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液压挖掘机节能控制系统研究

作　者: 孙延伟
导　师: 宫文斌
学　校: 吉林大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 功率匹配液压挖掘机变量泵系统建模数字PID 积分分离PID PWM
分类号: TU621
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

进入21世纪，由于工业的发展，全球对石油、煤炭、电力等能源的需求不断增加，许多国家都面临着能源短缺现象。在我国更是如此，由于能源不足，许多省份已经开始拉闸限电。可见，在国民经济的各个环节，实施节能技术已经是一个迫在眉睫的问题。而且自改革开放以来, 随着我国国民经济的发展和国家经济建设的需要,对液压挖掘机需求量不断增加。而国产液压挖掘机由于技术落后，与国外一些知名企业生产的液压挖掘机相比,效率较低，能源浪费现象较严重。正因为此，为了改变国产液压挖掘机效率低的状况，在徐工集团的资助下，我们研究开发了液压挖掘机节能控制系统。液压挖掘机动力系统是由柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给有关液压执行元件驱动相应的机构进行工作的。现在，国产大中型液压挖掘机一般采用柴油机驱动变量泵进行工作。工作时，柴油机油门位置基本上都由驾驶员根据经验设定，很少改变。造成大部分情况下柴油机输出功率大于实际所需功率，造成大马拉小车现象，引起功率浪费。为了改变这种由于柴油机和变量泵功率不匹配造成的功率浪费现象。本文首先分析了柴油机的全负荷速度特性、柴油机部分负荷速度特性和变量泵特性，同时也对液压挖掘机回转制动过程特点进行了深入了解。其次，又对液压挖掘机一个作业循环中各个工况的特点进行了详细分析。在以上分析的基础上，结合液压挖掘机自身特点和工作环境，开发了液压挖掘机节能控制系统。本系统由柴油机油门控制单元、柴油机转速控制单元和功率切换控制单元组成。转速控制的实质是根据由外负载变化引起的柴油机转速的变化来调节变量泵排量，从而使柴油机转速保持在设定值下，实现转速的闭环控制。油门控制单元主要是根据设定值与实测油门位置的偏差量对油门进行微动控制，使油门位置基本稳定。作业循环内功率切换控制单元主要是通过检测变量泵出口压力值和回转机构中位制动信号，将每个作业循环区分为两个过程，过程1按选定模式下各参数值进行控制，过程2按空斗回转工况实际所需功率值进行控制。 <WP=75>在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部物理量之间的数学表达式。得到这个数学表达式后，就可以对系统性能进行分析。系统仿真是为了给实验和实践一个指导，它可以使人们在设计工作中少走弯路，及时对系统各个参数进行修改。虽然，仿真结果并不能完全与实践相符合，但却从理论上给出了进行系统修改的方向。为此我们建立了油门控制单元的数学模型。由于柴油机在工作过程中发生着复杂的物理、化学变化，以至很难用一个精确的数学表达式来描述其工作过程中的特性。因此，我们采用曲线拟合的方法建立柴油机转速和转矩之间的关系公式，并给出了拟合曲线与公式。一个控制系统性能的优劣是由组成它的硬件和软件系统共同决定的。正因为此，本文在分析了系统特点后，对硬件和软件系统进行整体考虑，本着硬件实现方法简单、可靠，软件运算速度快、结构好，软件硬件更加协调的原则，对这两个部分进行了精心设计和开发。并且，对于不能在挖掘机上进行实验的电路模块，都模拟真实情况进行了多次实验，并取得了很好的效果。在以上工作的基础上，考虑到油门控制系统和转速控制系统本身都是一个大滞后系统，且不允许有大的超调量。我们在对控制模型加入PID调节器进行各个参数的仿真后，根据各个参数变化而引起的系统性能的变化，结合控制理论，选用积分分离数字PID控制算法对系统进行了控制，取得了不错的控制效果。在此，希望本文所做的工作能带给同行们一定的参考价值。

全文目录

第一章绪论  7-19
  1.1 引言  7
  1.2 我国液压挖掘机的发展历史与现状  7-8
  1.3 液压挖掘机的基本组成与工作原理  8-9
  1.4 液压挖掘机液压系统分析  9-12
    1.4.1 定量液压系统  10
    1.4.2 变量液压系统  10-12
  1.5 国内外研究现状  12-17
    1.5.1 国外挖掘机功率匹配控制研究现状  12-16
    1.5.2 国内挖掘机功率匹配控制研究现状  16-17
  1.6 本论文主要研究内容  17-19
第二章液压挖掘机节能控制系统总体方案设计  19-31
  2.1 引言  19-20
  2.2 柴油机特性  20-23
    2.2.1 柴油机速度特性  20-21
    2.2.2 柴油机负荷特性  21-22
    2.2.3 柴油机调速特性  22-23
  2.3 变量泵特性分析  23
  2.4 变量泵-柴油机功率匹配分析  23-26
  2.5 液压挖掘机回转制动系统分析  26-27
  2.6 系统总体控制方案  27-30
    2.6.1 油门控制单元  29
    2.6.2 转速控制单元  29-30
    2.6.3 作业循环内功率切换控制单元  30
  2.7 小结  30-31
第三章液压挖掘机节能控制系统硬件设计  31-42
  3.1 引言  31
  3.2 发动机转速控制(主控)单元设计  31-34
    3.2.1 微控制器的选择与设计  31-32
    3.2.2 转速测量电路设计  32-33
    3.2.3 比例减压阀驱动电路设计  33-34
  3.3 油门控制单元电路设计  34-39
    3.3.1 油门执行器的选用  34
    3.3.2 直流伺服电机PWM控制  34-39
  3.4 作业循环内功率切换控制单元电路设计  39-41
  3.5 小结  41-42
第四章液压挖掘机节能控制系统建模  42-53
  4.1 引言  42
  4.2 发动机转速控制系统模型建立  42-51
    4.2.1 变量泵排量控制机构建模  43-47
    4.2.2 柴油机力矩－转速模型的建立  47-51
  4.3 油门控制系统建模  51-52
  4.4 小结  52-53
第五章系统软件设计及算法分析  53-65
  5.1 引言  53-54
  5.2 PID控制方法  54-57
  5.3 油门控制单元软件设计  57-60
  5.4 主控单元软件设计  60-64
  5 5 小结  64-65
第六章实验与仿真  65-68
  6.1 引言  65
  6.2 发动机油门位置控制试验  65-66
  6.3 发动机转速控制的SIMULINK仿真  66-67
  6.4 小结  67-68
第七章论文结论  68-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
摘要  74-76
Abstract  76-78

液压挖掘机节能控制系统研究

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