摘  要： 通過對目前廣泛應用于液壓挖掘機的幾種節(jié)能控制方法的深入分析，提出了一種基于轉差分頻原理的挖掘機聯(lián)合功率匹配節(jié)能控制方法，研究了負流量控制系統(tǒng)聯(lián)合功率匹配的機理，探討了轉差分頻原理在液壓挖掘機上的工程實現(xiàn)。
關鍵詞： 液壓挖掘機；節(jié)能；轉差分頻；聯(lián)合功率匹配

    液壓挖掘機是一種大功率、高能耗的工程機械，由于其液壓系統(tǒng)中存在各種形式的功率損失，會不同程度地降低挖掘機液壓系統(tǒng)的使用效率。挖掘機工作時，在不計沿程阻力的條件下，液壓系統(tǒng)的最高效率可達95%以上[1]。但由于挖掘機工況復雜，負載變化較大，因此液壓系統(tǒng)的效率變化也非常大。液壓挖掘機采用節(jié)能技術不僅能有效地降低燃油消耗率，還能減少液壓系統(tǒng)功率損失，提高發(fā)動機功率的利用率，使動力系統(tǒng)與負載所需功率更好地匹配，從而降低發(fā)動機和液壓元件的工作強度，減少系統(tǒng)發(fā)熱，提高設備正常使用的可靠性。因此， 國內外挖掘機行業(yè)對挖掘機節(jié)能技術都十分重視。
    我國目前節(jié)能控制的研究以產業(yè)需要、國內市場為導向，因此基于負流量控制系統(tǒng)的挖掘機節(jié)能控制系統(tǒng)依然占主導地位。本文基于川崎的負流量控制系統(tǒng)，利用油門控制的滯后性和閥門控制的實時性特點，提出了一種新的聯(lián)合功率匹配控制策略，使轉速可以得到實時控制，達到節(jié)能目的。
1 目前國內液壓挖掘機轉速控制策略
    當前，很多國外知名挖掘機廠家以合資或者獨資的方式大舉進入中國市場，但其核心控制技術卻一直處于封鎖狀態(tài)，相關說明文獻也少之又少。因此，下文就目前國內挖掘機節(jié)能控制研究中所提到的控制方法進行分析總結，其中具有代表性的有以下幾種：
    (1)運用全制式調速器和調速曲線共同作用的控制方法是一種比較傳統(tǒng)的控制方式[2]，當外負荷的增加使轉速略有下降時，調速器就使供油量調節(jié)拉桿向加油方向移動，阻止轉速下降。當負荷增加到調速器不再起作用，即供油量已增加到最大值，轉速已然明顯下降，此時柴油機將沿著外特性曲線工作。
    (2)根據(jù)工況的變化，來引起負載壓力、起調壓力以及泵出口壓力的變化，然后再根據(jù)這些壓力的變化來調節(jié)變量泵的排量或者控制發(fā)動機的調速拉桿使得泵的吸收功率與柴油機的輸出功率盡可能地匹配[3-6]。
    (3)利用閥門和油門的聯(lián)合控制方法來控制轉速，使其一直工作在最佳工作點是一種比較流行的控制策略[7-10]。在外負載較小時，系統(tǒng)通過調節(jié)發(fā)動油門去適應負載的需求；而當外負載很大時，一方面增加發(fā)動機的功率輸出，另一方面則適當?shù)卣{節(jié)變量泵排量的大小降低其功率吸收，從而避免出現(xiàn)發(fā)動機因過載熄火現(xiàn)象。這樣可使發(fā)動機在整個轉速范圍內都能適應負荷變化，保持最佳的功率利用率及良好的動力性和經(jīng)濟性，同時使液壓系統(tǒng)具有了較高的傳動效率，整個負荷驅動系統(tǒng)也具備了較好的自適應能力和綜合性能指標。
    (4)紀云峰等人提出的控制策略是將柴油機、變量泵、負載作為一個系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的匹配原理和方法，實現(xiàn)柴油機—變量泵—負載三者的一致匹配[11-13]。該策略以泵出油口壓力為依據(jù)，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)與工況的自適應控制;以轉速傳感控制方式實現(xiàn)了發(fā)動機與泵的功率匹配;以變量泵出口流量為依據(jù)，由微機控制調節(jié)多路閥閥口開度，實現(xiàn)了負載-泵的功率匹配。
2 基于轉差分頻原理的功率匹配算法
    綜合上述各種控制方法了解到，目前的轉速控制策略的熱點在于對油門和閥門的組合控制。由于油門控制的滯后性和閥門控制的實時性，本文提出了一種新的組合控制策略，使轉速可以得到實時控制，達到節(jié)能的目的。
    經(jīng)過相關文獻的分析查找，圖1所示是挖掘機在一段時間上的平均液壓負載功率，圖2是在圖1的橫坐標上取出一小段所得到的液壓挖掘機負載功率。從兩圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機功率曲線具有高頻和低頻部分，并且功率的低頻部分明顯與高頻部分分離。波形與發(fā)動機對應功率曲線近似一致。也就說明了發(fā)動機的功率可以近似看作是兩種信號疊加控制所得到的。

    在挖掘機節(jié)能控制方面，可以通過控制油門來調節(jié)發(fā)動機的輸出功率，也可以通過改變變量泵的排量來調節(jié)系統(tǒng)的吸收功率。通常由發(fā)動機實時動態(tài)地適應載荷變化比較困難，這也是目前節(jié)能控制上的一個難題。所以，根據(jù)曲線波形特征分析，提出低頻部分通過改變發(fā)動機輸入功率來控制，高頻部分通過調節(jié)液壓泵吸收功率來控制的控制策略。對于轉差信號的分頻處理，可以用小波分析、濾波處理和傅里葉變換三種方式來實現(xiàn)。圖3所示為轉差分頻控制策略結構框圖。

3 研究中所要解決的關鍵問題
3.1 轉差分頻節(jié)能控制方法的完善
    本文所研究的轉差分頻控制策略是在頻率范疇內提出的，沒有考慮到節(jié)能控制點的位置。后期的研究主要是如何在節(jié)能控制點的基礎上進行轉差的分頻控制，來達到節(jié)能的目的。
3.2 節(jié)能控制算法實時性問題
    對于挖掘機轉差信號的分頻處理有傅里葉變換、小波分析和濾波處理3種方法。后期的研究要綜合分析各種方法的整體性能，找出一種既能滿足信號處理的準確性，又能滿足系統(tǒng)控制的實時性的處理方案。
    本文首先說明了液壓挖掘機在工程領域的重要性，闡述了其節(jié)能控制的必要性。其次，總結了目前國內挖掘機研究所提到的各種節(jié)能控制策略，并提出了基于轉差分頻原理的挖掘機節(jié)能控制算法。最后，說明了完善該控制策略，后期所需要解決的兩個關鍵問題。該控制算法在實時性方面有了很大的提高，為以后發(fā)動機轉速的實時控制打下了堅實的基礎。
參考文獻
[1] 王爽，李志遠，余新旸.液壓挖掘機負流量控制系統(tǒng)的節(jié)能分析與實現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2006，29(2)：213-216.
[2] 孫延偉.液壓挖掘機節(jié)能控制系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學，2004.
[3] 張棟.基于功率匹配的挖掘機節(jié)能控制技術的研究[D].長春：吉林大學，2005.
[4] 高峰，馮培恩，潘雙夏，等.液壓挖掘機節(jié)能控制技術的研究[D].杭州：浙江大學，2001.
[5] 蘇秀平，李威，楊雪峰.挖掘機電子節(jié)能控制技術及其控制新方法[J].工程機械，2009，40(8)：22-24.
[6] 郝鵬.液壓挖掘機動力系統(tǒng)匹配及節(jié)能控制研究[D].長沙：中南大學，2008.
[7] 吳曉健.液壓挖掘機功率控制節(jié)能技術研究[D].長沙：中南大學，2005.
[8] 何清華，常毅華，郝鵬.液壓挖掘機恒功率與變功率協(xié)調控制節(jié)能系統(tǒng)研究[J].建筑機械，2006(5)：55-58.
[9] 湯振周.液壓挖掘機發(fā)動機與液壓泵的合理匹配的研究[J].長春工程學院學報(自然科學版)，2008，9(4)：35-38.
[10] 黃新磊，胡軍科，陳鶴梅，等.匹配發(fā)動機的液壓泵復合式控制特性研究[J].計算機仿真，2011，28(9)：386-389.
[11] 紀云峰.液壓挖掘機動力系統(tǒng)的節(jié)能控制研究[D].長沙：中南大學，2004.
[12] 尚濤，趙丁選，肖英奎，等.液壓挖掘機功率匹配節(jié)能控制系統(tǒng)[J].吉林大學學報（工學版），2004，34（4）：592-596.
[13] 王冬云，潘雙夏，林瀟.液壓挖掘機功率匹配與動力源優(yōu)化綜合控制策略[J].農業(yè)機械學報，2009，40（4）：91-95.