工程机械先导手柄与发动机转速的自动协同控制

刘世亮，杨庆海，王宏宇

(郑州宇通重工有限公司，河南郑州 450016)

0 引言

目前市场上履带式工程机械发动机转速和液压系统是分别控制的。一般液压系统通过操作手柄控制液压系统执行机构速度，同时通过脚踏油门或手油门控制发动机转速，这不仅加大了驾驶员的劳动强度，还一定程度上造成不必要的燃油损耗。

司机在操作时，一般有两种方式：

(1)一边控制先导手柄，一边踩踏脚油门控制发动机转速。

(2)手油门到固定转速，然后操作先导手柄控制液压系统执行机构速度。

第一种方式：手脚配合操作，如果配合其他脚踏动作，操作强度和难度都有所增加。第二种方式：操作者调整手油门后很少频繁变化，可能会使设备长时间停在某一转速下，造成多余的燃油损耗[1]。

此控制系统的研究目的在于通过操作先导手柄直接控制发动机转速，在此过程中减少脚踏油门的控制、降低操作强度，通过手柄操作液压系统的同时控制发动机转速，可做到发动机闲时怠速、工作时转速自动变化，减少发动机空载时的燃油损耗，可起到节能减耗的作用。

自动协同控制通过一定的控制算法，通过操纵先导手柄实现对发动机转速和液压系统协同控制，取消了脚踏操作，用于降低操作强度和油耗。根据手柄的位置判断，可做到发动机闲时怠速、工作时转速自动变化的控制功能。同时结合发动机油耗功率曲线，优化控制发动机转速变化，可进一步提高燃油利用率，起到节能减耗的作用。

1 发动机转速半自动控制

1.1 控制说明

首先用翘板开关或按钮设定发动机目标转速。控制器记忆目标转速后，如果先导手柄无动作，发动机短时间保持目标转速后回到怠速状态；然后发动机在怠速状态时，如果先导手柄发生位移，无论位移变化多少，发动机转速自动变化到之前设定的目标转速值；如果先导手柄再次回到中位，发动机转速重新回到怠速状态[2]。

1.2 实现的控制目标

通过操作手柄控制液压系统和发动机转速，做到液压系统和发动机转速协同控制。液压系统工作时发动机自动调节转速到设定目标值，闲时自动恢复怠速的控制功能。

1.3 硬件结构

硬件结构如图1所示。

(1)设置油门控制开关，此开关可调节发动机转速提升和下降。

(2)设置中央控制器，油门控制开关通过数字量输入接口连接在控制器上，同时控制器与发动机间通过CAN总线通信，并通过CAN总线油门控制发动机转速。

(3)手柄工作/位置变化监测装置，用于判断液压系统是否在工作状态。可以是压力开关或手柄使能按键。

1.4 控制原理和过程

(1)油门控制开关为双向自复位开关，分别标志为转速增和转速减。开关增向触发一次，则发送一个增脉冲信号给控制器；开关减向触发一次，则发送一个减脉冲信号给控制器。控制器接收到脉冲信号后，通过发动机转速控制程序，接收1个增脉冲，则设定转速增加一个固定值；接收1个减脉冲，则设定转速减少一个固定值。将设定的转速值标志为目标转速，并记录此转速。通过缓冲器将目标转速赋值给发动机总线油门输入信号，并通过CAN总线发送给发动机控制器。发动机控制接收到总线油门输入信号后，根据发动机控制要求改变发动机转速。

(2)控制器设计转速延时功能，当油门控制开关每触发一次，则发动机目标转速上升或下降固定值，同时发动机实际转速达到目标转速。同时触发延时器，设定延时时间为Ns，当转速保持目标转速Ns后，控制发动机转速回到怠速状态。另外如果油门控制开关再次触发，则延时器重新计时。因手柄位置变化导致的转速变化则不需要延时控制。

(3)当检测手柄位移变化液压系统开始工作时，将工作信号发送给控制器。控制器接收到工作信号后，通过计算将之前设定的目标转速，通过PID控制器制赋值给发动机总线油门输入信号。并通过CAN总线发送给发动机控制器，发动机控制器接收到总线油门输入信号后，改变发动机转速达到目标转速值。使能按键断开或手柄回到中位时，控制器接收到闲置信号，控制器将怠速转速赋值给发动机总线油门输入信号。并通过CAN总线发送给发动机控制器，发动机控制器接收到信号后，改变发动机转速达到怠速转速值。

(4)根据发动机油耗、转速关系，以及发动机维护保养的要求自动控制发动机的闲时转速。根据发动机维护保养要求，可控制发动机启动后，未进行转速控制时，发动机怠速运行5 min后，自动变化为低油耗转速；或者液压手柄操作回到中位时，发动机转速停留在低油耗转速，不再回到怠速状态。该控制器可起到保护发动机同时提高燃油利用率、降低油耗的作用[2](发动机控制要求：发动机启动后需保持怠速状态运行3～5 min，发动机工作时在怠速状态应不大于10 min)。控制流程如图2所示。

1.5 目的及意义

(1)在工程机械设备上，尤其是需要脚部操作较多的设备，通过此控制系统，可以减少对脚踏油门的控制，方便进行其他操作，降低操作者的操作强度。

(2)结合发动机转速、油耗、保养等要求，合理控制闲时发动机转速，可起到提高燃油利用率、保养发动机、降低油耗的作用。

(3)此方案控制过程简单，不需要考虑发动机扭矩、功率要求，不需要检测手柄位移百分比。对于配置电喷发动机的设备，基于原有设备即可实现，不需要增加或少量增加电器元件即可实现。缺点是不能根据需求适时调整发动机转速。但根据工程机械粗放的控制需求，仍可满足设备一般控制需求。

1.6 控制系统需要注意的问题

(1)手柄上设置使能按键或手柄中位检测装置，用于发出液压系统工作指令。并且此工作指令发出时间应略提前于液压电磁阀的开启。便于发动机提前变速，防止动作启动时憋车[3]。

(2)油门调速翘板开关，可用双向自复位翘板开关或2个自复位按钮实现。最优的设计位置是手柄上，便于驾驶员操作。如条件不允许也可设置在扶手箱便于操作的位置上。转速不设置断电记忆功能，电源重启后需重新调整。

(3)发动机转速需支持电控。电喷发动机可通过CAN总线信号控制发动机转速；非电喷发动机需配置有能够通过电气控制发动机转速的控制装置。

1.7 节能效果的理论计算

设定1 h、800 r/min怠速下油耗为m1，1 h、1 200 r/min转速下油耗为m2，1 h、1 500 r/min转速下油耗为m3，1 h、1 800 r/min转速下油耗为m4，则：

m1=218×1×1=218 g

m2=198 ×1×1=198 g

m3=210×1×1=210 g

m4=201×1×1=201 g

假设设备1 h不工作，通过以上参数可知，当系统不工作时，发动机输出功率不变，转速为1 200 r/min时发动机油耗最低。与其他值比较油耗百分比分别为90.8%、94.2%、98.5%。因此结合驾驶员的操作习惯和发动机的参数使用此方法可节能1%～5%。

2 发动机转速自动控制

2.1 控制说明

此控制方案在上述方案的基础上，增加发动机转速随手柄位移变化的自动控制功能。通过分析发动机扭矩、功率、油耗与转速的关系，以及液压系统对扭矩、转速的控制需求，通过对先导手柄位移百分比的判断，实现对发动机转速按需自动控制的功能。

首先，参考上述方案设置目标转速的方法，根据设备不同工况下对速度、扭矩方面不同的需求，设置手柄最大位移时对应的发动机转速。常用发动机转速一般为800～2 200 r/min。在手柄从0～100%变化过程中，发动机转速会经历从最小到最大的变化，且此过程对转速控制的灵敏度较高。但在有些工况下，不需要发动机转速太高，而且发动机转速变化过度灵敏也不便于设备的精细操作和控制。因此设计手柄位移最大时发动机转速值调整功能，降低手柄对转速的控制灵敏度，提高手柄的精细控制功能。

其次，设计手柄位移、液压系统输出与发动机转速控制间的数学模型。根据协调三者间的关系实现手柄、液压泵、发动机转速间的优化控制。分析发动机、液压系统的控制曲线，功率、扭矩、转速间的关系并不是全线性关系。该方案的设计关键在于数学模型的创建。协调好手柄-发动机转速-液压系统控制间关系，才能实现发动机转速最优控制功能。

2.2 控制目标

发动机转速跟随手柄位移变化，结合液压系统控制需求和发动机转速曲线，实现手柄-发动机转速-液压系统的最优控制。

2.3 硬件结构

优化设计方案的硬件结构如图3所示。

(1)手柄位移检测装置：将手柄的位移信号转换为电信号。

①液压先导手柄。使用液压先导手柄，首先需将液压手柄的位移量转化为电信号。液压先导手柄的控制原理是根据手柄位移量控制先导节流阀的输出控制压力，再通过先导压力变化实现主阀开口的变化控制。根据先导手柄的位移与控制压力的线性控制关系，可根据先导控制压力变化判断手柄位移量。

②电控先导手柄。使用电控先导手柄，根据电控手柄的控制原理，直接采集手柄电信号即可判断手柄位置。

(2)设置油门控制装置，此装置可调节发动机转速提升和下降。

(3)设置中央控制器，用于控制信号的检测、判断、计算和实现发动机转速的控制。油门控制装置、手柄位移检测装置可通过CAN总线或模拟信号连接在控制器上。控制器与发动机间通过CAN BUS总线通信，并通过CAN总线信号变化实现发动机转速控制。

2.4 电气系统控制过程

(1)油门控制开关为自复位开关，开关触发一次，则发送一个增或减的脉冲信号给控制器。控制器接收到脉冲信号后，将信号发送给发动机转速控制程序，经过计算和缓冲控制得出发动机设定转速。控制器记录此转速并标识为目标转速，同时将目标转速转化为发动机总线油门输入信号，并通过CAN总线发送给发动机控制器。发动机控制器接收到总线油门输入信号后，控制发动机当前转速与目标转速相同。

(2)控制器设计设定转速延时功能，当油门控制开关每触发一次，发动机转速上升或下降固定转速。同时触发延时器，设定延时时间为Ns，当目标转速保持Ns后，控制发动机转速回到怠速状态。另外只要油门控制开关触发，则延时器重新计时。如果是因手柄位置变化导致的转速变化则不需要延时控制。控制程序逻辑图如图4所示。

2.5 控制逻辑

控制器接收到手柄位置信号后，通过数学模型对此数据进行计算。根据最大转速设定值和手柄位移，实现发动机转速的变量控制。控制器将计算好的发动机转速输出值赋值给发动机总线油门输入信号。并通过CAN总线发送给发动机控制器。发动机控制器接收到总线油门输入信号后，根据发动机控制要求改变发动机转速达到目标转速值。当手柄回到中位时，控制器接收到闲置信号，通过计算和PID控制器将怠速转速赋值给发动机总线油门输入信号。并通过CAN总线发送给发动机控制器。发动机控制器接收到总线油门输入信号后，根据发动机控制要求改变发动机转速达到怠速转速值。

2.6 程序中设计缓冲模块

缓冲模块起到缓冲的作用，降低转速变化灵敏度，防止手柄位移变化过快导致发动机转速阶跃变化，降低转速迅速变化对负载速度变化的影响。

2.7 发动机转速-手柄-液压系统的数学模型

以某款康明斯发动机为例。转速曲线如图5所示。手柄位移与发动机转速曲线需满足以下要求：

(1)手柄位移为0时，发动机转速应控制在低油耗转速。按照发动机曲线图转速应为1 200 r/min。另根据电喷发动机控制要求，启动后应在低怠速下运转3～5 min，并且发动机在怠速下运行应不大于10 min。因此在此设定，发动机启动后，转速保持低怠速，此时开始计时，当时间大于5 min转速自动调节到1 200 r/min，同时手柄发生移动并回位后转速自动保持在1 200 r/min。

(2)手柄位移为100%时，发动机转速达到最大。

(3)发动机输出最大扭矩时发动机转速应为1 200～1 500 r/min。当发动机转速达到1 500 r/min，发动机功率为236 kW，为最大功率的88.7%。

根据发动机扭矩曲线，发动机转速提升，扭矩下降，主阀开口度增加。在提升大负载时可能出现发动机扭矩不够、提升无力、发动机憋车的问题。此时可以增加功率极限载荷控制加以干预，其控制过程是减小主泵摆角、主阀开口或降低发动机转速，从而降低液压系统功率(此过程也可人为实现)。

在液压系统匹配中，通常采用恒功率变量泵实现节能的目的，变量泵的功率设定值往往在发动机最大功率的80%左右，所以，液压系统在正常的工作中不会出现超功率的现象，但会出现超扭矩的情况，所以先导手柄与发动机转速自动控制的重点在于不让其超扭矩。

在工程机械的工作中，人们实际追求的是速度与力，作用在发动机的最终体现是转速与扭矩，所以建立了如图6所示的数字模型图，将控制逻辑分成2个部分进行。

(1)A-X阶段

此段阶为发动机转速由低速向高速变化的过程，也是扭矩逐步增大的过程，即先导控制手柄与发动机转速呈正比例关系，当手柄推至点X时，发动机转速增加到相应转速点；A-X阶段为速度优先阶段，为了追求施工效率，在控制器中编写两者的线性关系实现速度的快速提升。

另外，当手柄位移变化的过程中，检测变量泵的排量与变量泵的出口压力，通过控制器计算此刻泵所需求的输入扭矩与发动机在此转速下扭矩比较值，当发动机扭矩减去变量泵所需扭矩值小于设定常数Δn时，控制器优先考虑让发动机加速使下列公式成立

N发动机-N泵>Δn

(2)X-B阶段

当手柄位移超过设定值点X后，将会追求扭矩优先，随着先导手柄位移加大，发动机转速也随之增速，以达到效率最大化，控制器的逻辑与上阶段类同，但当出现发动机扭矩减去变量泵所需扭矩值小于设定常数Δn时，控制器优先考虑让发动机减速使上述公式成立。

3 结论

(1)在工程机械设备上，尤其是需要脚部操作较多的设备，通过此控制系统，可以减少对脚踏油门的控制，方便进行其他操作，降低操作者的操作强度。

(2)可根据发动机油耗曲线设定闲时转速，发动机转速只在实际工作时变化，减少非必要的转速变化，间接提高燃油利用率，降低油耗。

(3)优化了手柄位移与发动机转速间的控制关系。发动机转速随手柄位移变化，降低发动机转速阶跃变化对系统的冲击，使控制过程更流畅。