况，追求最大作业量，发动机设置在最大转速，进行高速强力掘削、高速行走时使用。
(2)S工况：一般作业情况，要求发动机发挥88%最大功率，此时工作速率稍慢，此工况主要为了降低油耗和减少噪音。这也是常用工作档，同时也是经济动力模式档，用该档工作时，发动机-液压泵系统处理最经济的匹配工作状态。
(3)L工况：轻作业飞速，要求发动机发挥50%～70%的最大功率，此工况主要用于提高作业精度、进行微调控制和精细作用，在狭小场地工作时可保证安全性，噪音进一步降低。
(4)I工况：此为低怠速工况，主要用于暂停作用。
本系统通过动力模式选择开关，将选择的工况输入控制器，控制器控制发动机，使其稳定在相应的动力模式下。
2.2 短期超载控制
这是为提高挖掘机的工作效率而设置的。挖掘机液压系统设定的最高压力有一定的余量，当系统在短时间内超载工作时，一般不会对系统产生太大的影响，但不能长时间地超载工作，否则有可能影响系统和其他无器件的寿命及产生不良的后果。当液压系统压力超过设定的最高压力几Mpa时(大于24Mpa，小于27MPa)，挖掘机仍然工作一段时间(8秒)，以便工作装置能克服临时较大的阻力，提高效率。当超过设定的时间时，控制器自动将发动机转速降低到怠速状态，同时发出声光报警，以使让司机改变操作方式。当系统压力降低到最高设计压力以时，控制器自动使发动迅速恢复到原来的转速。
2.3 自动怠速控制
挖掘机在作业中，往往需要短暂停机，处于待命状态，例如等待自卸卡车或需进行某种准备工作等。这时所有操作杆在中位待命，发动机的能量白白浪费，为此，希望发动机转速能自动下降，处于低怠速状态。减少燃耗、降低噪音，这对发动机使用寿命也有好处。
控制的依据是：当各操纵阀均处于中位时，液压系统压力均小正常工作状态时的压力。为了确信挖掘机确实处于不工作状态，在测得液压系统压力小于设定的最低阀值时，控制器延时几秒钟后(4秒)才向步进电机出信号，使油门处于低怠速位置，以防系统脉动。当需进行工作时，只需操纵阀的阀标一动，发动机转速就自动复原，进入工作状态。
2.4 溢流控制
当液压系统压力接近或达到溢流阀开启压力时，智能控制器自动降低发动转速，以消除或减少溢流量。当发动机转速降低到系统设定的最低转速，如果还存在超载溢流时，发出超载报警。
通过前期的研究，已成功地开发了单斗液压挖掘机的分工况节能控制系统。本系统于1999年9月和11月两次在洛阳市中国一拖集团工程机械研究所WY-22型单斗液压挖掘机上进行试验，获得了成为满意的控制效果。现已安装成样机进行工作。
该系统还兼有改善挖掘机的操作性能和提高作业效率的作用。在操作中，司机一旦选定工作模式后，不管挖掘机处于什么工作状态，发动机均可由计算机控制，使之处于理想的工作状态，改善了操作性能。控制系统的短期超载功能既保证了系统的安全，又提高了挖掘机克服短时间超载的能力，使本来应该通过改变操作方式才能完成的某些消弱措施自动完成，从而节省时间，提高了效率。
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